Основные показатели камер сгорания ГТУ презентация

Основные показатели камер сгорания ГТУ
тепловая мощность;
гидравлические потери давления;
теплонапряженность;
тепловой КПД (коэффициент полноты сгорания топлива);
обеспечение заданной неравномерности температурного поля продуктов сгорания на выходе из камеры;
отсутствие нагара, дымления и малое содержание токсичных веществ в продуктах сгорания.
Тепловая мощность QKC выражается количеством тепла, которое выделяется в единицу времени при полном сгорания топлива:
где GТ – расход топлива, кг/с; QH – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Тепловая мощность КС

Полные потерпи давления в КС
Складываются из следующих составляющих:
основных гидравлических потерь, которые возникают без подвода теплоты в камере в результате потерь на трения при прохождении газового потока и местных сопротивлений от воздухонаправляющих ребер, завихрителей и т. д. Эти потери определяются при холодной продувке камеры;
дополнительных потерь давления, вызванных нагревом газа при сгорании топлива в камере. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового потока увеличивается. Процесс снижения давления в газовом потоке при подводе теплоты подробно рассматривается в курсе газовой динамики.
Δp*КС— общие потери полного давления (потери на трение Δp*тр , турбулентные потери Δp*турб , потери в потоке при подводе теплоты Δp*т ), кПа
Для практических целей обычно определяют коэффициент восстановления полного давления, оценивающий потери давления рабочего тела в камере сгорания:
В современных камерах сгораниях энергетических ГТУ значения σ* ≥ 0,97. Увелечение этого значения – одна из основных задач проектирования сгорания (КС), так как рост потерь Δp*КС на 1 % приводит к уменьшению мощности ГТУ в среднем на 1 % в зависимости от степени повышения давления в компрессоре π*к и температуры газа перед газовой турбиной.

Теплонапряженность
Теплонапряженностъ рабочего объема камеры сгорания UV, Вт/(м3 • Па), и ее сечения UF, Вт/(м2 • Па) определяют соответствующие габаритные размеры и металлоемкость.
Здесь Вгт — массовый расход топлива в КС ГТУ, кг/с; Qiг— низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; ηкс — коэффициент полноты сгорания топлива в КС; Vкс — внутренний объем огневой зоны пламенной трубы КС, м3; Fкс — площадь наибольшего поперечного сечения пламенной трубы КС, м2.
Объемная теплонапряженность имеет широкий диапазон изменения. Относительно малые значения теплонапряжнности от 60 до 150 кВт/м3кПа применяются для камер сгорания с большим ресурсом. В этом случае заметно ухудшаются массогабаритные показатели. Для камер сгорания с малым ресурсом (менее 10000 часов) и хорошими массогабаритными характеристиками значения объемной теплонапряженности лежат в пределах от 150 до 350 кВт/м3кПа.
Обеспечение заданной неравномерности температурного поля газа на выходе из камеры сгорания связано с обеспечением надежной работы лопаток газовых турбин. Величина заданной неравномерности температурного поля определяется в процентах и для современных камер сгорания не должна превышать 4...5 %. Расчет производят в соответствии с формулой
Обеспечение заданной неравномерности температурного поля продуктов сгорания на выходе из камеры
где T*тax, T*тin, T*ср – соответственно максимальная, минимальная и средняя температуры на выходе из камеры сгорания, К.

Тепловой коэффициент полезного действия
где Q1 – количество тепла, выделившееся в рабочем объеме Кс при горении топлива в единицу времени, кДж/кг; Q2 – количество тепла, которое могло бы выделиться при горении топлива в единицу времени, кДж/кг; GТ – расход топлива, кг/с; QH – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Либо расчет теплового КПД определяют с учетом всех тепловых потерь:
где Qн.с. – потери теплоты от неполного сгорания топлива (химический и физический недожог). У современных камер сгорания эти потери не должны превышать 1...5 % общего расхода теплоты при работе на всем диапазоне рабочих нагрузок и 1...3 % при работе на расчетной нагрузке; Qохл – потери за счет отдачи теплоты, в окружающее пространство нагретой поверхностью камеры и примыкающих к ней трубопроводов. Эти потери обычно бывают не более 0,5 % расхода теплоты.
Для камер сгорания современных ГТД этот коэффициент находится в пределах от 0,95 до 0,99.

