Технология малоэмиссионного горения RQQL как направление в достижении высокой надежности стационарного газотурбинного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438.536.58

ТЕХНОЛОГИЯ МАЛОЭМИССИОННОГО ГОРЕНИЯ яооь КАК НАПРАВЛЕНИЕ В ДОСТИЖЕНИИ ВЫСОКОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАЦИОНАРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

© 2002 А. А. Иноземцев, В. В. Токарев

ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Рассматривается применение технологии малоэмиссионного горения «богатое» горение - резкое разбавление - «бедное» горение для решения функциональных проблем, свойственных двигателям с камерами с горением «бедных» предварительно перемешанных топливовоздушных смесей. Показано, что при ЫО = 150... 100 мг/нм3 технология RQQL предпочтительнее, чем технология горения «бедных» предварительно перемешанных смесей.

1. Введение

Современный газотурбинный двигатель (ГТД) является сложным и ответственным техническим продуктом, который должен соответствовать большому перечню требований, входящих в параметрические, ресурсные и эксплуатационные показатели.

Снижение норм на эмиссии ЫОх и СО обусловило разработку и применение в стационарных ГТД принципиально новых технологий организации горения и, соответственно, конструкций камер сгорания, осуществляющих эти технологии, и систем автоматического управления (САУ) малоэмиссионным горением в системе «камера сгорания - двигатель».

Новые технологии организации горения уменьшили на порядок эмиссию наиболее токсичного загрязнителя окружающей среды - окислов азота. Такое радикальное уменьшение концентрации ЫОх стало возможным в результате организации горения «бедных» предварительно перемешанных топливовоздушных смесей с температурой пламени 1 800. 1 900 К (температура погасания пламени - 1 550 К).

Низкие уровни эмиссии ЫОх и СО требуют поддержания однородного состава смеси в зоне горения и строгого его контроля. Это - новая технология для конструкторов камер сгорания, что требует большого объема НИОКР. Обеспечить в зоне горения условия, необходимые для предотвращения образования высоких концентраций ЫОх и СО при одновременном сохранении рабочих харак-

теристик ГТД, можно, используя стадийную подачу воздуха в камерах с изменяемой геометрией, а также стадийную подачу топлива в продольном или радиальном направлениях. Конструкции камер сгорания и процесс горения в них стали чрезвычайно рискованными, что отрицательно сказывается на надежности ГТД. В работе [1] дается обширный перечень новых проблем, которые характерны для ГТД с малоэмиссионной камерой сгорания (МЭКС). С описанием проблем «бедного» горения в малоэмиссионных камерах сгорания различных конструкций на стадии опытной доводки можно ознакомится в публикациях их разработчиков [2, 3]. О ресурсных и эксплуатационных проблемах ГТД с МЭКС сообщается в зарубежных публикациях. Однако отсутствуют публикации о характере работы ГТД с малоэмиссионными камерами сгорания в составе ГПА на трассах Газпрома (їн = -50.. .+40 °С). Эта информация позволила бы определить конструкцию камеры, которая в наилучшей форме организует горение «бедной» предварительно перемешанной топливовоздушной смеси.

2. Обзор проблем малоэмиссионных камер сгорания

Основными проблемами ГТД, согласно многочисленным публикациям, являются «проскок» пламени и вибрационное горение. Спектр частот пульсаций давления воздуха широк: / = 200.500 Гц и 4 000.7 000 Гц. Сложная система регулирования обусловливает сбои в работе автоматики на переходных режимах, т. е. во время включения (выклю-

чения) групп горелок. Проблемой эксплуатации является неустойчивая работа ГТД с МЭКС при низких температурах воздуха.

Новые проблемы малоэмиссионной камеры сгорания придают первостепенную значимость работам по обеспечению высокой надежности ГТД в течение всего ресурса, который определяется в 25 000 часов и более. Надежность функционирования системы «камера сгорания - двигатель» в условиях обеспечения экологической совместимости ГТД с окружающей природной средой является новым условием в организации процесса горения. Проблему обеспечения надежности системы «камера сгорания - двигатель» необходимо решать, согласовывая с общим планом обеспечения технического уровня ГТД, поскольку цели и средства получения высокой надежности вступают в противоречие с задачей повышения других показателей технического совершенства ГТД.

