RU137995U1

RU137995U1 - DEVICE FOR STABILIZING COMBUSTION IN A LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBER OF A GAS-TURBINE INSTALLATION

Info

Publication number: RU137995U1
Application number: RU2013131117/06U
Authority: RU
Inventors: Михаил Фёдорович Кротов; Дмитирий Дмитриевич Медведев; Борис Васильевич Потапкин
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Устройство для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки, состоящее из форсунки с каналом для топливо-воздушной смеси с выходом в рабочую зону камеры сгорания, сформированным полым цилиндрическим анодом с установленным внутри катодом, и подключенных к источнику питания, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит генератор высокочастотного напряжения с частотой в диапазоне 50-300 кГц, выходы которого присоединены к аноду и корпусу камеры сгорания, а между анодом и корпусом камеры сгорания установлена полая цилиндрическая вставка из диэлектрического материала.A device for stabilizing combustion in a low-emission combustion chamber of a gas turbine installation, consisting of a nozzle with a channel for a fuel-air mixture with an exit to the working zone of the combustion chamber formed by a hollow cylindrical anode with a cathode installed inside and connected to a power source, characterized in that the device is additionally contains a high-frequency voltage generator with a frequency in the range of 50-300 kHz, the outputs of which are connected to the anode and the body of the combustion chamber, and burned between the anode and the body of the camera A hollow cylindrical insert of dielectric material is installed.

Description

Полезная модель относится к устройствам для стабилизации горения в низкоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) и может найти применение в газотурбинных двигателях и энергетических установках.The utility model relates to devices for stabilizing combustion in low emission combustion chambers of gas turbine units (GTU) and may find application in gas turbine engines and power plants.

Одной из главных проблем на пути создания высокоэффективных ГТУ является обеспечение низкого содержания вредных примесей в продуктах сгорания при варьировании режима работы ГТУ в широком диапазоне по мощности. К вредным примесям относятся оксиды азота и продукты неполного сгорания топлива.One of the main problems on the way to creating highly efficient gas turbines is to ensure a low content of harmful impurities in the combustion products while varying the gas turbine operating mode over a wide power range. Hazardous impurities include nitrogen oxides and products of incomplete combustion of fuel.

Известны устройства и способы организации низкоэмиссионного сгорания с применением различных методов стабилизации горения перемешанных бедных топливо-воздушных смесей (ТВС) в промышленных камерах сгорания. Так, например, в патентах РФ №2162194, F23R 3/06, 2001 г, №2315913, F23R 3/20,2006 г. снижение эмиссии вредных веществ реализуется за счет организации "богато-бедного" горения топлива путем осуществления предварительного перемешивания топлива с воздухом во фронтовом устройстве и исключения подачи охлаждающего воздуха в зону горения. Стабилизацию горения «бедной» ТВС в двухконтурных горелках, т.е. непрерывную подачу свежей ТВС в зону горения, обеспечивают с помощью аксиально-лопаточного завихрителя путем организации вихревой зоны с возвратным течением «бедной» ТВС, скорость которого меньше скорости распространения пламени, а ее надежное воспламенение и устойчивое горение - с помощью «дежурного» факела (Патенты РФ №№2087805, 1997, F23R 3/16, 2107869, 1998, F23R 3/00, 2143642, 1998, F23R 3/34, 2170391, 2001, F23R 3/14, 2451878, 2006, F23D 14/02). В патентах U.S. №№5623819 (1997), 5050731 (1998), 2003131598 (2003), 2005103023 (2005) снижение эмиссии вредных веществ обеспечивается с помощью «каталитического горения». Однако все эти методы организации горения не позволяют обеспечить нормативные выбросы вредных веществ при повышении параметров ГТУ и, прежде всего, температуры сгорания без использования систем азотоочистки продуктов сгорания.Known devices and methods for organizing low-emission combustion using various methods of stabilizing the combustion of mixed lean fuel-air mixtures (FAs) in industrial combustion chambers. So, for example, in RF patents No. 2162194, F23R 3/06, 2001, No. 2315913, F23R 3 / 20,2006, the reduction of emissions of harmful substances is realized due to the organization of "rich and poor" combustion of fuel by pre-mixing the fuel with air in the front device and excluding the supply of cooling air to the combustion zone. Stabilization of the combustion of the “poor” fuel assemblies in double-circuit burners, i.e. continuous supply of fresh fuel assemblies to the combustion zone is ensured using an axial-blade swirl by organizing a vortex zone with the return flow of the “poor” fuel assemblies, the speed of which is less than the flame propagation velocity, and its reliable ignition and stable combustion - using the “standby” torch (Patents RF No. 2087805, 1997, F23R 3/16, 2107869, 1998, F23R 3/00, 2143642, 1998, F23R 3/34, 2170391, 2001, F23R 3/14, 2451878, 2006, F23D 14/02). In U.S. Patents No. 5623819 (1997), 5050731 (1998), 2003131598 (2003), 2005103023 (2005) reduction of the emission of harmful substances is ensured by means of "catalytic combustion". However, all these methods of organizing combustion do not allow providing standard emissions of harmful substances with increasing parameters of gas turbines and, above all, the temperature of combustion without the use of nitrogen purification systems of combustion products.