Экологичность работы КС
3. Экологичность работы КС энергетических ГТУ приобретает все большее значение из-за ужесточения норм выбросов вредных веществ в окружающую среду. При эксплуатации ГТУ такими вредными веществами являются: оксиды азота N0 и NO2, оксид углерода СО, несгоревшие в результате неполного сгорания углеводороды, оксиды серы S02 и S03 и твердые частицы. Несгоревшие углеводороды включают в себя летучие органические соединения, которые способствуют образованию атмосферного озона.
Большая часть оксидов азота (термических оксидов) образуется в процессе сжигания топлива в КС. Оксиды азота образуются также в результате связи азота, присутствующего в самом топливе, с кислородом — топливно-связанный азот.
пламени.
Термические оксиды азота образуются в результате химических реакций. В соответствии с механизмом Зельдовича скорость образования этих оксидов имеет экспоненциальную зависимость от температуры пламени. Следовательно количество образующихся оксидов азота является функцией не только температуры пламени, но также и времени, в течение которого смесь горячих газов находится при этой температуре. Эта зависимость является линейной функцией времени. Таким образом, температура и время нахождения газов при этой температуре определяют уровни выхода термических оксидов азота и являются важнейшими переменными которыми конструктор должен оперировать‚ чтобы снизить выбросы NOx.
Наивысшая скорость образования оксидов азота имеет место .при стехиометрической (адиабатической) температуре.

Экологичность работы КС
Для конкретного топлива скорость образования оксидов азота можно представить в виде функции избытка воздуха.
Наивысшая скорость образования оксидов азота имеет место при стехиометрической (адиабатической) температуре
пламени. Ввиду того что разные виды сжигаемого топлива характеризуются различной максимальной температурой пламени, следует ожидать существенных различий в выходе оксидов азота. что и наблюдавших на практике.
Скорость образования оксидов азота уменьшается по мере обеднения топливной смеси (α > 1) в зоне пламени, т.е. по мере снижения его температуры. По той же причина для снижения выбросов вредных веществ в кс впрыскивают воду (пар) в количестве Dв ≤ (0,5-1,5)Bгт (так называемые «мокрые» камеры сгорания.
Зависимость количества образующихся NOx от времени, ррm/мс, в течение которого смесь горючих газов находится при максимальной температуре, имеет вид:
где Кэ = 1/α – коэффициент эквивалентности; Т измеряется в градусах Цельсия.
При Кэ = 1 скорость генерации Nox максимальна. В зоне где Кэ > 1, имеет место богатая смесь (α < 1) и высокая вероятность недожога топлива (увеличение доли CO).
В зоне, где Кэ < 1, имеет место обедненная смесь. Она дает возможность создать новый тип КС ГТУ.

Экологичность работы КС
При сжигании обедненной (по топливу) смеси (α < 1) сталкиваются с двумя проблемами:
Обеспечение стабильности пламени в расчетной рабочей точке.
Необходимость иметь достаточный диапазон регулирования для обеспечения возгорания, разгона и работы ГТУ во всем диапазоне нагрузок.
В противном случае при эксплуатации установки сталкиваются с вибрационным горением, потуханием факела.
Эти трудности можно преодолеть внедрением многоступенчатых камер сгорания.
Минимальных уровней оксида азота можно добиться, применяя сухие КС с обедненной топливной смесью.
Высокие экологические показатели КС и всей ГТУ можно получить тремя основными методами:
а) применением мокрых КС обычной конструкции с диффузионным факелом и впрыском воды (пара);
б) применением микрофакельного многоступенчатого сжигания обедненной топливной смеси в сухих КС;
в) дополнительным использованием каталитической очистки выходных газов ГТУ.

