CC BY
19УДК: 621.165; 662.75/76
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МИНИ-ПАРОГЕНЕРАТОРОВ С ВИХРЕВЫМИ КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ
В.А. Ильичев1, В.И. Пригожин1, А.Р. Савич1, А.Н. Лешов1, С.П. Малышенко2
1ОАО КБХА, Россия, 394006, г. Воронеж, ул. Ворошилова, д. 20 e-mail: cadbik@inbox.ru 2ОИВТ РАН, Россия, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2 e-mail: h2lab@mail.ru
Заключение Совета рецензентов 06.08.09 Заключение Совета экспертов 10.08.09 Принято к публикации 15.08.09
В работе представлены конструктивные особенности водородных высокотемпературных мини-парогенераторов с вихревыми камерами сгорания, описаны условия проведения экспериментальных исследований протекающих рабочих процессов горения и смесеобразования, показаны полученные результаты.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF WORKING PROCESSES OF HYDROGEN HIGH-TEMPERATURE MINI STEAM GENERATORS WITH SWIRL COMBUSTION
CHAMBERS
V.A. Ilyichev1, V.I. Prigozhin1, A.R. Savich1, A.N. Leshov1, S.P. Malyshenko2
1OSC KBKhA, 20 Voroshilov st., Voronezh, Russia, 394006 e-mail: cadbik@inbox.ru Joint Institute of High Temperatures RAS 13/2 Izhorskaya st., Moscow, Russia, 125412 e-mail: h2lab@mail.ru
Referred: 06.08.09 Expertise: 10.08.09 Accepted: 15.08.09.
Design features of hydrogen high-temperature mini steam generators with swirl combustion chambers are presented in the paper, the conditions of conducting experimental researches of combustion and mixture formation are described; the obtained results are shown.
Станислав Петрович Малышенко
Сведения об авторе: заведующий Лабораторией водородных энергетических технологий ОИВТ РАН, д-р физ.-мат наук, профессор.
Образование: Московский энер-гетический институт (1963 г.).
Область научных интересов: специалист в области водородной энергетики и теплофизики. Публикации: более 160, из них 2 монографии и 10 патентов.
Сведения об авторе: инженер-конструктор Испытательного комплекса ОАО КБХА. Образование: Воронежский государственный технический университет (2007 г.). Область научных интересов: специалист в области испытания водородо-кислородных паротурбинных энергоустановок. Публикации: 1.
Андрей Николаевич Лешов
Статья поступила в редакцию 17.07.2009. Ред. рег. № 570
The article has entered in publishing office 17.07.2009. Ed. reg. No 570
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Одним из перспективных направлений повышения эффективности использования природных энергоресурсов в системах энергообеспечения является создание и применение водородных энергоустановок паротурбинного цикла [1-4]. Ключевыми новыми элементами таких энергоустановок являются водо-родо-кислородные парогенераторы, работы по созданию которых выполнялись в России, Германии, Японии и США [5-7]. Высокая эффективность водо-родо-кислородных паротурбинных энергоустановок определяется уникальными свойствами водорода как топлива: широкими концентрационными пределами воспламенения и устойчивого горения, высокими скоростями распространения пламени (в 7 раз выше, чем для метана), низкой энергией активации при сгорании в кислороде и воздухе. Удельные тепловые мощности, передаваемые через сечение сопла камеры сгорания, для водорода в 1,7 раза выше, чем для метана. Эти свойства позволяют обеспечить высокую стабильность работы камер сгорания в широком интервале составов топливной композиции при небольших размерах водородных парогенераторов и их умеренной стоимости. Продукт сгорания водорода -водяной пар - при температуре окружающей среды полностью конденсируется, т. е. эксергия водорода как топлива может быть использована с максимальной эффективностью.
