книги из ГПНТБ / Найденов, Г. Ф. Газогорелочные устройства с регулируемыми характеристиками факела

Дальнейшее увеличение коэффициента рециркуляции может привести к значительному снижению эффективности исполь­ зования топлива.

Байпасирование топочных газов как способ регулирова­ ния температуры перегретого пара заключается в изменении количества газов, проходящих через пакеты перегревателя при неизменной их температуре на входе в перегреватель. Этот способ регулирования применяется в основном сов­ местно с другими способами в парогенераторах, выпускае­ мых в ФРГ и США.

Недостатками этого способа регулирования перегрева являются: повышение средней температуры уходящих газов; ограниченный диапазон регулирования; существенные ка­ питальные затраты, быстрый выход из строя регулирующих заслонок из-за коррозии и температурной деформации

[25 J.

Регулирование температуры перегретого пара за счет перераспределения тепла между радиационными и конвек­ тивными поверхностями нагрева может быть достигнуто из­ менением количества работающих горелок по высоте топки или поворотом горелок в вертикальной плоскости.

Изменение количества одновременно работающих горе­ лок как способ регулирования температуры перегрева пара может быть осуществлен в том случае, если топка котла оборудована горелками, расположенными на различной вы­ соте. Для уменьшения температуры перегрева отключаются верхние ряды горелок и соответственно увеличивается на­ грузка нижних рядов. При этом снижается положение вы­ сокотемпературного ядра факела в топке и большая доля тепла от факела воспринимается экранными поверхностями нагрева. Повышение температуры перегретого пара достига­ ется форсировкой верхних рядов горелок, а нижние ряды работают с недогрузкой.

В большинстве случаев при повышении производитель­ ности котла, для того чтобы температура пара не повышалась выше нормы, отключают верхние горелки. В неработающие

Ю

горелки приходится подавать воздух для их охлаждения, иначе они быстро обгорают и выходят из строя. Это приводит к избыткам в топке неорганизованного воздуха, что отри­ цательно влияет на экономичность работы котлоагрегата. Кроме того, такой способ регулирования температуры пере­ грева пара требует запаса мощности дутьевых устройств для преодоления сопротивления воздуховодов и горелок, работающих на форсированных режимах.

Дополнительные горелки устанавливаются на выходе из топки в районе пароперегревателя. Испытание такого спо­ соба повышения температуры пара было проведено И. Я. Си­ галом и Ю. И. Данилевичем на котле системы Бабкок — Вилькокс производительностью 10/л/чпара[51 ]. При перево­ де с твердого топлива на природный газ котел был оборудо­ ван двумя вихревыми горелками производительностью по 600 м3/ч. Температура перегретого пара после перевода по­ низилась против нормы на 20 град. Для повышения темпера­ туры пара была установлена одна многосопловая инжекционная горелка перед пароперегревателем. Сжигание в до­ полнительной горелке 12—14% от общего расхода топлива на котел обеспечивало необходимую температуру перегре­ того пара.

Применение дополнительных горелок несколько услож­ няет эксплуатацию котла, снижает экономичность и без­ опасность его работы.

Принципиально новый способ регулирования темпера­ туры перегрева пара разработан в Среднеазиатском науч­ но-исследовательском институте природного газа (СредазНИИГаз, г. Ташкент). Способ основан на обнаруженном Р. Б. Ахмедовым эффекте взаимодействия вихревых пла­ мен [8].

Б.сли две вихревые горелки расположены на достаточном расстоянии друг от друга, то скоростные поля их факелов, взаимодействуя, образуют суммарное поле, профиль которо­

11

факелов в зоне между горелками суммируются, и вершина профиля динамического напора направлена или вниз, при встречной закрутке (рис. 1, а), или вверх, при расходящемся направлении вращения (рис. 1, б). Это дает возможность управлять динамикой газов и изменять поле температур в топке. Эффект взаимодействия вихревых пламен как способ регулирования температуры перегрева пара был проверен

а

Рис. I- Принципиальные схемы осуществления эффекта взаимодействия вихревых пламен.

на котельных агрегатах паропроизводительностью 20, 30, 40, 50 и 500 т!ч [6].

На котле «Букау — Вольф» производительностью 20 т!ч не обеспечивалась требуемая температура перегрева пара. Котел был снабжен двумя газомазутными горелками со встречным вращением дутьевого воздуха. Изменение вра­ щения на расходящееся повысило перегрев до необходимой температуры.

Опыты, проведенные на котле № 5 экспериментальной ТЭЦ ВТИ паропроизводительностью 30 т/ч, проводились при изменениях нагрузки котла от 20 до 36 т/ч. Котел обо­ рудован двумя газомазутными горелками производитель­ ностью по газу 3500 м3/ч. При встречном направлении вра­ щения пламен температура пара изменялась от 624 до635° К. Изменение направления вращения позволило повысить тем­

12

пературу перегретого пара до 718° К- Таким образом, изме­ нение направления вращения дутьевого воздуха в горелках позволило регулировать температуру перегрева в диапазо­ не 94 град.

