RU2493491C1

RU2493491C1 - Method to burn fuel in combustion chamber of gas turbine plant and device for its realisation

Info

Publication number: RU2493491C1
Application number: RU2012116790/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович ШМЕЛЕВ; Александр Викторович Рощин; Владимир Сергеевич Арутюнов; Александр Алексеевич Захаров; Аян Рахметов
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-09-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: fuel is previously mixed with air at a certain ratio of components. The fuel and air mixture is sent via a volume matrix. At the outlet from the matrix the flame is maintained in the surface combustion mode with a laminar flow of the fuel and air mixture and at the temperature from 1200° to 1500°K. The device for method realisation comprises a body with an inlet for supply of the fuel and air mixture and an outlet for discharge of combustion products. Inside the body there is a volume matrix made from a refractory material, which is permeable for the fuel and air mixture. The volume matrix is made with blades, which are connected to the outlet for discharge of the combustion products.

EFFECT: reduced temperature of a combustion process, reduced emissions of nitrogen oxides, improved temperature homogeneity of combustion products, simplified design of a combustion chamber with simultaneous reduction of its volume.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании и модернизации энергетических газотурбинных установок (ГТУ), потребляющих в качестве энергетического газотурбинного топлива природный газ и другие виды газообразного топлива.The invention relates to a power system and can be used to create and modernize energy gas turbine units (GTU), consuming natural gas and other types of gaseous fuel as energy gas turbine fuel.

Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в жаровую трубу воздуха и водяного пара для неполного сгорания топлива и последующее его дожигание /RU 2042886, F23R 3/34, 1995/. Отличительной особенностью указанного способа является то, что дожигание топлива осуществляют по меньшей мере в две стадии. Причем неполное сжигание топлива производят с коэффициентом избытка окислителя 0,4-0,8, а дожигание в обеих стадиях с возрастающим коэффициентом избытка окислителя и не менее 0,6 при первой стадии дожигания.A known method of burning organic fuel in the combustion chamber of a gas turbine installation, comprising supplying air and water vapor to the flame tube for incomplete combustion of the fuel and its subsequent afterburning / RU 2042886, F23R 3/34, 1995 /. A distinctive feature of this method is that the afterburning of the fuel is carried out in at least two stages. Moreover, incomplete combustion of the fuel is carried out with a coefficient of excess oxidizer of 0.4-0.8, and afterburning in both stages with an increasing coefficient of excess of oxidizer and at least 0.6 in the first stage of afterburning.

Там же описана камера сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус, жаровую трубу, горелочные устройства, установленные в зоне горения и в зоне дожигания по окружности жаровой трубы, подключенные к ним трубопроводы топлива и водяного пара и воздуховод. Отличительной особенностью камеры сгорания является то, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным горелочным устройством, установленным в зоне дожигания, причем горелочные устройства, расположенные в зоне неполного горения, размещены по оси камеры, а в зоне дожигания смещены по длине жаровой трубы и размещены под разными углами наклона к ее оси.A combustion chamber of a gas turbine installation is also described therein, comprising a housing, a flame tube, burners installed in the combustion zone and in the afterburning zone around the circumference of the flame tube, fuel and water vapor pipelines connected to them, and an air duct. A distinctive feature of the combustion chamber is that it is equipped with at least one additional burner device installed in the afterburning zone, and the burner devices located in the incomplete combustion zone are placed along the axis of the chamber, and in the afterburning zone are displaced along the length of the flame tube and placed under different angles of inclination to its axis.

Недостатком известных способа и устройства является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода.A disadvantage of the known method and device is the high level of harmful emissions, especially nitrogen oxides and carbon monoxide.

Наиболее близким к заявляемому является способ турбулентного факельного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ в диффузионном режиме с последующим диффузионным разбавлением продуктов сгорания воздухом [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир. 1986. с.22-23].Closest to the claimed is a method of turbulent flaring of fuel in a combustion chamber of a gas turbine in diffusion mode, followed by diffusion dilution of combustion products with air [Lefebvre A. Processes in a combustion chamber of a gas turbine engine. M .: World. 1986. p.22-23].

