автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Разработки и исследования малотоксичных камер сгорания энергетических газотурбинных установок

РГ6 од

Всероссийски^дважды ордена Трудового Красного Знамени ] теплотехнический научно-исследовательский институт

ТУМАНОВСКИ Й Анатолий Григорьевич

РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОТОКСИЧНЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.04.01 — Котлы, парогенераторы и камеры сгорания

(ВТИ)

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1963

Работа выполнена во Всероссийском дважды ордена Трудовс Красного Знамени теплотехническом научно-исследовательском институте.

Официальные оппоненты

д.т.н. | профессор ДВОЙНШШКОВ В .А. д.т.н., профессор ПЧЕЛКИН Ю.М. д.т.н. КАНИЛО П.М. Ведущая организация ПОТ ЛМЗ

Защита состоится </% ЬС^С^у 1993 г. в ^¿¿час.О мин. в аудитории заседании специализированного Сове

Д 053.16.03 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьско Револвдии энергетическом институте по адресу: г.Москва, Е-25 Красноказарменная ул., 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печ. тыо учреждения, просим направлять по адресу: 105835 ГСП, г .Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14. Ученый Совет М

Автореферат разослан " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

Костеж М.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности производства электроэнергии и тепла на электростанциях является важнейшим условием успешного развития экономики и улучшения жизни общества. Большая часть электроэнергии и теша в настоящее время вырабатывается и в перспективе будет вырабатываться из органического топлива на тепловых электрических станциях (ТЭС). Их совершенствование в течение последних десятилетий во все возрастающей степени связано с применением газотурбинных (ГГУ) и созданием с их использованием парогазовых установок (1117). ГТУ просты и надежны в эксплуатации, они могут быть полностью автоматизированы, их обслуживание несложно. Для ТЭС с ГГУ характерны низкая стоимость, малая площадь и объем здания, отсутствие потребности в охлаждающей воде.

Экономичность ПТУ на 20-25$ выше, чем лучших паровых энергоблоков. В оптимальных схемах ИГУ с мощяыми современными газовыми турбинами достигнут уже КПД до 52,5%, спроектированы установки с КПД до 54%. Значительные выгоды дает реконструкция по циклу ПГУ (мощность от 15-25 до 150-200 МВт) на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ).

Перспективы применения ГГУ и ПГУ в значительной степени связаны с их способностью удовлетворять возрастающим природоохранным требованиям. Сжигание топлив в камерах сгорания ГГУ осуществляется с высокой интенсивностью процессов смешения и выгорания, при повышенном уровне максимальных температур, высоких давлениях (до 2,5 МПа) и коэффициентах избытка воздуха ( = 3,0-5,0). Эти условия благоприятны для образования оксидов азота, а иногда и сажистых частиц. При пусковых режимах и частичных нагрузках ГГУ возможно образование продуктов неполного сгорания топлив. Выбросы этих веществ на разных этапах развития ГГУ вызывали трудности с их размещением на электростанциях, связанные с превышением допустимых концентраций отдельных вредных веществ в приземном слое.

Чтобы избежать их, необходимо к конструкциям камер сгорания энергетических ГГУ наряду с традиционными требованиями,такими как обеспечение процесса выгорания с высокой полнотой,равномерного или заданного профиля температур газов перед турби-

ной, невысоких гидравлических потерь в камере, устойчивости горения, эффективного охлаждения металла пламенной трубы и других горячих элементов, предъявлять требования к минимальной токсичности отработавших газов во всем диапазоне режимов работы ГТУ.

Формулирование этих требований на основе детального изучения процессов сжигания топлив в ГТУ и разработка научных основ и рациональных методов снижения образования вредных веществ в их камерах сгорания без ухудшения экономических и эксплуатационных показателей является предметом диссертации. Эта задача актуальна и имеет важное народнохозяйственное значение.

Научные результаты, которые обобщены в диссертационной работе и практически использованы при совершенствовании действующих и проектировании новых ГТУ, явились итогом выполненных автором в 1965-1992 гг. работ. Эти работы велись в соответствии с Постановлениями Совета Министров СССР, заданиями ГКНТ, Приказами по Минэнерго СССР и межотраслевыми планами.

Целью -работы является создание научных основ и методов проектирования высокоэффективных камер сгорания для энергетических ГТУ, способных работать на природном газе и жидком топливе в широком диапазоне режимов с минимальными концентрациями загрязняющих атмосферу веществ на выходе; выяснение необходимых ддя достижения этих целей закономерностей и разработка методов расчета зависимостей основных показателей камеры сгорания, в том числе и концентраций образующихся в них вредных веществ, от конструктивных и режимных параметров; реализация и экспериментальная проверка полученных результатов на действующих ТЭС, а также разработка и экспериментальное исследование малотоксичных камер сгорания для перспективных ГТУ.

Научная новизна:

- Результаты экспериментальных исследований около 100 различных вариантов камер сгорания разных типов, носивших комплексный характер и выявивши влияние конструктивных (форма, размеры) и технологических (режимы работы и параметры среды) факторов на надежность (температуры деталей и газов, устойчивость и пульсации давления), экономичность (полнота выгорания, потери давления) и экологические показатели камер.

- Обобщение результатов этих экспериментальных исследова-

ний и уточнение на его основе формы физически обоснованных уравнений и определение численного значения входящих в них коэффициентов. В совокупности полученные таким образом зависимости обеспечили возможность количественных расчетов концентраций оксидов азота, продуктов неполного сгорания, сажистых частиц для камер сгорания с различной организацией рабочего процесса в зависимости от их конструктивных и режимных параметров.

- Математическая модель, основанная на решении полной системы дифференциальных уравнений турбулетного переноса и замыкаемой моделями турбулетности и диффузионного горения, адекватно отражающая рабочие процессы в.осесиммегричных камерах сгорания, с помощью которой получены новые данные по интенсивности тепломассообмена и выгорания, полям концентраций оксидов азота в объеме камеры сгорания, по влиянию геометрических характеристик фронтового устройства на структуру температурного поля и температурный режим стенок пламенной трубы. На этой основе оптимизированы конструкции камер сгорания для достижения минимальных вредных выбросов и высоких экономических показателей на переменных и рабочих режимах работы ГТУ.

- Разработаны и исследованы новые методы сжигания в камерах сгорания ГТУ с высокими избытками воздуха в зоне горения

( oii ~ 1,8-2,5). К ним относятся способы сжигания с организацией предварительного смешения топлива и воздуха, микрофакельного и двухзонного горения. Они позволили радакально (в 5-8 раз) снизить концентрацию оксидов азота на рабочих режимах с сохранением высоких остальных технико-экономических и экологических показателей в широком диапазоне работы ГТУ.

- Рекомендации по выбору метода сжигания в зависимости от параметров ГТУ, вида топлива и требований к защите окружающей среды; алгоритмы управления камерой сгорания на пусковых и частичных режимах, обеспечивающие минимальные выбросы вредных веществ.

Новые научные результаты получены также при исследованиях и обобщениях:

- влияния концентрации азота в топливе, температурного уровня в зоне горения и конструкции камеры сгорания на степень конверсии топливного азота в //Ох ;

- зависимости удельного выброса оксида углерода от пара-

метров в зоне горения при сжигании природного газа и жидких тошшв на переменных режимах работы ГТУ;

- взаимодействия факелов распыленного топлива 1-ой и П-ой ступеней механических форсунок с целью снижения образования сажистых частиц;

- характеристик рабочего процесса оригинальных вариантов низконапорных (аэроционных) форсунок, для которых определены оптимальные скорости воздуха и приемлемые вида топлива (по показателю коксуемости);

- влияния показателей жидкого топлива и характеристик его распыла на завершенность процесса испарения капель в начале пуска;

- условий гомогенного образования триоксида серы 3 ) и путей его снижения в камерах сгорания ГТУ.

Ряд разработок новых способов сжигания защищен авторскими свидетельствами: М 1408907, 1390481, 1430685, 1438347, 1438352, 1477032, 1486703.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Осуществлено снижение вредных веществ на пусковых и рабочих режимах в отработавших газах установок ГТ-25-700, ГГ-100-750 (ПО ЛМЗ), ГТ-35-770 (ПО "Турбоатом), ГТ-12М, ГТК-Ю-4, ГГН-25 (ПО НЗЛ).

Разработанные методы расчета, результаты экспериментальных и расчетных исследований использованы при разработке новых конструкций камер сгорания для создаваемых в настоящее время установок РГЭ-150 (ПО ЛМЗ), ГГЭ-45 и ГТЭ-115 (ПО "Турбоатом"), ГГН-25А (ПО НЗЛ), горелочных устройств для котла-утилизатора ПГУ-800.

Полученные в работе закономерности, описывающие влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на работу камер сгорания, применяются на ТЭС для снижения концентрат^ оксидов азота, продуктов неполного сгорания, сажистых частиц в выбросах и решения других экологических задач.

Методы оценки концентраций вредных веществ, образующихся в камерах сгорания ГТУ, используются проектными организациями при обосновании размещения ГТУ и ИГУ на конкретных площадках и электростанциях и расчете валовых выбросов (РД 34.02.305-90).

Экономический эффект от внедрения результатов работы составил около 2 млн.руб. (в ценах 1984 г.). С введением платы за

выбросы загрязняющих веществ в природную среду этот эффект будет существенно выше.

Достоверность и обоснованность результатов -работы обеспечиваются:

- комплексным подходом и полнотой экспериментальных исследований на различных типах (4-е) и конструкциях (более 100 вариантов) камер сгорания при сжигании газообразных и жидких топ-лив в широком диапазоне изменения режимных параметров ГТУ;

- использованием современных методов математического моделирования и вычислительных машин дня анализа процесса выгорания и образования вредных веществ;

- проведением экспериментальных исследований камер сгорания с использованием усовершенствованных методик на автоматизированных стендах и электростанциях;

- сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- экспериментальной проверкой выводов работы на действующем оборудовании ТЭС в условиях промышленной эксплуатации.

В проведении работ, составивших основу для сделанных в диссертации обобщений, участвовали сотрудники ВТИ, работники машиностроительных заводов, электростанций и научных организаций: ПО ЛИЗ, ПО нал, ПО "Турбоатом", НИТИЭМ, КПИ, ЦКТИ, ЦИАМ, МГГУ, Краснодарская ТЭЦ, Якутская ГРЭС, ГРЭС-3 Мосэнерго и др.

Личный вклад автора заключается в формировании концепций всей работы, постановке комплекса исследований по изучению особенностей образования вредных веществ в камерах сгорания ГТУ, разработке методик исследований, руководстве и непосредственном участии в проведении расчетных и экспериментальных исследований в стендовых и промышленных условиях, обработке и анализе полученных результатов, их обобщении до зависимостей, описывающих процессы в различных камерах сгорания и условиях, в разработке, освоении и внедрении новых методов улучшения экологических и эксплуатационных характеристик камер сгорания на электростанциях.

Автор запрттрдт разработанные в диссертации:

- метода расчета концентраций оксидов азота, продуктов неполного сгорания, сажистых частиц, образующихся в камерах сгорания стационарных П7 в зависимости от их конструктивных и режимных параметров;

- методы организации рабочих процессов и конструирования ламер сгорания, обеспечивающие снижение выбросов вредных веществ от стационарных ГТУ;

- конкретные конструктивные решения и новые результаты экспериментальных и расчетных исследований характеристик камер сгорания с низкими выбросами вредаых веществ, результаты внедрения выполненного комплекса исследований на электростанциях и газотурбостроительных заводах.

