CC BY
29
УДК 621.311.22
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ОКИСЛИТЕЛЯ УХОДЯЩИХ ИЗ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА ГАЗОВ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Б.Л. ШЕЛЫГИН, А.В. МОШКАРИН, Е.С. МАЛКОВ ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
Иваново, Российская Федерация E-mail: admin@tes.ispu.ru
Авторское резюме
Состояние вопроса: Уходящие газы котлов-утилизаторов содержат большое количество кислорода. В целях повышения экономичности энергоблока рационально использовать его в качестве окислителя для сжигания дополнительного топлива.
Материалы и методы: Разработка зависимостей выполнена на основе технической документации по парогазовым установкам и расчетов котельных агрегатов.
Результаты: Определены условия сжигания топлива в камере сгорания дополнительного топлива, установлены допустимые значения относительного расхода дополнительно сжигаемого топлива. Получены многофакторные зависимости, позволяющие выполнить анализ эффективной работы газотурбинной установки. Выводы: Полученные результаты показывают возможности использования уходящих газов котлов-утилизаторов в качестве окислителя для сжигания дополнительного топлива. Установлено, что в потоке уходящих газов можно дополнительно сжигать до 55 % топлива при коэффициенте избытка воздуха 4,0.
Ключевые слова: камера сжигания дополнительного топлива, концентрация кислорода, коэффициент избытка воздуха, относительный расход дополнительного топлива.
DETECTING USE CONDITIONS OF EXHAUSTED GASES FROM RECOVERY BOILER AS OXIDIZER FOR ADDITIONAL FUEL BURNING
B.L. SHELYGIN, A.V. MOSHKARIN, E.S. MALKOV Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation E-mail: admin@tes.ispu.ru
Abstract
Background: Exhausted gases from heat recovery boilers contain large amounts of oxygen. In order to increase energy efficiency of a power unit they should be used as an oxidizer to burn additional fuel.
Materials and methods: Development of dependency was carried out on the basis of the technical documentation for combined-cycle gas turbine and the boilers calculation.
Results: The authors determined conditions of fuel combustion in the combustion chamber of additional fuel, set the permissible values of the relative consumption of additional fuel burned. The authors obtained multiple-factor dependence, allowing to analyze the effective operation of gas turbine.
Conclusions: The results show the possibility of using exhausted gases from heat recovery boilers as an oxidant to burn additional fuel. The authors have found out that it is possible to combust up to 55 % of the fuel additionally at the air ratio of 4.0 into the flow of exhausted gases.
Key words: combustion chamber of additional fuel, oxygen concentration, excess air ratio, relative consumption of additional fuel.
Уходящие газы котлов-утилизаторов (КУ) парогазовых установок (ПГУ) электростанций имеют температуру 95-120 °С и коэффициент избытка воздуха 3-4,5 [1, 2]. Учитывая высокое содержание кислорода в газах, в целях повышения экономичности энергоблока рационально их использование в качестве окислителя для сжигания дополнительного топлива при исключении из работы специального воздухоподогревателя.
Поэтому целесообразна оценка возможностей камеры сжигания дополнительного то-
плива (КСДТ) в зависимости от исходных данных газотурбинной установки (ГТУ) (рис. 1).
Целью работы являлось определение в зависимости от значений расходов топлива и воздуха в камеру сгорания (КС) ГТУ возможной величины дополнительного сжигаемого топлива в камере сжигания дополнительного топлива (КСДТ) и требуемого обедненных кислородом расхода утилизируемых газов. Важно знать, до какого значения можно снизить коэффициент избытка воздуха в газовом потоке по условиям воспламенения топливно-воздушной смеси в КСДТ и допустимой полноты сгорания горючих
компонентов. В исследовании в качестве топлива принят природный газ.
Анализ выполнен применительно к номинальному расходу топлива в ГТУ В/ТМ.