Недостатком данного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода. В процессе диффузионного смешения топлива со вторичным воздухом, протекающим по всей длине камеры сгорания ГТУ, не удается достигнуть необходимой степени обеднения топливовоздушной смеси непосредственно в области горения, поэтому не обеспечивается достаточно низкий уровень образования оксидов азота, соответствующий современным экологическим требованиям. Снижение температуры в результате ввода вторичного воздуха ухудшает условия для конверсии монооксида углерода и других продуктов неполного сгорания топлива. Поэтому для их догорания требуется значительное увеличение длины камеры сгорания (жаровой трубы). Кроме того, турбулентный характер и высокая температура горения приводят к высоким термическим и газодинамическим нагрузкам на поверхность камеры сгорания (жаровой трубы), что приводит к сокращению ресурса ее работы.The disadvantage of this method is the high level of harmful emissions, especially nitrogen oxides and carbon monoxide. In the process of diffusive mixing of fuel with secondary air flowing along the entire length of the gas turbine combustion chamber, it is not possible to achieve the required degree of depletion of the air-fuel mixture directly in the combustion area, therefore, a sufficiently low level of formation of nitrogen oxides corresponding to modern environmental requirements is not provided. The decrease in temperature due to the introduction of secondary air worsens the conditions for the conversion of carbon monoxide and other products of incomplete combustion of fuel. Therefore, for their burning, a significant increase in the length of the combustion chamber (flame tube) is required. In addition, the turbulent nature and high combustion temperature lead to high thermal and gas-dynamic loads on the surface of the combustion chamber (flame tube), which leads to a reduction in the resource of its operation.

Наиболее близким к заявляемому является устройство камеры сгорания ГТУ, имеющее одну или несколько форсунок для подачи топлива, входной тракт для нагнетания первичного воздуха в камеру сгорания в область форсунок и устройства для подачи вторичного воздуха в область разбавления продуктов сгорания [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир. 1986. с.25].Closest to the claimed is a gas turbine combustion chamber device having one or more nozzles for supplying fuel, an inlet path for injecting primary air into the combustion chamber in the region of the nozzles and devices for supplying secondary air to the region of dilution of the combustion products [Lefebvre A. Processes in the combustion chambers GTE. M .: World. 1986. p.25].

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, обеспечивающей распределенную подачу вторичного воздуха по длине камеры сгорания, необходимость большой длины камеры сгорания для обеспечения необходимой полноты конверсии СО и других продуктов неполного сгорания топлива, большие тепловые и газодинамические нагрузки на стенки камеры сгорания (жаровой трубы), сложность охлаждения стенок камеры сгорания (жаровой трубы) и невысокий ресурс их работы.The disadvantages of this device are the complexity of the design, which provides a distributed supply of secondary air along the length of the combustion chamber, the need for a large length of the combustion chamber to ensure the necessary completeness of conversion of CO and other products of incomplete combustion of fuel, large thermal and gas-dynamic loads on the walls of the combustion chamber (flame tube), complexity cooling the walls of the combustion chamber (flame tube) and the low resource of their work.

Авторы решали задачу по созданию способа сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки и устройства для его реализации, лишенных указанных недостатков. Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение температуры процесса, уменьшение выбросов оксидов азота и оксидов углерода, улучшение температурной однородности продуктов сгорания, упрощение конструкции камеры сгорания с одновременным уменьшением ее объема.The authors solved the problem of creating a method of burning fuel in the combustion chamber of a gas turbine installation and a device for its implementation, devoid of these disadvantages. The technical result of the claimed invention is to reduce the temperature of the process, reduce emissions of nitrogen oxides and carbon oxides, improve the temperature uniformity of the combustion products, simplify the design of the combustion chamber while reducing its volume.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается способ сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, при котором его предварительно смешивают с воздухом в определенном соотношении компонентов, топливно-воздушную смесь пропускают через объемную матрицу, а на выходе из матрицы поддерживают пламя в режимеTo solve this problem, as well as to achieve the claimed technical result, a method of burning fuel in a combustion chamber of a gas turbine installation is proposed, in which it is pre-mixed with air in a certain ratio of components, the air-fuel mixture is passed through a volumetric matrix, and a flame is maintained at the exit from the matrix in mode

поверхностного горения при ламинарном потоке топливно-воздушной смеси и при температуре от 1200 до 1500K.surface combustion at a laminar flow of a fuel-air mixture and at a temperature of from 1200 to 1500K.

