RU2753203C1

RU2753203C1 - Способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания

Info

Publication number: RU2753203C1
Application number: RU2020133298A
Authority: RU
Inventors: Михаил Николаевич Гутник; Михаил Михайлович Гутник; Людмила Александровна Булысова; Василий Дмитриевич Васильев; Кристина Сергеевна Пугач
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Изобретение относится к области энергетического, транспортного и химического машиностроения, где необходимо организовать экологически чистое сжигание топлива, и может быть использовано в газотурбинных двигателях (далее - ГТД) стационарной и транспортной энергетики. Способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД содержит следующие этапы. Первый этап, на котором приводят во вращение от внешнего пускового привода ротор с компрессором и турбиной с тем, чтобы в жаровую трубу камеры сгорания, имеющую последовательные первую и вторую зоны горения, начал поступать воздух, причем в первую зону горения подают 65-85% от общего количества подаваемого воздуха, а остальную часть воздуха подают во вторую зону горения. Второй этап, на котором открывают подачу топлива на пилотную горелку в первой зоне горения жаровой трубы и включают расположенные в ней электрические поджигатели. Третий этап, на котором осуществляют перераспределение топлива из пилотной горелки в основную горелку. Четвертый этап, на котором при достижении температуры 1200-1300°С на выходе из жаровой трубы дальнейшее нагружение ГТД осуществляют путем дополнительной подачи топлива во вторую зону горения жаровой трубы через средства подачи топлива, содержащие вихревой направляющий аппарат с лопатками. Технический результат - обеспечение низкого уровня образования оксидов азота в камере сгорания газотурбинного двигателя при температуре горения топлива выше 1400°С. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Область использования

Изобретение относится к области энергетического, транспортного и химического машиностроения, где необходимо организовать экологически чистое сжигание топлива, и может быть использовано в газотурбинных двигателях (далее - ГТД) стационарной и транспортной энергетики.

Уровень техники

Одной из задач при создании современных ГТД является обеспечение требуемого уровня выбросов оксидов азота (NO_x). Оксиды азота при сжигании природного газа преимущественно образуются по «термическому» механизму. Главным фактором, определяющим концентрацию оксидов азота термического происхождения, является высокая локальная температура факела в зоне горения. Локальную температуру факела в зоне горения снижают путем сжигания "бедных" предварительно перемешанных топливовоздушных смесей. Это обеспечивается камерами сгорания с горелками предварительного смешения топлива с закруткой потока воздуха, за которыми формируются зоны стабилизации пламени.

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД, содержащий последовательные этапы:

- этап, на котором приводят во вращение от внешнего пускового привода ротор с компрессором и турбиной с тем, чтобы в камеру сгорания начал поступать воздух;

- этап, на котором открывают подачу топлива на пилотную горелку и включают электрические поджигатели;

- этап, на котором после набора установленного уровня нагрузки ГТД, осуществляют перераспределение топлива из пилотной горелки в основную горелку (патент RU 155055 U1, опубл. 20.09.2015 г., стр. 9 (далее - [1])).

Известный из [1] способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД позволяет повысить стабильность процесса горения топлива и снизить образование NO_x за счет уменьшения неравномерности температуры горения по высоте сечения жаровой трубы каждого из модульных элементов камеры сгорания при температуре пламени в зоне горения до 1400°С. Однако продолжающееся развитие мощных стационарных ГТД связано с дальнейшим увеличением температур рабочего тела (в перспективных ГТД до ~1700°С). При средней температуре в зоне горения выше 1450°С образование NO_x начинает экспоненциально возрастать. Таким образом, недостатком известного из [1] способа сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД является то, что он не позволяет обеспечивать снижение образования NO_x при средней температуре в зоне горения выше 1400°С.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является расширение диапазона режимов экологически безопасной работы камеры сгорания газотурбинного двигателя, а техническим результатом - обеспечение низкого уровня образования оксидов азота в камере сгорания газотурбинного двигателя при температуре горения топлива выше 1400°С.

Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД содержит последовательные этапы:

- этап, на котором приводят во вращение от внешнего пускового привода ротор с компрессором и турбиной с тем, чтобы в жаровую трубу камеры сгорания, имеющую последовательные первую и вторую зоны горения, начал поступать воздух, причем в первую зону горения подают 65-85% от общего количества подаваемого воздуха, а остальную часть воздуха подают во вторую зону горения;

- этап, на котором открывают подачу топлива на пилотную горелку в первой зоне горения жаровой трубы и включают расположенные в ней электрические поджигатели;

- этап, на котором осуществляют перераспределение топлива из пилотной горелки в основную горелку;

- этап, на котором при достижении температуры 1200-1300°С на выходе из жаровой трубы дальнейшее нагружение ГТД до его максимальной нагрузки осуществляют путем подачи топлива во вторую зону горения жаровой трубы через средства подачи топлива, содержащие вихревой направляющий аппарат с лопатками.