1 — инжекторная решетка с соплами для подачи разбавленных паров водного раствора аммиака в поток выходных газов ГТУ; 2 — испаритель водного раствора аммиака; 3 — газодувка на байпасе выходных газов ГТУ; 4 — смеситель паров водного раствора аммиака с выходными газами байпасного потока; 5 — байпасный поток газов; 6 — клапан контроля водного раствора аммиака; 7 — насос подачи водного раствора аммиака с регулятором постоянного давления в коллекторе; 8 — бак для хранения водного раствора аммиака; 9 — расходомер; 10— катализатор
Селективно каталитические восстановители оксидов азота NOx
Схема установки СКВ DENOX (фирмы Haldore Topsoe)
Катализатор СКВ — это рифленая монолитная пластина на волокнистом носителе, усиленном ТiO2. Он изготавливается в виде элементов, заключенных в стальные пластины размером 466 х 466 х 572 мм. В качестве каталитически активных материалов использованы оксиды металлов (например, пентоксид ванадия), это позволяет связывать до 90 % оксидов азота.
Современные энергетические ГТУ при использовании природного газа дают низкие уровни выбросов оксида азота и углекислого газа (в пределах 10—40 ррm, т.е. 10—40 частей на миллион по объему в сухом состоянии при
объемной концентрации O2 15 %).
Необходимо иметь в виду, что применение энергетических ГТУ с регенерацией теплоты выходных газов при одновременном повышении экономичности связано с увеличением температуры циклового воздуха, подводимого в КС. При этом уровень эмиссии оксидов азота в КС диффузионного типа резко возрастает (примерно вдвое с увеличением этой температуры на каждые 100 °С). Существуют различные технические решения, позволяющие избежать роста концентрации NOx в таких условиях.

1 — корпус, 2 — пламенная труба; 3 — форсунка, 4 — завихритель воздуха (регистр), Gв, Gy, Gохл, G2 — воздух, поступающий соответственно в камеру сгорания, через регистр, через щели охлаждения и в смеситель, Gг — количество продуктов сгорания, поступающих в ГТ; Т— топливо, поступающее в форсунку,βф — угол раскрытия топливного факела; ЗОТ—зона обратных токов; Loг — зона горения, Lсм — зона смешения; 5 — трубка, 6 — выдвигаемое запальное устройства (свеча), 7 — сжатый воздух после компрессора Gв; 8 — воздух для сжигания топлива G1; 9 — охлаждающий воздух Goxл, 10— воздух формирования температуры газов перед G2; 11 — переходной патрубок; 12 — вход в ГТ (направляющие лопатки первой ступени)
Принципиальная схема одноступенчатой КС энергетической ГТУ и ее конструкция

Основные принципы организации рабочего процесса в КС ГТУ
Основные принципы организации рабочего процесса в КС ГТУ
1. КС ГТУ разделены на две зоны. Деление осуществляется либо по воздуху, либо по топливу. Температура газов в начале турбины Тнт находится на уровне 1100—1300 °С и имеет тенденцию к увеличению. Рост температуры ограничен жаропрочностью и жаростойкостью материалов. Для удержания температуры на названном уровне необходимо повышать избыток воздуха в газах, который может колебаться в пределах αкс = 2,5—4. В пространстве, ограниченном корпусом КС (пламенной трубы), выделяют зону горения. В эту зону поступает только часть общего количества воздуха G1. Вместе с топливом эта часть воздуха обеспечивает образование высокореакционной смеси, сгорающей достаточно быстро при высокой температуре. Другая часть воздуха G2 подается в зону смешения, где формируется заданная начальная температура газов перед турбиной Тн.т. Небольшое количество воздуха Gохл через специальные щели и отверстия охлаждает корпус и детали пламенной трубы.
Схемы разделения рабочего тела в КС
по топливу
по воздуху