Известны также способы плазменного поджига топлива, направленные на повышение эффективности горения рабочей смеси в камерах сгорания. При этом для создания плазмы используют различные физические процессы. Так в патенте DE 10037536 для инициации горения используют неравновесную плазму высокочастотного разряда. В патентах RU 2099584 и US 6883507 для тех же целей используют коронный разряд. Однако, такие системы не работают в области повышенных давлений, характерных для камер сгорания ГТУ.There are also known methods of plasma ignition of fuel, aimed at increasing the efficiency of combustion of the working mixture in the combustion chambers. At the same time, various physical processes are used to create plasma. Thus, DE 10037536 uses a nonequilibrium high-frequency discharge plasma to initiate combustion. In the patents RU 2099584 and US 6883507 for the same purposes use a corona discharge. However, such systems do not work in the area of high pressures characteristic of gas turbine combustion chambers.

Известны источники плазменной струи - плазмотроны на основе дугового разряда, которые используются как для розжига и стабилизации горения пылеугольных котлов (RU 2213303, 2215940, 227379), так и для других технологических целей: металлизации поверхности, сварки или резки металла и т.п. (RU 2111098, RU 2211257).Sources of a plasma jet are known — arc-based plasma torches that are used both for ignition and stabilization of combustion of pulverized coal boilers (RU 2213303, 2215940, 227379), and for other technological purposes: surface metallization, welding or metal cutting, etc. (RU 2111098, RU 2211257).

Наиболее близким техническим решением является устройство для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки согласно патенту US Patent 5640841, состоящее из форсунки с каналом для топливо-воздушной смеси с выходом в рабочую зону камеры сгорания, сформированным полым цилиндрическим анодом дугового плазматрона с установленным внутри катодом, и подключенных к источнику питания. Устройство позволяет эффективно производить инициацию, а также поддержание горения бедных топливо-воздушных смесей плазменным факелом выходящим в рабочую зону камеры сгорания, однако, использование дугового разряда с горячими контрагированными каналами, в которых эффективно генерируются окислы азота, не позволяет обеспечить нормативные выбросы вредных веществ при повышении параметров ГТУ и, прежде всего, температуры сгорания без использования систем азотоочистки продуктов сгорания. Кроме того, дуговые плазмотроны имеют низкий ресурс работы.The closest technical solution is a device for stabilizing combustion in a low-emission combustion chamber of a gas turbine installation according to US Patent 5640841, consisting of a nozzle with a channel for a fuel-air mixture with an exit to the working area of the combustion chamber formed by a hollow cylindrical anode of an arc plasmatron with a cathode installed inside, and connected to a power source. The device allows one to efficiently initiate and maintain the burning of poor fuel-air mixtures with a plasma torch entering the working area of the combustion chamber, however, the use of an arc discharge with hot contaminated channels in which nitrogen oxides are efficiently generated does not allow ensuring standard emissions of harmful substances with increasing parameters of gas turbines and, above all, the temperature of combustion without the use of nitrogen purification systems of combustion products. In addition, arc plasmatrons have a low service life.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение нормативных выбросов вредных веществ, при повышении параметров ГТУ и, прежде всего, температуры сгорания вплоть до 1700°С без использования систем азотоочистки продуктов сгорания при высоком ресурсе работы.The technical result of the utility model is the provision of regulatory emissions of harmful substances, with increasing parameters of gas turbines and, above all, the combustion temperature up to 1700 ° C without the use of nitrogen purification systems of combustion products with a high service life.

