Научная статья на тему 'Аэродинамические и тепловые характеристики камер сгорания ГТУ с горелочной системой трубчатого типа'

Аэродинамические и тепловые характеристики камер сгорания ГТУ с горелочной системой трубчатого типа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
223
117
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КАМЕРА СГОРАНИЯ / ТРУБЧАТАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОСЖИГАНИЯ / КОМПЛЕКСНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ / ГОРЕНИЯ / COMBUSTION CHAMBER / TUBE TECHNOLOGY OF GAS BURNING / A RANGE OF ADVANTAGES OF CARBURETION / COMBUSTION

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Варламов Г. Б., Халатов А. А.

Рассмотрены особенности тепловых и аэродинамических характеристик камер сгорания ГТУ с горелочной системой, изготовленной на основе применения трубчатой технологии газосжигания (ТТГ). Анализируются преимущества трубчатых горелочных систем для обеспечения качественного смесеобразования и высокого уровня равномерности полей скоростей и температур при сжигания топливной смеси. Показана возможность создания малоэмиссионной камеры сгорания для ГТУ любой мощности

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Варламов Г. Б., Халатов А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

AERODYNAMIC AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF THE COMBUSTION CHAMBERS OF GTU WITH BURNER SYSTEM OF THE TUBE TYPE

The research’s results on the model of the real installation of aerodynamic and heat exchange processes in the combustion chamber of the gas turbine unit (gTU) with burner system made on the basis of the tube technology of gas burning (TTg) are presented.The tests were conducted for the real operation’s parameters of the equipment and developed in the Solid Works model on the basis of finite-volume method has allowed to see the processes of carburetion as well as heat exchange.This technology was successfully tested on gas turbine units with capacity of 6 and 10 MW, prototypes of the burner system have been successfully tested in the test-bench equipment with the model parameters for gas turbine unit of 25 MW capacity.It is shown a range of advantages of the tube burner systems regarding qualitative carburetion and high level of velocity and temperature uniformity during the process of combustion.The possibility of development the low-emission combustion chamber for the gas burning unit of any capacity of power and drive types was proven.

Текст научной работы на тему «Аэродинамические и тепловые характеристики камер сгорания ГТУ с горелочной системой трубчатого типа»

3. Кузнецов, В. В. Проектирование теплообменных аппаратов для ГТУ сложных циклов [Текст] / В.В. Кузнецов, Д.Н. Соломо-нюк // Вісник НТУ „ХПІ”. Збірник наук.праць. - Харків: НТУ „ХПІ”. - 2008.-№35. -С.78-88.

4. Калинин, Э. К. Интенсификация теплообмена в каналах [Текст] / Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, С. А. Ярхо. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.

5. Кузнецов, В. В. Оптимизация массогабаритных показателей регенераторов ГТУ [Текст] / В.В. Кузнецов, Д.Н. Соломонюк// Восточно - Европейский журнал передовых технологий 4/6(40), 2009. - С.48-52.

6. Халатов А. А. Теория и практика закрученных потоков [Текст] / А. А. Халатов - К.: Наукова Думка, 1989.- 200 с.

7. Халатов, А. А. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил в 9 т. [Текст]/ А. А. Халатов, А. А. Авраменко, И. В. Шевчук. - К.: Изд. Ин-та технической теплофизики НАН Украины, 2010 - Т. 9: Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газових турбин . - 2010. -317 с.

8. Кузнецов, В. В. Теплоотдача при закрутке потока внутри трубчатых каналов теплообменных аппаратов газотурбинных установок [Електронний ресурс] / В.В. Кузнецов, С.Н. Мовчан, В.И. Романов, А.П. Шевцов // Електронне видання Вісник НУК, Зб. наук. праць - Миколаїв: НУК, 2011. - № 4.

9. Кузнецов, В. В. Представление и обощение экпериментальных исследований теплоотдачи при закрутке потока внутри трубчатих каналов элементов газотурбинной установки [Текст] / В.В. Кузнецов, С.Н. Мовчан, В.И. Романов, А.П. Шевцов // Зб. наук. праць НУК - Миколаїв: НУК, 2011. - № 5. С. 69-75

--------------------□ □------------------------

Наведено результати дослі джень

аеродинамічних та теплообмінних процесів у камері згоряння газотурбінної установки (ГТУ) з пальниковою системою, виготовленою на основі використання трубчастої технології газоспалю-вання (ТТГ). Показано комплекс переваг трубчастих пальникових систем для забезпечення якісного сумішоутворення та високого рівня рівномірності полей швидкості і температур у процесі спалювання суміші. Доведено можливість створення малоемісійної камери згоряння для ГТУ будь-якої потужності