Апробация основных положений работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзных сессиях АН СССР по проблемам газовых турбин (Москва, 1973 г.; Харьков, 1987, 1991 гг.), Всесоюзной межвузовской конференции по ГТУ и ПТУ (Москва, 1970, 1974, 1983, 1987, 1991 гг.), Всесоюзных конференциях по теории и практике сжигания газа (Ленинград, 1970, 1975 гг.), Всесоюзном совещании "Наземное применение авиадвигателей" (Москва, 1976), Всесоюзном совещании "Опыт эксплуатации газотурбинных установок" (Москва, 1985 г.), УШ Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (г.Ташкент, 1986 г.), на расширенном заседании научного Совета по проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" Академии наук (Москва, 1988, 1991 гг.), а также на семинарах гаэотурбостроителышх заводов, ВУЗов, электростанций и других организаций.

Публикация материалов работы. Основное содержание диссертации опубликовано в одной книге, 67 статьях и материалах научно-технических конференций. По результатам исследований и разработок получено 14 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 372 наименований. Работа изложена на 432 стр. машинописного текста, иллюстрируется 307 рисунками и 16 табл. Общей объем диссертационной работы составляет 720 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, дана общая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ особенностей рабочего процесса камер сгорания энергетических ГТУ, на основе фундаментальных работ в области теории горения (Семенов H.H., Зельдович

Я.Б., Франк-Каменецкий Д.А., Кнорре Г.Ф., Щелкан К. И., Щегин-ков Е.С., Вуллис I.A., Предводителев A.C. и др.) и исследований камер сгорания стационарных и транспортных ГГУ (Дорошенко В.Е., Сторожук Я.П., Талантов A.B., Абрамович Г.Н., Горбунов Г.М., Прудников А.Г., Пчелкин Ю.М., Христич В.А., Сударев A.B., Кузнецов В.Р., Канило П.М., Сполдинг Д., Меллор А., Лефебр А. и др.); приведена оценка токсичности продуктов сгорания ГТУ с учетом замеренных на электростанциях концентраций вредных веществ, сформулированы основные проблемы и требования по их решению.

Сложность физико-химических процессов, протекающих в камерах сгорания ГТУ, необходимость учёта специфики турбулентных течений, многофазности и многокомпонентное^ среды, тепло- и массообмена, радиационного переноса, наличия химических превращений и т.д., не позволяют в настоящее время иметь строгие модели для определения реально образующихся концентраций вредных веществ в камере сгорания ГТУ. На первом этапе выполнения данной работы для оценки степени токсичности отработавших газов и разработки мероприятий tío ее снижению были использованы полученные автором экспериментальные данные, а также простые расчетные полуэмпирические модели для описания процессов в камере сгорания ГГУ.

Для оценки общей токсичности продуктов сгорания ГТУ применялся суммарный индекс^ эмиссии вредных веществ:

z. = ^ лак i

Значение его максимально на расчетных режимах и определяется в основном содержанием в продуктах сгорания оксидов азота (до 65$ при работе на жидком газотурбинном топливе с содержанием серы л/ 1% и до 90-95% - на природном газе) (рис. I). На режимах пуска, малых нагрузок этот параметр ниже, однако заметную роль приобретают выбросы бенз(а)пирена (до 25%), сажи (до 20%) при сжигании жидкого топлива и оксида углерода, (до 50-55$) при сжигании природного газа. Для перспективных энергетических ГТУ (степень сжатия я; =14-18,температура газов =II00-I250°C) суммарный индекс эмиссии на рабочих режимах без применения специальных мероприятий может увеличиться в 3-4 раза по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее время энергетическими 1ТУ. При выборе площадки для размещения энергетических ГТУ высота

24*

ша

sana

tilOQ* »i

60 - W--

---Si

га -в-- —---К п

cy

20CO

—

i* *

Рис.1. Изменение параметров токсичности отработавших газов ГТУ:

а) при сжигании газотурбинного топлива

( о - ГГ-100-750, Д - ГТ-35-770, 5* =1,0$)-

б) при сжигании природного газа ( в - ГТ-25-700-П

& _ ГГ-35-770-1, - ГТТ-12)

трубы должна определяться из условий рассеивания до предельно-допустимых концентраций оксидов азота, образующихся на расчетных режимах, а при сжигании серосодержащих жидких тошшв взвешенной суммы концентраций их и оксидов серы. Все другие вредные составляющие, реально образующиеся в камере сгорания ГТУ, при работе на расчетных и переменных режимах будет рассеиваться при выбранной высоте трубы до концентраций существенно меньших предельно-допустимых. Несмотря на это, разработка мероприятий по снижению в продуктах сгорания оксида углерода, салистых частиц, углеводородов, бенз(а)шрена особенно на переменных режимах является актуальной задачей.

В связи с высокой токсичностью оксидов азота во многих странах жестко ограничиваются и их предельно допустимые выбросы (ПДВ): по существующим стандартам и санитарным нотыам - не lü

более 150 мг/м3 при = по планируемым для ввода, в 19941995 гг. - не более 50 мг/м3. В случаях превышения действующих там нормативов по ПДВ в ряде стран уте применяются системы каталитического восстановления оксидов азота с установкой в газовом тракте специальных реакторов и подачей аммиака. Использование этих систем существенно усложняет и удорожает оборудование ТЭС и увеличивает затраты при их эксплуатации. Поэтому снижение концентрации вредных веществ (и особенно оксидов азота) является одним из главных требований, предъявляемых к конструкции камеры сгорания. Выполнение его без ухудаения основных экономических и эксплуатационных характеристик ГГУ возможно лишь на основе глубокого комплексного исследования основных характеристик камеры.

В последующих главах изложены результаты исследований камер сгорания с различной организацией рабочего процесса (рис. 2): регистровых, отличавшихся подачей всего воздуха, необходимого для горения,через фронтовое устройство; с последовательной подачей воздуха в зону горения; с подачей всего поступающего в камеру расхода воздуха через фронтовое устройство; реализующих микрофакельное и двухзонное сжигание топлива, организацию его предварительного смешения с воздухом.

Во второй главе исследованы особенности образования вредных веществ в регистровых камерах сгорания (I тип) с подачей всего необходимого для горения воздуха через фронтовое устройство. Рабочие процессы в таких камерах сгорания, примененных

на энергетических ГТУ типа ГТ-25, ГТ-35, ГГ-100, были исследованы с использованием предложенных в трудах Зельдовича Я.Б.,. Мар-кевича A.M., Райзера Ю.П., Фенимора и др. механизмов образования в факеле "термических" и "быстрых" оксидов азота.

Экспериментальными исследованиями на стендах и в условиях электростанций было установлено, что количество а/о, образующегося в камере сгорания, определяется в основном максимальными температурами факела, временем пребывания продуктов сгорания в зонах с этими температурами, практически не зависит от темпа охлаждения газов как в топочном объеме камеры, так и в смесителе, и может быть оценено следующей зависимостью:

Воздух

'Го1у>иво

V

Рис.2. Конструкции испытанных камер сгорания

а) первый тип - регистровые, с подачей всего воздуха, необходимого дня горения, через фронтовое устройство;

б) второй тип - высонэшорсирэванные~с последовательной подачей воздуха в зону горения;

в) третий тип - инкрофакельнэе мигание топлива с подачей все^о воздуха, через йвонтовое устройство:

г) четвертый тип - реализующие принципы двухзонного сжигания, предварительного смешения топлива с воздухом.

* Г- , «г«» /1 Л/о*ф./о -луЩ-ЦехР - ЖхсЧГ? (I)

где К? - 0,3-1,2 - коэффициент, учитывающий влияние качества смешения во фронтовой зоне камеры сгорания;

- эффективная температура факела при °С = 1,1 находится из соотношения 7ер/Тг ~ & >

в ~ коэффициент неадиабатичности, значение которого зависит от числа Больцмана*

- среднее время пребывания в топочном объеме камеры;

Рис - давление в камере сгорания, МПа;

- соответственно коэффициенты избытка первичного и общего воздуха в камере сгорания; концентрации соответственно кислорода, азота, оксида азота в $ об.

В этой зависимости уравнение Зельдовича Я.Б., выведенное исходя из физико-химической природы процесса, дополнено определенными опытным путем корректирующими членами, описывающими влияние конструктивных и режимных параметров камеры. Видно, что существенное влияние на концентрацию образующихся оксидов азота оказывает также уровень давления.

Закономерности конверсии топливного азота в А/О в камерах сгорания ГТУ исследованы с добавкой в дизельное топливо анилина-СдН£Л/Н& в количествах, соответствующих концентрации азота в топливе: л/т = 0,05-1,5%. Испытания проводились в широком диапазоне изменения температур факела при разных способах подачи воздуха в камеру сгорания. В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:

- в условиях камер сгорания энергетических ГТУ с большими избытками воздуха степень конверсии топливного азота в Л/О практически не зависит от температурного уровня в зоне горения. Ее величина определяется в основном концентрацией азота в топливе: при Л/Г = 0,05$ степень конверсии ( АУ ) составляет 90100$, при А/г = 1,0-1,5$ - Кт = 30-40$;

- конструкция камеры сгорания и способ подвода воздуха в зону горения слабо влияют на степень конверсии и лишь при созда-

нии растянутой переобогащенной топливом области в первичной зоне камеры ( оС = 0,6-0,8) удается снизить в 1,5-2 раза.

Суммарная концентрация оксидов азота, образующихся при сжигании топлив, содержащих азот, равна Л/О = Л/0£М<? * А/О^^ , где /VOgozc? - рассчитывается по предложенному выше уравнению (I).

Концентрация "топливных" оксидов азота в камерах сгорания первого типа оценивается по зависимости:

МОтояв = -yjr ' (%од) (2)

где 1If - объем дымовых газов, образующихся при сжигании I кг топлива при заданном сС0&, нм3/кг;

Ит - определяется с помощью полученной экспериментально обобщенной зависимости от /VV, %.

По результатам исследований для снижения концентрации оксидов азота рекомендовано уменьшение максимальных температур факела в зоне выгорания топлива, обеднение топливовоздушной смеси до oCj = 1,8-2,2 с применением фронтовых устройств, интенсифицирующих процесс выгорания топлив, и организацией предваритель ного перемешивания топлива и воздуха, уменьшение времени.пребывания продуктов сгорания в зонах с максимальными температурами, снижение концентрации азота, содержащегося в топливе.

На основании этих исследований были разработаны многогоре-лочные фронтовые устройства, с помощью которых увеличены °(z до 1,6-2,1 и интенсифицировано смесеобразование во фронтовой зоне камеры сгорания. Они позволили в установках ГТ-25-700-П (Якутская ГРЭС), ГТ-700-12М (Небитдагская ГРЭС) уменьшить образование оксидов азота на рабочих режимах в 1,8-2,5 раза. Аналогичные мероприятия были разработаны также для камер сгорания энергетических установок ГТ-35-770, ГТ-100-750 и газоперекачивающих агрегатов нескольких типов.

