Экологически совершенные горелочные устройства камер сгорания

Наряду с известными требованиями, предъявляемыми к камерам сгорания ГТУ, в последние десятилетия остро встала проблема улучшения их экологических характеристик и, в первую очередь, ограничения вред­ных выбросов оксидов азота (NO_X) и углерода (СО).

Высокая полнота сгорания (η_к.c) означает отсутствие в продуктах сгорания твердых частиц углерода (С) и малое содержание угарного газа (СО), т.е. максимальное окисление СН₄ в Н₂О и СО₂. Такие результаты достигаются высоким уровнем средних температур среды в зоне горения (1450 - 1500°С). Традиционная конструкция диффузионного горелочного устройства представлена на рис. 4.12. Оно состоит из раздающей топливо горелки (1) и расположенного вокруг нее лопаточного завихрителя первич­ного воздуха (2). Струи топлива проникают во вращающийся поток возду­ха, при помощи механизма диффузии смешиваются с ним и воспламеняют­ся. Первоначальное зажигание осуществляется искрой (иногда - непосред­ственно от электрической свечи), далее горение самоподдерживается вы­сокой температурой фронта пламени. В центре вихря давление понижено, благодаря чему возникает зона обратных токов, возвращая к корню горелки часть подогретых продуктов сгорания. Она и обеспечивает устой­чивость процесса горения. В приводных ГТУ с переменной частотой вра­щения ротора газогенератора, когда с изменением нагрузки, расхода топ­лива меняется и расход воздуха, соотношение топливо - воздух изменяется не столь значительно, и задача обеспечения устойчивости горения решает­ся довольно просто. С ростом параметров цикла приходится сталкиваться с иной проблемой - ограничением выбросов вредных веществ.

Интенсивность окислительных процессов растет под действием двух факторов: повышения температуры и времени пребывания топливовоз-душной смеси в зоне горения. Способствует этому процессу и повышение давления рабочего тела в камерах сгорания - через увеличение числа Рей-нольдса, интенсификацию тепло- и массообмена в потоке.

На первый взгляд улучшение полноты сгорания топлива и ограниче­ние образования вредных оксидов азота (NO_X) с ростом параметров цикла представляются несовместимыми. Последнее часто подтверждалось и практикой испытаний высокотемпературных ГТУ. В 70 — 80-х годах борьбу с образованиями оксидов азота в энергетических ГТУ вели в направлении снижения средней температуры в зоне горения впрыском перед входом в камеру сгорания водяного пара или распыленной химически очищенной воды. Образование NО_х снижалось в 2 - 3,5 раза.

Анализ физических свойств элементов топлива и воздуха показал, что водород и углерод интенсивно окисляются уже при температурах 1200 - 1500°С, тогда как реакция окисления азота при этом протекает еще вяло. Бурное окисление азота начинается после повышения температур сверх 1600- 1700°С.

Интегральным условием существования малотоксичного процесса в камерах сгорания ГТУ является обеспечение в зоне горения величины ко­эффициента избытка воздуха на уровне двух. При больших его значениях горение неустойчиво (факел гаснет) и происходит неполное выгорание уг­лерода с образованием угарного газа (СО), при меньших - растет темпера­тура факела - азот воздуха интенсивно окисляется и образуются его оксиды (NO₄). Однако равенство двум среднего коэффициента избытка воздуха в зоне горения - лишь необходимое, но недостаточное условие осуществле­ния экологически чистого процесса. Его местные значения определяются местными концентрациями толливовоздупшой смеси и могут значительно отличаться друг от друга. Последние создадут и большую неравномерность местных температур. При средней температуре факела 1500°С в нем могут присутствовать местные "пятна" как со стехиометри ческой температурой (2200°С), так и зоны с температурами 500 - 700°С. Обычно преобладает тот или иной процесс. Но при низком качестве топливораспределения возмо­жен конечный результат с бурным окислением азота и недоокислением уг­лерода, т.е. одновременное присутствие в уходящих газах большого количества NO_х. CO и даже С (сажи). Поэтому задача обеспечения эколо­гически чистого процесса горения решается подготовкой однородном топ-ливовоздушной смеси до ее воспламенения, т.е. перед фронтом пламени. При этом после юны горения будет достигаться и второй, не менее важный результат - равномерное температурное поле перед турбиной. По крайней мере, в том случае, если его не исказит подача вторичного воздуха в рай­оне смесителя камеры сгорания.

Экологически чистое сжигание топлива в современных ГТУ основа­но на принципе предварительного смешения топлива с воздухом. Конст­руктивное выполнение таких горелочных устройств у разных фирм различ­но. Различна и степень "предварительности". Сложность организации про­цесса связана с трудностью перемешивания двух резко различающихся ко­личеств сред: в общем расходе воздуха топлива содержится менее 1,5%,. в первичном воздухе - менее 3,5%. При больших скоростях поступательного движения потока скорости диффузионного взаимопроникновения сред ма­лы.