На котле типа ТП-35, оборудованном четырьмя вихре­ выми горелками, изменение направления вращения пламени обеспечивало регулирование температуры перегрева пара на 30 град. При этом к. п. д. котлоагрегата повысился на

2 ,5 -3 % .

Подбором направления вращения пламен 21 горелки, установленной на котлоагрегате ТГМ-94 паропроизводительностью 500 т/ч, удалось снизить температуру пара на выходе из топочного пароперегревателя на 30 град, что поз­ волило поднять мощность энергоблока и повысить к. п. д. нетто с 86,66 до 88,23%. Проведенные исследования пока­ зали, что эффект взаимодействия вихревых пламен может быть с успехом применен для регулирования температуры перегретого пара.

Для того чтобы использовать эффект взаимодействия вих­ ревых пламен в котле, нужно оборудовать топку горелочными устройствами, в которых изменялось бы направление вращения воздушного потока и плавно регулировалась ин­ тенсивность крутки. Несколько типов горелок, отвечающих этим требованиям, были разработаны в институте Средаз НИИГаз. Рассмотрим две наиболее простые по конструк­ ции горелки, получившие название реверсивных. Подробно о реверсивных горелках можно прочитать в литературе [7].

На рис. 2 показана схема газомазутной реверсивной го­ релки с простым тангенциальным подводом дутьевого воз­ духа. Этот тип горелок по классификации, предложенной в работе [7], обозка тется РТС. Воздух в горелку подается по воздушному коробу 1. Вцилиндрическом канале расположен поворотный барабан 2, в котором имеется прямоугольное окно для прохода воздуха. При помощи специального приво­ да 3 барабан поворачивается вокруг оси в пределах до 200 °. Направление вращения воздушного потока зависит от

13

положения прямоугольного окна в барабане относительно оси симметрии горелки. Интенсивность крутки потока регу­ лируется изменением зазора между кромкой прямоугольного окна и ближайшей к нему стенкой воздушного короба. Га-1 зообразное топливо подается по трубопроводу 4 в централь­ ный газораздающий коллектор. Мазутная форсунка рас­ полагается в канале по оси газового коллектора.

Испытание горелок в котельных агрегатах показало, что сжигание газа без потерь тепла от химического недожога

Рис. 2. Газомазутная реверсивная горелка с простым тангенциальным подводом воздуха.

обеспечивается при низких коэффициентах избытка воздуха (а = 1,03 ч- 1,04). Горелки имеют сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление. Так, на котле ТП-35 после установки горелок РТС затраты энергии на дутье снизились на 38%.

Газомазутная реверсивная горелка с тангенциальным лопаточным подводом воздуха (РТЛС) (рис. 3) состоит из следующих основных узлов: воздушного короба 1, лопаточ­ ного аппарата 2, цилиндрического шибера 3, привода шибе­ ра 4 и газового коллектора 5.

Тангенциальный лопаточный аппарат имеет две ступени, в которых величина угла наклона лопаток одинакова, но

14

по отношению друг к другу ступени имеют зеркальное ис­ полнение. Изменение направления вращения воздушного потока осуществляется при помощи цилиндрического ши­ бера, которым перекрывается та или иная ступень. Конструк­ ция цилиндрического шибера позволяет также регулировать интенсивность крутки потока путем изменения проходного сечения лопаточного аппарата.

Длительные испытания горелок типа РТЛС подтвердили эффективность регулирования крутки воздушного потока и

Рис. 3. Газомазутная реверсивная горелка с тангенциальным лопаточ­ ным подводом воздуха.

изменения направления вращения взаимодействующих вих­ ревых пламен. Этот тип реверсивных горелок также имеет сравнительно низкое сопротивление воздушного тракта и обеспечивает сжигание топлива без потерь тепла от хими­ ческого недожога при значениях коэффициента избытка воз­ духа, близких к единице.

Применение метода регулирования теплообменных ха­ рактеристик в топке с помощью эффекта взаимодействия вихревых пламен ограничено конструкцией котельного аг­ регата, а также количеством и взаимным расположением горелок. Также нельзя использовать принцип взаимодейст­ вия вихревых пламен в промышленных печах, где необходи­ мо изменять поле температур по длине печи. Например, при

15

газовом отоплении вращающихся печей в производстве це­ мента, асфальтобетона и других строительных материалов технологическими требованиями обусловлена необходимость изменять осевую дальнобойность факела при неизменной теп-, ловой нагрузке агрегата. В методических и камерных печах с большой тепловой мощностью для интенсификации теплооб­ мена желательно равномерное распределение источника теп­ ла по ширине и длине рабочего пространства. Для перевода стекловаренных печей прямого нагрева шириной более трех метров с мазута на газообразное топливо необходимы горелочные устройства, обеспечивающие равномерное распре­ деление температуры по ширине печи, плавное регулирова­ ние длины и светимости факела в широких пределах.