Для достижения указанного результата предложено устройство для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки, состоящее из форсунки с каналом для топливо-воздушной смеси с выходом в рабочую зону камеры сгорания, сформированным полым цилиндрическим анодом с установленным внутри катодом, и подключенных к источнику питания, при этом устройство дополнительно содержит генератор высокочастотного напряжения с частотой в диапазоне 50-300 кГц, выходы которого присоединены к аноду и корпусу камеры сгорания, а между анодом и корпусом камеры сгорания установлена полая цилиндрическая вставка из диэлектрического материала.To achieve this result, a device is proposed for stabilizing combustion in a low-emission combustion chamber of a gas turbine installation, consisting of a nozzle with a channel for a fuel-air mixture with an exit to the working zone of the combustion chamber formed by a hollow cylindrical anode with a cathode installed inside and connected to a power source, with this device further comprises a high-frequency voltage generator with a frequency in the range of 50-300 kHz, the outputs of which are connected to the anode and the housing of the combustion chamber, and m A hollow cylindrical insert of dielectric material is installed between the anode and the housing of the combustion chamber.

Общий вид устройства для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки показан на фигуре, где 1 - вход топливо-воздушной смеси, 2 - катод, 3 - анод, 4 - источник питания, 5 - разряд, 6 - факел разряда, 7 -высокочастотный разряд, 8 - диэлектрическая вставка, 9 - генератор высокочастотного напряжения, 10 - корпус камеры сгорания, 11 - рабочая зона камеры сгорания.A general view of a device for stabilizing combustion in a low-emission combustion chamber of a gas turbine installation is shown in the figure, where 1 is the input of the fuel-air mixture, 2 is the cathode, 3 is the anode, 4 is the power source, 5 is the discharge, 6 is the discharge torch, 7 is the high-frequency discharge, 8 - dielectric insert, 9 - high-frequency voltage generator, 10 - combustion chamber body, 11 - working area of the combustion chamber.

Устройство работает следующим образом: топливо-воздушная смесь подается через вход 1 расположенный тангенциально к оси катода 2 и полого цилиндрического анода 3. Катод 2 и анод 3, подключенные к источнику питания 4 представляют собой дуговой плазматрон обеспечивающий поджиг и поддержание электрического разряда 5 в тангенциально закрученном потоке топливо-воздушной смеси. Образующийся таким образом на выходе за анодом факел 6 является электродом для высокочастотного разряда 7, возбуждаемого внутри диэлетрической вставки 8 при помощи генератора высокочастотного напряжения 9 подключенному к аноду 3 и заземленному корпусу камеры сгорания 10. Напряжение высокочастотного разряда составляет 5-10 кВ при диапазоне токов соответственно 1,2-0,1 А. Факел высокочастотного разряда выходит в рабочую зону 11 камеры сгорания обеспечивая, таким образом, стабилизацию процесса горения бедной топливо- воздушной смеси, используемой в низкоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок.The device operates as follows: the fuel-air mixture is supplied through an input 1 located tangentially to the axis of the cathode 2 and the hollow cylindrical anode 3. The cathode 2 and anode 3 connected to the power supply 4 are an arc plasmatron that ignites and maintains the electric discharge 5 in a tangentially twisted flow of fuel-air mixture. The torch 6 thus formed at the outlet behind the anode is an electrode for a high-frequency discharge 7, excited inside the dielectric insert 8 using a high-frequency voltage generator 9 connected to the anode 3 and the grounded body of the combustion chamber 10. The high-frequency discharge voltage is 5-10 kV with a current range, respectively 1.2-0.1 A. A high-frequency discharge torch enters the working area 11 of the combustion chamber, thus ensuring stabilization of the combustion process of a poor air-fuel mixture, we use minutes in low-emission combustion chambers of gas turbines.