Впрыск воды или пара в зону горения является эффективным способом уменьшения образования термических оксидов азота в камерах сгорания ГТУ. Чтобы снизить потери, связанные с водопод-готовкой и снижением экономичности ГТУ (П1У), а также избежать ухудшения рабочих характеристик камер (например, не допустить увеличения пульсаций давления или потерь теплоты с химнедожо-

гом) расход воды (пара) должен быть минимальным, а ввод их целенаправленным. При исследовании вода вводилась в зону горения с помощью специальных распиливающих устройстз, установленных перед фронтовым заверителем, а также в виде водотошшвной эмульсии; пар подавался через каналы распыливащего воздуха основной форсунки, а также перед заверителями. Наибольшее снижение концентрации Л/Ох достигалось при подаче влаги в зону с максимальными температурами.

При относительном расходе воды (пара) <Эв/> /вг * IО (где Вт - расход топлиьа в камеру) концентрация л/Ох снизалась в 3,5-4,0 раза при сжигании как жидких, так и газообразных топлив. При этом максимальный уровень температуры металла пламенной трубы снижался на 150-200°С, а пульсационное состояние камеры не изменялось»

При увеличении ба* /вг > 1,0 происходило дальнейшее снижение Д^лг , однако заметно повышалась концентрация монооксида углерода и индекс суммарной токсичности продуктов сгорания практически не изменялся.

Полученные экспериментально концентрации оксидов азота при наиболее эффективных способах подачи влаги в зону горения описываются следующей зависимостью:

Л = ^ С/"58 ^/Вт) . (3)

Для топлив, в которых содержание азота Л/т>0,5% впрыск воды практически не дает эффекта.

Оксид углерода и углеводороды. Камеры сгорания обеспечивают высокие значения полноты выгорания на расчетных режимах ГТУ; их КПД = 99,5-100$. На пониженных режимах при обедне-

нии смеси в зоне горения, особенно в камерах, спроектированных для снижения образования оксидов азота с повышенными значениями коэффициента избытка первичного воздуха и интенсивностью массо-обмена во фронтовой зоне на рабочих режимах, величина потери теплоты с химнедожогом может увеличиться до - 3,0-8,0$;

основными составляющими его являются оксид углерода и углеводороды.

В результате стендовых и промышленных испытаний различных конструкций камер сгорания, у которых в зону горения подается 40-70$ от общего расхода воздуха, установлено, что соотношение

удельных выбросов Ico и Iс*^ на переменных режимах ГТУ составляет при сжигании жидких топлив J3 = = 10-15, яри сжигании природного газа J5 = 1,5-6,0.

Для оценки удельного выброса оксида углерода получены следующие зависимости:

1со = - /2 С/кг) {4)

при сжигании природного газа;

Ico -- ('4 ■ -SÓ ■ (5)

при сжигании жидких топлив.

- время окисления СО находится по предложенной А.Меллором формуле:

Тсо - /¿?'3esr/> (/ояео/Я Tr*z ) (не) ;

7f¡¿z - средняя температура газов в зоне горения при oíj и tg на данном режиме;

= / V«T >

Vkc - объем камеры сгорания до смесителя (м3),

V^x - объемный расход продуктов сгорания при

Т AU3 И G^Socx , ы3/с;

tKK - соответственно температуры конца кшения используемого и принятого за основу дизельного топлива, определяемые по стандартной методике (°С).

Для снижения ковдентраций со и Сп Мт на частичных нагрузках ГТУ разработаны и проверены в стендовых и промышленных условиях последовательное по мере нагружения ГТУ включение горелок, уменьшение утла распыла факела путем использования форсунок с воздушным (паровым) распылом, перераспределение воздуха по тракту камеры сгорания и другие мероприятия, позволившие снизить выбросы Iсо в продуктах сгорания ГТУ в 2,0-3,0 раза.

Выбросы полициклических ароматических углеводородов оценивались по концентрации бенз(а)пирена. В установках ГТ-ЮО и ГТ-35 при сжигании газотурбинного топлива максимальные измеренные •значения наблюдались на режимах, близких к холостому ходу ГТУ и

1С

составляла 0,3-0,85 мкг/м3; на рабочих резинах они снизались до 0,09-0,31 мкг/м3. При этом индекс эмиссии бенз(а)пирена составлял 4-9$ от суммарной токсичности продуктов сгорания на рабочих режимах и до 25$ на режимах холостого хода ГТУ. Для снижения концентраций бенз(а)пирена на рабочих режимах рекомендовано устранение высокотемпературных зон факела с недостатком окислителя путем рационального выбора конструкции фронтового и горелочного устройств, на переменных режимах - повышение температурного уровня факела путем перераспределения топлива по сечению и воздуха по тракту камеры. Эти мероприятия полностью согласуются с общими концепциями создания малотоксичной камеры с низкими выбросами оксидов азота, оксида утлерода и других вредных веществ.

Сажистые частицы. Основной причиной дымления при работе ГТУ на жидких топливах является образование при горении мелкодисперсных частиц углерода. Хотя они практически не оказывают влияния на экономичность выгорания топлива, санитарные нормы ограничивают их содержание в атмосфере населенных мест; создается также ряд эксплуатационных неудобств: увеличивается излучение факела, повышающее температуру стенок пламенной трубы, отложения сажи в проточной части могут интенсифицировать высокотемпературную коррозию лопаточного аппарата турбины. Исследования дымления и образования сажистых частиц проводились в стендовых условиях при сжигании дизельного, газотурбинного, печного топлив и топочного мазута. Они показали, что для борьбы с образованием в камерах сгорания энергетических ГТУ сажистых частиц наиболее эффективны мероприятия, направленные на устранение в камере зон, переобогащенных топливом, и улучшение качества распыла. К числу их. относятся рациональный выбор конструктивных соотношений фронтового и форсуночного устройств, усовершенствование методов смешения топлива с воздухом, применение форсунок с высоконапорным воздушным распылом. Эти мероприятия использовались для доводки камер сгорания и уменьшения концентрации сажистых частиц на промышленных ГТУ, установленных на электростанциях.

Для оценки влияния конструкции камер сгорания и форсунок (механические, воздушные), их параметров и качества топлива на степень дымления (-2> % ), характеризующую содержание в продук-

тах сгорания ГТУ сажистых частиц, была получена зависимость:

обобщающая результаты испытаний при а#с= 500-Ю00°С,

¿> = 100-350°С, Р*с = 0,15-0,5 МПа, = 20-80 м/с.

В этом уравнении: Л - постоянный коэффициент для данной камеры сгорания; Мкокс - показатель коксуемости топлива;

- угол распыла факела форсунки; с(тах-*оо — максимальный диаметр капли распыленного топлива.

Пользуясь этой зависимостью, можно для камеры данной конструкции, зная величину % на каком-либо режиме, оценить ее на других режимах, при установке новой форсунки или при переходе на другой вид топлива; определить причину повышенного дымления. Результаты исследования использованы, в частности, для снижения дымления на установке ГТ-100 на пусковых режимах. На этой ГТУ было показано, что при включении П ступеней форсунок часть поступавдего через них с небольшим перепадом давления топлива эжектируется в центральные зоны факела первой ступени и является основной причиной повышенного образования сажистых частиц, Использование форсунок ,с увеличенными углами распыла 1-х ступеней позволило снизить степень дымления на пусковых режимах ГГ-100 с 55-70 до 35-40$ без ухудшения основных показателей камер сгорания. В целях дальнейшего снижения дымления на рабочих режимах предложены новые конструкции форсунок с механическим и воздушным (паровым) распылом.

Особенно трудные задачи возникают при сжигании тяжелых жидких топлив. Для их решения были проведены испытания на ГТУ-6Г з-да "Экономайзер". Сжигание в ее камере сгорания товарного мазута было подготовлено путем 'применения специально разработанной пневмомеханической форсунки, выбора оптимального распределения воздуха по тракту камеры, подогрева мазута до ¿г = 130-180°С. улучшения его фильтрации. Это позволило обеспечить работу ГГУ со степенью дымления 2) = 25-30$ без образования кокса и отложений на стенках пламенной трубы.

Дпч спасения дымления в энергетических ГТУ разработаны и кссле^о,' ...:.. варианты низконапорных воздушных (аэрационных) фор-

сунок. Для нескольких типов, камер сгорания разработан модуль фронтового устройства с аэрационным распылом на рабочих режимах и встроенной в центральную втулку механической форсункой для работы на режимах пуска при пониженных скоростях набегающего воздушного потока. Получены удовлетворительные основные характерно-! тики камеры сгорания с аэрационной форсункой, не требующей высокого давления топлива и дополнительного оборудования для под-яатия воздуха.

11а основании экспериментальных исследований установлено, что успешное применение аэрационных форсунок возможно при-скоростях воздуха на выходе из завихрителя в диапазоне 40 <

< 80 м/с. (При \л/эа.£ < 40 м/с резко ухудшается дисперсионные характеристики распыла топлива, а при > 80 м/с сопротивление камеры сгорания увеличивается до 4,5%). Они пригодны для распиливания топлив с показателем коксуемости ^ко/ес 0,5-0,?$; при А1 ^^>0,5-0,7$ возрастает нагаро- и дамообразование.

В работе исследовано влияние на характеристики камер сгорания гомогенизации жидкого топлива путем воздействия специально генерируемых высокочастотных колебаний с целью получить однородную и высокодисперсную структуру. При сжигании газотурбинного и моторного топлив, обработанных на гомогенизаторе клапанного типа ( Ргом = 20 МПа), степень дымления при низких температурах газов за камерой сгорания ( ¿г - 250-350°С) снижалась в ~ 2 раза. При более высоких температурах (¿^ 500°С) гомогенизация этих топлив желаемого результата не дала.

Несгоревшие фракции жидкого топлива на пусковых режимах. Условия горения на режимах пуска и останова 1ТУ существенно отличаются от расчетных, однако, как правило, этим вопросам при отработке рабочего процесса камеры сгорания не уделяется достаточного внимания. Для определения возможностей использования топлив с различными физико-химическими свойствами на пуско-ос-тановочных режимах и разработки мероприятий, обеспечивающих их сжигание без образования "белого" дыма, нагара на элементах форсунок и пламенной трубы, отложений в проточной части турбины, в ВТИ были поставлены специальные стендовые исследования. При проведении их были подробно исследованы дисперсные характеристики применяемых форсунок, а также физико-химические по-

кааатели сжигаемых топлив. На дериватографе определялись фракционный состав тошшва, скорость потери пассы при нагреве, остаток кокса при температуре конца кипения.

Сравнительно невысокий уровень и степени дымления

на пусковых режимах еще не свидетельствуют о завершенности процесса выгорания в объеме камеры. Уже при сжигании дизельного тошшва при ¿г 250°С на образцы, установленные за камерой сгорания, выносились капли жидкого тошшва. В результате экспериментальных исследований установлено, что при низких температурах воздуха на вход® и газов на выходе из камеры ( = 30-50°С, Сг = 200-400°С) завершенность процессов испарения капель жидкого тошшва и их выгорания в объеме пламенной трубы зависит в основном от физико-химических характеристик топлива (коксуемости, температуры конца кипения) и качества его распиливания. Для первого и второго типов камер сгорания зависимости критического диаметра (мкм) кашш распыленного пускового топлива (при большем диаметре испарение капли не завершается в объеме пламенной трубы) от средней температуры факела в аоне горения и свойств топлива описываются уравнением:

Ариг . // / \°>8 3 -4/-? /

/морозе (^Ууоо). (7)

Пользуясь им, по известным значениям коэффициента избытка воздуха в зоне горения ( сСх ) на пусковых режимах и дисперсным характеристикам форсунки, можно оценить степень завершенности процесса выгорания топлив в объеме пламенной трубы и возможность их использования в энергетических ГТУ на пускоос-тановочных режимах.

