Теплотехническое оборудование

ТОПКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В топках промышленных парогенераторов и водогрейных котлов в основном сжигаются вязкие мазуты марок 40, 100 и реже 200. Топочные мазуты этих марок делятся на малосерни­стые, сернистые и высокосернистые с содержанием серы соответ­ственно не более 0,5; 2,0 и 3,5%. Для сжигания мазута необходима его предварительная подготовка: уменьшение вязкости и распы­ление, при котором обеспечивается испарение мазута. Распыле­ние и распределение жидкого топлива в потоке окислителя (воз­духа) производится в одном из элементов горелки, называемом форсункой.

В настоящее время имеются разнообразные конструкции фор­сунок для сжигания мазута. Из различных типов форсунок с пнев­матическим распылением мазута наибольшее распространение в свое время получили разработанные ЦКТИ горелки двух типов: низконапорные типа НГМГ (в настоящее время сняты с про­изводства, но находятся в эксплуатации во многих котельных) и паромеханические типа ГМГ. Обе эти конструкции выполнены как комбинированные для сжигания газа и мазута. В последнее время для сжигания мазута начинают применяться камеры двух­ступенчатого сжигания. Для водогрейных котлов применяются ротационные горелки, разработанные ЦКТИ совместно с БЗЭМ, Калужским машиностроительным заводом и заводом «Ильмарине».

Для стационарных паровых котлов форсунки паромеханиче­ские выпускаются в соответствии с ОСТ 108.836.03—80, механи­ческие по ОСТ 108.836.01—80 и паровые по ОСТ 108.836.04—80.

Рис. 3-15. Схема газомазутной горелки типа НГМГ / — канал для подачн вторичного воздуха; 2 — канал для подачн газа; 3 — канал для подачи пер­вичного (распыляющего) воздуха; 4 — мазутный ствол; В — лопатки эакручивателя вторичного воздуха; б — гаэовыпускные отверстия; 7 — пережимное кольцо; 8 — маэуто - выпускные отверстия; 9 — заве­ритель первичного воздуха

Для сжигания вязкого мазута независимо от типа применяемых форсунок не­обходим его предваритель­ный подогрев, от которого зависит качество распыле­ния мазута. Температура подогрева мазута выбира­ется с таким расчетом, чтобы вязкость мазута пе­ред горелками обеспечи­вала необходимое качество распыления. Для механи­ческих и паромеханиче­ских форсунок вязкость мазута рекомендуется под­держивать 2,5° У В (16,1 мма/с), для пневматических — не бо­лее 6° У В (44 мм2/с) и ротационных не более 8° У В (59 мм2/с). Для получения указанных значений вязкости мазута перед форсунками необходимо подогревать мазут марки 40 до 115°С, а марки 100 — до 130 °С при сжигании в топках с механи­ческими и паромеханическими форсунками; в топках с пневмати­ческими форсунками — соответственно до 90 и 110 °С; в топках с ротационными форсунками — до 80 и 95 С.

На рис. 3-15 показана схема газомазутной горелки типа НГМГ с воздушным распылением мазута. В горелке НГМГ мазут поступает под давлением не более 30 кПа по мазутному стволу 4 и вытекает через мазутовыпускные отверстия 8. Распыляющий (первичный) воздух получает закрутку в завихрителе 9 и, выходя через пережимное кольцо 7, подхватывает и распыляет струйки мазута, вытекающие через отверстия 8. Давление первичного воздуха составляет 2500—3000 Па при расходе 10—15 % общего количества воздуха, необходимого для горения. При эксплуатации форсунки необходимо следить за правильной установкой мазут­ного ствола. Многочисленные испытания показали, что излишнее смещение мазутовыпускных отверстий относительно места пере­жима воздушной струи в сторону топки приводит к удлинению факела, затягиванию процесса горения в камеру догорания и даже в газоходы котла. Излишнее смещение мазутовыпускных отвер-

Рис. 3-16. Оптимальное положение мазутовыпуск­ных отверстий для горелки НГМГ-4 / — мазутный ствол; 2 — пережнмное кольцо; 3 — мазутовыпускные отверстия

Стий в противоположную сторону относи­тельно места пережима приводит к попада­нию мазута на аавихритель. Положение мазутовыпускных отверстий относительно места пережима уточняется при наладке горелки. На рис. 3-16 показано оптималь­ное положение мазутовыпускных отвер­стий для горелки НГМГ-4, установленной на котле ДКВР-6,5-14. При монтаже го­релок нужно следить за тем, чтобы за­крутка первичного (распыляющего) воздуха и вторичного воз­духа, подаваемого для горения, производилась в одну и ту же сторону.