Ключеві слова: камера згоряння, трубчаста технологія газоспалювання, комплексні переваги сумішоутворення, згоряння

□-------------------------------------□

Рассмотрены особенности тепловых и аэродинамических характеристик камер сгорания ГТУ с горелочной системой, изготовленной на основе применения трубчатой технологии газо-сжигания (ТТГ). Анализируются преимущества трубчатых горелочных систем для обеспечения качественного смесеобразования и высокого уровня равномерности полей скоростей и температур при сжигания топливной смеси. Показана возможность создания малоэмиссионной камеры сгорания для ГТУ любой мощности

Ключевые слова: камера сгорания, трубчатая технология газосжигания, комплексные преимущества смесеобразования, горения --------------------□ □------------------------

УДК 621.43.056

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ

и тепловые

ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР СГОРАНИЯ гту С ГОРЕЛОЧНОй

системой трубчатого типа

Г. Б. Варламов

Доктор технических наук, профе^ор, проректор*

E-mail: varlamov@kpi.ua А. А. Халатов

Доктор технических наук, профессор, академик Национальной академии наук Украины, заведующий кафедрой Кафедра «Физика энергетических систем» Физико-технический институт* пр-т Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056 E-mail: Artem.Khalatov@vortex.org.ua *Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

1. Введение

Современное развитие промышленных секторов экономики различных стран часто сталкивается с проблемой надежного и постоянного энергообеспечения. Чаще всего это относится к промышленным комплексам или отдельным предприятиям отечественных или международных корпораций, которые развиваются самостоятельно и строят свои объекты в странах с минимальным

налогообложением и нуждаются в увеличении потребляемой тепловой и электрической мощности.

В решении вопроса энергообеспечения предриятий корпорации все чаще используют газотурбинные установки (ГТУ) или тепловые схемы с использованием этих высокотехнологических агрегатов. Для Украины основными объектами с широким использованием газотурбинных установок являются компрессорные станции (КС) газотранспортной системы (ГТС), где

они применяются для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА), металургия и энергетика. В последнее время к этим агрегатам предъявляются особые требования по надежности эксплуатации, экономичности и экологичности [1, 2]. При этом ведущую роль в обеспечении этих показателей играют камеры сгорания, которые являются наиболее теплонапряженным элементом камеры сгорания.

В статье рассмотрены результаты анализа аэродинамических и тепловых характеристик в камере сгорания газотурбинных установок (ГТУ) с горе-лочной системой, выполненной на основе трубчатой технологии сжигания газа (ТТГ) [3, 4].

2. Постановка проблемы в общем виде

Для каждого типа ГТУ предприятия-изготовители используют различные способы, методы и конструктивные особенности жаровой трубы и горелочного устройства для снижения концентрации оксидов азота NOx и оксида углерода СО в выхлопных газах [1].

Камеры сгорания ГТУ различных производителей сильно отличаются друг от друга даже для одинаковой мощности и достигнутых значений эмиссии NOx и СО. Тиражирование ГТУ по мощности за счет использования одинаковой (или подобной) конструкции отработанных горелочных не надежно в связи с непредсказуемостью процесса смешения и сжигания в горелочных системах регистрового, форкамерного и другого типа.

Ведущие мирове производители в области газотур-бостроения, такие как General Electric, Siemens, Solar Turbines, Rolls-Royce, Mitsubishi в жесткой конкуренции идут по пути создания и внедрения собственных си-тем смесеобразования и сжигания топливо-воздушной смеси в камерах сгорания, которые характеризуються высокой сложностью. Это осуществляется с целью монополизации разработки и обеспечения невозможности копирования разработки конкурирующими фирмами, т.е. для обеспечения монопольной защищенности [4, 5].

Это значительно повышает стоимость конструкции, усложняет ее эксплуатацию и требует даже при относительно простих профилактических операциях и ремонтах присутствия представителя завода-разра-ботчика, что удорожает ремонт и приводит к увеличению его срока. Эти обстоятельства не только увеличивают эксплуатационные расходы, но и «привязывают» пользователей ГТУ к заводам-изготовителям на длительное время, т.е. обременяют первых наличием неэффективных и затратных связей. Особенно заметно это проявляется в том случае, если используются ГТУ иностранного производства. Вопрос ремонтнопригод-ности и взаимозаменяемости является проблемным для всех элементов ГТУ, но особенно остро он стоит для камер сгорания.