Причинно-следственная связь между вышеуказанным техническим результатом и совокупностью существенных признаков формулы заявляемого изобретения заключается в следующем.

Энергетические газотурбинные установки (далее - ГТУ) работают в широко изменяющихся климатических условиях. В зависимости от температуры наружного воздуха происходят существенные изменения параметров на входе в камеру сгорания ГТД. При этом требование к соблюдению экологических норм не меняется и необходимость получения низких эмиссий NO_x возникает с 50% нагрузки при любых температурах наружного воздуха. В условиях одной зоны горения в камере сгорания ГТД обеспечить выполнение данного требования не используя регулирование с помощью входного направляющего аппарата ГТД (перепуск воздуха, минуя камеру сгорания ГТД) не представляется возможным. В свою очередь данные мероприятия приводят к снижению коэффициента полезного действия ГТУ, особенно при глубоком регулировании, которое необходимо при низкой температуре наружного воздуха, например, такой как минус 45°С. Решением такой проблемы, без использования регулирования с помощью входного направляющего аппарата ГТД, может стать использование камеры сгорания ГТД с двумя последовательными зонами горения. В этом случае даже при низких температурах в зоне горения камеры сгорания ГТД (которые соответствуют минусовым температурам наружного воздуха), можно создать условия в первой зоне горения, а именно подать малое количество воздуха в первую зону горения и все имеющееся на данном режиме топливо, при котором температура в первой зоне горения обеспечит малоэмиссионное сжигание, т.е. позволит сжигать хорошо перемешанную смесь топлива и воздуха при наиболее оптимальной для устойчивого и малоэмиссионного горения температуре. Оставшийся воздух будет поступать после первой зоны горения, во вторую зону горения минуя процесс перемешивания с топливом. Причем оставшийся воздух также выступит, как воздух разбавления, при помощи которого будет формироваться поле температуры на входе в турбину ГТД. При плюсовых температурах наружного воздуха наблюдается противоположная крайность. Если подать все топливо в первую зону горения, в которую воздуха поступает мало, так как его количество было подобрано под создание комфортных условий сгорания топливовоздушной смеси при отрицательных температурах наружного воздуха, то, в этом случае, первая зона горения будет обладать высокой концентрацией топлива в воздухе, что приведет даже при хорошо перемешанной топливовоздушной смеси к высокой температуре горения топлива в силу его завышенных концентраций. Чтобы избежать такого эффекта, часть топлива подается во вторую зону горения через установленные в ней средства подвода топлива и смешивается с воздухом, поступающим через отверстие для подачи части воздуха из межмодульного пространства, который ранее выполнял функции разбавления. Полученная топливовоздушная смесь во второй зоне горения сгорает в потоке горячих газов, поступающих в нее из первой зоны горения. Дожигание топливовоздушной смеси во второй зоне горения происходит при пониженной концентрации кислорода, т.к. часть его уже вступила в реакцию горения в первой зоне горения. При этом сжигание топливовоздушной смеси в горячих газах не требует организации зоны рециркуляции и стабилизации пламени во второй зоне горения, и, следовательно, время пребывания реагентов во второй зоне горения будет значительно меньше, чем в первой, что приводит к существенному снижению времени на образование NO_x во второй зоне горения.

Для камер сгорания ГТД с двумя зонами кинетического горения с температурой рабочего тела не более 1400°С на максимальных нагрузках ГТУ температуру горения в первой зоне горения камеры сгорания ГТД можно поддерживать в диапазоне 1200-1300°С, что позволит получать минимальное количество образования NO_x при сжигании части перемешанного с воздухом топлива, идущего в первую зону горения и составляющего 65-85% от общего количества подаваемого воздуха (кинетическое горение без локальных максимальных температур в зоне горения). Остальная часть перемешанного с воздухом топлива, идущего во вторую зону горения камеры сгорания ГТД, сжигается во второй зоне кинетического горения для поднятия температуры рабочего тела до 1400°С. Снижение эмиссии NO_x во второй зоне горения происходит за счет отсутствия локальных температур рабочего тела выше 1400°С и недостатка кислорода, который частично участвует в реакции горения топлива в первой зоне горения с образованием NO_x.