В России пионером развития исследований и разработок, направленных на создание эффективных водородо-кислородных парогенераторов, является Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва. Сотрудниками института был разработан и создан высокотемпературный во-дородо-кислородный мини-парогенератор с тепловой мощностью до 150 кВт. Он вырабатывает перегретый пар с температурой до 1000 К и давлением в камере сгорания до 30 кгс/см2 и работает при стехио-метрическом соотношении компонентов а ~ 1 [6, 7]. Мини-парогенератор предназначен для использования в различных паротурбинных и парогазовых установках промышленной энергетики малой мощности. Основным узлом мини-парогенератора является камера сгорания компонентов топлива с конвективным охлаждением огневой стенки, состоящей из бронзовой жаровой трубы и стального корпуса (рис. 1). Охлаждающая вода поступает в тракт охлаждения камеры сгорания, образованный мини-каналами между бронзовой жаровой трубой и стальным корпусом, и после тракта охлаждения - в камеру испарения. Этим обеспечивается минимизация тепловых потерь и высокий КПД устройства. Отсутствие избытка продуктов реакции горения водорода в кислороде в камере сгорания такой конструкции позволяет обеспечить высокую полноту сгорания топлива.
Вместе с тем для мини-парогенератора такой конструкции требования к содержанию примесей в охлаждающей воде достаточно жесткие (должна использоваться химобессоленная деаэрированная вода), ибо тепловые потоки на стенки камеры сгорания
весьма высоки (более 1 МВт/м2) и вскипание воды в мини-каналах может привести к прогару жаровой трубы. Наличие мелких твердых частиц в охлаждающей воде также недопустимо.
Рис. 1. Камера сгорания с конвективным охлаждением огневой стенки: 1 - корпус из стали 12Х18Н10Т; 2 - втулка из стали ХН55МБЮ; 3 - бронзовая жаровая труба
с водяными трактами охлаждения из сплава БрХ-0,8 Fig.1. Combustion chamber with convection cooling of the firing wall: 1 - casing made of 12Х18Н10Т steel; 2 - hub of ХН55МБЮ steel; 3 - bronze flue tube with water cooling channels of БрХ-0,8 alloy
Необходимость исключения кипения в мини-каналах системы охлаждения камеры сгорания приводит к ограничениям минимальных расходов охлаждающей воды. Поскольку вода из системы охлаждения камеры сгорания поступает в камеру испарения, это означает и ограничение на доступные степени перегрева пара. В ходе экспериментальной отработки мини-парогенератора, проводившейся на Испытательном комплексе ОАО КБХА совместно с ОИВТ РАН, эпизодически проявлялись локальные дефекты камеры сгорания, выраженные в «пролизе» и уносе материала огневой стенки в районе минимального сечения сопла, вызванные недостаточной степенью очистки охлаждающей воды и возникновением кипения в мини-каналах рубашки охлаждения камеры сгорания в окрестности сопла.
Необходимо также учесть, что изготовление экспериментальных образцов камер сгорания с конвективным охлаждением огневой стенки является достаточно сложным технологическим процессом, связанным с необходимостью применения значительного количества производственной оснастки. При этом жаровая труба камеры сгорания выполняется из дорогостоящего бронзового сплава БрХ-0,8 в достаточно сложном конструктивном исполнении.
Отмеченные выше проблемы подтолкнули к поиску новых, более технологичных и дешевых вариантов исполнения конструкции камер сгорания, работающих в аналогичных условиях (стехиометриче-ское соотношение компонентов топлива а ~ 1). Ос-
. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N2 8 (76) 2009
© Научно-технический центр «TATA», 2009
новными критериями при создании новой конструкции камеры сгорания являлись: неизменность выходных характеристик агрегата при его длительной работе, повышенная надежность, простота конструкции, и как следствие - упрощение изготовления, и применение более дешевых материалов относительно аналога, а также обеспечение возможности уменьшения расхода охлаждающей воды и использования нехимобессоленной воды для мини-парогенераторов технологического назначения. В результате предварительного анализа авторами был предложен способ образования пара в мини-парогенераторах с использованием вихревого завесного охлаждения, реализованного за счет подачи воды в камеру сгорания по тангенциальным каналам на охлаждение огневой стенки и для парообразования.
При определении геометрических характеристик вихревой камеры сгорания авторами, работающими в ОАО КБХА, был проведен ее гидравлический расчет, результаты которого легли в основу ее изготовления (рис. 2).
рой до 1000 К и давлением до 30 кгс/см . В камере сгорания такой конструкции за счет испарения охлаждающей воды внутри камеры может возникнуть избыток продуктов реакции в зоне горения водорода в кислороде, что может привести к неполному сгоранию топлива и возникновению существенной неоднородности температуры в радиальном и осевом направлении. Это может оказаться серьезной проблемой для парогенераторов энергетического назначения и менее важно для технологических применений. В последнем случае может использоваться вода менее высокой степени очистки.