На рис. 3-17 показана одна из конструкций вихревых горелок с паромеханической форсункой, разработанная ЦКТИ и серийно выпускаемая заводом «Ильмарине». Горелха состоит из паро­механической форсунки, двухзонного направляющего аппарата и газовой камеры с газовыпускными отверстиями. Горелка пред­назначена для сжигания мазута и природного газа.

Один из вариантов форсунки с паромеханическим распылением, применяемым в вихревых горелках, показан на рис. 3-18. Прин-

Рис. 3-18. Мазутная форсунка с па­ромеханическим распылением 1 —. паровая труба (ствол); 2 — мазут­ная труба; 3 — прокладка; 4 — рас* пределительная шайба; В — распыли­тель; 6 — паровой распылитель; І — контргайка; 8 — концевая гайка

Цип действия форсунки за­ключается в следующем. Ма­зут по трубе 2 через распре­делительную шайбу 4 посту - пае!' в кольцевую камеру рас­пылителя 5 и затем по тан­генциальным каналам попа­дает в его завихрительную камеру. Закрученная струя мазута под действием центро­бежных сил прижимается к стенкам завихрительной ка­меры и, продолжая двигаться поступательно, срывается с кромки сопла распылителя 5, разбиваясь на множество мельчайших капель. Пар из трубы 1 поступает в юлость между деталями, пропускаю­щими мазут, и концевой гай­кой 8. Из этой полости пар поступает через тангенциаль­ные каналы в камеру паро­вого завихрителя 6. Затем пар выходит под углом из цилиндрической щели и ох­ватывает с внешней стороны распыленную струю мазута.

При расходах мазута, меньших 50% номинального, давление мазута перед форсункой становится недостаточным для хо­рошего распыления и в форсунку дополнительно подается пар. Од­нако, так как расход пара не превышает 0,03 кг/кг, подача его про­изводится при всех нагрузках форсунки с давлением 70—200 кПа. В то же время испытания показали, что при расходах мазута 70% и более подача пара практически не улучшает распыления. Давле­ние мазута перед форсункой в зависимости от ее номинальной мощности выбирается от 1,3 до 3,5 МПа. Регулирование мощности форсунки производится изменением давления мазута перед ней.

Качество работы мазутных форсунок с механическим и паро­механическим распылением зависит от тщательности изготовле­ния, точности сборки и установки. Очень важно обеспечить плот-
иость мазутного тракта во избежание попадания мазута в паровой канал, так как последнее приводит к закупорке канала из-за коксования мазута.

При обслуживании форсунки необходимо систематически ее прочищать и заменять распылитель, который чаще выходит из строя, чем остальные детали. Абразивный износ внутренних по­верхностей, особенно стенок распылителя, приводит к изменению формы факела, увеличению расхода топлива и укрупнению раз­мера капель. Скорость износа зависит от загрязненности мазута механическими примесями, его состава, а также от давления подачи. Опыт показывает, что несмотря на очистку мазута от механических примесей наблюдается загрязнение входных кана­лов и распределительной шайбы форсунки. Это приводит к смеще­нию факела относительно оси форсунки и к ухудшению качества ее работы. При снижении производительности форсунки вслед­ствие частичного 8акоксовывания или засорения температура стенок быстро растет, что приводит к ускоренному закоксовыва - нию. Во избежание этого надо систематически следить за тем­пературой и чистотой распылителей, а также характером факела. При появлении около корня факела темных полос, скоплений ка­пель и разрывов необходимо проверить состояние деталей форсунки.

На рис. 3-19 показана горелка РГМГ (ротационная газома­зутная горелка) со встроенным вентилятором распыляющего воздуха, выпускаемая серийно мощностью до 8 МВт. Горелки большей мощности выпускаются с отдельно устанавливаемым вентилятором распыляющего воздуха.

