Газовые горелки

ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТУ И ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

В целом ряде топливосжигагощих устройств промышленности и энергетики требуются горелки, способные эффективно и устойчиво работать при высоких и переменных избытках воздуха (камеры сгорания ГТУ, парогазотурбинных и сушильных установок и др.). При использовании распространенных конструкций горелок для этих установок необходимо сжигать топливо при избытках воздуха, близких к теоретически необходимым, а нужное снижение темпе­ратуры продуктов сгорания производить путем последующего раз­бавления их избыточным воздухом или рециркулирующей смесью.

В случаях, когда по условиям технологии уровень нагрева га­зов должен меняться, для обеспечения высокой полноты сгорания топлива необходимо осуществлять регулируемое распределение воздуха между зоной горения и смесителем. Это усложняет кон­струкцию горелки и системы регулирования всей установки, а так­же снижает степень надежности их работы. Необходимость в та­кой регулировке особенно велика при сжигании природного газа, который обладает узкими концентрационными пределами распро­странения пламени.

В Киевском политехническом институте по авторскому предло­жению В. А. Христича создана оригинальная конструкция газовой горелки с раздельной подачей газа и воздуха, обеспечивающая вы­сокую интенсивность процессов смесеобразования и горения и об­ладающая свойством саморегулируемости состава сгорающей смеси при переменных избытках воздуха.

Отличительной особенностью созданной горелки является то, что она при раздельной подаче газа и воздуха обеспечивает почти

Такой же короткий и прозрачный факел, как горелки полного пред­варительного смешения, и одновременно с этим обладает очень высокой устойчивостью горения, превышающей устойчивость горе­лок с раздельной подачей горючих компонентов.

Принципиальная схема газовой горелки указанного типа изо­бражена на рис. 82. Основными деталями горелки являются газо­вая форсунка и стабилизирующее устройство, выполненное из уголковых стабилизаторов, приваренных к бандажам. Стабилиза­торы располагаются по радиусам и наклонены к продольной оси

Горелки под углом 45°, так что вся система стабилизаторов имеет вид полного конуса при вершине 90°. Газовая форсунка размеще­на в центре стабилизирующего устройства и подает газ через от­верстия в виде отдельных струй, каждая из которых располагается за соответствующим стабилизато­ром, развиваясь вдоль его оси. Оси сопловых отверстий форсун­ки и оси стабилизаторов парал­лельны.

Воздух поступает в зону горе­ния через радиальные щели между стабилизаторами, отчего за каж­дым из них образуется вихревая циркуляционная зона. Газовые струи, подаваемые в эти зоны, мгновенно перемешиваются с воздухом, образуя однородную газо - воздушную смесь. Общая зона горения при этом представляет со­бой совокупность большого количества горящих за стабилизаторами небольших радиальных факелов, разделенных воздушными про­слойками. Увеличивающаяся благодаря этому суммарная поверх­ность фронта пламени способствует значительному сокращению длины факела.

Горелка обеспечивает высокую устойчивость работы при любых скоростях воздушного потока. Этому способствуют как местные ре­циркуляционные токи за стабилизаторами, так и наличие цен­трального поджигающего противотока. Последний возникает бла­годаря конической форме горелки, так как при этом воздушные струи в центре образуют противоток, несущий к корню факела го­рячие продукты сгорания. Коническая форма придает горелке также большую жесткость против коробления при нагреве.

Горелка конструируется таким образом, что дальнобойность газовых струй при максимальном расходе газа должна перекры­вать всю длину стабилизаторов. При уменьшении расхода газа (т. е. когда увеличивается коэффициент избытка воздуха) дально­бойность газовых струй вдоль стабилизаторов сокращается, благо­

Даря чему автоматически уменьшается и количество воздуха, при­нимающего участие в смесеобразовании. Это достигается за счет того, что избыточный воздух, остающийся вне досягаемости укоро­ченных газовых струй, проходит мимо зоны активного перемешива­ния, не влияя на состав образующейся в ней горючей смеси. Бла­годаря этому при любом общем избытке воздуха в зоне горения поддерживается постоянный состав смеси, что обеспечивает высо­кий температурный уровень и, следовательно, высокую полноту вы­горания на всех режимах.