Оксиды сеш. При сжигании топлив, содержащих серу, в продуктах сгорания ГТУ образуются оксиды серы: а . Концентрация в атмосфере лимитируется санитарными нормами. Триоксид серы ( ) кроме коррозионного действия способен образовывать аэрозоли серной кислоты, выбросы которых также ограничиваются санитарными нормами.

Поставленные автором исследования механизма гомогенного образования в факеле камеры сгорания триоксида серы показали, что определяющей стадией образования является реакция с

атомарным кислородом. Скорость образования тесно связана

с профилем концентрации атомарного кислорода; действительное 20

количество в пламени оказывается всегда больше теорети-

ческого, подсчитанного для реакции с молекулярный кисло-

родом; образование ¿>Оз практически прекращается за области) с полнотой выгорания Д- > 95$ и за зонами с высокими температурами факела.

Установлено, что концентрация , полученная на выхо-

де из камеры сгорания, не изменяется, и ее'величина определяется условиями сжигания топлива в топочном объеме. Уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпературных зонах или снижение общего температурного уровня факела моиет привести к уменьшению образования. . Экспериментально по-

казано, что при сжигании газотурбинного топлива и топочного мазута с содержанием серы до 2,5-3$ при увеличении сСх с 1,1 до 1,7 на расчетных режимах работы камеры сгорания ( о^г = 3,5-4,5) степень конверсии оксидов серы в ¿03 уменьшается с • 4,5-5,5 до 3,0-4,0$, т.е. на 25-40$.

Комплексные исследования особенностей образования вредаых ингредиентов в камерах сгорания с вводом всего используемого при горении воздуха через фронтовое устройство позволили разработать рекомендации по ведению их рабочего процесса, обеспечившие снижение концентраций оксидов азота на рабочих режимах, оксида углерода, углеводородов и других продуктов неполного горения на пусковых и переменных режимах ГТУ. Для реализации их были разработаны специальные типы горелочных и фронтовых устройств, способы регулируемой раздачи топлива и воздуха по трад-ту камеры, оптимизированы режимы работы ГГУ.

Для удовлетворения возникших при этом противоречивых требований были пересмотрены или откорректированы традиционные в период проектирования этих камер подходы к организации их рабочего процесса и конструированию.

В третьей главе представлены результаты исследований особенностей рабочего процесса и образования оксида азота в высокофорсированных камерах сгорания с последовательным вводом воздуха в зону горения (П тип) при сжигании энергетических видов топлива.

Высокие теплонапряжения, реализуемые в камерах сгорания этого типа, позволяют снизить образование оксидов азота за счет уменьшения времени пребывания продуктов сгорания в зонах

с максимальными температурами и сократить в 2,0-2,5 раза выбросы оксидов азота по сравнению с камерами I типа, рассмотренными в предыдущей главе. Для освоения сжигания в этих камерах природного газа, дизельного, газотурбинного и моторного топлив потребовалось проведение специальных исследований, изучение процессов начального воспламенения и пламяпереброса, расширение даапазона устойчивого горения, определение влияния распределения воздуха по тракту камеры на ее основные характеристики и концентрацию вредных веществ.

Для успешного применения высокофорсированных камер сгорания при сжигании природного газа были изучены условия возникновения "богатого" срыва. Нарушение устойчивости горения при обогащении смеси, не наблюдающееся при сжигании жидких топлив, наиболее часто происходит на пусковых режимах ГТУ, когда °£05 достигают расчетного значения, а температура воздуха невысока. В работе получены зависимости для определения границ "богатого" срыва, с помощью которых при известных конструктивных и режимных параметрах камеры сгорания П типа можно определить срнвные значения ^-ср для работы на природном газе и оценить устойчивость факела на пусковых режимах в конкретной схеме ГТУ.

Эффективность выгорания энергетических видов топлива в камерах сгорания Д типа в основном определяется рациональным выбором фронтового устройства, числа рядов и шага отверстий для подвода воздуха в зону горения, дальнобойностью воздушных струй. Как показали испытания многочисленных вариантов пламенных труб, эффективное выгорание природного газа в высокофорсированных ( IV = 500-700 МВт/м3 МПа; = 250-350 МВт ДГ МПа) каме-

рах сгорания П типа на режимах с оС05 = 2,5-4,0 может быть осуществлено при относительных площадях фронтового устройства 12-16% и отверстий для подвода воздуха в зону

горения ^ор/2. '/¿>¿^45-60$. Для эффективного выгорания дизельного и газотурбинного топлив наряду с выбором оптимального распределения воздуха по тракту необходимо обеспечить также дальнобойность струй первого ряда отверстий на расстояние

Утах/, = 0,75-0,9.

/Р-лл.тр ' '

в высокофорсированних кагорах сгорания этого типа перепаян статического давления на стенки пламенной трубы и расход зоздуха, приходящегося на единицу площади, увеличиваются от фронтового устройства к смесителю. Для оценки распределения зоздуха по тракту камеры сгорания разработана с использованием авиационного опыта методика гидравлического расчета, обеспечивающая, как показало сравнение расчетных и экспериментальных цанных для различных вариантов пламенных труб, достаточную точ-юсть.

Опыт, расчетные формулы и экспериментальные данные, полугенные при исследованиях камер сгорания П-го типа были использованы для разработки камеры сгорания для энергетической уста-ювки ГГЭ-150. При испытаниях в ВТИ полноразмерной пламенной :рубы этой ГГУ с двумя рядами отверстий для подачи воздуха в зону горения были получены высокие значения полноты выгорания топлива как на расчетных ( оС05 = 2,5-3,5, Ас - 99,5-100$),так [ на переменных ( = 4,0-8,0, > 98$) режимах.

Экспериментальные исследования влияния коэффициента избыт-са первичного воздуха, его распределения между фронтовым устройством и боковыми отверстиями для подачи воздуха в зону горе-шя, конструкций горелочного и форсуночного устройств на кон-дентрацию мо проводились при сжигании газообразных и жидких 'ошгив на более чем 30 вариантах камер сгорания. В камерах сго-эаиия этого типа коэффициент избытка первичного воздуха отно-:ительно слабо влияет на конечный выход мо . Обедаение сме-¡и с сСх = 1,2-1,3 до £Яз" = 2,3-2,5 щи = со/г^е >и уменьшает концентрацию МО лишь на 25-30$. Яеко-;орое уменьшение концентрации Л/о наблюдается при уменьшении сисла рядов отверстий для подачи воздуха в зону горения и оптимизации соотношений площадей между фронтовым устройством и бо-

Обобщение экспериментальных данных с учетом Зависимости [I) позволило получить для расчета концентрации оксида азота на ¡ыходе из камеры сгорания П типа следующее выражение:

совыми отверстиями

■де Кфр =0,36 ,64 - коэффициент, оценивающий

влияние ступенчатости подвода воздуха в зону горения;

23

/

= 0,7-1,0 - коэффициент, учитывающий влияние качест ва смешения во фронтовой гоне камеры, который определяется конструкцией фронтового устройства, уг лом и качеством распиливания топливного факела, дальнобойностью струй воздуха.

При оптимальном сочетании этих параметров значение А^ = 0,7-0,75.

Оптимальное для достижения высоких рабочих показателей щ коэффициентах избытка воздуха - 2,5-3,5 конструирова-

ние камер сгорания П типа оставляет сравнительно небольше воз можности дия дальнейшего снижения концентрации . В работ

с помощью допустимых без ухудшения основных показателей камерь изменений конструктивных параметров пламенной трубы, фронтового устройства и форсунок их удавалось снизить не более чем нг 30-40$.

Разработке математической модели рабочего процесса для оптимизации конструктивных параметров малотоксичной камеры и < экспериментальной проверке посвящена чегаетугая глава.

Повышение требований к экологическим показателям камер сгорания ГТУ приводит к увеличению объема работ, необходимых дня создания и доводки перспективных конструкций. В этих условиях особую актуальность приобретает математическое моделирование рабочего процесса, позволяющее глубоко и полно исследо-ать влияние конструктивных и режимных факторов на характеристики камеры сгорания и оптимизировать их конструкции с целью получения минимальных концентраций вредных выбросов при существенно меньшем объеме экспериментальных исследований.

Анализ работ по моделированию турбулетности и горения по казал, что для численных расчетов процессов в практических ус ройсгвах (при современном уровне вычислительной техники) опти малыш двухпараметрические модели турбулетности и модели горе ния, основанные на определении скорости реакции по скорости распада вихрей (для предварительно перемешанных смесей) и на определении поля скалярной функции Шваба-Зельдовича с учетом ее вероятностного распределения (при раздельной подаче топлива и окислителя). Для выбора модели, граничных условий, числе ной схемы и ее параметров необходима экспериментальная провер ка применительно к конкретному типу горелочного устройства.

В основу моделирования стационарного течения в камере сг

ания положено численное решение полной системы дяффэренциаль-ых уравнений Новье-Стокса для осесимметричного потока с учетом ращения. Для нахождения турбулетной вязкости {^г ) исполь-ованы двухпараметрические модели турбулетности М - \л/ и /V- £ ( М - энергия турбулетности, £ - скорость ее дис-шпации, - квадат характерней,частоты турбулентных пуль-

аций);^^-*'"' "У3'^ • К/& , где Суи =0,09 ■ эмпирическая константа . При расчете обтекания стабилизатора [ротивоположно закрученными кольцевыми потоками по обеим моде-иш получены идентичные результаты. В вариантных расчетах пред-ючтение отдано М-IV модели как более устойчивой при счете, I также более наглядной.

Для расчета использована модель диффузионного горения.Мгно-¡енные значения температуры и концентраций основных реагентов определялись с помощью скалярной функции Шваба-Зельдовича (У). Идя учета пульсаций концентраций и температур! предполагалось, но изменение / во времени описывается $ - функцией плот-юсти вероятности. Параметры ее распределения находились по ос-эедаенным значениям функции У ~ ^ и ее дисперсии .Ура-

внения; переноса для Ж и решались совместно с осред-

1енными по Фавру уравнениями переноса компонентов импульса

ив ) энтальпии и турбулетных характеристик (X и

и/ ).

Осредненные значения температуры и концентраций реагентов определялись в каждой точке численным интегрированием:

Ф РМ)^ (9)

где Ф - температура или концентрация реагентов.

Выражение для мгновенной скорости образования а/о получено, исходя из двухстадийного механизма Зельдовича и в предположении равновесной концентрации атомарного .кислорода.

Так как мгновенные значения температуры, плотности и концентрации компонентов однозначно определяются значением функции , то осредненная скорость образования а/о , входящая в источниковый член уравнения переноса вычислялась интегрированием подобно (9).