Основным источником информации об уровне надежности обычно является статистика отказов в условиях широкой эксплуатации. Однако для конструктора МЭКС подобная информация о камере сгорания будет слишком запоздалой, поскольку конструкция уже выбрана. Поэтому крайне важно еще в ходе проектирования и доводки новой камеры сгорания (МЭКС) разработать стратегию по обеспечению ее будущей надежности в эксплуатации. Высокая надежность ГТД с низкой эмиссией ЫОх и СО должны сочетаться с низкой себестоимостью изготовления ГТД, низкими стоимостными и временными затратами на обслуживание ГТД в эксплуатации.

3. Выбор технологии малоэмиссионного горения для ГТД ОАО «Авиадвигатель»

Основным потребителем стационарных ГТД в России является РАО «Газпром», использующий их для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Основной парк ГТД имеет пе = 25.30 % и большие концентрации ЫОх и СО. Снижение концентрации ЫОх на всех ГПА до уровня 150 мг/нм3 в сочетании с увеличением Ле ГТД до 34.38 %, уменьшающим количество сжигаемого топ-

лива, значительно уменьшит валовый выброс ЫО .

х

В ОАО «Авиадвигатель» осуществляется концепция поэтапного уменьшения эмиссии ЫОх по мере всесторонней проверки надежности работы ГТД с малоэмиссионной камерой сгорания. На первом этапе выполняется требование ГОСТ 28775-90 на эмиссию ЫОх < 150 мг/нм3. Проведя эксплуатационную проверку двигателя с МЭКС (ЫОх = 150 мг/нм3) и НИОКР по усовершенствованию камеры сгорания, приступают к поэтапному уменьшению эмиссии ЫОх до 100 и 80 мг/нм3. Такая концепция усовершенствования (развития) малоэмиссионной камеры сгорания, базирующаяся на проверенных в ходе промышленной эксплуатации и НИОКР материалах, является основой построения работ по обеспечению высокой надежности ГТД с малоэмиссионной камерой сгорания. Поэтапное усовершенствование малоэмиссионного горения, когда концентрация ЫОх этапами уменьшается с 150 до 100 и 80 мг/нм3, позволит избежать возникновения в эксплуатации критических ситуаций в работоспособности ГТД.

Концепции поэтапного усовершенствования камеры сгорания в наибольшей степени с позиций надежности ГТД соответствует технология малоэмиссионного горения: «богатое» горение - резкое разбавление - «бедное» горение (RQQL).

Технология малоэмиссионного горения RQQL формирует в камере сгорания три последовательно расположенных зоны горения. В первой зоне формируется горение «богатой» топливовоздушной смеси ( а = 0,6. 0,8). Во второй зоне горения продукты неполного сгорания топлива из «богатой» зоны интенсивно смешиваются с большим количеством воздуха (зона резкого разбавления). Смешение продуктов неполного сгорания из «богатой» зоны с «холодным» воздухом понижает температуру и увеличивает коэффициент избытка воздуха в смеси, поступающей в зону «бедного» горения. В третьей зоне камеры происходит горение «бедной» топливовоздушной смеси (а = 2,2.. .3,0), образовавшейся на выходе из зоны резкого разбавления.

Концентрация окислов азота в «богатой» зоне ограничивается недостатком кислорода и низкой температурой горения. Наблюдается уменьшение МОх в результате действия радикалов несгоревших углеводородов. В зоне «бедного» горения концентрация ЫОх ограничивается температурой смеси и временем пребывания. Основной источник образования ЫОх - зона резкого разбавления, в которой возможно образование стехиометрических зон горения. Управление процессом смешения струй воздуха с продуктами сгорания позволяет изменить концентрацию ^Ох. На рис. 1 показано влияние способа подачи струй воздуха на концентрацию ЫОх и СО.

Ключевыми процессами технологии RQQL, определяющими минимальный уровень эмиссии ЫО являются внутрикамерная аэродинамика и химические процессы, протекающие в «богатой» и «бедной» зонах горения.

На рис. 2 показаны уровни эмиссий ЫОх и СО, достигнутые в экспериментальной камере сгорания для ГТУ-12П и ГТУ-16П. Показанные на графике концентрации ЫОх и СО получены в камере сгорания с одним топлив-

ным коллектором (дозатором САУ) и без перепуска воздуха из камеры сгорания для управления горением в ней. Ведутся работы по уменьшению эмиссии ЫОх в диапазоне а = 3,4...2,8 до значения 40 ppm.