В связи с этим особенно актуальным является вопрос создания универсальных и тиражируемых по мощности технологий сжигания топлива и камер сгорания с низким уровнем эмиссии вредных и парниковых газов, что позволит в период эксплуатации и ремонта ГТУ освободиться от поставок зарубежных фирм-производителей газотурбинной техники. Это также позволит создать условия для распространения этих технологий на другие энергетические установки [6-8].

3. Предпосылки создания и особенности трубчатой технологии газосжигания (ТТГ)

Украина относится к немногочисленным странам, обладающим высокотехнологическим оборудованием по производству ГТУ. Поэтому для страны важно развивать свои отечественные технологии в газотурбострое-нии, способствующие увеличению конкурентоспособности выпускаемых газотурбинных двигателей (ГТД) с обеспечением высокой эффективности, экологической безопасности и экономической привлекательности.

Отсутствие механизмов эффективной мотивации разработки инновационных отечественных технологий в процессах конструирования и производства ГТУ не позволяет заводам-изготовителям газотурбинной техники мобильно реагировать на запросы рынка и вести постоянную научно-исследовательскую и проектно-конструкторскую работу в этом направлении. Не ведутся также систематические научные работы и по фундаментальным и прикладным задачам газотурбостроения.

Стереотип действия новых руководителей отечественных заводов-производителей ГТУ базируется на принципе максимальной прибыли при минимальных затратах. На коротком отрезке времени для специфических условий под воздействием внутренних и внешних факторов эта стратегия оправдана. Однако на длительный период времени такая стратегия приводит к застою в перспективных разработках и создает предпосылки хронического запаздывания в развитии и необратимого проигрыша в конкуренции с другими производителями аналогичного оборудования и систем.

Позитивным моментом для Украины остается наличие в отечественной научной среде творческих, пусть и немногочисленных научных коллективов в составе высших учебных заведений и академических институтов, которые продолжают без финансовой поддержки государства и предприятий проводить по собственной инициативе научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по созданию современных технологий, устройств и систем инновационного наполнения, в том числе и для газотурбинной отрасли промышленности. В таким коллективам относится Научно-технический центр «Экотехнологии и технологии энергосбережения» (НТЦ «ЭКОТЭС») Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт», работающий в содружестве с Отделом высокотемпературной термогазодинамики Института технической теплофизики НАНУ [4, 9].

За последние годы специалистам НТЦ «ЭКОТЭС» удалось разработать и испытать в составе реальных камер сгорания газотурбинных двигателей новую трубчатую технологию газосжигания (ТТГ), которая по своим свойствам способна составить серьезную конкуренцию существующим зарубежным технологиям сжигания газа в камерах сгорания ГТУ [9-15]. Лабораторные, стендовые и промышленные испытания горелочных систем трубчатого типа в составе камер сгорания ГТУ мощностью 6 и 10 МВт [11, 12, 13], а также горелочной системы с использованием ТТГ в ГТУ мощностью 25 МВт [14, 15] позволяют утверждать, что при реализации в камерах сгорания ТТГ газотурбинные установки могут получить ряд положительных свойств, к числу которых относятся следующие:

3

- низкое аэродинамическое сопротивление по воздушному тракту;

- прямоточное высокоскоростное движение топливовоздушной смеси в горелке и в жаровой трубе;

- короткое время пребывания газовоздушной смеси в зоне горения;

- возможность плавного регулирования способом смесеобразования с контролем заданной интенсивности;

- обеспечение высокого уровня полноты сгорания топлива в широком диапазоне значений коэффициента избытка воздуха.

Эти характеристики ТТГ способствуют приданию горелочным системам целого ряда положительных свойств, основные из которых следующие:

- универсальность (возможность эффективного использования в установках различных типов с возможностью сжигания различных газообразных топливных сред);

- унифицированность (горелочные системы для установок различных типов и мощностей создаются на основе одной методики);

- надежность работы (ограниченное тепловыделение вблизи горелки и отсутствие условий для проска-кивания пламени);

- устойчивое зажигание и стабилизированный режим горения в широком диапазоне нагрузок и значений коэффициента избытка воздуха;

- простота конструкции;

- обеспечение малошумности и минимальных вибраций в элементах и всей установки в целом;

- надежность конструкции и отсутствие необходимости в серьезных ремонтных мероприятиях в процессе эксплуатации.