Подробное тестирование разработанной математической модели и алгоритмов было выполнено на камере сгорания, предегавля-

25

собой кольцевой канал ( = 0,78 м, А* = 0,22 м),образованный двумя коаксиальными цилиндрами, на входе в который установлены лопаточные завихрители, имеющие противоположное направление закрутки и разделенные стабилизатором ( &ст - 80 мм) подачи топливного газа. Эта камера была также подробно исследована экспериментально на стенде ВГИ.

Результаты расчета профилей осевой и тангенциальной скоростей и интенсивности турбулетности для разных углов закрутки удовлетворительно согласуются с данными термоанемометрических и пневмометрических измерений (рис.3 а,б,в).

о)

9

1

< 0 1 Л:; I [

■¿1 1 1 II

а »¿к а ! и 1 V ц *

II II

д ¿4 0 0,5 и 1 > }

Г)

05_вт (« е*

Д)

Т«и

гМк 0.15 0.7 м 1,1

е)

И

аз__[,Ч 3,0

1;с

? 4X0

Рис.З. Расчетное и экспе- ^ риментальное распределение скоростей- и температур по сечениям кольцевой камеры а,б) осевая и тангенциальная скорости, в) интенсивность турбулентности: У = +60° , = 0,35

1 - расчет, 2,3 - измерения:

2 - пневматическим зондом, 3 - термоанемометром, г,д,е,ж) температурное поле: г) / = +60° , Кен/Нк = 0,5,

д) У = 0°, е) ¥> ±45° , жУ 9 = ± 60° Ы.оЗ= 4-5, ¿V =200°

26 (линии - расчет, точки - эксперимент)

Интенсивность массообмена по длине канала при изотермическом течении оценивалась по выравниванию профиля концентрации пассивной примеси [тп ), вводимой через торцевую поверхность стабилизатора. В экспериментах'без горения в качестве пассивной примеси использовался метан. В результате вариантных расчетов получена и подтверждена экспериментально зависимость для определения относительной неравномерности профиля концентрации. Установлен экспоненциальный характер зависимости ковдентрации в центре зоны рециркуляции от времени: /п = гг?0 ехР ( ) и получено выражение, описывающее уменьшение безразмерного^ре-мени пребывания примеси в рециркуляционной зоне тп -тл с ростом V и .

С ростом противоположной закрутки и степени загромождения не только интенсифицируется массообмен во фронтовой зоне камеры сгорания, но ж возрастают гидравлические потери. Моделироваг ние позволило получить расчетные зависимости для определения при заданных относительных потерях давления ( л ^ ) и числа

/с Р'<с л

Эйлера (£ = ) геометрических параметров /V/ и т ,

обеспечивающих максимальную интенсивность массообмена.

Таким образом, уже изотермические ^расчеты течения и массообмена по разработанной модели дают сведения для первичной оптимизации конструкции и позволяют существенно сократить диапазон изменения конструктивных параметров для детальных расчетных и экспериментальных исследований.

Адекватность модели подтверждена также при расчете температурных полей в камере сгорания и определении характера влияния основных факторов на их формирование. В работе приведены сравнения расчетных ж экспериментальных данных по профилям температуры факела в различных сечениях камеры при разных У ,

, ¿£ , по изменению температуры и пульсаций температуры по оси канала (Еис.З г, д, е, ж). Для практических целей получено аналитическое выражение для определения коэффициента неравномерности температурного поля на выходе йз камеры.

Модель дает возможность достоверно оценивать температурное состояние металла обечаек камеры сгорания и прогнозировать их работоспособность в процессе эксплуатации. Показано, в частности, что с .увеличением закрутки при малых радаусах кривиэ-

ш .кольцевого канала из-за появления отрывных течений возможен локальный перегрев выходной части внутренней обечайки.

В работе проведено сравнение результатов расчетов температуры стенки, выполненных с учетом конвективного и радиационного теплообмена, с экспериментальными данными при различных ре-хинных и конструктивных параметрах.

С немощью разработанной математической модели определены поля концентрации N0 в топочном объеме камеры сгорания. Показано, что при увеличении углов закрутки, которое приводит к интенсификации массообмена между приосевой и периферийными зонами и снижении уровня температур в факеле, концентрация МО снижается. Повышение коэффициента загромождения практически не влияет на концентрацию МО за камерой при прямоструйных течениях и приводит к увеличению мо при углах противоположной закрутки ¥ = 45-60°.

В целом разработанная математическая модель оказалась эффективной дня описания рабочего процесса и оптимизации конструктивных параметров осесимметричных камер сгорания с целью получения высоких экономических характеристик и снижения вредных выбросов.

В следующих главах работы показана возможность использования этой модели и полученных с ее помощью инженерных зависимостей при разработке и исследовании перспективных малотоксичных горелочных устройств и камер сгорания.

В пятой главе описаны результаты экспериментальных и расчетных исследований рабочего процесса кольцевой камеры сгорания с подачей всего воздуха через фронтовое устройство без его деления на смешение, охлаждение и горение (камера Ш типа).

Как уже отмечалось, увеличение сС-^ и последующая интенсификация процесса массообмена во фронтовой зоне камеры является одним из эффективных мероприятий по снижению концентрации оксидов азота. На ПО "Невский завод" (НЗЛ) был разработан оригинальный метод микрофакельного сжигания природного газа за системой кольцевых стабилизаторов-горелок, обтекаемых ветречно-закрученными воздушными струями (рис.4а). Стендовые испытания в ВТИ подтвердили преимущества этого метода, сжигания с высокими избытками воздуха (чрезвычайно интенсивный процесс выгорания, низкая концентрация оксидов азота (рис.4б,в),

Рис.1. Основные характеристики сжигания топлива в системе встречно-закрученных струй

а) мехаь/зм течения: 1-слои смешения на кромках стабилизатора;

2-й С10Й смешения, обусловленный разноименной закруткой;

3—границы зоны рециркуляции;

б) влияние угла закрутки на относительную длину шакела,

в) зависимость концентрации л'Ох от обобщенного'параметра,

г) влияние ширины стабилизатора на полноту выгорания топлива. Пример ступенчатого нагружения многостабилизаторной /.0. 5-ступенч'.тое нагружение фронтового устройства из 4-х стабилизаторов (расчет).

эффективное охлаждение стенок пламенной трубы закрученными струями), и перспективность его использования для вновь создаваемых конструкций камер сгорания. Совместные с ПО НЗЛ исследования были направлены на улучшение экономических и эксплуатационных показателей камер сгорания установок ГГН-25 и ГТК-10-4 при сжигании природного газа и на создание возможностей использования в камерах с такими фронтовыми устройствами жидких топлив.

На стендовой установке с кольцевой камерой сгорания с фронтовым устройством, состоящим из кольцевого стабилизатора и двух завихрит елей с противоположной закруткой воздушных струй, были изучены различные варианты конструкций стабилизаторов и подачи природного газа в зону горения.

Обобщение результатов экспериментальных и расчетных исследований позволило оценить предельные значения коэффициентов избытка воздуха по "богатому" срыву:

/ / У^

= 4 { вет • Те) ; (Ю)

по "бедному" срыву: —■ /—г о.?

гта*

~ ' (II)

1 зог

~Т~ - дог

где и зог ~ Зет - относительная дайна зоны отрыва;

- безразмерное время пребывания продуктов сгорания. в рециркуляционной зоне. При сжигании жидких топлив во вегречно-закрученных воздушных потоках исследованы интенсивность процессов смешения и выгорания, влияние дисперсности распыленного топлива на

процессы стабилизации горения, теплообмен факела со стенками пламенной трубы, экологические характеристики и нагарообразо-вание на элементах камеры сгорания. Испытания модельной кольцевой камеры сгорания Ш типа проводились в широком диапазоне изменения основных режимных параметров. Были испытаны различные варианты стабилизатора, воздушных и механических форсунок.

Полнота выгорания жидких топлив при углублении форсунок в тело стабилизатора на 7 = 30-40 мм составляла на рас-

четных режимах ( оСо& =3,0-4,0, = 300-350°С) ¿>=

99,5-100$; она заметно падает при росте оС0£ .

Благодаря эффективному охлаждению обечаек пламенной трубы закрученной воздушной струей максимальный уровень температуры металла при =3,3 п = 300-350°С не превышает 700-750°С. В целом проведенные на модельной камере сгорания исследования позволили углубить понимание процессов стабилизации, выгорания, теплообмена, особенностей образования вредных веществ и подтвердили возможность использования метода микрофакельного сжигания жидких топлив во встречно-закрученных струях при подаче всего воздуха через.фронтовое устройство и получения при этом высоких показателей камеры сгорания.

Камеры сгорания этого типа вследствие возможностей реализации высоких значений и интенсивного массообмена во фронтовой зоне позволяют получить невысокий уровень концентраций "оксидов азота. При стендовых испытаниях на жидком топливе на режимах с = 3,0-4,0, ¿¿* = 280-330°С, 1-= 70-80 м/с, Ркс = 0,, 12-0,15 МПа концентрация оксидов азота составляла (15-20). 10~Н (30-40 мг/м3). При сжигании природного газа концентрация при аналогичных условиях на 15-20$ ниже.

Применение такой кольцевой камеры сгорания на установках ГГН-25 позволило получить при сжигании природного газа удельные выбросы оксидов азота на уровне 1мо* = 2,7-3,0 г/кг, что в 2-3 раза ниже чем у ГТУ, работающих в аналогичных условиях и имеющих камеры сгорания с обычным диффузионным одноступенчатым сжиганием топлив.

С помощью разработанной математической модели и с учетом экспериментальных данных при сжигании природного газа получена зависимость, обобщающая влияние основных конструктивных и режимных факторов на концентрацию оксида азота за камерой сгорания Ш типа с микрофакельным фронтовым устройством:

ЛУП ал ;п6 1 -1_УЖ??**» /бРхс-СЦИЗ Г'**]

где * =1,2-0,26^/ ; т = 0,12+0,5

Температура газов при оС =1,1 может быть рассчитана при сжигании природного газа по зависимости:

' 205? + Q, SSTg * 0,00/7Ъ& (13)

Формула (12) справедтшва при o<aF= 3,0-8,0, ¿>=40-400°С, Kf = 0,25-0,6, f = 0-60°, W0 = Ю-40 м/с, Нк -= 0,1-0,3 м.

Интенсификация процессов массообмена и выгорания во фронтовой зоне приводит на пониженных режимах к уменьшению полноты выгорания (рис.4г), и как следствие увеличению концентраций оксида углерода и углеводородов.

Дня количественных оценок полноты выгорания при сжигании природного газа при указанных выше условиях и &ст= 30-80 мм получено выражение:

te = = -exp^ (4/4(14)

где e=40f + t7\¡t3f .

Зависимости для определения МО (12) и Ркс (14) позволяют оценивать выбросы вредных веществ и выбирать компромиссные конструктивные характеристики фронтового устройства,- обеспечивающие небольшие удельные выбросы Х/*ах , Ico • Ich/, и, следовательно, высокие экономические и экологические показатели камеры сгорания как на расчетных, так и на переменных режимах ее работы.