Рис. 2. Общий вид вихревой камеры сгорания: 1 - корпус камеры сгорания; 2 - втулка с тангенциальными каналами подачи воды; 3 - штуцер подвода воды; 4 - водяной коллектор камеры сгорания; 5 - вихревой поток воды; 6 - продукты реакции горения водорода в кислороде;
7 - тангенциальные каналы подачи воды Fig. 2. General view of swirl combustion chamber: 1 - combustion chamber casing; 2 - hub with tangential water feed channels; 3 - water feed fitting; 4 - combustion chamber water manifold; 5 - swirl water flow; 6 - products of a hydrogen combustion in oxygen reaction; 7 - tangential water feed channels
Принцип работы вихревой камеры сгорания в составе экспериментального мини-парогенератора (рис. 3) подобен работе центробежной форсунки.
Рабочей жидкостью является вода. Она подается в камеру сгорания через втулку с тангенциальными каналами, где приходит в интенсивное вращательное движение, образуя завесное охлаждение. Далее в цилиндрическом сопле камеры сгорания завесная пленка, контактируя с продуктами сгорания водорода в кислороде, поступает в камеру испарения, где происходит ее мелкодисперсное дробление и испарение с образованием перегретого пара с температу-
Рис. 3. Схема конструкции микропарогенератора
с экспериментальной вихревой камерой сгорания: 1 - корпус камеры сгорания; 2 - смесительная головка;
3 - камера сгорания с вихревым потоком завесного охлаждения; 4 - тангенциальные отверстия; 5 - сопло камеры сгорания; 6 - камера испарения; 7 - свеча поджига;
8 - запальное устройство; 9 - магистраль подачи окислителя; 10 - магистраль подачи горючего;
11 - магистраль подачи воды; 12 - датчик давления в камере испарения; 13 - датчик температуры в камере
испарения; 14 - сопло камеры испарения Fig. 3. Micro steam-gas generator and experimental swirl combustion chamber layout: 1 - combustion chamber casing; 2 - injector head; 3 - combustion chamber with whirling flow of
film cooling; 4 - tangential holes; 5 - combustion chamber nozzle; 6 - vaporization chamber; 7 - ignition plug; 8 - igniter;
9 - oxidizer supply pipe line; 10 - fuel supply pipe line;
11 - water supply pipe line; 12 - pressure sensor in vaporization chamber; 13 - temperature sensor in vaporization chamber;
14 - vaporization chamber nozzle
Установка для проведения исследований процессов смесеобразования и горения в экспериментальном мини-парогенераторе смонтирована на стенде, предназначенном для огневых испытаний газогенераторов и запальных устройств жидкостных ракетных двигателей, расположенном на территории Ис-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
пытательного комплекса ОАО КБХА [8]. Технические характеристики стенда полностью отвечали требованиям условий испытаний согласно разработанным в ОАО КБХА программам-методикам проведения исследований.
Для обеспечения подачи компонентов топлива и рабочих сред с требуемыми расчетными параметрами к экспериментальному мини-парогенератору сотрудниками ОАО КБХА была разработана пневмо-гидравлическая схема его подсоединения к стендовым системам (рис. 4).
Рис. 4. Эскиз пневмогидравлической схемы подсоединения экспериментального мини-парогенератора к стендовым системам: 1, 2 - датчик температуры и давления газообразного кислорода до критического дросселирующего устройства соответственно; 3 - датчик давления газообразного кислорода после критического дросселирующего устройства;
4, 5 - датчик температуры и давления газообразного водорода до критического дросселирующего устройства соответственно; 6 - датчик давления газообразного водорода после критического дросселирующего устройства; 7 - датчик давления газа в камере сгорания; 8, 9 - датчик температуры и давления пара в камере испарения соответственно; 10 - датчик давления воды до дросселирующего устройства; 11 - турбинный датчик расхода воды в камеру сгорания Fig. 4. Drawing of an air-hydraulic schematic of connecting the experimental mini steam generator to test bench systems: 1, 2 - GOX temperature and pressure sensor upstream the critical throttling device, respectively; 3 - GOX pressure sensor downstream the critical throttling device; 4, 5 - GH2 temperature and pressure sensor upstream the critical throttling device, respectively; 6 - GH2 pressure sensor downstream the critical throttling device; 7 - sensor of gas pressure in a combustion chamber; 8, 9 - sensor of steam temperature and pressure in a combustion chamber; 10 - water pressure sensor upstream the throttling device; 11 - turbine sensor of water flow to the combustion chamber
В ходе исследований процессов смесеобразования и горения в экспериментальном мини-парогенераторе проведен цикл испытаний на разных режимах. Фотография одного из огневых испытаний (длительность 30 с) приведена на рис. 5, а условия его проведения и результаты представлены ниже.