Струйный принцип смесеобразования в конструктивном оформ­лении Киевского политехнического института практически может быть применен в любых по размерам и производительности горел­ках. Авторами разработана методика расчета горелок этого типа и даны практические рекомендации по их проектированию.

На камере сгорания ГТУ была испытана горелка с расходом природного газа до 550 м3/ч, сконструированная по рассмотренным выше принципам. Газовая форсунка диаметром 120 мм имеет 24 сопловых отверстия диаметром 3,5 мм. Стабилизирующее устройство выполнено из 24 радиальных уголковых стабилизато­ров. Наружный диаметр стабилизирующего устройства 540 мм. Суммарное проходное сечение горелки по воздуху 0,06 м2.

В результате испытаний получены следующие данные:

Тепловая нагрузка горелки, ккал/ч. . 4,5 • 106

Рабочий диапазон коэффициента

Избытка воздуха..................................................................... 1,2—20,0

Полнота сгорания в указанном

Диапазоне, %........................................................................... 99,5—96

Максимальная форсировка горелки,

Ккал/м2.......................................... .... (17-;-19) ■ 10е

Теплонапряженность объема, в котором завершается сгорание, ккал/(м3-ч) . ([8-:-20) ■ 10е

Гидравлическое сопротивление горелки

(по воздуху), мм вод. ст. . ...................... /150

Длина факела, мм. . ....... 600—700

В процессе испытаний горелки подтверждено свойство саморе - гулируемости процесса горения. Благодаря свойству саморегули- руемости состава смеси горелка отличается чрезвычайно высокой устойчивостью процесса горения. Так, горение природного газа ока­залось возможным вплоть до значений общего коэффициента из­бытка воздуха 40—50. Стабилизаторы интенсивно охлаждаются воздухом, протекающим через щели между ними. При работе го­релки на холодном воздухе их температура не превышала 130— 180° С. В случае подачи в горелку воздуха, нагретого до 300— 400° С, температура стабилизаторов не превышала 500—600° С.

Дальнейшее совершенствование разработанного принципа при­вело к созданию в Киевском политехническом институте по автор­скому предложению В. А. Христича и Г. И. Любчика газогорелоч - ного устройства, способного эффективно и устойчиво работать в широком диапазоне коэффициента избытка воздуха — от 1,0 до

6,0 и более.

Созданная горелка (рис. 83) работает по комбинированному принципу, т. е. часть газа предварительно смешивается в горелке с воздухом, а остальная часть подается раздельно от потока воз­духа. Основными элементами горелки являются смеситель, служа­щий для предварительного смешения газа с воздухом, и само горе - лочное устройство, выполненное аналогично первой конструкции горелки (см. рис. 82).

Смеситель имеет на входе перфорированную решетку. Отвер­стия в решетке расположены по радиусам. Между отверстиями перпендикулярно к воздушному потоку подаются газовые струи. Они не сносятся воздушным потоком и, следовательно, могут про­никать на любую его глубину. Однако при этом идет весьма ин­тенсивное перемешивание газа с воздухом.

Смеситель имеет три ряда отверстии разного диаметра. За счет этого обеспечивается различная глубина подачи газовых струй. Один из рядов (в данном случае первый) обеспечивает глубину подачи газовых струй, перекрывающую на всех режимах ширину канала смесителя, а два других имеют меньшую глубину подачи (примерно 0,65 и 0,25 ширины канала).