Для повышения полноты выгорания топлива в камерах сгорания Ш типа на режимах частичных нагрузок разработан ряд предложений, Так, например, при применении кольцевых ыногостабилизаторных фронтовых устройств высокая экономичность сохраняется путем регулируемого распределения топлива по горелкам-стабилизаторам таким образом, чтобы каждая последующая горелка включалась при достижении оптимального соотношения топлива и воздуха в предыдущей (рис.4 г). Перспективна также двухзонная камера сгорания, состоящая из микрофакельных фронтовых устройств рассматриваемого типа.

В шестой главе приведены результаты исследований характеристик струйно-стабилизаторных горелок для подогрева отработавших в ГГУ газов с целью увеличения их теплоты при использова-32

ш дан подогрева сетевой вода или выработки пара в котле-утилизаторе в схеме ПГУ. Этим условиям работы в наибольшей мере удовлетворяют горелки, основанные на диффузионном методе сжигания природного газа в потоке за системой плохообтекаемых тел-стабилизаторов. Преимуществами их являются: работоспособность при высоких избытках воздуха и пониженных температурах факела, что существенно облегчает охлаждение отдельных элементов горе-лочного устройства и газохода, а также позволяет сжигать топливо с минимальным образованием оксидов азота; простота конструкции; возможность раздачи топлива по всему сечению газохода для уменьшения длины выгорания и получения равномерного температурного поля; небольшие потери давления; эффективное начальное зажигание и пламяпереброс.

К моменту постановки данной работы отсутствовали методика расчета крупных горелок с шириной стабилизатора вст>100 мм и рекомендации по выбору их основных геометрических размеров. Не было ясности с их работоспособностью при реально возможных температурах и составе газов (окислителя). Для решения задачи были поставлены специальные экспериментальные исследования* . процесса выгорания природного газа за широкими стабилизаторами £>ст = 160-360 мм на Якутской ГРЭС (блоки дожигающих устройств для повышения температуры газов перед подогревателями сетевой воды ГТ-25-700 и ГТ-35-970) и на стенде ЗуЭТЭЦ ВТИ (горелочные устройства котла-утилизатора ПГУ-800) (рис.5а,б) в широком диапазоне изменения режимных параметров: подогрева газо^ в горелке & £го/> = 50-400°С, температуры окислителя ¿г = 200-550°С, содержания кислорода на входе в горелку

Ол = 13-19$ • д.

Как показали эти исследования, при ¿г = 400-550°С и содержании кислорода = 13,0-18,0$ в зоне горения дости-

гается температурный уровень, который обеспечивает устойчивое горение в широком диапазоне изменения °^гор = 1,5-40 и интенсивное выгорание топлива: при расчетных нагревах 4 ¿гор = Ю0-350°С основное количество природного газа (90-95$) выгора-;т на относительной длине &/8Ст = 2-3, а полнота выгора-шя составляет 2гор = 39,5-100$. Эксперимен^льно-установлено, 1ТО при высоких температурах окислителя ( * 350-550°С) из-аенение концентрации кислорода в окислителе (13,0-18,0$) прак-

33

продукты" сго^анй

aj

10

а-* Г. / Ъ 12

а у

к/ 8

/ о

ïtsb 'а X <1

500 ¿t^ 750

% а Ог 43,6% К- ">■" о - 15,0 Ч>- - U. о д - А. - /9,0

о в

А * П »

eso 500 átry, 750

£50

Рис.5. Струйно-с-дбшшзаторные горелки a),tí) - испытанные варианты: в) образование оксидов^

гг^оЗюо- W

г) зависимость величины от Átrap ¿^при работе

горелки в автономном режиме котла: cf = 50-110 С ( •, й, о,ч> - исходаый вариант - а), л, л пи-лонная горелка -б) ).

тически не оказывает влияния на интенсивность выгорания природного газа.

fia этих режимах из-за низкого уровня максимальных температур факела ( ¿<р = I350-I400 C) концентрация оксидов азота не превышала (10-13) '10~Н (рис.5в).

При испытаниях горелочного устройства на режимах, характерных для автономной р^Зоты котла-утилизатора ПГУ-800 было установлено, что при tr = I00-I30°C из-за снижения максимальных температур факела существует критическое значение концентраций

Q£ = 13,5-14,0$, ниже которых горение уже невозможно. Как показали проведенные расчеты, уменьшение концентрации О^ на 34

1,0$ вызывает снижение адиабатической температуры горения на 60-75°С. Естественно, что при таких условиях уже трудно обеспечить надежную стабилизацию и эффективное выгорание топлива (рис 5г). В связи с этим ВТИ, ЗиО и ХФ ЦКБ была разработана конструкция пилонной горелки, обеспечивающая эффективное сжигание топлива как на основных режимах работы П1У, так при автономной работе котла-утилизатора. В последнем случае топливо сжигается в зреде чистого воздуха, подаваемого через корпус пилона-стабилизатора, а продукты рециркуляции с Oz = 8-10$ поступают между стабилизаторами (рис.56). При испытаниях этой горелки были получены высокие экономические и эксплуатационные характеристики, fía основных режимах работы в схеме ИГУ они были такими же, как и при испытаниях диффузионно-стабилизаторных горелок. На режимах автономной работы котла-утилизатора подача дополнительного воздуха через пилоны существенно расширила границы устойчивого-горения и снизила потери теплоты с хиынедожогом (рис.бг).

Результаты экспериментальных исследований всех вариантов крупных диффузионно-стабилизаторных горелок ( £>с/г>2> 160 мм) обобщены следующими зависимостями.

Данные по выгоранию природного газа в зависимости от конструктивных и режимных факторов: 0& s

4 -(-цоою c-fc)' <*>

Злияние режимных параметров на содержание МО за горели устройством может быть учтено на основании полученной ранее за-зисимости (12), которая для диффузионно-стабилизаторного горе-ючного устройства имеет вид:

/6/п. / 6?555 бет г

п Í Oñ ' i em_________I {Q ~<

(16)

/■6/ (Л. V ч';*- О ■/'ООО Ост

«а'>° (МЦ ' ¿~р) ■7 ' Т5Г

[ри этом температура Тл*.^/ может быть рассчитана из выражения:

7?лч/ = о.55 ГА О.ООУ Г?** (17)

Экспериментальные данные и расчеты с помощью рассмотренной з четвертой главе математической модели явились основой для вы-1ачи рекомендаций по выбору размеров и расчету крупномасштабных Шффузионно-стабилизаторных горелочных устройств для подогрева

35

отработавших газов ГТУ перед подогревателями сетевой воды, котла-да-утилизаторaim.

Седьмая глава посвящена разработке и исследованию рабочего процесса малотоксичных камер сгорания, создаваемых с участием автора на энергомашиностроительных заводах,и использованию полу ченных в предыдущих разделах диссертации рекомендаций для перспективных энергетических ГТУ: 1ТЭ-150-200 (ПО ЖЗ), ГГЗ-П5 (ПО AT ИЗ), ГГН-25А (ПО НЗЛ), а также обоснованию методов их рацио нального конструирования.

С целью увеличения расхода воздуха через фронтовое устройство, интенсификации выгорания топлива и снижения концентрации оксидов азота после камеры сгорания ГТЭ-150 разработано новое фронтовое устройство. В центре его для осуществления пусковых режимов установлены обычные горелки, форсунка и завихритель, а остальная площадь фронта использована для размещения кольцевого стабилизатора, к которому подводилось жидкое и газообразное топ ливо, и заверителей. Это фронтовое устройство на расчетных режимах работает с = 1,8-2,0. Испытания полноразмерной пламенной трубы ГТЭ-150 с модернизированным фронтом показали, что длина факела сократилась в ~ 1,5 раза, а концентрация в 2,0-2,5 раза по сравнению с исходным штатным вариантом.

Для дальнейшего расширения возможностей применения микрофакельного сжигания топлива совместно с ПО НЗЛ был разработан и испытан в стендовых условиях горелочный модуль для комбинировав ного сжигания газоооразных и жидких топлив, работающий с высокими избытками первичного воздуха ( оСх = 2,0-3,0). В центре модуля установлена газовая горелка и механическая форсунка. В кольцевой стабилизатор ( -2)ср = 150 мм) подается для работы на основных режимах природный газ и жидкое топливо с использованием аэрационного распыла (рис.6). С помощью этого устройствг осуществлен интенсивный процесс выгорания и достигнуты высокие значения полноты выгорания топлива на расчетных и переменных рс жимах при низком уровне концентрации оксидов азота: МОх = (20-25) (рис.6а,б). Исследования показали, что такое фро!

товое устройство, сочетающее кольцевую микрофакельную горелку i традиционную центральную горелку, можно рассматривать как унифо 'цированны& модуль для применения его при создании блочных, колз цевых и выносвнх малотоксичных камер сгорания.

к 1 А

+ 5

Рис.6. Унифицированный модель дая сжигания жидких и газообразных топлив: полнота выгорания (а); концентрация оксидов азота (б)

о - природный газ,

» - механическая -форсунка! щ«..« тошшво Ж - аэрационныи распыл 3 ^да063 10ШШВ0

В этой же главе исследованы процессы сжигания гомогенной топливовоздушной смеси с о£пР = 1,9-2,1, которые позволяют устранить зоны с максимальными температурами факела -> 1300-1400°С и приводят к существенному снижению концентрации . Реализующее его горелочное устройство, разработанное для камеры сгорания ГГЭ-115 ПО "Турбоатом", было подробно исследовано на стенде при сжигании природного газа (рис.7). Как показали испытания, при переходе с чисто диффузионного сжигания 100$) к сжиганию предварительно подготовленной смеси (втаи<р=Ъ~%) концентрация МОу на режимах с tr = П00°С снижается в 3,54,5 раза (рис.7а).

Исследования влияния различных конструктивных факторов на рабочий процесс горелок с предварительным смешением природного газа и воздуха позволили обосновать выбор конструктивных параметров, обеспечивающих устойчивую работуи рабочего диапазона режимных показателей ( , , &тди<р), при которых не

наблюдаются срывы, проскоки факела и вибрационное горение. Оказалось, что при минимально возможных расходах топлива на "дежурную" диффузионную горелку ( ~ 5-7$) концентрация МО* (при давлениях, близких к атмосферному) однозначно определяется коэффициентом избытка воздуха в предварительно подготовленной топливо-воздушной смеси и соответствующей ему температурой гомогенного факела (рис.76). Она может быть определена с помощью следующей зависимости:

Л/Ол - <>5-/0~Ъ е ТпреМ Г 1

где 7яре&$ - температура горения гомогенной смеси с коэффициентом избытка воздуха лр .

Анализ экспериментальных данных позволил обобщить влияние режимных параметров камеры ( , , и распреде-

ления топлива между горелками на полноту выгорания следующей

зависимостью: _ ^, —

3 у (у + В„реЖ)*\

¿ = / Т (»)

Азследования горелок с предварительным смешением позволили не тс тько оптимизировать конструкцию камеры сгорания и фронтового устройства, но и предложить алгоритм экологически оптималь-

к /

»" г \

' — < Г—г. 1/ 1 Г'") / - .

1,0 ' V »

л/Ц/»!, о.)