Дополнительно предлагается процесс горения поддерживать во встречных потоках топливно-воздушной смеси.In addition, it is proposed that the combustion process be maintained in oncoming flows of the air-fuel mixture.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для реализации способа содержащее корпус со входом для подвода топливно-воздушной смеси и выходом для вывода продуктов сгорания. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что внутри корпуса помещена объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, причем объемная матрица выполнена с полостями, которые соединены с выходом для вывода продуктов сгорания.To solve the problem, as well as to achieve the claimed technical result, a device is proposed for implementing the method comprising a housing with an input for supplying a fuel-air mixture and an output for outputting combustion products. A distinctive feature of the proposed device is that a volumetric matrix made of a heat-resistant material permeable to the fuel-air mixture is placed inside the body, and the volumetric matrix is made with cavities that are connected to the outlet for the output of combustion products.

Дополнительно предлагается объемную матрицу выполнить из нескольких последовательно соединенных элементов.Additionally, it is proposed that the three-dimensional matrix be made of several series-connected elements.

Элементы объемной матрицы могут быть выполнены из пенометаллического материала и/или из перфорированной керамики, и/или металлической сетки и/или из пористого карбида кремния.The elements of the bulk matrix can be made of foam material and / or perforated ceramic, and / or metal mesh and / or porous silicon carbide.

Осуществление предлагаемого способа и устройства, его реализующего, позволяет осуществить переход от высокотемпературного турбулентного факельного сжигания топлива к беспламенному ламинарному горению вблизи поверхности матрицы, проницаемой для топливовоздушной смеси. При этом развитая поверхность пламени, обеспечивающая высокую интенсивность турбулентного горения, заменяется развитой поверхностью матрицы. Расположение фронта пламени на поверхности матрицы обеспечивает внутреннюю рекуперацию тепла от пламени к топливовоздушной смеси по цепочке пламя - матрица - топливовоздушная смесью. Такой рекуперационный подогрев топливовоздушной смеси обеспечивает возможность сжигания бедных топливно-воздушных смесей, снимает проблему догорания топлива и позволяет рассчитывать на значительное сокращение длины камеры сгорания.The implementation of the proposed method and device that implements it allows the transition from high-temperature turbulent flare fuel combustion to flameless laminar combustion near the surface of the matrix, permeable to the air-fuel mixture. In this case, the developed flame surface, providing a high intensity of turbulent combustion, is replaced by the developed matrix surface. The location of the flame front on the surface of the matrix provides internal heat recovery from the flame to the air-fuel mixture along the flame-matrix-air-fuel mixture. Such a regenerative heating of the air-fuel mixture provides the possibility of burning poor fuel-air mixtures, removes the problem of fuel burnout and allows us to expect a significant reduction in the length of the combustion chamber.

Низкая (1300-1500°С) температура пламени, стабилизированного вблизи поверхности матрицы, исключает образование заметной концентрации оксидов азота NOx, и снимает большую часть проблем с охлаждением элементов конструкции ГТУ. При этом существенно упрощается вся конструкция камеры сгорания за счет отсутствия таких сложных и ненадежных компонентов традиционных камер сгорания, как жаровая труба и система ее охлаждения, система подачи вторичного воздуха. Снижаются требования к конструкционным материалам камеры сгорания, повышается ее ресурс.The low (1300-1500 ° C) temperature of the flame stabilized near the matrix surface eliminates the formation of a noticeable concentration of nitrogen oxides NOx, and removes most of the problems with cooling of gas turbine structural components. At the same time, the entire design of the combustion chamber is greatly simplified due to the absence of such complex and unreliable components of traditional combustion chambers as the heat pipe and its cooling system, and the secondary air supply system. The requirements for the structural materials of the combustion chamber are reduced, and its resource is increased.

Сжигание топлива в ламинарном режиме вблизи поверхности матрицы делает процесс горения более стабильным, устраняя такие характерные для турбулентного горения явления, как пульсация пламени и повышенное образование вредных выбросов в результате локальных повышений температуры и концентраций компонентов горючего даже при сжигании бедных смесей.Burning fuel in the laminar mode near the matrix surface makes the combustion process more stable, eliminating such turbulent combustion phenomena as flame pulsation and increased formation of harmful emissions as a result of local temperature increases and concentrations of fuel components even when burning lean mixtures.