Охлаждение стенок камер сгорания ГТУ фирмы Siemens
V94.2
V94.3
Зависимость долей массового потока воздуха, направляемого в камеру сгорании, от начальной температуры газов перед ГТ (по ISO)
GI — первичный воздух для сгорания топлива (показана его зависимость от избытка воздуха в газах α); GII — вторичный воздух для формирования начальной температуры газов; Gохл охлаждающий воздух: А — в первичной зоне КС, В — в переходном отсеке между КС и ГТ; С — при охлаждении ротора и первого ряда сопел

Основные принципы организации рабочего процесса в КС ГТУ
2. Стабильное горение движущейся топливовоздушной смеси возможно при равенстве скоростей потока и распространения пламени. Для этого турбулизируют поток в зоне горения, что интенсифицирует процесс тепло- и массообмена, улучшает смесеобразование и увеличивает скорость распространения пламени. Для турбулизации потока используют лопаточные завихрители или плохо обтекаемые тела, располагаемые но фронтовом устройстве пламенной трубы. За этими элементами возникает зона обратных токов (ЗОТ) с пониженным статическим давлением, создается эжекция газа кольцевой струей, вытекающей из лопаточного завихрителя. Это стабилизирует положение фронта пламени и обеспечивает зажигание всей топливной смеси. При такой аэродинамической рециркуляции происходит перенос горящего топлива навстречу поступающим свежим порциям топлива. За счет теплоты подсасываемых к корню факела продуктов сгорания происходят подогрев, испарение и зажигание свежих порций топлива.
3. Подвод первичного воздуха по длине зоны горения осуществляется не сразу, а в определенной последовательности, основанной на теоретических представлениях, экспериментальных и эксплуатационных данных. Средняя температу ра газон в зоне горения должна быть не ниже 1500 °С.
4. Переход к микрофакельному сжиганию топлива с увеличенным числом горелок (например, в кольцевых камерах сгорания 100—150 шт.) сокращает длину пламени факелов и общую длину КС.
5. Сжигание топлива в КС энергетических ГТУ характеризуется изменением параметров сжимаемого в компрессоре воздуха, нагрузки и режима работы. Поэтому в таких условиях возможен еще один способ стабилизации процесса горения — применение дежурных горелок, являющихся источником постоянного поджига топлива.

Технические решения для удовлетворительных показателей работы КС энергетических ГТУ
В определенных режимах перевод в мокрый режим работы, впрыскивая в поток газов определенное количество воды (пара). Обычно m = Gвод/BГТ = 0,5—1,5. Впрыск воды снижает интенсивность теплообразования и температуру газов приблизительно на 2%, увеличивая мощность ГТУ примерно на 3 %. При этом удается снизить уровень выбросов оксидов азота NOx приблизительно до 40 ppm и ниже. Побочными явлениями такого решения являются:
сокращение периодов между профилактическими техническими осмотрами и срока службы оборудования;
дополнительные затраты на подготовку и впрыск воды (пара) и др.
Влияние впрыска воды (иди пара) на эмиссию NOx и СО, ppm, при 15 %-ной концентрации О2 и при сухом газе (m — отношение масс воды (или пара) и топлива)

Технические решения для удовлетворительных показателей работы КС энергетических ГТУ
Двухступенчатые камеры сгорания с предварительным смешением топлива и воздуха, способными работать как на газообразном, так и на жидком топливе.
Принципиальная схема КС типа DLN (фирмы General Electric)
Маркировка DLN (Dry Low NOx — сухие низкие NOx). Конструкция такой КС включает в себя четыре основных компонента: систему впрыска топлива, пламенную (жаровую) трубу, сопло Вентури, центральную секцию пламенной трубы.
Эти компоненты объединены в общую конструкцию и образуют две ступени КС. В режиме предварительного приготовления топливной смеси первая ступень КС служит для тщательного перемешивания топлива с воздухом и получения однородной бедной, несгоревшей топливовоздушной смеси для подачи ее во вторую ступень КС.