Рис. 1. Схема утилизации газов в ГТУ и использования их в качестве окислителя при сжигании дополнительного топлива: 1 - осевой компрессор (ОК); 2 - КС ГТУ; 3 - ГТУ; 4 -КУ; 5 - КСДТ; 6 - газовый подогреватель воды (ГПВ)
Расходы газов, воздуха и кислорода в них за КУ на входе в КСДТ, м3/с, рассчитываются по формулам:
1)1" (1)
Vвх - вном\\/о + v° (а ,Г(КСДТ) - ВГТУ Vr + V va ГТУ
V ex - В ном,/о (а м).
,в(ксдт) - вгту V Уугту - Ч.
- 0,21BHTMVo(аГТУ -1),
(2) (3)
V вх
,02(КСДТ)
где вном , аГТУ - расход топлива, м3/с, и коэффициент избытка воздуха на входе в ГТУ соответственно; Vг , Vо - теоретические объемы газов и
3 3
воздуха соответственно, м /м [3].
Согласно [3], V/° - 1,1V° . Тогда концентрация кислорода в газах за КУ на входе в КСДТ, %, определяется как
0вх = ^(КСДТ) = 21(«ГТУ -1)
02(КСДТ) - vex 100 - Tlj- -17 ■
vr (КСДТ) ^ агту ^ (4)
С увеличением коэффициента избытка воздуха на входе в ГТУ (аГТУ) с 3,2 до 4,2 концентрация кислорода в газах на входе в КСДТ составляет 14-15,6 % (рис. 2).
Математическое описание однофакторной зависимости (4) может быть представлено в следующем виде, %:
O2V) -14 + 1,57(агту -3,2)0,8. (5)
Расходы кислорода, требуемого для сжигания дополнительного топлива в КСДТ, и образующихся при этом газов, м3/с, рассчитываются как
уэоп = о,21]/°цсгВд0П, (б)
/¿0п = 1,1/0ЦсгВдоп, (7)
где цсг - полнота сгорания топлива, цсг = 0,985; Вд0п - расход топлива, дополнительно сжигаемого в КСДТ, м3/с.
о:
Рис. 2. Зависимость концентрации кислорода в газах на входе в КСДТ от коэффициента избытка воздуха на входе в ГТУ
Расход газов, воздуха и кислорода на выходе из КСДТ, м3/с, определяется следующим образом:
V
- ve
- V
доп
02(КСДТ) 02(КСДТ) 02
- 0,21Vо[Впу (агту -1) - 0,985Вдоп];
\/вых VB (КСДТ)
\/вЫХ
v02 (КСДТ) ; 0,21 ;
\/6ЫХ _ \/6Х
vr (КСДТ) - vr (КСДТ)
V,
доп 02
0,21
+ V,
доп
(8)
(9) (10)
- Vо[В"г™ (агту + 0,1) + 0,1Вдоп ].
Концентрация кислорода в уходящих газах за КСДТ, %, рассчитывается по формуле
в
21[(агту -1) - 0,985]
(-Т.ВЫХ
02 (КСДТ)
V вых V02 (КСДТ)
,/вых Vr (КСДТ)
в
ном ■ ГТУ
'ГТУ
+ 0,1 + 0,1-
■'доп
Вном ГТУ
(11)
Независимо от мощности ГТУ, расхода сжигаемого в ней топлива В/Ту и количества подаваемого воздуха в КС, с увеличением дополнительно сжигаемого в КСДТ топлива Вд0п требуется более высокий расход окислителя (рис. 3). При повышении расхода требуемого кислорода его концентрация на выходе из КСДТ снижается. Так, при а пу = 4,0 и увеличении относительного расхода В¿ж /В^ от 0 до 0,3 значение 0™£СДТ)
снижается с 15,33 до 14 %. В случае пониженной величины аГТУ = 3,2 соответствующее снижение °2Ь(ксдТ ) более существенно (на 2,1 %).
Согласно [2], для ПГУ с КУ, по условию устойчивости воспламенения топливно-
вых
воздушной смеси и нормальной полноте сгорания природного газа, концентрация кислорода в газовом потоке должна быть не менее 12 % при коэффициенте избытка воздуха 2,0.