Мазутная форсунка ц горелки состоит из полого вала 17, на котором закреплены рабочее колесо 18 вентилятора распыляю­щего воздуха, распыляющий стакан 13 и гайка-питатель 14. Вал 17 через клиноременную передачу 19 получает вращение от электродвигателя 20. Мазут подводится к штуцеру 3. В централь­ном отверстии вала расположена консольная топливная трубка /5, по которой мазут поступает в кольцевую полость гайки-пита­теля 14. В гайке-питателе имеются четыре радиальных канала, по которым под действием центробежных сил мазут вытекает на внутреннюю стенку распыляющего стакана, образуя пленку. В стакане пленка перемещается в осевом направлении и затем срывается с кромки стакана, распадаясь на капли. При этом угол раскрытия образующегося конуса, если не подавать распыляю­щего воздуха, близок к 180°. Для получения нужного угла рас­крытия конуса и лучшего распыления мазута через завихри - тель 12 подается распыляющий (первичный) воздух. Цревичный воздух поступает также через четыре отверстия в гайке-питателе в полость распыляющего стакана 13, что предохраняет его от закоксовывания. Распыляющий стакан имеет конусообразную форму и отполирован.

Вторичный воздух поступает в улиточный короб 8 и из него направляется к завихрителю 16 и всасывающему патрубку пер-

Л j —1

Воздуха; рр — давление природного газа перед горелкой; Вм, #г — расход мазута и газа

Вичного воздуха 7, в котором имеется шибер для регулирования количества воздуха, поступающего к распыляющему вентилятору. Распыляющий вентилятор создает напор около 5000 Па. Давление мазута не должно превышать 0,2 МПа.

Всесторонние промышленные испытания горелки РГМГ-10 выполнены ЦКТИ. Основные параметры горелки по данным этих испытаний показаны на рис. 3-20. В результате испытаний уста­новлено, что диапазон регулирования мощности горелки — от 10 до 100%. Доля первичного (распыляющего) воздуха на номиналь- ной нагрузке составляла примерно 10% общего расхода воздуха, поданного на горение. Давление первичного воздуха на нагруз­ках 100—30% номинальной поддерживалось равным 5000— 6000 Па, а на нагрузках ниже 30% номинальной — в пределах от 2500 до 3500 Па. При испытании сжигался мазут марки 40 и природный газ Дашавского месторождения с низшей теплотой сгорания 36,12 МДж.

При эксплуатации ротационных форсунок необходимо сле­дить за чистотой внутренней поверхности распыляющего стакана,

Рис. 3-21. Камера двухступенча­того сжигания мазута / — газовый коллектор; 2 — форсуноч­ное устройство; 3 — запально-защит­ное устройство; 4 — завихритель пер­вичного воздуха; 5 — короб улитки; 6 — завихритель вторичного воздуха

Так как нагарообразование, смолистые и другие отложе­ния резко ухудшают каче­ство распыления. Об отло­жениях на стенках распы­ляющего стакана можно су­дить по появлению в топке крупных летящих капель — «эвездочек». В таких случаях форсунка должна быть отключена и выведена из воздушного короба. Для этого достаточно вывернуть барашки прижимного устройства и откатить ма­зутную часть горелки, которая имеет двойной шарнир. После этого следует очистить полость стакана деревянным, алюми­ниевым или красномедным ножом и промыть соляровым маслом, либо другим легким топливом. Удалять нагар стальным инстру­ментом нельзя, так как на стенке стакана останутся царапины, что резко ухудшит качество распыления мазута. Недопустимы также зазубрины, выбоины на кромке распыляющего стакана. Периодически следует^проверять размах вибрации кромки ста­кана, который не должен превышать 0,06 мм.

Факел, выдаваемый горелкой, должен быть симметричным относительно геометрической оси горелки. Несимметрия факела и даже вибрационное горение могут возникать вследствие не­правильного выполнения амбразуры или разрушения ее в про­цессе эксплуатации. Периодически следует добавлять смазку в подшипниковые. узлы, производя подачу ее шприцем до тех пор, пока она не начнет устойчиво выжиматься из контрольных отверстий.

При задевании топливной трубки за вал форсунки появляется резкий звенящий шум. Устранение этого достигается центровкой топливной трубки относительно отверстия вала форсунки. Резкий шум также может быть вызван задеванием колеса вентилятора за' его корпус вследствие смещения ротора форсунки. Ликвидация этого дефекта достигается регулировкой положения ротора с по­мощью прокладок, установленных в подшипниковых узлах. Правильность положения ротора проверяется через инспекцион­ное отверстие в корпусе вентилятора. Несовпадение выходной кромки колеса вентилятора с выходной кромкой направляющего аппарата не должно превышать 0,5 мм.