Благодаря тому, что в качестве острого электрода высокочастотного разряда используется плазменный факел дугового разряда, флуктуации и формы которого исключают возможность образование точек привязки и контрагирования высокочастотного разряда, обеспечивается его диффузная форма. Отсутствие горячих контрагированных каналов характерных для всех разновидностей дугового и родственных ему типов разрядов, являющихся мощными источниками окислов азота, обеспечивает снижение вредных выбросов газотурбинной установки. Основная энергия вкладывается именно в области высокочастотного разряда, и распределена по объему. Роль дугового разряда сводится к образованию плазменного электрода обеспечивающего формирование диффузной формы высокочастотного разряда и его стабилизации в области высоких давлений вплоть до 20 атмосфер характерных для камер сгорания газотурбинных установок.Due to the fact that a plasma torch of an arc discharge is used as a sharp electrode of a high-frequency discharge, fluctuations and forms of which exclude the possibility of the formation of points of attachment and contraction of a high-frequency discharge, its diffuse shape is ensured. The absence of hot contracted channels, characteristic of all types of arc and related types of discharges, which are powerful sources of nitrogen oxides, ensures the reduction of harmful emissions from a gas turbine plant. The main energy is invested precisely in the high-frequency discharge region, and is distributed throughout the volume. The role of an arc discharge is reduced to the formation of a plasma electrode, which ensures the formation of a diffuse form of a high-frequency discharge and its stabilization in the high-pressure range up to 20 atmospheres typical for combustion chambers of gas turbine plants.

Для организации плазменного факела, играющего роль плазменного электрода в основной части разрядной системы может использоваться переходный разряд, геометрия которого близка к традиционному дуговому плазматрону. Для инициирования и поддержании такой формы разряда используется источник питания вольт-амперная характеристика которого представляет собой падающую кривую с начальным напряжением не менее 8 кВ при токе равном нулю и максимальным током не менее 0,8 А при напряжении равном нулю. При этом напряжение и ток разряда составляют около 2 кВ и 0,5 А вместо 200 В и 5 А характерных для обычного дугового разряда в аналогичных условиях. Работа на малых токах и соответственно на высоких напряжениях существенно увеличивает срок службы электродной системы плазматрона.To organize a plasma torch, which plays the role of a plasma electrode in the main part of the discharge system, a transition discharge can be used, the geometry of which is close to the traditional arc plasmatron. To initiate and maintain this form of discharge, a current-voltage characteristic is used which represents a falling curve with an initial voltage of at least 8 kV at a current equal to zero and a maximum current of at least 0.8 A at a voltage equal to zero. In this case, the voltage and discharge current are about 2 kV and 0.5 A instead of 200 V and 5 A characteristic of a conventional arc discharge under similar conditions. Work at low currents and, accordingly, at high voltages significantly increases the service life of the plasmatron electrode system.

Концентрация топлива в топливо-воздушной смеси, подаваемой в форсунку, выбирается не менее чем в 1,5 раза выше стехиометрического соотношения. Таким образом, обеспечивается образование восстановительной среды на выходе плазменного факела, что способствует дополнительному снижению вредных выбросов.The concentration of fuel in the fuel-air mixture supplied to the nozzle is selected at least 1.5 times higher than the stoichiometric ratio. Thus, the formation of a reducing medium at the exit of the plasma torch is ensured, which contributes to an additional reduction in harmful emissions.

Claims

A device for stabilizing combustion in a low-emission combustion chamber of a gas turbine installation, consisting of a nozzle with a channel for a fuel-air mixture with an exit to the working zone of the combustion chamber formed by a hollow cylindrical anode with a cathode installed inside and connected to a power source, characterized in that the device is additionally contains a high-frequency voltage generator with a frequency in the range of 50-300 kHz, the outputs of which are connected to the anode and the body of the combustion chamber, and burned between the anode and the body of the camera A hollow cylindrical insert of dielectric material is installed.