Однородность (подобие) процесса горения вблизи каждого элемента поверхности матрицы существенно облегчает масштабирование и компоновку камер сгорания для ГТУ различной мощности.The homogeneity (similarity) of the combustion process near each element of the matrix surface greatly facilitates the scaling and layout of combustion chambers for gas turbines of various capacities.

Достоинством поверхностного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ, выгодно отличающим его от предлагаемых для снижения уровня выброса вредных веществ каталитических конвертеров, является газофазный характер горения, при котором продукты горения не взаимодействуют с поверхностью матрицы. Помимо повышения ресурса камеры сгорания это делает возможным использование одной и той же камеры сгорания для сжигания различных видов жидкого и газообразного топлива. Новый тип камер сгорания также расширяет возможность использования в ГТУ низкокачественных и альтернативных топлив. За счет упрощения конструкции камеры сгорания и отсутствия зоны догорания топлива можно ожидать снижения ее габаритно-весовых характеристик по сравнению камерами сгорания типовых ГТУ.The advantage of surface combustion of fuel in a gas turbine combustion chamber, which distinguishes it favorably from those proposed to reduce the level of emission of harmful substances from catalytic converters, is the gas-phase nature of combustion, in which the combustion products do not interact with the matrix surface. In addition to increasing the life of the combustion chamber, this makes it possible to use the same combustion chamber for burning various types of liquid and gaseous fuels. A new type of combustion chambers also expands the possibility of using low-quality and alternative fuels in gas turbines. Due to the simplification of the design of the combustion chamber and the absence of a fuel burnout zone, we can expect a decrease in its overall weight characteristics in comparison with the combustion chambers of typical gas turbines.

На прилагаемом чертеже представлено заявляемое устройство, где 1 - корпус, 2 - вход для подвода топливно-воздушной смеси, 3 - выход для вывода продуктов сгорания, 4 - объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, 5 - полости, соединенные с выходом для вывода продуктов сгорания 3.The attached drawing shows the inventive device, where 1 is a housing, 2 is an input for supplying a fuel-air mixture, 3 is an output for outputting combustion products, 4 is a volume matrix made of heat-resistant material permeable to a fuel-air mixture, 5 is a cavity connected to the outlet for the output of combustion products 3.

Способ осуществляют, а устройство работает следующим образом. Заранее подготовленная топливно-воздушная смесь поступает на вход 2 корпуса 1, Смесь, проходя по периферии внутреннего пространства корпуса 1, охлаждает его и затем, пройдя сквозь проницаемую объемную матрицу 4, попадает в полости 5, где на поверхности матрицы происходит процесс горения. Продукты сгорания поступают на выход 3.The method is carried out, and the device operates as follows. A pre-prepared fuel-air mixture enters the input 2 of the housing 1, the mixture, passing along the periphery of the internal space of the housing 1, cools it and then, passing through the permeable volume matrix 4, enters the cavity 5, where the combustion process occurs on the matrix surface. Combustion products exit 3.

Claims

1. A method of burning fuel in the combustion chamber of a gas turbine installation, in which it is pre-mixed with air in a certain ratio of components, the air-fuel mixture is passed through a volumetric matrix, and at the exit from the matrix, a flame is maintained in the surface combustion mode with a laminar flow of the fuel-air mixture and at temperatures from 1200K to 1500K.

2. The method according to claim 1, characterized in that the combustion process is supported in oncoming flows of the air-fuel mixture.

3. The device for implementing the method according to claim 1, comprising a housing with an input for supplying a fuel-air mixture and an output for outputting combustion products, characterized in that a bulk matrix made of heat-resistant material permeable to the fuel-air mixture is placed inside the housing, moreover, the volumetric matrix is made with cavities that are connected to the outlet for the output of combustion products.

4. The device according to claim 3, characterized in that the volumetric matrix is made of several series-connected elements.

5. The device according to claim 4, characterized in that the elements of the volumetric matrix are made of foam material, and / or perforated ceramic, and / or metal mesh, and / or porous silicon carbide.