В камерах сгорания ГТД с одной зоной горения с температурой рабочего тела на выходе выше 1400°С приходится подавать весь воздух в фронтовое устройство, что приводит к захолаживанию зоны горения на низких нагрузках ГТУ и, как следствие, ухудшению полноты сгорания топлива. А также отсутствие отверстий для подачи воздуха на разбавление не позволяет формировать необходимую неравномерность газов на выходе камеры сгорания ГТД при сжигании топлива в диффузионном режиме (высокие локальные температуры горения от зажигания до нагрузок, когда происходит кинетическое малоэмиссионное сжигание топлива).

При температурах газов на выходе более 1400°С в камере сгорания ГТД с двумя зонами кинетического горения часть топлива, перемешанная с воздухом, поступающим во фронтовое устройство и составляющим 65-85% от общего количества подаваемого воздуха, кинетически сжигается в первой зоне горения со средней температурой ниже 1400°С, а во второй зоне горения кинетически сжигается оставшаяся часть топлива, поступающая через средства подвода топлива во второй зоне горения и перемешанная с воздухом, поступающим через сквозное отверстие в боковой стенке жаровой трубы, со средней температурой горения выше 1400°С. Это приводит к существенному снижению времени на образование NO_x во второй зоне горения со средней температурой горения выше 1400°С, так как сжигание топливовоздушной смеси во второй зоне горения в горячих газах, поступающих из первой зоны горения, не требует организации зоны рециркуляции и стабилизации пламени во второй зоне горения. При этом большая часть воздуха (65-85% от общего количества подаваемого воздуха) подается во фронтовое устройство в первую зону горения, а меньшая часть воздуха - через сквозное отверстие в боковой стенке жаровой трубы во вторую зону горения, что также обеспечивает снижение образования NO_x во второй зоне горения за счет недостатка кислорода в ней для реакций образования NO_x.

Таким образом, применение способа сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД, содержащего последовательные этапы: этап, на котором приводят во вращение от внешнего пускового привода ротор с компрессором и турбиной с тем, чтобы в жаровую трубу камеры сгорания, имеющую последовательные первую и вторую зоны горения, начал поступать воздух, причем в первую зону горения подают 65-85% от общего количества подаваемого воздуха, а остальную часть воздуха подают во вторую зону горения; этап, на котором открывают подачу топлива на пилотную горелку в первой зоне горения жаровой трубы и включают расположенные в ней электрические поджигатели; этап, на котором осуществляют перераспределение топлива из пилотной горелки в основную горелку; и этап, на котором при достижении температуры 1200-1300°C на выходе из жаровой трубы дальнейшее нагружение газотурбинного двигателя осуществляют путем дополнительной подачи топлива во вторую зону горения жаровой трубы через средства подачи топлива, содержащие вихревой направляющий аппарат с лопатками, с целью интенсификации перемешивания топлива с подаваемой во вторую зону горения частью воздуха, позволяет осуществить последовательное двухзонное сжигание топлива с оптимальным распределением топлива между двумя зонами горения и с пониженным содержанием кислорода во второй зоне горения при температуре горения топлива в ней выше 1400°С, что позволяет снизить скорости протекания химических реакций и уменьшить вследствие этого количество образования NO_x.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен общий вид ГТД с камерой сгорания. На фиг. 2 представлен модульный элемент камеры сгорания ГТД в продольном разрезе.

Описание позиций чертежей

1 - ротор ГТД;

2 - компрессор ГТД;

3 - турбина ГТД;

4 - камера сгорания ГТД;

5 - единый силовой корпус;

10 - фронтовое устройство модульного элемента;

11 - диффузионная пилотная горелка;

12 - основная горелка предварительного смешения;

13 - жаровая труба;

14 - газоотводной участок;

15 - радиальный лопаточный завихритель воздуха;

16 - выпускные каналы;

111 - регулируемый топливоподвод пилотной горелки;

122 - главная независимая регулируемая система топливоподвода основной горелки;

123 - корректирующая независимая регулируемая система топливоподвода основной горелки;

131 - первая зона горения пламенного участка жаровой трубы;

132 - вторая зона горения пламенного участка жаровой трубы;

133 - сквозные отверстия;

141 - подводящий топливный штуцер;

142 - лопатка завихрителя направляющего аппарата;

Осуществление изобретения

Ниже приведен частный пример осуществления способа сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД.

ГТД содержит ротор 1 с компрессором 2, турбиной 3 и окружающую ротор 1 камеру сгорания 4 (фиг. 1).