;Таким образом, управление процессом горения газооб­ разного топлива нужно не только для сближения теплооб­ менных характеристик газового факела с теплообменными характеристиками факелов других видов топлива, исполь­ зуемых в котельных агрегатах.

Регулирование в широких пределах параметров газово­ го факела необходимо также для повышения эффективности использования топлива и в других тепловых агрегатах.

Частью современной актуальной проблемы — защиты окружающей среды от загрязнения — является задача сни­ жения концентрации окислов азота в продуктах горения ис­ копаемых топлив. Исследования, проведенные в Институте газа АН УССР под руководством И. Я. Сигала, свидетель­ ствуют о том, что концентрация окислов азота в дымовых газах, выбрасываемых котельными агрегатами, достигает значительных величин. Так, из данных, приведенных в ра­ боте [52], видно, что замена мазута или угля газообразным топливом устраняет загрязнение воздуха окислами серы и твердыми частицами, однако не снижает загрязнение возду­ ха окислами азота. Высокая токсичность окислов азота ста­ вит их в один ряд с такими загрязнителями атмосферы, как окислы серы и твердые частицы.

Термическая природа образования окислов азота [17]

16

обусловливает наличие последних в продуктах горения топ­ ливовоздушной смеси. Выход окислов азота зависит от тем­ пературы факела, величины избытка воздуха и времени пре­ бывания азота и кислорода в зоне высоких температур. При­ чем, как отмечается в работе [50], на образование окислов азота решающее влияние оказывает не средняя, а локальная максимальная температура в факеле. Одним из действен­ ных приемов снижения концентрации окислов азота в про­ дуктах горения является организация постадийного сжига­ ния топлива при общем низком коэффициенте избытка воздуха. Таким образом, как поддержание оптимального теп­ лообменного режима в камере сгорания, так и снижение кон­ центрации окислов азота в дымовых газах связано с регули­ рованием параметров факела. Поэтому вопрос о разработке горелочных устройств, обеспечивающих управление про­ цессом факельного сжигания топлива, стоит в наши дни как никогда остро.

КОНСТРУКЦИЯ ГАЗОГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА

СКОМБИНИРОВАННЫМ (ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ

ИОСЕВЫМ) ПОДВОДОМ ВОЗДУХА

Принципиальная схема газогорелочного устройства с ком­ бинированным (тангенциальным и осевым) подводом воздуха, которое в дальнейшем будем именовать ГУКВ, представ­ лена на рис. 4. Воздух в горелку подается по тангенциаль­ ному подводу 1 и осевой трубе 5. Газообразное топливо выходит струями из периферийной газовой камеры 7. Угол атаки струй по отношению к сносящему потоку составляет 90°. Базой для ГУКВ послужила вихревая горелка с прос­ тым тангенциальным подводом воздуха и периферийной подачей газа. Простой тангенциальный подвод, наряду с некоторыми устранимыми недостатками, имеет ряд сущест­ венных преимуществ по сравнению с другими воздухоза­

| i. 'У- . v ' СР

В настоящее время в основном применяются два способа закрутки дутьевого воздуха в цилиндрическом канале вих­ ревых горелок: а) тангенциальный подвод воздуха к окруж­ ности цилиндрического канала; б) закрутка прямого' воздушного потока, движущегося вдоль оси цилиндрическо­ го канала при помощи плосколопаточного или винтолопаточ­ ного закручивателя, который расположен по сечению потока.

Рис. 4. Газогорелочное устройство с комбинированным (тангенциальным и осевым) подводом воздуха:

/ — тангенциальный подвод воздуха; 2 — цилиндрический канал горелки; 3 воздушный короб; 4 — шибер в трубопроводе осевого воздуха; 5 — осевой под­ вод воздуха; 6 — месторасположения мазутной форсунки; 7 —газовая камера.

При тангенциальном подводе воздух подается в цилинд­ рический канал или между тангенциально расположенными лопатками (лопаточный тангенциальный подвод), через улитку (улиточный тангенциальный подвод) или непосред­ ственно в цилиндрический канал (простой тангенциальный подвод). В зависимости от конструкции устройства для закру­ чивания воздуха выдаваемые ими потоки могут отличаться не только количественно, но и качественно.

Осевые лопаточные устройства (рис. 5, а) состоят из плоских или винтовых лопаток. При плосколопаточном устройстве отклонение воздушного потока от осевого направ­ ления характеризуется углом между плоскостью лопатки и осевой линией цилиндрического канала. Для винтовых ло-

18

Рис. 5. Схемы устройств для закрутки дутьевого воздуха.

паток под углом отклонения подразумевается угол подъема винтовой линии на внешнем периметре.

Угловая длина лопаток — это угол сектора проекции лопатки на плоскость, перпендикулярную к оси устройства. По угловой длине лопаток и их количеству определяют сте­ пень перекрытия живого сечения канала. С увеличением