Принятая в смесителе схема взаимного расположения воздуш­ных и газовых струй обеспечивает достаточно равномерную на всех режимах раздачу газа по сечению смесителя и высокую интенсив­ность перемешивания газа с воздухом. Для дополнительного и улучшенного перемешивания, а также для равномерной раздачи смеси по сечению канала на выходе из смесителя установлены еще две решетки. Эти решетки перфорированы мелкими, равномерно распределенными по сечению отверстиями равного диаметра.

В смеситель подается лишь 25—75% газа (в зависимости от ре­жима), т. е. смеситель на всех режимах создает обедненную смесь, содержащую значительный избыток воздуха. Остальное количество газа подается в форсунку и сжигается на стабилизирующей ре­шетке. Для начального воспламенения в центре газовой форсунки расположен подвижный электрический запал. Газовоздушная смесь из смесителя подается в зону за стабилизаторами и сгорает вместе со струями газа, выходящего из форсунки. В таких условиях будет сгорать смесь любого состава, в том числе и с большими избыт­ками воздуха. Вместе с тем и при низких общих избытках воздуха обеспечивается эффективное горение, так как в этих условиях боль­шая часть газа предварительно смешана с воздухом.

Таким образом, благодаря комбинированному методу сжигания газа горелка обеспечивает эффективное и устойчивое сжигание газа как при больших избытках воздуха, так и при коэффициентах избытка воздуха (общего), близких к единице.

Для исключения возможности проскока пламени в смеситель горелки необходимо так осуществлять распределение газа между горелочным устройством и смесителем, чтобы смесь, поступающая из смесителя, на всех режимах находилась вне концентрационных пределов воспламенения.

Кроме того, предотвращение проскока пламени может быть до - стигнуто поддержанием в щелях между стабилизаторами скоро­стей потока, превышающих скорость распространения пламени.

В случае чрезвычайно широкого диапазона изменения коэффи­циента избытка воздуха горелочное устройство может работать следующим образом: зажигание горелки, а также режимы с высо­кими значениями аг обслуживаются без смесителя, а диапазон на­грузок с низкими значениями избытка воздуха (вплоть до 1,0) обеспечивается подключением смесителя.

Испытания такого комбинированного газогорелочного устрой­ства с расходом природного газа до 500 м3/ч проведены в Киев­ском политехническом институте. Горелка имела следующие раз­меры, мм: диаметр — 510, диаметр газовой форсунки — 80 (25 от­верстий 0 3 мм), диаметр смесителя наружный—-365.

Распределение газа между смесителем и горелкой менялось в широких пределах: от 100% на смеситель до 100% на горелку без смесителя. Смеситель на всех избытках воздуха (в опытах от

1,0 до 13) обеспечивал достаточно высокую степень однородности газовоздушной смеси

Полнота сгорания газа при комбинированной работе горелоч - ного устройства со смесителем в диапазоне общего коэффициента избытка воздуха аг=1,0-ьЗ,0 составляет соответственно 99—98%. Режимы с более высокими избытками воздуха аг=3,0 и выше мо­гут обслуживаться горелочным устройством без смесителя. Пол­нота сгорания при этом составляет 98—96%- В период испытаний ни на одном из режимов не наблюдалось явления проскока пла­мени в смеситель.

Сопротивление горелочного устройства при работе примерно 250 мм вод. ст., т. е. выше, чем у горелок, рассмотренных ранее. Конструкция этой горелки к тому же сложней и требует подвода охлаждающей воды.

Для высоконапорного парогенератора в ЦКТИ разработана конструкция газомазутной горелки (рис. 84). В горелке осуще­ствляется предварительное смешение газа с воздухом, для чего установлены полые лопатки под углом 42° к оси горелки. Газ из лопаток выходит в межлопаточное пространство отдельными струй­ками через отверстия диаметром 2,5 мм, где интенсивно перемеши­вается с воздухом.

В центре горелки размещается паромеханическая форсунка для жидкого топлива, которое является для данных установок резерв­ным. Имеется специальное устройство, позволяющее производить установку и демонтаж форсунки без остановки работы парогенера­тора. Регистры и другие детали горелки изготовляются из жаро­прочной стали.