Камера сгорания ГТД 4 состоит в данном примере из двадцати модульных элементов, расположенных по окружности концентрично ротору ГТД 1 снаружи по отношению к последним ступеням компрессора ГТД 2 (фиг. 1). Все модульные элементы помещены в едином силовом корпусе 5. Внутри каждого модульного элемента установлено: фронтовое устройство 10 с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой 11 с регулируемым топливоподводом 111 и внешней основной горелкой предварительного смешения 12 с радиальным лопаточным завихрителем воздуха 15 и с двумя - главной и корректирующей - независимыми регулируемыми системами топливоподвода 122 и 123 соответственно, выпускные каналы 16 которых размещены в межлопаточных полостях лопаточного завихрителя воздуха 15, а также примыкающая к фронтовому устройству 10 жаровая труба 13 с газоотводным участком 14 и пламенным участком, который разделен на две последовательных зоны горения - первую зону 131 и вторую зону 132. Причем во второй зоне горения 132, в которой расположены в данном примере два сквозных отверстия 133 в боковой стенке жаровой трубы 13 для подачи части воздуха из межмодульного пространства, установлены средства подвода топлива на одном уровне с двумя отверстиями 133. Теплонапряженные участки жаровой трубы 13 и фронтового устройства 10 каждого модульного элемента камеры сгорания 4 ГТД оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия (на фиг. не показаны), включающими термозащитное керамическое покрытие внутренних поверхностей и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенных участков первой и второй зон горения жаровой трубы 131 и 132 соответственно. Установленные в каждом модульном элементе средства подвода топлива во второй зоне горения 132 пламенного участка жаровой трубы 13 выполнены в виде подводящего топливного штуцера 141, соединенного с вихревым направляющим аппаратом с лопатками 142 (фиг. 2).

Способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД осуществляется следующим образом.

Для запуска ГТД ротор 1 с компрессором 2 и турбиной 3 приводят во вращение от внешнего пускового привода (на фиг. не показан) для того, чтобы в камеру сгорания ГТД 4 начал поступать воздух. Причем в первую зону горения 131 подают 65-85% от общего количества подаваемого воздуха, а остальную часть воздуха подают во вторую зону горения 132. Затем открывают подачу газообразного или жидкого топлива на диффузионную пилотную горелку 11 и включают электрические поджигатели (на фиг. не показаны). После зажигания топливовоздушной смеси на выходе из пилотной горелки 11 и достижения ГТД номинальных оборотов, его синхронизируют с частотой электросети и нагружают до достижения на выходе из жаровой трубы 13 температуры t_{вых жт} = 1000 - 1055°С. Затем скачкообразно закрывают подачу топлива в пилотную горелку 11 с одновременным скачкообразным открытием подачи топлива в корректирующую независимую регулируемую систему топливоподвода основной горелки 123. При этом создается повышенная концентрация топлива в топливовоздушной смеси, обогащающая ее в области периферийного слоя кольцевого пламенного завихренного потока на выходе фронтового устройства модульного элемента 10. Дальнейшее нагружение ГТД осуществляют путем постепенной подачи топлива в главную независимую регулируемую систему топливоподвода основной горелки 122 от 0 до 95…99% от общего расхода топлива с постепенным уменьшением подачи топлива через корректирующую независимую регулируемую систему топливоподвода основной горелки 123 от 100 до 5…1% от общего расхода топлива. При достижении на выходе из жаровой трубы 13 t_{вых жт} = 1200-1300°С дальнейшее нагружение ГТД до его максимальной нагрузки происходит за счет подачи топлива через подводящий топливный штуцер 141, соединенный с вихревым направляющим аппаратом с лопатками 142. Поскольку большая часть воздуха (65-85% от общего количества подаваемого воздуха) поступает во фронтовое устройство 10, а меньшая часть воздуха поступает во вторую зону горения 132, продукты полного сгорания топлива первой зоны горения 131 с температурой пламени 1300-1400°С поступают во вторую зону горения 132 с пониженным содержанием кислорода, что позволяет снизить скорость протекания химических реакций во второй зоне горения 132, в которой температура пламени выше 1500°С, и уменьшить вследствие этого образование NO_x.

Промышленная применимость

Способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания ГТД отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.

Claims

1. Способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит последовательные этапы:

- этап, на котором при достижении температуры 1200-1300°С на выходе из жаровой трубы дальнейшее нагружение газотурбинного двигателя осуществляют путем дополнительной подачи топлива во вторую зону горения жаровой трубы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная подача топлива во вторую зону горения жаровой трубы осуществляется через средства подачи топлива, содержащие вихревой направляющий аппарат с лопатками.