О"""
(КСДТ)!
%
15
14
13
12
ч. 3
------------
0,2
0,4
ВН|
Г
Рис. 3. Зависимость концентрации кислорода в газах на выходе из КСДТ от относительного расхода дополнительно сжигаемого топлива при различных значениях коэффициента избытка воздуха на входе в ГТУ (агту): 1 - 3,2; 2 - 3,6; 3 - 4,0
В случае принятого допустимого значения °2Ь(кСдТ ) = 12,5 % возможное отношение
Вдоп/ ВГТу при агту = 4,0 составляет 0,55. При
снижении агту до 3,2 эта величина не превышает 0,24.
Математическое описание зависимости (11) от определяющих факторов представляется в виде, %,
Овых _\г Iг 2 (КСДТ) - К1 - К 2
В д
\ 1,15
о ном
V ВГТУ )
(12)
0,83
где К1 -14,05 +1,59 (агту - 3,2)'
К2 - 7,84 - 2,74 (агту - 3,2)0,9.
После преобразования уравнения (11) зависимость относительного расхода дополнительно сжигаемого в КСДТ топлива (рис. 4) принимает вид
В доп 21(а ГТУ - 1) - 0 2Ь(КсДТ) (а ГТУ
0,1)
В ном ГТУ
(13)
20,65 + 0,10 2ЬКСДТ)
Изменение относительного расхода топлива в зависимости от определяющих факторов представляется в виде
Вн
г
- К 3 + К 4 (а ГТУ - 3,2),
(14)
где К3 - 0,23 - 0,155 (сдт) -12,5);
К4 - 0,385 - 0,04 (овыХсДТ) -12,5).
Для ГТУ с увеличением агту от 3,2 до 4,0 при расходе кислорода уходящих газов в случаях снижения концентрации 0%ЫХСдТ ) до значений 12,5-13,5 % относительный расход топ-
лива в КСДТ может достигать Вдоп / ВГТм = = 0,32-0,54 (рис. 4).
Дальнейшее увеличение расхода топлива в КСДТ при пониженных значениях 0%ЫХСдТ) (менее 12,5 %) невозможно из-за ухудшения устойчивости воспламенения топливно-воздушной смеси и снижения полноты сгорания веществ. о
доп
В нон
ГТУ
0,4
0,2
1.
2
3,2
3,4
3,6
3,8
аг
Рис. 4. Зависимость доли дополнительно сжигаемого природного газа в КСДТ от коэффициента избытка воздуха на входе в ГТУ при различных значениях концентрации кислорода в га-
зах за КСДТ 0|
(КСДТ)
: 1 - 12,5 %; 2 - 13 %; 3 - 13,5 %
Применительно к современным ГТУ, при агту = 3,5-3,8 и допустимой величине 02ЬЬХСдТ ) =12,5 % предельное значение относительного расхода топлива Вдоп / В^у может достигать 0,33-0,44.
С использованием уравнений (6), (8) и (9) коэффициент избытка воздуха за КСДТ по отношению к дополнительно сжигаемому топливу рассчитывается по формуле
\/вых о ном
вых \В (КСДТ) т с Вгту ( .Л л
а доп (КСДТ) - ~~ - ^ 1а ГТУ - М - 1 ■
псг\о В,
доп
В
доп
(15)
При неизменной мощности ГТУ (при постоянных расходах топлива В^™ и воздуха в КС) с увеличением расхода дополнительно сжигаемого топлива Вдоп в КСДТ возрастает расход кислорода газов на его окисление. Поэтому, независимо от значений агТу, величина коэффициента избытка воздуха на выходе из КСДТ снижается согласно зависимости (рис. 5)
вых _\г |г
доп (КСДТ) - К 5 К 6
В д
\0,8
В
ном ГТУ
- 0,2
(16)
где К5 - 5 агту - 5,3; К6 - 13,6 + 7,38 (агту - 3,2).