На рисунке 3.8. показано отечественное горелочное устройство ПСТ-70/30-20, разработанное в научно-производственной лаборатории "Теплофизика" Уфимского государственного авиационного технического университета.

Его внедрение на рекуперативных ГПА типа ГТК-10-4 позволило снизить выбросы NOX с 700 до 70 мг/нм3.

Смысл работы устройства следующий.

Во внутренний цилиндрический канал подается дежурное (пусковое) топливо, образующее на выходе за отверстиями (6) факел с зоной устойчи­вого диффузионного горения. С набором нагрузки в наружный концен-трично расположенный канал подается основное топливо, поступающее в два последовательно расположенных ряда пилонов (5), имеющих отверстия по высоте, распределяющие топливо по окружности и по радиусу кольце­вого воздушного канала (3) до лопаточного завихрителя (4). Основная топ-ливовоздушная смесь воспламеняется от дежурного факела за регист­ром (4).

Рис.3.8. Принципиальная схема горелочного устройства ПСТ-70/30-20: а - периферийное горелочное устройство (выносной камеры сгорания ГТК-10-4):

1-дефлектор; 2-экран; 3-обечайка; 4-завихритель; 5-пилоны основного топ­лива; 6-пилоны дежурного топлива;

б - центральное горелочное устройство:

1-свеча; 2-экран; 3-обечайка; 4-завихритель, 5-пилоны основного топлива; 6-пилоны дежурного топлива; 7-отражательные козырьки

Увеличенное расстояние между пилонами основного топлива и зоной
горения (за регистром) позволяет совместить равномерное распределение
топлива в потоке воздуха с процессами их смешения. Конструктивная
схема отличается хорошей физической обоснованностью и простотой регу­
лирования. Недостаток - при плохом согласовании размеров и режима име­
ется опасность проскока пламени в зону предварительного смешения, что
повлечет повреждение горелки. В вынос-

ной камере сгорания ГТК-10-4 располагается семь подобных горелок (одна центральная и шесть периферийных).

Фирма АББ в своих ГТУ с выносными и встроенными (кольцевыми) камерами сгорания применяет "двухконусные" горелки предварительно­го смешений. Последние представляют классический метод предваритель­ного перемешивания топлива и воздуха (рис.3.9). В диффузор, образован­ный двумя спиральными оболочками (6), тангенциально поступает первич­ный воздух (I). Внутри диффузора возникает вихрь (2) с центром на оси (4), благодаря вращению которого частицы воздуха проходят длинный путь до выхода в зону горения.

Вдоль диффузора расположены каналы, раздающие газообразное то­пливо через сопла (5) в закручивающийся поток воздуха. К фронту пламе­ни (3) поступает однородная топливовоздушная смесь.

В безрегенеративном цикле с верхней температурой 1050 - 1200°С камеры сгорания с такими горелками обеспечивают ограничение выбросов NO4 до 50мг/нм3.

Фирма GE применяет в своих ГТУ горелки типа DLN (Dry Low NO_X - сухой способ низких выбросов NO_X), основанные на двухстадийном сжигании газообразного топлива с образованием обедненной (топливом) смеси. На рисунке 3.10 представлен общий вид, а на рис.8.6 схема работы таких горелок на различных режимах.

Жаровая труба (рис.3.11) представляет из себя трубу Вентури, обра­зующую до пережима диаметра первичную, а после него - вторичную зону сжигания топлива. Запуск осуществляется подачей дежурного (пускового) топлива к горелкам первичной зоны (рис.3.11, этап 1).

При повышении нагрузки (от 20 до 40%) 30% топлива подается во вторичную зону через центральную горелку (рис.3.11, этап 2). При достиже­нии 40% нагрузки перекрывается кран, подававший топливо в первичную зону, для надежного гашения в ней диффузионного факела (рис.3.11, этап 3). Все топливо направляется через центральную горелку во вторичную зо­ну (при переходном процессе кратковременно повышаются вредные вы­бросы). При нагрузках свыше 40% клапан вновь открывает подачу топлива в первичную зону (до 70%) без его воспламенения в ней (бедная смесь!). Через цен фальную горелку во вторичную зону поступает около 17% топ­лива для поддержания факела. Из первичной зоны во вторичную поступает топливовоздушная смесь, где она и воспламеняется (рис.3.11, этап 3). На этих режимах осуществляется режим предварительного смешения. При верхней температуре простого цикла 1288°С выбросы NО_х ограничиваются величинами 50 мг/нм³.

Применительно к одновальным энергетическим ГТУ конструкция требует достаточно сложного и четкого регулирования топлива для исклю­чения "проскока" пламени в первичную зону на переходном процессе или срыва факела при снижениях нагрузки.

