Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эффективности производства электроэнергии и тепла на электростанциях является важнейшим условием успешного развития экономики и улучшения жизни общества. Большая часть электроэнергии и тепла 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 (ПГУ). ГГУ 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 ПГУ на 20-25/5 выше, чем лучших паровых энергоблоков. В оптимальных схемах ПГУ с мощными 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 ( о^ой = 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 I965-1992 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 для 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 пульсация 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 турбулетносги и диффузионного горения, адекватно отражающая рабочие процессы в.осесишегричных 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 рекам 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
С х - 1,8-2,5). К ним относятся способы сжигания с организацией предварительного смешения топлива и воздуха, микрофакельного и двухзонного горения. Они позволили радикально (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 ча
стичных 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 виды 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 (0$ ) и путей его снижения в камерах сгорания ГТУ.
Ряд разработок новых способов сжигания защищен авторскими свидетельствами: Ш 1408907, I39048I, 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-І00-750 (ПО ЛМЗ), ГТ-35-770 (ПО "Турбоатом), ГТ-І2М, ГТК-Ю-4, ГТН-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), ГТЭ-45 и ГТЭ-П5 (ПО "Турбоатом"), ГТН-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 концентраций 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 ПТУ 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 ГГУ;
использованием современных методов математического моделирования и вычислительных машин для 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 ЛМЗ, ПО НЭЯ, ПО "Турбоатом", НИТИЭМ, КПИ, ЦКТИ, ЩАМ, 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 ГГУ, 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:
- методы расчета концентраций оксидов азота, продуктов не
полного сгорания, сажистых частиц, образующихся в камерах сгора
ния стационарных ГГУ в зависимости от их конструктивных и режим
ных 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 вредных веществ, результаты внедрения выполненного комплекса исследований на электростанциях и газогурбостроительных 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 газотурбостроительных 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. Общий объем диссертационной работы составляет 720 стр.
Похожие диссертации на Разработки и исследования малотоксичных камер сгорания энергетических газотурбинных установок