На рис. 3-21 показана камера двухступенчатого сжигания топ­лива. Она состоит из паромеханической форсунки 2 с завихрите - лем первичного воздуха 4 и камеры горения, в которую по кольце-
пому каналу через завихритель 6 подается вторичный воздух. Основная часть воздуха (50—70%) подается через мазутную форсунку, а остальная — через завихритель в камеру горения. Вторичный воздух, проходя по кольцевому каналу, охлаждает камеру горения. Распыленный в паромеханической форсунке мазут, попадая в зону высоких температур камеры горения, гази­фицируется и, смешиваясь со вторичным воздухом, догорает в топке парогенератора.

Результаты испытания камер двухступенчатого сжигания по­казали их работоспособность и надежность при эксплуатации иод наддувом (давление в топке парогенератора составляло 2500 Па). При высокой удельной нагрузке топочного объема (1,2-103 МВт/м3) и коэффициенте избытка воздуха 1,05 потеря теплоты от химической неполноты горения отсутствовала.

При эксплуатации камер двухступенчатого сжигания необ­ходимо следить за работой паромеханической форсунки, не до­пуская ее перегрева и закоксовывания. Следует также регулиро­вать распределение первичного и вторичного воздуха, поддержи­вая распределение, заданное режимной картой, давление воздуха перед форсункой и завихрителем камеры горения.

При эксплуатации форсунок рассмотренных конструкций не­обходимо следить за сохранением производительности форсунки при неизменном давлении, за вязкостью мазута, отсутствием за­коксовывания, поддержанием минимального коэффициента из­бытка воздуха. Нарушение производительности форсунки при неизменных давлении перед ней и вязкости мазута наблюдается при нарушении заданной точности изготовления и недостаточно тщательной сборке при ремонте. Погрешности изготовления ока­зывают тем большее влияние, чем меньше расчетная производи­тельность форсунки. Небрежная сборка форсунок может привести к снижению производительности до уровня 40% номинальной, а также способствует закоксовыванию форсунки.

Качество распыления мазута существенно зависит от вяз­кости его перед форсункой. Кроме того, на распыление топлива оказывают влияние поверхностное натяжение, плотность мазута и механические примеси. Механические примеси, карбены и карбоиды уменьшают внутреннее сопротивление мазута распыле­нию. При этом в процессе нагревания и длительного хранения дисперсность карбенов и карбоидов изменяется, что приводит к изменению качества распыления мазута. Мазут, содержащий мелкодисперсные частицы, при прочих равных условиях распы­ляется на более мелкие капли по сравнению с мазутом, содержа­щим крупные частицы.

Нарушения нормального режима работы форсунок чаще всего происходят вследствие их закоксовывания. Многочисленные на­блюдения за работой форсунок показали, что закоксовывание обусловлено термоокислительными процессами с образованием слоя кокса вследствие нагрева мазута стенками форсунки. Чем

Рис. 3-23. Влияние вязкости ма - Рис. 3-24. Амбразуры горелок НГМГ и

.|ута перед форсункой на потерю ГМГ: а — коническая; б — цилиндриче-

Тсплоты от химической неполноты ская

Горения

1 — ат = 1,06-^1,09; 2 — ат > 1,1

Опыт эксплуатации и испытания котельных агрегатов пока­зал, что достижение низких и предельно низких коэффициентов избытка воздуха возможно только при точном порционировании соплива и воздуха по всем установленным горелкам. Уменьшение числа горелок облегчает равномерное распределение между ними топлива и воздуха. Вязкость мазута перед форсунками особенно заметно влияет на потери теплоты от химической неполноты горе­ния при низких коэффициентах избытка воздуха. На рис. 3-23 в качестве примера показано влияние вязкости на потери теплоты от химической неполноты горения при различном избытке воз­духа по результатам испытаний ВТИ на одном из котлов, обо­рудованных форсунками с паромеханическим распылением мазута.