4. Аэродинамические и тепловые характеристики горелочных систем на основе ТТГ

Аэродинамические и тепловые характеристики го-релочных систем на основе использования ТТГ подробно изучены при различий организации газовоздушных потоков в одной и той же камере сгорания ГТУ со штатной (регистровой) системой и системой трубчатого типа в газоперекачивающем агрегате ГТК-10 [12, 13]. Показано, что использование горелочной системы трубчатого типа с микрофакельным механизмом сжигания позволяет обеспечить высокую степень гомогенизации топливовоздушной смеси и прямоточность ее движения с минимальным временем пребывания в зоне горения.

На рис.1 видно, что на расстоянии 3...5 см от фронтальной поверхности горелочной системы практически исчезает неравномерность концентрации газа по всему поперечному сечению зоны сжигания. В камере сгорания с горелочной системой трубчатого типа отсутствуют области резкого изменения скорости потока и неравномерности поля скорости по ходу движения газа от входа к выходу из жаровой трубы, что обеспечивается упорядоченной структурой и оптимизированным расположением трубчатых модулей по всему поперечному сечению жаровой трубы.

Одновременно с этим, горелочная система трубчатого типа за счет более низкого аэродинамического сопротивления позволяет увеличить массовую долю

воздуха, участвующего в процессе сжигания, что позволяет на 15...20% увеличить коэффициент избытка воздуха и увеличить скорость движения воздушного потока в зоне горения. Это, в свою очередь, способствует уменьшению эмиссии N0,^ и СО.

2 мм 10 мм 20 мм

30 мм 40 мм 50 мм

Рис. 1. Концентрация природного газа в различных сечениях жаровой трубы от фронта подачи топлива из горелки трубчатого типа

Анализ аэродинамических и температурных полей в жаровой трубе с горелочной системой трубчатого типа показывает следующие преимущества по сравнению с регистровыми (завихрительными) горелочными системами:

- по сечению жаровой трубы и вдоль нее от входного сечения жаровой трубы до входа на лопаточный аппарат температурное поле имеет высокий уровень равномерности и не претерпевает каких-либо качественных изменений, оно не содержит локальных зон и объемов с высоким температурным градиентом;

- поля скоростей газовых потоков по поперечному сечению жаровой трубы и в осевом направлении от фронтового устройства к выходу из камеры сгорания характеризуются высокой степенью однородности;

- аэродинамическое сопротивление фронтового устройства на 30% ниже по сравнению со штатным фронтовым устройством.

Таким образом, для горелочной системы трубчатого типа характерным является качественное улучшение характера и условий сгорания топливоздушной смеси. Скоростные и температурные поля высокой равномерности способствуют обеспечению высокачественного процесса превращения химической энергии топлива в тепловую и кинетическую энергию с уменьшением времени пребывания смеси в зоне горения и существенному снижению эмиссии оксидов азота и углерода.

5. Перспективы дальнейшего использования ТТГ в ГТД

Горелочные системы трубчатого типа позволяют осуществить малозатратную и быструю модернизацию горелочных систем существующих камер сгорания практически без изменений в конструкции топливо-и воздухоподводов, жаровых труб и направляющего лопаточного аппарата. Модернизация является эффективной в экономическом и экологическом плане. Среди главных факторов, влияющих на высокий уровень эффективности и экологичности ГПА, в котором в качестве привода служит ГТУ с горелочной системой трубчатого типа, необходимо назвать следующие:

Е

• высокий уровень равномерности полей скорости и температуры газового потока в жаровой трубе;

• высокий уровень качества смесеобразования и сгорания газовоздушной смеси;

• снижение аэродинамического сопротивления фронтового устройства трубчатого типа воздушному потоку позитивно влияет на эффективность и экологичность камеры сгорания ГТУ и агрегата в целом.

Указанные особенности ТТГ позволяют успешно реализовать принцип эффективного тиражирования единичной мощности горелочной системы трубчатого типа с высокими энергетическими и экологическими показателями для камер сгорания различного вида и типа.

6. Выводы

Реализация на практике горелочных систем на основе ТТГ позволит создавать универсальные конструкции систем сжигания топлива и камер сгорания, тиражируемые по мощности и обладающие высокими экологическими показателями. Они могут быть использованы в традиционных и каталитических камерах сгорания ГТУ, системах когенерации с дожиганием топлива, циклах ПГУ и ГПУ типа «^ТІС» и «Водолей» для однотопливных и многотопливных горелочных систем, включая сжигание водорода. Реализация на практике ТТГ позволит освободиться от поставок зарубежных фирм-производителей газотурбинной техники в период эксплуатации и ремонта ГТУ.