л®, )1

1 {г=повт

2

вг

- л. • ** К./? /

• £ • * ь 'г* 10' т/*> ш -Г/И тп? ({ /а ша. - /

/

*

Л Ь о/— --

г

т» /

е)

г.* г* *

Рас.7. Горелочное устройство с предварительным смешением газообразного топлива:

а) удельный выброс -Гл/о* от &ди<р >

б) концентрация Л/Ох при горении гомогенной смеси от оС„р \

в) концентрация МОх при режимных параметрах камеры

ного нагрукенкя ГТУ о недожогом на пусковых и переменных режимах не более 2,С$ ж концентрациями А/О* при tr = 1100-1200°^ на уровне (&-I2).IO-4^ ( Р*с = 0,12-0,15 МПа).

В диссертации исследованы пути преодоления трудностей, возникающих при сжигании "бедных" гомогенных смесей. Устойчивое без срывов, проскоков и пульсаций факела горение обеспечивается подачей на рабочих режимах в пилотную диффузионную горелку не менее 3-5$ топлива, поддержанием скорости гомогенной смеси в узком сечении не менее 70 м/с ( tg = 350-420°С), надежным охлаждением элементов фронтового устройства до температуры tM <■ 600°С. Повышение давления в камере сужает диапазон работы без проскока факела. В связи с этим при давлениях выше 1,5-1,7 МПа и температурах воздуха выше 550°С применение камер сгорания с гомогенным сжиганием тошшв может встретить серьезные трудности.

На основании проведенных в данной работе стендовых исследований и доступных зарубежных работ можно рассчитывать, что организация сжигания "бедных" гомогенных топливовоздушных смесей в камерах сгорания перспективных энергетических ГТУ ( Рис = 1,21,4 МПа, ¿г = II00-I200°C) позволит получить на природном газе выбросы /VOK на уровне 20-30. Ю"4^ (40-60 мг/ы3)'. При сжигании жидких тошшв для получения таких же выбросов необходим дополнительно впрыск в зону горения влаги.

Возможности снижения токсичности продуктов сгорания на переменных и рабочих режимах ГТУ значительно расширяются от организации в камере сгорания двухзонного "бедно-бедного" сжигания тошшв. Конструкция такой камеры позволяет осуществить на переменных режимах диффузионное сжигание тошшв в одной из зон с oijr = 2,0-2,5, на рабочих режимах - горение бедных топливо-воздушных смесей. В ВТИ для одной из создаваемых на ПО ЛМЗ перспективных ГТУ была разработана и исследована двухзонная камера сгорания на базе фронтовых устройств с микрофакелышм сжиганием во встречно-закрученных струях (рис.8).

Исследования сжигания газообразных и жидких тошшв проводились при различном распределении их расходов между ступенями в широком диапазоне изменения режимных параметров. При пониженных нагрузках вплоть до tr ~ 400°С подача топлива только в одну зону позволяла работать с концентрациями СО не цревышавщи-40

Рис.8. Двухзонная камера сгорания: а) испытанные варианты; б),в) зависимости 9-л и /№?* от (I- подача топлива только вг1-ю зону; 2- подача топлива в 1-ю и 2-ю зоны ( В т = Вг ); 3,4,5,6,- подача топлива на предварительное смешение через 1-ю зону и микрофакельное сжигание во 2-ю зону; 1,2,3,4 - 1-й вариант; 5,6 - П-ой вариант; 1,2,3,4,6 - природный газ; 5 - жидкое топливо); г) алгоритм пуска

ми. 200-300 мг/м3. На рабочих режимах ( ¿г = 1Ю0°С) при одновременной подаче топлива в обе зоны концентрация оксидов азота составляла: МОх = 40-50.10-4$. Дальнейшее снижение МО* было достигнуто путем организации предварительного смешения топлива с воздухом в 1-й зоне. При подаче предварительно подготовленной гомогенной смеси из 1-й зоны и минимальном расходе топлива на диффузионное сжигание во П-й зоне на режимах с ¿г = П00-1200°С и ¿V = 420-440°С концентрации МО х составляли 8-13 ДО"^ ( Ргсс = 0,12 Ша) (рис.8в)„

Сжигание жидкого топлива в двухзонной камере осуществлялось с предварительной подготовкой тошшвовоздушной смеси, которая поступала из 1-й ^даы и стабилизировалась на диффузионном факеле 2-й зоны ( °(о8 = 8,0-8,5). При температуре газов за камерой ¿л = 1100-П50°С бит достигнуты концентрации оксидов азота МОх - 20-25.Ю-^. В 1-й зоне при температурах воздуха 300-400°С и характерных ддя этой зоны временах пребывания 2~лр - 10-15 мс полностью испаряются капли диаметром менее 130-140 мкм.

Усложнение конструкции малотоксичных камер сгорания, наличие в них нескольких горелочных устройств и зон для организации горения, регулируемого распределения топлива и воздуха требует разработки алгоритма управления их режимами при пуске, нагруже-нии и изменении условий работы ГТУ с оптимизацией распределения расходов топлива и воздуха по зонам,обеспечивающего минимальные выбросы вредных веществ на переменных и рабочих режимах работы ГТУ (рис.8г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Экспериментальные исследования на стендах и электро-

станциях камер сгорания ГГУ разных типов показали, что ГТУ мо-

гут быть заметным загрязнителем атмосферы. Суммарная токсичность газов, образующихся при сжигании в них топлив, максимальна на режимах полной нагрузки. Она определяется, в основном, наличием в газах оксидов азота. Их вклад составляет 90-95$ при сжигании природного газа и до 65$ при сжигании жидких топлив, содержащих 1-1,5$ серы. При пониженных нагрузках ГТУ возраста-42

: вклады оксида углерода (до 55$) на природном газе, сажистых ютиц (до 20$) и бенз(а)пирена (до 25$) на жидких тошшвах.

2. Для оптимизации рабочего процесса камер сгорания энергических ГТУ с учетом их экологических показателей в работе 'юбщены результаты многолетних исследований автора на большом юле различных по организации процесса горения и конструктив-му оформлению камер сгорания. Исследования проведены с исполь-ванием современных методов математического моделирования и овершенствованных методик на автоматизированных стендах и эле-ростанциях.

3. Путем обобщения проведенных в работе теоретических и эк-ериментальных исследований рабочего процесса камер сгорания ергетических ГТУ получены следующие новые результаты:

3.1. Предложены количественные зависимости выхода оксидов ота от основных конструктивных и режимных параметров камер зрания различных типов. Разработана методика расчета нонцент-дей МОх при сжигании различных видов Фоплива, в том числе ;одержащих топливный азот, разработаны и проверены в промыш-шых и,стендовых условиях эффективные способы снижения обра-¡ания оксидов азота в камерах сгорания, примененных в дейст-ш отечественных энергетических ГТУ.

3.2. Получены уравнения для определения полноты выгорания ишва по длине пламенной трубы и в камере сгорания в целом, яений удельных выбросов оксида углерода и углеводородов и их »тношение при сжигании жидких топлив и природного газа» Раз-1отаны я проверены в стендовых и промышленных условиях меро-[ятия по снижению выбросов оксида углерода при пониженных на-зках, позволяющих снизить концентрации СО при тех же ре-ных параметрах в 2-3 раза.

3.3. Определены причины появления и способы снижения обра-ания бенз(а)пирена в камерах сгорания энергетических ГТУ: рабочих режимах - путем устранения высокотемпературных зон едостатком окислителя, на пониженных режимах - повышения зературного уровня факела в зоне горения.

3.4. Выяснены закономерности и предложены формулы для оцен-зтепени дымления в зависимости от конструктивных и режимных зметров камер сгорания и свойств топлива, разработаны меро-таия по снижению концентрации сажистых частиц.

3.5. Установлено, что основное влияние на завершенность процесса испарения капель в объеме пламенной трубы в момент зажигания на пусковых режимах оказывают физико-химические показатели топлива, температурный уровень процесса горения, тонина и способ распыливания топлива. Получены количественные зависимости для определения условий работы камер сгорания на пусковых режимах, обеспечивающих эффективное выгорание остаточных жидких топлив.

3.6. Определены условия гомогенного образования триоксида серы ( ¿03 ) и пути его снижения в регистровых камерах сгорания. Испытаниями на электростанциях подтверждено, что при сжигании мазута и газотурбинного топлива с ¿> = 2,0-2,5% увеличение коэффициента избытка первичного воздуха до оСх = 1,71,8 уменьшает степень конверсии из ¿Оа на 25-40$.

4. Исследования особенностей рабочего процесса в высокофор сированных камерах сгорания с последовательным вводом воздуха в зону горения (П тип) при сжигании энергетических видов топлива позволили обосновать возможность и определить условия применени в них этих топлив: обеспечения надежного начального зажигания, расширения диапазона устойчивого горения, повышение интенсивности процесса выгорания.

5. Расчетные и экспериментальные исследования ыалотоксич-но! кольцевой камеры сгораниж (Ш тип), проведенные совместно с ПО ВЗЛ,позволили вняснить особенности ее рабочего процесса к уточить описывающие его закономерности,усовершенствовать конструкцию фронтового устройства, повысить устойчивость горения при обогащение смеси и увеличить полноту выгорания на пониженных режимах, эффективно сжигать в такой камере жидкие топлива.

6. Исследованы рабочие процессы микрофакельных диффузион-но-стабилизаторных горелочных устройств, предназначенных для сжигания природного газа в потоке отработавших в ГТУ продуктов сгорания. Их исследования явились основой для проектирования горелок, обеспечивших горение с низкими выбросами оксидов азота и продуктов неполного сгорания в условиях широкого изменения режимов и содержания кислорода в окислителе.

7. Разработаны и исследованы процессы, обеспечившие радикальное сокращение образования оксидов азота в камерах сгорания перспективных ГТУ путем организации сжигания предварительно ЧИ

бразованных гомогенных топливовоздушных смесей,двухзонного го-ения, получены характерные для них закономерности.

8. Для определения основных характеристик течения, турбу-ентного тепломассообмена и горения в осесиыметричных горе-очных устройствах и камерах сгорания ГТУ с диффузионным сжига-ием газообразного топлива разработана математическая модель и рограмма расчета, основанные на численном решении полной сис-емы дифференциальных уравнений турбулентного переноса компо-ент импульса, концентраций реагентов и энтальпий, замыкаемой а основе двухпараметрической модели турбулентности и модели иффузионного горения.

Возможность использования разработанной математической мо-ели для комплексного описания рабочего процесса, а также опти-изации конструктивных параметров камеры сгорания с целью синения образования оксидов азота и продукт'ов неполного сгорания одтверждена сравнением результатов расчетов и измерений струк-уры течения полей температур и концентраций реагентов в объеме пытной камеры сгорания.

Э. Расчетные, в частности с использованием математической одели по п.8, и экспериментальные исследования, обобщенные в иссертации, составили базу для разработки или уточнения мето-ик конструкторского расчета камер сгорания энергетических ПУ явились научной основой для рационального выбора конструктивах и режимных параметров камер сгорания, направленных на синение воздействия энергетических ГТУ на окружающую среду.