4. Характеристики ПС-90ГП1

с технологией горения RQQL

В ГТД с жк < 20 при условии гарантированного уровня ЫОх = 80 или 100 мг/нм3, технология RQQL является целесообразной альтернативой технологии горения «бедной» предварительно перемешанной топливновоздушной смеси. Камеры сгорания RQQL обладают превосходными эксплуатационными качествами, решая все проблемы камер сгорания с «бедным» горением [3]. Камера сгорания RQQL не имеет проблем с «проскоком пламени» и самовоспламенением топлива в смесительном модуле, что возможно в камере с предварительным смешением. Конструкция камеры сгорания и система автоматического управления рабочим процессом в камере сгорания просты. В камере сгорания отсутствует сложный процесс регулирования геометрии. Число форсунок равно числу жаровых труб. Применяется один топливный

NOx 5% 02 C015% 02

Рис. 1. Влияние смешения в зоне резкого разбавления на эмиссию ЫОх

N0^

СО 15% 02

Рис. 2. Изменение концентрации N0 и СО по коэффициенту избытка воздуха в камере

коллектор для подвода топлива к форсункам и один дозатор в САУ Такая камера сгорания не требует настройки режима горения в эксплуатации. Для работы камеры сгорания на дроссельных режимах мощности не требу ет-ся перепуска воздуха из компрессора или камеры сгорания или регулирования компрессора, а это означает, что коэффициент полезного действия ГТД не ухудшается.

Камера сгорания RQQL не увеличивает стоимость производства ГТД, как это происходит в случае с камерами с горением «бедных» топливовоздушных смесей [3]. Простые конструкции камеры сгорания и САУ обеспечивают низкие затраты на техническое обслуживание ГТД в эксплуатации.

Первым промышленным ГТУ ОАО «Авиадвигатель» для Газпрома стал ПС-90ГП1 (ГТУ-12), прошедший МВИ в 1995 году. Его экологическая концепция была основана на умеренном использовании неап-робированных технических решений для выполнения требований надежности за ресурс 25 000 часов и экологии при минимальных затратах на изготовление и эксплуатацию двигателя. Эмиссия ЫОх и СО первых ГТУ-12П составила, соответственно, 125 мг/нм3 и 15 мг/нм3 (15 % О2). Обеспечение надежности системы «камера сгорания - двигатель» с ЫО = 150 мг/нм3 в целях создания первых

камер сгорания ГТУ-12П стояло на первом месте перед требованиями экологии.

После получения информации о надежности ГТУ с первыми камерами сгорания RQQL приступили к поэтапному применению в камерах усовершенствований, уменьшающих эмиссию ЫОх (рис. 3).

Экспериментальные стендовые испытания ГТУ-12П и их эксплуатация показали полную устойчивость горения во всем диапазоне изменения параметров двигателя. Не зафиксированы режимы вибрационного горения при стендовых испытаниях с измерением пульсаций давления газа в камере, а также работой камеры сгорания при эксплуатации в составе ГПА. На 30 апреля 2002 года в эксплуатации находятся 15 ГТУ 12П с наработкой от 2 500 до 27 500 часов с общей наработкой 140 000 часов. На деталях камеры сгорания отсутствуют повреждения, характерные для вибрационного горения. Тепловое состояние жаровых труб (сплав ВХ-4А) соответствует ресурсу двигателя. В жаровых трубах при температуре стенок не более 850 оС отсутствуют повреждения в виде короб -лений стенок, прогаров и т. д. Стабильное температурное поле на выходе из камеры сгорания с параметрами 0рад < 1,10 и 0тах = 1,35

обеспечило ресурс лопаточной части турбины.

Эмиссия

Технология горения

Конфигурация камеры сгорания

NOx = 60.. .40 ррт CO < 30 ррт

Камера сгорания с трехстадийной технологией горения: «богатое» горение - резкое разбавление -«бедное» горение (RQQL)

NOx < 40 ppm CO < 50 ppm

Комбинированное горение: «богатое» горение - резкое разбавление - «бедное» горение, переходящее в «бедное» горение предварительно перемешанной смеси (RQQL+LP)

Рис. 3. Направления развития технологии малоэмиссионного горения для ГТД ОАО «Авиадвигатель»

Камера сгорания RQQL ГТУ -12П устойчиво разжигается в проверенном диапазоне атмосферных температур от -35 до +30 оС.