В парогенераторе предусмотрена установка пяти горелок: цен­тральной и четырех под углом 18° к продольной оси камеры сгора­ния. Это обстоятельство, как показал опыт работы на многореги-

/ — форсунка для жидкого топлива; 2 — воздушный ре­гистр; 3 — корпус горелки.

Стровых камерах сгорания, способствует интенсификации процесса сгорания за счет резкого увеличения турбулизации факела.

В центральной горелке парогенератора кроме основной газовы ходной части предусмотрена так называемая дежурная горелка с самостоятельным подводом газа в количестве 5—10% от общего расхода газа на горелку. Выходные газовые отверстия дежурной горелки диаметром 3,0 мм выполнены на торце втулки между ре гистром и форсункой. Горелка имеет следующие характеристики

TOC o "1-5" h z Тепловая нагрузка, тыс. ккал/ч. ... 7150

Расход природного газа, м3/ч... .... 840

Расход жидкого топлива (<2Р = 10000 ккал/кг),

Кг/ч............................................................................. 715

Скорость выхода газа из отверстий, м/сек... 38

Скорость воздуха на выходе из горелки, м/сек. 40

Испытания этой горелки на специальном стенде показали, что она легко зажигается и выводится на режим. Зажигание основной горелки производилось от дежурной горелки надежно. Темпера тура подогрева воздуха составляла 180—270° С. При этом были достигнуты следующие показатели работы горелки: теплонапряже ние по сечению камеры — до 3,7- 106 ккал/(м2 ■ ч • ат); потери тепла от химической неполноты отсутствовали на расстоянии Ь/й=0,6 при коэффициенте избытка воздуха аг=1Д5.

При работе одной дежурной горелки и при совместной работе дежурной и основной горелок срыв факела наступал при коэффи­циенте избытка воздуха не меньше четырех, что вполне обеспечи­вало бесперебойную работу парогенератора.

В ЦКТИ также создан другой тип горелки для парогенератора (рис. 85). Горелка выполнена как комбинированная для сжигания газа и жидкого топлива. Полые лопатки горелки установлены под углом 60° к ее продольной оси. Газ выходит из лопаток через от­верстия диаметром 2 мм. На выходе лопаток из обечайки регистра установлены специальные перегородки. Поэтому, несмотря на боль шой угол закрутки воздуха и сравнительно большую выходную скорость воздуха (60 м/сек), на входе в регистр наблюдаются от­носительно низкие скорости (примерно 25 м/сек).

В центре горелки размещается паромеханическая форсунка. Дежурная горелка в указанной конструкции не предусмотрена. На фронте камеры сгорания парогенератора установлено 7 основных и 2 дежурные горелки, от которых осуществляется зажигание. Ос­новные горелки наклонены к продольной оси камеры под углом 17°. Важнейшие характеристики горелки следующие:

TOC o "1-5" h z Тепловая нагрузка, тыс. ккал/ч. ... 13500

Расход природного газа, м3/ч. ... 1600

Расход жидкого топлива, кг/ч. . . . 1350

Скорость, м/сек:

Газа на выходе из отверстий 60

Воздуха на входе в регистр................................ 25

Горелка испытывалась при температуре подогрева воздуха 240—280°С. При теплойапряжеиии 5,5-106 ккал/(м2-ч-ат) и из­бытке воздуха аг= 1,25 процесс сгорания полностью оканчивался на относительном расстоянии L/D = 0,8. Срыв факела наблюдался только при избытке воздуха, равном 3,0 и выше.

Таким образом, из рассмотрения двух типов горелочных устройств для камер сгорания парогенераторов видно, что принци­пиальная схема горелок с подачей газа через полые лопатки, а воз­духа— между лопатками обеспечивает хорошее смешение и приво­дит к высокоэффективному сжиганию газа.