Рис.3.9. Двухконусная горелка АББ:

1-подача первичного воздуха; 2-вихрь топливовоздушной смеси; 3-фронт пламени; 4-центр вращения вихря; 5-сопла раздачи топлива; 6-конус горел­ки; 7-основание фронтового устройства камеры сгорания

Рис.3.10. Горелки типа DLN Дженерал Электрик (общий вид для одной жа­ровой трубы)

Рис.3.11. Схема работы (этапы) горелки типа DLN Дженерал Электрик

Заслуживает внимания горелочное устройство, разработанное и применявшееся в энергетических ГТУ фирмы ББЦ (нынешняя АББ) 40 лет назад, представленное на рис.3.12. В те времена при низких верхних температурах цикла (750 - 650°С) о снижении выбросов NOX речь не шла. Достоинством горелки была высокая равномерность температуры перед турбиной.

Основная газовая горелка состоит из наружного цилиндра (1), соеди­ненного двустенной трубой (2) с десятью полыми лопатками завихрителя воздуха (3). Топливо подводится к трубе (2) и, проходя в полые лопатки, через отверстия в них (4) и щели в выходных кромках (6) поступает в за­крученный воздушный поток. Дежурная горелка (5) расположена в центре основной. Она питается топливом постоянно. В основную горелку топливо подается при нагрузке ГТУ более 50%.

Конструкция отличалась простотой регулирования, отсутствием опасности проскока пламени в связи с отсутствием протяженной зоны смешения. О величинах вредных выбросов такой горелки сведений не со­общалось (видимо, они тогда не измерялись). Однако о 1993 - 1994 гг. фирмой Radian Corporation (США) этот принцип-использован при раз­работке газовых горелок промышленных печей (MPS Review, November 1995), при этом достигнуто ограничение выбросов NO_X величиной 20 мг/нм³ при 3% О₂. Устройство названо авторами горелкой быстрого сме­шения (Glenn R& Altpfart и Roger Christman).

В начале 90-х годов в энергетических ГТУ фирмы Сименс (Герма­ния) стали применяться горелочные устройства близкого к описанному принципу (рис.3.13). Гибридная (комбинированная) горелка включает два узла: внутреннюю горелку дежурного топлива (1) диффузионного типа с осевым завихрителем (2) и наружную горелку основного топлива (3) с диа­гональным завихрителем (4). Из коллектора основного топлива (3) послед­нее поступает в пилоны (5), расположенные между лопатками диагональ­ного завихрителя (4) в плоскости их входных кромок. Конструкция лишена протяженной зоны смешения, что исключает проблему проскока пламени. Эксплуатируется и совмещенный вариант, позволяющий на жидком топли­ве осуществлять режим предварительного смешения с ограничением NO_X величиной 150 мг/м³. Конструкция проста в производстве и эксплуатации.

В отечественной практике известны иные способы снижения величин образования NO_X. К таким следует отнести микрофакельное сжигание газа, осуществленное в описанной ГТУ НЗЛ типа ГТН-25-2. Выполнение много­ярусного завихрителя воздуха с противоположно направленными в рядах лопатками и раздачей топлива между этими ярусами (рядами) через боль­шое число малых отверстий основано на эффектах распределения топлива по поперечному сечению камеры сгорания и более быстрого смешения

Рис.3.12. Газовая горелка камеры сгорания ГТУ фирмы Броун Бовери (ББЦ):

1-наружный цилиндр регистра; 2-двухстенная топливная труба; 3-полые лопатки завихрителя; 4-отверстия в лопатках; 5-дежурная горелка; 6-щели в выходных кромках лопаток

Рис.3.13. Гибридная горелка фирмы Сименс:

1-дежурное топливо; 2-центральная дежурная горелка; 3-основное топливо; 4-диагональный завихритель воздуха; 5-пилоны основного топлива; 6-подача воздуха

потоков. Эти методы снижают NO_X до уровня, существующего для ГПА ГОСТа (150 мг/нм³), и сокращают длину факела. Недостаток этих конст­рукций состоит в попытке перемешать топливо с воздухом практиче­ски в зоне горения методом встречных потоков. Если смешение наступа­ет после окисления азота, то температура потока за зоной горения вырав­нивается, но это уже не сказывается на экологических характеристиках камеры сгорания.

Естественно, что максимальный эффект в снижении оксидов азота при использовании описанных методов раздачи топлива достигается при равномерном подводе воздуха к горелкам камер сгорания: одинаковый расход в каждую горелку и равномерное его распределение в регистре. По­следнее достигается рациональной компоновкой встроенных камер сгора­ния в воздушном объеме корпуса ГТУ или жаровой трубы отдельно стоя­щей камеры сгорания в ее наружном корпусе. Большой объем корпуса яв­ляется выравнивающим (скорости) устройством, а регистры горелок с кон-фузорным входом и завихрителями выполняют роль сопловых аппаратов, формирующих поле скоростей воздуха перед зоной горения в жаровой тру­бе. Наиболее просто эти требования можно выполнить при радиальной компоновке встроенных камер сгорания.