Проблемой камеры сгорания с технологией RQQL является возможность наличия большого количества углерода в выхлопных газах. В очень «богатых» смесях в процессе термического разложения природного газа в отсутствие окислителя образуется значительное количество углерода в твердой фазе.

В процессе доводочных работ в некоторых вариантах камер наблюдались значительные отложения углерода на стенках жаровой трубы в «богатой» зоне горения высотой до 10...12 мм. Надежность работы ГТД требует исключения отложений углерода на стенках камеры, а соответствие экологическим нормам - незначительную концентрацию его в выхлопных газах, обеспечивающую «прозрачность» выхлопной струи. Камеры сгорания, применяемые в ГТД ОАО «Авиадвигатель», не имеют отложений углерода на стенках жаровых труб. Выхлоп из двигателя -«прозрачный».

При конструировании камеры сгорания с технологией RQQL требуется обеспечить выполнение противоречивых требований на эмиссию NОх, CO, углерода, радиальную и окружную неравномерности температуры газа на выходе из камеры и т. д. Компромисс

в удовлетворении перечисленным характеристикам достигается в значительной степени конструкцией смесительного модуля в зоне резкого разбавления. Проблема компромисса в характеристиках камеры сгорания успешно решена в камерах сгорания ГТД ОАО « Авиадвигатель».

Эксплуатация с 1995 года ГТУ-12П показала высокую надежность работы системы «Камера сгорания - Двигатель», которая обеспечила наработку 27 500 часов лидерного ГТУ-12П и 7 000.19 170 часов десяти двигателей.

Камера сгорания ГТУ -12П является унифицированной камерой сгорания для ГТУ -10П N = 10 МВт) и ГТУ-16П (Ые = 16 МВт).

Технология RQQL применена в камере сгорания ГТУ-4П (пк = 7,3, ТГ = 1124 К), обеспечив устойчивые значения эмиссий ЫОх = 50 мг/нм3 и СО = 50 мг/нм3 при 15 % О2, что зафиксировано экологическим сертификатом соответствия ГОСТу 29328-92.

Направления развития технологий малоэмиссионного горения для газотурбинных двигателей, создаваемых в ОАО «Авиадвигатель», показаны на рис. 3. Первое направление - это технология «богатое» горение -резкое разбавление - «бедное» горение -предназначается для достижения уровня

NОх = 60.40 ppm в двигателях с пк < 20. Для более низких уровней эмиссии NОх и двигателей с пк > 20 предназначено комбинированное горение, сочетающее в себе две технологии. Процесс горения в камере начинается в режиме RQQL с выходом на режим

0,85 N. Далее по мощности режим горения переводится в горение предварительно перемешанной «бедной» топливовоздушной смеси (LP). «Богатая» зона RQQL используется для образования пилотного пламени. Комбинированная технология горения, состоящая из технологии RQQL и переходящей в горение «бедной» смеси (LP), позволяет снизить эмиссию NОх до 35 ppm. Для управления процессом комбинированного горения требуется один топливный дозатор в САУ и распределительный кран для двух коллекторов камеры сгорания.

Комбинированное горение и конструкция камеры сгорания развивают концепцию поэтапного усовершенствования с позиций обеспечения высокой надежности стационарных ГТД, создаваемых в ОАО «Авиадвигатель».

Список литературы

1. Романов В. И., Равич А. В. и др. Совершенствование экологических характеристик ГТД НПП «Машпроект» // Известия Академии инженерных наук Украины. Вып. № 1, 1999.

2. Вестник СГАУ Сер.: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Вып. № 2, 3. Самара, 1999- 2000.

3. Фармер Р. Альтернативные решения по «сухой» малоэмиссионной камере сгорания с низким NOx для ГТУ разработанных на базе авиационных двигателей, и для малых ГТУ // «Gas Turbine World», июль-август 1994. С. 37.

RQQL LOW EMISSION COMBUSTION PROCESS AS A WAY OF ACHIEVING HIGH RELIABILITY OF STATIONARY GAS TURBINE ENGINE

© 2002 A. A. Inozemtsev, V. V. Tokarev Corporation «Aircraft Engine», Perm

The article covers the process of low emission combustion “Rich Burn - Quick Quench - Lean Burn” that is applied to settle functional problems typical for engines equipped with combustors with lean premixed fuel/air mixtures. The article shows that RQQL process with NOx = 150... 100 mg/nm3 is more preferable compared to the process of lean premixed fuel/air mixtures burning.