В случаях повышения Вдоп / В^™ от 0,2 до 0,5 для диапазона агту = 3,2-4,0 значение авЫсдТ) снижается до 3,5-5,3.
Коэффициент избытка воздуха за КСДТ по отношению к общему расходу топлива В"™ и Вдоп рассчитывается следующим образом:
а гт\/
а
(КСДТ)
вых "в (КСДТ) доп+ГТУ VB (КСДТ)
1 + 0,985
Б.
-1. (17)
В ном ГТУ
12
1Г
0,2
0,3
0,4
Вп
Рис. 5. Зависимость коэффициента избытка воздуха за КСДТ применительно к дополнительно сжигаемому топливу от его относительного расхода при различных коэффициентах избытка воздуха на входе в ГТУ (аГТУ): 1 - 3,2; 2 - 3,6; 3 - 4,0
Применительно к общему расходу топлива (Вдоп + ВГТм) значение а™СХДТ} снижается до 1,15-1,63 (рис. 6). Таким образом, при отношении Вдоп/ В^™ выше 0,35 количество располагаемого окислителя практически полностью израсходовано.
2,0
1,5
1,0
L з
L^^ 1 2 """—
0,2
0,3
0,4
В но*. ГТ>
Рис. 6. Зависимость коэффициента избытка воздуха за КСДТ от относительного расхода топлива при различных коэффициентах избытка воздуха на входе в ГТУ (аГТУ): 1 -3,2; 2 - 3,6; 3 - 4,0
Применительно к расходу дополнительно сжигаемого топлива с увеличением Вдоп / B^y
значение а,
(КСДТ)
снижается согласно зависи-
мости
вых _ is is-а (КСДТ) - К 7 - К 8
В
\ 0,9
доп
В ном v ГТУ
- 0,2
(18)
где К7 -1,68 + 0,79 (аГТУ - 3,2); К8 -1,65 + 0,53 (аГТУ - 3,2)'
0,45
Список литературы
1. Анализ направлений развития отечественной теплоэнергетики / А.В. Мошкарин, М.А. Девочкин, Б.Л. Ше-лыгин, В.С. Рабенко; под ред. А.В. Мошкарин / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2002. - 256 с.
2. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / под ред. С.В. Цанева. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 574 с.
3. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубовского, Э.С. Красиной. - М.: Энергия, 1973.
4. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984.
References
1. Moshkarin, A.V., Devochkin, M.A., Shelygin, B.L., Rabenko, V.S. Analiz napravleniy razvitiya otechestvennoy te-ploenergetiki [Analysis of Development Lines of Russian Heat Power Engineering], Ivanovo, 2002, 256 p.
2. Tsanev, S.V. Gazoturbinnye i parogazovye ustanovki teplovykh elektrostantsiy [Gas Turbine and Combined-cycle Gas Turbine Thermal Power Plants], Moscow: izdatel'stvo MEI, 2002, 574 p.
3. Kuznetsov, N.V., Mitora, V.V., Dubovskiy, I.E., Kras-ina, E.S. Teplovoy raschet kotel'nykh agregatov (normativnyy metod) [Thermal Calcalation for Boilers (normative method)], Moscow: Energiya, 1973.
4. Pchelkin, Yu.M. Kamery sgoraniya gazoturbinnykh dvigateley [Combustion Chambers of Gas Turbine Engines], Moscow: Mashinostroenie, 1984.
Шелыгин Борис Леонидович,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, адрес: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, кор. В, ауд. 408, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru
¡Мошкарин Андрей Васильевич,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина»,
Заслуженный деятель науки Российской Федерации, Почетный работник высшего профессионального образования России, доктор технических наук, профессор
Малков Евгений Сергеевич,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»,
аспирант, инженер кафедры тепловых электрических станций,
адрес: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, кор. В, ауд. 408,
телефон (4932) 41-60-56,
e-mail: admin@tes.ispu.ru