Перед огневым испытанием были проведены продувки по линиям подачи компонентов «О» (газообразный кислород) и «Г» (газообразный водород) для определения коэффициентов дросселирующих устройств. Согласно результатам продувок был вы-
полнен расчет массовых расходов компонентов топлива по следующим формулам [9]:
т = К Р С — ■ 98100, при Р / Р < 0,528,
ш вх~Л1 вх ' '
сверхкритический режим; (1)
1Р2 - Р2
т = К .Н5-^ ■ 98100, при Р /Р > 0,528,
ш д|
докритический режим, (2)
75
ISJJ&H
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (76) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
где Кш - коэффициент дросселирующего устройства; Рвх - давление на входе в дросселирующее устройство, кгс/см2; Рвых - давление на выходе из дросселирующего устройства, кгс/см2; Я - удельная газовая постоянная (для компонента «Г» Я = 4124,9 Дж/(кг-град), для компонента «О» Я = 259,84 Дж/(кг-град)); Т - температура на входе в дросселирующее устройство, К; £ - термодинамический коэффициент компонента; г - коэффициент сжимаемости компонента.
Рис. 5. Фотография испытания экспериментального мини-парогенератора с вихревой камерой сгорания на огневом стенде Fig. 5. Photograph of experimental mini steam generator testing with swirl combustion chamber on a test bench for hot firing tests
Запуск экспериментального мини-парогенератора производился по циклограмме проведения испытания. При этом газообразные водород и кислород по магистралям подачи компонентов «Г» и «О» от блоков баллонов с давлением 150 кгс/см2 через редукторы, фильтры тонкой очистки, открытые пневмокла-паны, критические дросселирующие устройства и смесительную головку подавались в камеру сгорания со средним расходом 0,00104 и 0,0084 кг/c соответственно (см. рис. 4). Затем от свечи поджига компонентов топлива в вихревой камере сгорания происходило воспламенение газовой смеси горючего и окислителя. После этого к объекту испытания через соответствующие агрегаты системы подачи рабочей среды поступала вода для парообразования и завес-ного охлаждения вихревой камеры сгорания с расходом около 0,02 кг/c (см. рис. 4).
Основные измеренные параметры в ходе проведения испытания: давление в камере сгорания, давление и температура в камере испарения - показаны в графиках изменения соответствующих параметров на рис. 6, 7 и 8.
При анализе результатов, полученных в ходе проведения цикла испытаний экспериментального мини-парогенератора в ОАО КБХА, выявлена его удовлетворительная работа согласно расчетным режимам.
Рис. 6. График изменения давления в камере сгорания экспериментального мини-парогенератора в ходе испытания Fig. 6. Experimental mini steam generator's combustion chamber pressure curve during testing
Время, с
Рис. 7. График изменения давления в камере испарения экспериментального мини-парогенератора в ходе испытания Fig. 7. Experimental mini steam generator's evaporation chamber pressure curve during testing
Время, с
Рис. 8. График изменения температуры в камере испарения экспериментального мини-парогенератора в ходе испытания
Fig. 8. Experimental mini steam generator's evaporation chamber temperature curve during testing
Предложенное конструктивное решение камеры сгорания полностью исключает возможность вскипания воды в рубашке охлаждения и, следовательно, образование паровых пробок, приводящих к прогарам рабочих поверхностей, и допускает использование нехимобессоленной технической воды при создании водородо-кислородных мини-парогенераторов технологического назначения.
Мини-парогенераторы с вихревыми камерами сгорания могут найти применение в качестве центрального узла энергоустановок различного техноло-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
гического назначения, например, в мини-пароперегревателях для промышленной теплоэнергетики с температурой перегрева пара до 1200 К.