10. Научные результаты работы, перечисленные в предыдущих унктах, и результаты исследований конкретных камер сгорания на гендах и электроста днях были использованы для:

- реконструкции фронтовых устройств со снижением концент-аций А/Ох в 1,8-2,5 раза на камерах сгорания ГТ-700-12, ГГК-Э—4 НЗЛ и ГТ-25-70С ЛМЗ;

- снижения выбросов Л/Ох и дымления, а также обоснования эжимов воспламенения жидкого топлива в камерах сгорания и раз-эрота при пуске ГТ-ЮО ЛМЗ;

- обеспечения работоспособности и снижения концентрации Л/О* и дымления камеры сгорания ГТУ-6 з-да "Экономайзер" на блочном мазуте;

- организации сжигания природного газа в авиационных камерах сгорания экспериментальной ГТУ на ТЭЦ ВТИ, а также на ГТА-18, спроектированных с использованием авиационных двигателей;

- выбора основных конструктивных характеристик при создании на ПО ЛИЗ камеры сгорания для I*ГУ мощностью 120-150 МВт;

- проектирования и освоения в эксплуатации горелочных устройств на ГГ-25-700 и ГТ-35-770 для повышения тепловой мощности Якутской ГРЭС, при рабочем проектировании горелок для котла-утилизатора ПГУ-800;

- разработки камер сгорания перспективных ГТУ на ПО JM3, ПОАТ ИЗ, ПО НЗЛ с tr = II00-I200oC, обеспечивающих низкий уровень концентрации оксидов азота на рабочих режимах ■■ 25-50.10"^) и высокую полноту сгорания топлива на расчетных и переменных режимах работы ГТУ.

Исследования натурных камер сгорания в составе ГТУ на эле нтростанциях наряду с решением практических задач позволили та же выяснить закономерности, характеризующие работу камер сгорания в ГТУ разных циклов и схем,и изучить влияние на эти закономерности эксплуатационных факторов.

II. Совершенствование в результате обобщенных в диссертации исследований рабочего процесса эксплуатируемых и вновь создаваемых П7 с сокращением вредных выбросов внесло знаительный вклад в решение крупной народнохозяйственной проблемы - улучшение структуры и показателей отечественной теплоэнергетики пу-■ • тем расширения применения газотурбинных и парогазовых установи оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду.

Основные публикации по работе

1. Тумановский А.Г.,Христич В. А. Шевченко A.U. Влияние типа горелочного устройства на образование окислов азота в камерах сгорания IT при сжигании природного газа // Теплоэнергетика. - 1970. -Л 5. - С.35-38.

2. Туыановский А.Г.,Христич В. А. Шевченко А. 11. Снижение образования окислов аз< та в »ямрррт сгорания"газотурбинных установок // Реферативная »яфпр«ятрит о законченных НИР. Энергетика. — Вып.1У. — Киев. - 1970. - С.6-7.

3. Тумановский А. Г. Образование онислов азота в камерах сгорания ГТУ при сжигании природного газа // Сб. "Теория и практика сжигания газа". - Вып.У. - Ленинград.-

1972. - С.330-340.

1. Тумановский А.Г.,Зельхинд М . Е . Гомогенное образование в камерах сгорания ГТУ при сжигании жидких тошшв// Теплоэнергетика.- 1971.- & II.- С.31-32. >. Тумановский А . Г.. , Зелькинд М., Е. Некоторые вопросы образования коррозионно-агрессивных соединений серы и ванадия, содержащихся в нефтяных топливах при горении в камерах сгорания 1ТУ // Нефтепереработка и нефтехимия. - 1972. - № 3. - С.9-13. 5. Тумановский А. Г. Некоторые пути снижения окислов азота в камерах сгорания ГТУ // Теплоэнергетика. -

1973. - № 6. - С.9-13.

К Тумановский А.Г., Ковалев В.И. Исследование процесса выгорания природного газа в высокофорсированной камере сгорания ГТД с последовательным вводом воздуха в зону горения // Теплоэнергетика. - 1974. - № I.-С. 56-60.'

3. Тумановский А. Г., Ковалев В. И. Улучшение процесса стабилизации факела в блочной камере сгорания высокотемпературной ГТУ // Теплоэнергетика. - 1974.-№ 10. - С.67-70. ). Тумановский А. Г., Ковалев В. И. Сжигание природного газа в камерах сгорания ГТУ с последовательным вводом воздуха в зону горения // Сб, Теория и практика сжигания газа. - Вып.УГ. - Недра. - 1975. - С.168-173.

0. Тумановский А. Г., Пшениснов И.Ф., Габассов В. Г. Применение пневмомеханической форсунки для сжигания мазутов в ГТУ // Теплоэнергетика. - 1975. - № 10. - С.39—41.

1. Испытание кольцевой камеры сгорания авиационного двигателя НК-8 на природном газе/ Тумановский А.Г., Скуридин Б.Г., Мингалеев Ф.М. и др. // Теплоэнергетика. - 1976. - & 8. - С.60-63.

.2. Тумановский А. Г., Ковалев В. И. Мингалеев Ф.М. Испытания экспериментального

отсека камеры сгорания РД-ЗМ-500 на дизельном топливе // Сб. "Наземное применение авиационных двигателей в народном •хозяйстве". - Вып.2. - И., - 1976. - С.178-186.

13. Тумановский А. Г. Некоторые особенности образования окислов азота в высокофорсированных камерах сгорания с последовательным вводом воздуха в зону горения // Теплоэнергетика. - 1977. - № 12. - С.65-70.

14. Безменов В. Я., Тумановский А. Основные рекомендации по методике гидравлического расчета высокофорсированных камер сгорания для стационарных ГТУ // Теплоэнергетика. - 1978. - № 7. - С.62-64.

15. Тумановский А. Г. Образование сажистых частиц в камерах сгорания с последовательным вводом воздуха i зону горения // Теплоэнергетика. - 1978. - № 9. - С.40-42.

16. Тумановский А. Г. Приближенная оценка полнс го сопротивления и распределения воздуха при проективровш высокофорсированных камер сгорания для стационарных ГТУ /, Теплоэнергетика, - 1978. - Л 6. - С.23-25.

17. Асосков В. А., Тумановский А. Г Кругов В. Б. Образование окислов азота при сжигг нии газообразного и жидкого топлива в ГТУ // Труды ЦКТИ. -№ 151. - Л. - 1977. - С.19-27.

18. Тумановский А. Г. Предотвращение загрязнеи атмосферы газотурбинными установками // Сб. Энергетика и охрана окружающей среды. - М., - Энергия. - 1979. - С.223-236.

19. Испытания блока дожигающих устройств ГТ-25-700 на Якутской ГРЭС / Акулов В.В., Бутовский Л.С.

Тумановский А.Г. и др.Л Теплоэнергетика. - 1981. -ß 6. - С.48-51.

20. Исследование характеристик камеры сгорания ГТ-ЮО на пусковых режимах при сжигании различных топлив/ Тумановский А.Г., Липштейн P.A., Тульский В.Ф. и др. // Теплоэнергетика. - 1981. - К 8. - С.25-28.

21. Тумановский А. Г. .Тульский В.Ф Влияние впрыска вода на образование окислов азота за камерой сгорания с последовательным вводом воздуха в зону горения // Теплоэнергетика. - 1982. - J6 6. - С.34-36.

2. Туман ов ский А. Г.., Липштейн P.A. Тульский В . Ф . Образование окислов азота из азота топлива в камерах сгорания ГТУ // Теплоэнергетика» 1983. - Ü 2. - С.53-57.

:3. X р и с т и ч В.А.,Тумановский А. Г. Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды. - Техника. - Киев. - 1983. - 144 с.

:4. Тумановский А. Г., Семичастный H.H., Ахрамеев В. И. О применении форсунок с аэрационным распылом топлива в камерах сгорания стационарных ПУ // Теплоэнергетика. - 1984. - № II. -G.61-64.

5. Сжигание жидкого топлива в кольцевой камере сгорания конструкции НЗЛ / Тумановский А.Г., Сударев A.B., Ма-ев В.В. и др. // Теплоэнергетика. - 1986. - № 3. - С.37-42.

6. Исследование эксплуатационных характеристик камер сгорания стационарных ГТУ на пусковых режимах / Тумановский А.Г., Ахрамеев В.И., Соколов К.Ю. и др. // Проблемы теплоэнергетики. Материалы УШ Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. - Черноголовка. - 1986. - С.25-27.

7. Повышение эффективности сжигания топлива в газотурбинных установках на пусковых и рабочих режимах / Тумановский А.Г., Акулов В.А., Осыка A.C. и др. // Энергетик. - 1988. - S 4. - С.6-8.

!8. Математическое моделирование рабочего процесса в кольцевой камере сгорания ГТУ / Соколов К.Ю., Тумановский А.Г., Сударев A.B. и др. // Теплоэнергетика.-1988. - й II. - С.28-32.

9. Исследование гидродинамики и массообмена при обтекании стабилизатора противоположно закрученными струями в кольцевом канале / Соколов 1С.Ю., Тумановский А.Г., Майорова A.Ii, и др. / ПСС. - 1089. - Я I. - Т.45. -С.12-16,

0. Горело ч н ое устройство для котла-утилизатора ПГУ-800 / Гэрбаненко А.Д., Морозов О.В., Тумановский А.Г. и др. // Теплоэнергетика. - 1939, - .'5 5. - С.51-58.

31. Тумановский А. Г. .Соколов К . Ю . Глава 6 "Расчет аэродинамической и тепловой структур течения в зоне горения за оданочным кольцевым стабилизатором // Сударев A.B., Маев В.А. Камера сгорания ГТУ. Интенсификация горения. - Ленинград. - Недра. - 1990. -

С.210-245.

32. Совершенствование ГТУ для электростанций / Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г., Механиков А.И., Соколов К.Ю. и др. // Теплоэнергетика. - 1991. -JS G. -С. 66-74.

33. Тумановский А.Г.,Гутник :Л . Н . , Соколов К . Ю Снижение выбросов оксида углерода. и углеводородов на пусковых и переменных режимах энергетических ГТУ при скитании жидких и газообразных тошшв // Электрические станции. - 1991. - № II. - С.2-6.

34. A.c. № 784439. Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорг ния. Сударев A.B., Тумановский А.Г., Ивахненко В.В. и др. Зарегистрировано 1.08.1980 г.

35. A.c. $ 973892. Фронтовое устройство кольцевой камеры. Суда рев A.B., Тумановский А.Г., Ивахненко B.ß. и др.

36. A.c. № I39048I. Горелочное устройство котла-утилизатора пг рогазовой установки. Белов В.А., Морозов О.В., Тумановски! А.Г., Горбаненко А.Д.

37. A.c. й 1430685. Способ сжигания топлива в кольцевой камер« сгорания газотурбинной установки. Тумановский А.Г., Сударев A.B., 1/1аев В.А. и др.

38. A.c. Л 1438352. оронговое устройство камеры сгорания. Тум! новский А.Г., Сударев A.B., Захаров Ю.И. и др.

39. A.c. J£ 1477032. Способ сжигания топлива в камере сгорания гузотурбинной установки. Акулов В.А., Маев В.А., Сударев A.B., Тумановский А.Г. и др.

40. A.c. tö 1492860. Фронтовое устройство камеры сгорания. Тум новский А.Г., Сударев A.B., Маев В.А. и др.

41. A.c. & 1506220. Способ сжигания газообразного топлива и г релочное устройство для его осуществления. Морозов О.В., Горбаненко А.Д., Тумановский А.Г. и др.