Технические решения для удовлетворительных показателей работы КС энергетических ГТУ
Режимы работы КС типа DLN на природном газе:
режим I(первичный) — происходит зажигание топлива, набор частоты вращения ГТУ, работа под нагрузкой, равной 20 % номинальной. Смесь воздуха и топлива поступает только в горелки первой ступени, где топливо и сгорает;
режим II (обедненный — обедненный) — ГТУ работает в интервале нагрузки, равной 20—39 % номинальной. Смесь воздуха и топлива подается в обе ступени КС и горение осуществляется в этих двух ступенях;
режим III (вторичный) — работа ГТУ при нагрузке, равной 40 % номинальной. Смесь воздуха и топлива поступаег только во вторую ступень КС, где и сгорает;
режим IV (предварительного смешения) — работа ГТУ в интервале нагрузок 41—100 % номинальной. Смесь воздуха и топлива подается в обе ступени КС, но горение происходит только во второй ее ступени, где сгорает все топливо.
Сжигание топлива в КС с сухими малотоксичными горелками типа DLN на современном энергетическом рынке считается наименее дорогостоящим методом борьбы с выбросами NOx, при этом достигнута концентрация вредных выбросов в выходных газах ГТУ 25 ppm. Новые конструкции горелок типа DLN-2.6 при Тнт - 1327 °С позволяют уменьшить выбросы NOx до 15 ppm, а при Тнт = 1396 °С — до 9 ppm.
режим I
режим II
режим III
режим IV

Технические решения для удовлетворительных показателей работы КС энергетических ГТУ
Современная сухая малотоксичная КС оригинальной конструкции (ABB) —EV-горелка (Environmental Burner — экологическая горелка).
1 плоскость выходного сечения горелки; 2 испаритель топливного факела; 3 воспламенение газа; 4 воздух горения; 5 газообразное топливо ; 6 жидкое топливо; 7 распыление; 8 подготовка горючей смеси (газ/воздух горения); 9 передняя граница пламени; 10 распад вихря; 11 воздух горения; 12 воспламенение газа; 13 завихритель

Технические решения для удовлетворительных показателей работы КС энергетических ГТУ
особенности технологического процесса сгорания топлива
I. Газообразное топливо (г) подастся во входное устройство и сразу перемешивается с воздухом (в).
II. Высокая осевая скорость топливовоздушной смеси (ТВС) предотвращает ее загорание внутри корпуса.
III. Обедненная топливовоздушная смесь покидает конус горелки и подается в горящий факел. Зона обратных токов стабилизирует горение.
IV- Скорость движения воздуха (в) и топлива (m) защищает поверхность металла от пламени факела.
Работая на природном газе без впрыска пара/воды, EV-горелки обеспечивают концентрацию вредных выбросов NOx менее 25 ppm, а при работе на жидком топливе эти значения могут быть около 42 ppm.

Гибридные горелки фирмы Siemens при низких нагрузках работает в качестве диффузионной, а при повышении нагрузки ГТУ позволяет переключаться в режим предварительного смешения. При работе на природном газе горелка имеет три системы сопл:
сопла диффузионной горелки;
сопла горелки предварительного смешения;
сопла пилотной горелки (используемой в режиме предварительного смешения)
Переключение с одного вида сопл на другой осуществляется автоматически без останова ГТУ специальными шаровыми кранами.
Для работы на жидком топливе гибридная горелка снабжена центральной форсункой. При сжигании жидкого топлива используют впрыск воды или пара для снижения вредных выбросов.
Технические решения для удовлетворительных показателей работы КС энергетических ГТУ