Преимуществами разработанной конструкции камер сгорания являются:
1) уменьшение металлоемкости;
2) применение вместо сплава БрХ-0,8 более дешевого конструкционного материала - стали 12Х18Н10Т;
3) снижение трудоемкости изготовления;
4) возможность регулирования температуры па-рогаза втулками с тангенциальными каналами подачи воды различной номенклатуры, обеспечивающими требуемый расход на охлаждение и парообразование;
5) возможность использования технической воды для парогенераторов технологического назначения.
Исследования полноты сгорания топлива при различных режимах работы камер сгорания с вихревым водяным внутренним охлаждением стенок составляют задачу дальнейшей работы.
По итогам проделанной работы на результаты интеллектуальной деятельности в Роспатент была подана заявка № 2008105213 от 11.02.08 г. на получение патента на два изобретения под названием: «Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления».
Список литературы
1. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энерго-атомиздат, 1984. С. 264.
2. Трухний А.Д., Изюмов М.А., Поваров О.А., Малышенко С.П. Основы современной энергетики. Т. 1. Теплоэнергетика. М.: Изд. МЭИ, 2008.
3. Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю.А. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в электроэнергетике // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энерго-атомиздат. 1988. Вып. 8. С. 16-38.
4. Малышенко С.П. Водород как аккумулятор энергии в электроэнергетике // Российский химический журнал. 1997. Т. XLI. С. 112-120.
5. Патент РФ RU 2300049 C1. Минипарогенера-тор / Грязнов А.Н., Малышенко С.П. // приоритет от 19.12.2005 г.
6. Malyshenko S.P., Gryaznov A.N., Filatov N.I. High-pressure H2/O2-steam generators and their possible applications // Int. Journ. Hydrogen Energy. 2004. Vol. 29, No. 6. P. 589-596.
7. Sternfeld H.J. The DLR H2/O2 Steam generator and its application for the power industry // Perspectives in Energy. 1994-1995. Vol. 3. P. 17.
8. Рачук В. С., Пригожин В.И. Водородные энергоустановки и инфраструктура экспериментальной базы ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики». Материалы II Международного Форума «Водородные технологии для развивающегося мира». М., 2008. С. 79-80.
9. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). М.: Изд-во литературы по строительству. 1965. С. 270.
POWER-GEN INTERNATIONAL 2009 -КРУПНЕЙШАЯ В МИРЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ВЫСТАВКА
Время проведения: 08.12.2009 - 10.12.2009
■_■ Место проведения: США, Лас-Вегас
Темы: Электроника и электроэнергетика, Энергетика
POWER-GEN International - крупнейшая в мире энергетическая выставка. POWER-GEN International проводится с
1987 г. ежегодно попеременно в Орландо и Лас-Вегасе. Прошло уже 20 лет с первой выставки, которая прошла в
1988 г. в Орландо, и в 2008 г. она отметила здесь свой юбилей. В 2010 г. выставка пройдет в Орландо 14-16 декабря. Не менее 1250 компаний со всего мира представят всю гамму продукции для выработки электроэнергии более
чем 20000 специалистам из 75 стран мира на выставке POWER-GEN International.
По результатам исследований подтверждается, что выставка POWER-GEN International является крупнейшей в серии аналогичных выставок, проводимых в различных регионах мира, следовательно, POWER-GEN International является единственной ежегодной выставкой, в которой достаточно принять участие, чтобы представить свою продукцию всему миру.
Среди компаний, имеющих возможность принять участие во многих выставках в течение года, 58% принимают участие в POWER-GEN International и 35% из них считают выставку лучшей. Традиционно POWER-GEN International проводится в конце года и подводит итоги всех региональных выставок, прошедших ранее.
Профили выставки POWER-GEN International:
Выработка: поставки топлива, обслуживание и ремонт заводов, новые технологии, гидроэнергия, теплоэлектростанции, защита окружающей среды, сжигание низкокачественных видов топлива, котлы, турбины, генераторы, насосы, клапаны, вентиляторы, воздуходувки, демпферы, заслонки, подшипники, редукторы, муфты, градирни и конденсаторы, компрессоры, оптимизация процесса выработки энергии, возобновляемые источники энергии, системы мониторинга и охраны окружающей среды, фильтры, датчики.
Передача и распределение: мониторинг, измерение, обслуживание, решение проблем снижения потерь, модернизация инфраструктуры, автоматизация, коммуникации, системы передачи информации, программное обеспечение.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (76) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