Компоновка форсунок также оказывает влияние на работу топочной камеры. В литературе указывается, что при встречной компоновке горелок обеспечить работу топки с низким коэффи­циентом избытка воздуха проще, чем при однофронтовой ком­поновке. На котлах малой производительности применяется, как правило, однофронтовая компоновка горелок, и это вызывает затруднения при организации процесса горения с низким коэф­фициентом избытка воздуха.

Устойчивость и качество работы мазутных форсунок различ­ной конструкции в значительной мере зависят от воздухонаправ­ляющих аппаратов. Для организации перемешивания распылен­ного мазута с воздухом современные мазутные форсунки обору­дованы воздухонаправляющими аппаратами, производящими за­крутку воздушного потока. Закрученная струя имеет ряд преиму­ществ по сравнению с прямоточной. Она обладает большой эжек - ционной способностью, провалом скорости в осевой области,

При известных условиях переходящим в осевой обратный ТОКо Наличие осевого обратного тока обеспечивает непрерывное по-; ступление горячих топочных газов к корню факела и его стабили­зацию.

Закрутка воздушного потока в воздухонаправляющих аппа­ратах мазутных форсунок чаще всего осуществляется установкой плоских или винтовых лопаток.. Если воздух в форсунке для горения подается одним потоком, воздухонаправляющее устрой­ство называют однопоточным; если двумя потоками — двухпо­точным. В горелках типа ГМГ и НГМГ воздух подается двумя потоками и закрутка его производится плоскими лопатками. •

При эксплуатации воздухонаправляющих аппаратов необ­ходимо следить за состоянием лопаток, не допуская их загрязне­ния или закоксовывания. При ремонте воздухонаправляющих аппаратов и замене отдельных лопаток установка их должна проводиться по шаблону под одинаковым углом.

Существенное влияние на работу форсунок оказывает также качество и правильность выполнения амбразуры. Амбразуры должны быть выполнены гю чертежу в соответствии с типом уста­новленной форсунки. Ось амбразуры должна совпадать с осью форсунки. На рис. 3-24 в качестве примера показаны два типа амбразур (цилиндрическая и коническая), применяемые для фор­сунок с пневматическим и паромеханическим распылением.

Зольность мазута не превышает 0,3%, однако в эксплуатации наблюдаются загрязнения поверхностей нагрева плотными отло­жениями в зонах с температурой продуктов горения более 700 °С. Наиболее интенсивно загрязняются пароперегреватели и поверх­ности нагрева водогрейных котлов типа ПТВМ, имеющие неболь­шие площади поперечного сечения для прохода продуктов горения.

Обслуживание мазутных форсунок требует повышенного вни­мания. Необходимо следить за устойчивостью факела, не допу­ская пульсации и неравномерного заполнения топочного объема. Пульсация факела может возникать вследствие поступления об­водненного мазута, недостаточного его подогрева, загрязнения фильтров и сопл форсунок, шлакования амбразур, отложений на лопатках воздухонаправляющего аппарата или их коробления и ряда других нарушений режима горения. Неравномерное за­полнение топочного объема факелом может привести к местному перегреву экранных труб или обмуровки топки. В связи с этим необходимо следить за дальнобойностью факела и окончанием горения в пределах топочной камеры.

Особенно внимательно следует производить розжиг форсунок, не допуская образования сажи, уноса несгоревших капелек ма­зута, подтекания его из форсунки, плохого горения или погасания растопочного факела. В форсунках с паромеханическим распыле­нием необходимо сначала открывать подачу пара и только после этого подачу мазута. В форсунках с воздушным распылением сначала подается распыляющий воздух, а затем мазут.

Отложение сажи и унос несгоревших капель мазута могут привести к хлопкам и взрывам, а также к горению в хвостовых поверхностях нагрева, которое обнаруживается по внезапному повышению температуры продуктов горения в qooтвeтcтвyющeм | азоходе.

Формировка топки изменяется регулированием подачи мазута •I воздуха одновременно ко всем форсункам или отключением сдельных форсунок. При установке двух-трех форсунок чаще всего одновременно регулируют расход мазута и воздуха на все сЬорсунки: это качественное регулирование. На водогрейных котлах при установке большого числа форсунок применяют коли­чественное регулирование, т. е. отключение отдельных форсунок

О, ля снижения форсировки топки. При установке форсунок рота­ционного типа, имеющих большой диапазон регулирования мощ­ности (20—100%), применяют качественное регулирование, кото­рое проще и надежнее.