Литература

1. Костенко, Д. А. Модернизация газотранспортной системы Украины: проблемы создания новых газоперекачивающих агрегатов [Текст]/ Д. А. Костенко, В. В. Романов, А. А. Халатов// Промышленная теплотехника. - 2011.- Т.33,№2. - С.41-45

2. Халатов, А. А. Состояние и проблемы развития механического привода для ГТС Украины [Текст]/ А. А. Халатов, А. А. До-линский, Д. А. Костенко, В. П. Парафейник// Промышленная теплотехника. - 2010. - № 1. - С. 44-53.

3. Говдяк, Р. М. Актуальные проблемы модернизации газотурбинных газоперекачивающих агрегатов [Текст]/ Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов// Экотехнологии и ресурсосбережение.-2003.-№5.-С. 66-72.

4. Варламов, Г. Б. Новое поколение горелочных систем ГТУ на основе трубчатой технологии сжигания газа [Текст]/ Г. Б. Варламов, А. А. Халатов, П. О. Позняков, Д. Н. Юрашев// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Т. 3, №10 (57). - 2012. - 9-14 с..

5. Любчик, Г. Н. Создание малотоксичных камер сгорания ГТУ [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Г. С. Марченко, Г. А. Микулин, С. А. Левчук// Экотехнологии и ресурсосбережение.-2003.-№ 2.-С. 65-74.

6. Любчик, Г. Н. Перспективы повышения надежности, экологической безопасности и энергетической эффективности ГПА на основе применения трубчатой технологи сжигания газа [Текст]/ Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Л. Б. Чабанович, О. Г. Гриник, Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов// Ін-т електродинаміки Національної академії наук України. Спеціальний випуск. - К: Інститут електродинаміки НАН України. - 2006.-С.54-57.

7. Любчик, Г. Н. Новая технология создания и использования эффективных и высокоэкологичных горелочных устройств для энергетических котлов и камер сгорания ГТУ и ПГУ [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов; Под редакцией Вороновского Г. К., Недина И. В.// Инновационное развитие топливно-энергетического комплекса: проблемы и возможности. - К.: Знания Украины. - 2004. - С.115-121.

8. Варламов, Г. Б. Технология повышения энергетической и экологической эффективности работы котлов и камер сгорания ГТУ [Текст]/ Г. Б. Варламов, Г. Н. Любчик, И. В. Олиневич, А. В. Ивасенко// Мир техники и технологий . - 2006. - №4 -С.64-65.

9. Любчик, Г. Н. Использование конструктивных особенностей и аэродинамических эффектов насадка Борда при создании малотоксичных топливосжигающих модулей [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, Г. А. Микулин, С. А. Левчук, А. А. За-рицкий, Н. Н. Ольховская// Технологические системы.- 2002.- № 1.- с. 130-133.

10. Любчик, Г. Н. Создание малотоксичных камер сгорания ГТУ [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Г. С. Марченко // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. -№ 2. -С. 65-74.

11. Варламов, Г. Б. Трубчаста технологія газоспалювання - прорив у енергозбереженні та екологічності транспортування природного газу [Текст]/ Г. Б. Варламов, Я. С. Марчук, М. В. Беккер, Г. М. Любчик, Ю. М. Камаєв, П. О. Позняков, Д. О. Кузьменко// Нафтова і газова енергетика. - 2010. - Т.12,№1 - С. 60-63.

12. Варламов, Г. Б. Комплексні дослідження енергоекологічних показників експлуатації ГТУ у складі газоперекачувального агрегату типу ГТК-10. [Текст]/ Г. Б. Варламов, П. О. Позняков, Д. М. Юрашев// Энергосбережение, энергетика, энергоаудит . -№01 (95) 2012. - 15-25 с.

13. Варламов, Г. Б. Особенности горелочной системы трубчатого типа для камеры сгорания ГТУ в составе ГТК-10. [Текст]/ Г. Б. Варламов, П. О. Позняков, Д. Н. Юрашев// Экотехнологии и ресурсосбережение. - №2. - 2012г.

14. Любчик, Г. Н. Результаты испытаний камеры сгорания ГТД ДГ80 с низко-эмиссионным горелочным устройством на базе трубчатых модулей [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, В. В. Романов, В. Г. Ванцовский, В. В. Вилкул // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Современные технологии в газотурбостроении. Часть III. - Т.40,№ 4/6. - 2009. - 13-18 С.

15. Варламов, Г. Б.Модернизация горелочной системы газотурбинного двигателя ДН80 с использованием трубчатой технологии газосжигания [Текст]/ Г. Б. Варламов, Ю. М. Камаев, П. О. Позняков, Д. Н. Юрашев// Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях.- Харків: НТУ «ХПІ». -№18. - 2012.- С. 117-126.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.