ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗА И МАЗУТА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к устройствам для сжигания газообразного и жидкого топлива в топках котлов и в печах. Для этих целей применяют комбинированные газомазутные горелки, в которых можно, в зависимости от практической потребности, раздельно сжигать газ или мазут. Специальная область применимости заявляемой горелки - топки энергетических паровых котлов ТЭС повышенной мощности при использовании в них в качества топлива сбросных факельных газов НПЗ и метано-водородных фракций с низкой теплотой сгорания.
Известна горелка для раздельного сжигания газа и мазута, содержащая наружный канал подвода воздуха с тангенциальным электроприводным завихрителем, центральный канал подвода воздуха с тангенциальным электроприводным завихрителем, промежуточный канал подвода воздуха с тангенциальным электроприводным завихрителем, газоподающие трубы, форсунку, запальник, датчик контроля факела, электродвигатель с сервоприводом для перемещения форсунки, электродвигатели с сервоприводами для перемещения газоподающих труб, кольцевой газоподающий коллектор, компьютеризированный блок управления (см. патент на изобретение №2403498 «Горелка для сжигания газа и мазута» от 10 ноября 2010 г.).
Недостатки известной горелки:
1. Невозможно в широких пределах регулировать длину факела, так как в известной горелке осуществляется тангенциальная крутка воздуха на входе, которая приводит к неравномерному горению топлива по длине факела и неполному сгоранию топливовоздушной смеси и к химическому недожогу.
2. При сжигании топлива с невысокой теплотой сгорания подается слишком много балластного воздуха и температура в ядре факела понижается, а при высокой теплоте сгорания температура в ядре факела повышается, что приводит к росту температуры уходящих газов и в обоих случаях происходит снижение КПД.
Указанные недостатки устранены в конструкции заявляемой горелки, которая направлена на решение задачи снижения недожога топлива и повышения КПД котла.
Названная цель решена путем применения аксиальной безударной крутки воздуха на выходе из каналов подвода воздуха, вместо ударной тангенциальной крутки на входе в известной конструкции, и компьютеризированного выбора значения параметров крутки в соответствии с расходом топлива и теплотой его сгорания. Положительный технический результат достигается при помощи использования в каждом из каналов подачи воздуха профилированных поворотных лопаток аксиальных завихрителей воздуха с безударным входом, использования газоанализатора состава сжигаемого газа, расходомеров с регулирующими вентилями на каждой из газоподающих труб и применения жидко топливного расходомера с регулирующим вентилем на входе в форсунку.
Оптимизация угла поворота лопаток осуществляется по компьютерной программе автоматически в соответствии с теплотой сгорания топливного газа, его расходом, расходом жидкого топлива и величиной теплового излучения факела.
Заявляемая конструкция приведена на чертеже, где позициями обозначены следующие элементы и узлы:
1 - наружный канал подвода воздуха;
2 - центральный канал подвода воздуха;
3 - промежуточный канал подвода воздуха;
4 - газоподающие трубы;
5 - форсунка;
6 - запальник;
7 - датчик контроля факела;
8 - электродвигатели с сервоприводами для поворота аксиальных лопаток наружного завихрителя;
9 - электродвигатели с сервоприводами для поворота аксиальных лопаток промежуточного завихрителя;
10 - электродвигатели с сервоприводами для поворота аксиальных лопаток центрального завихрителя;
11 - электродвигатель с сервоприводом для перемещения форсунки,
12 - электродвигатели с сервоприводами для перемещения газоподающих труб;
13 - компьютеризированный блок управления;
14 - аксиальные лопатки наружного завихрителя воздуха;
15 - аксиальные лопатки промежуточного завихрителя воздуха;
16 - аксиальные лопатки центрального завихрителя воздуха;
17 - газоанализатор состава сжигаемого газа;
18 - кольцевой газоподающий коллектор;
19 - газовые расходомеры с регулирующими вентилями;
20 - жидкотопливный расходомер с регулирующим вентилем.
Штриховыми тонкими линиями на чертеже показаны электрические связи компьютеризированного блока управления 13 с электродвигателями перемещений элементов и узлов, с газоанализатором 17, с расходомерами 19, 20, с датчиком контроля факела 7, с запальником 6.
Точечными пунктирными линиями показаны оси для поворота аксиальных лопаток завихрителей воздуха. Линии перегиба и торцы цилиндрических поверхностей на входе и выходе горелки на чертеже условно не обозначены. Подвод воздуха в горелку трехпоточный и осуществляется, согласно чертежу, сверху от общего воздуховода.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
Наружный цилиндрический канал 1 подвода воздуха является основным несущим механическую нагрузку узлом, на котором монтируются все остальные элементы и узлы.
Центральный канал 2 подвода воздуха, расположенный коаксиально наружному каналу 1, служит для подачи закрученного с помощью лопаток 16 потока в корневую часть подаваемого на горение топлива.
Промежуточный канал 3 подвода воздуха, расположенный коаксиально наружному каналу 1 и центральному 2 каналу, служит для диффузионного вихревого смешивания топливовоздушных смесей, получаемых от воздействий круток воздуха с помощью аксиальных лопаток наружного 14 и центрального 16 завихрителей воздуха.
Распределение общего подаваемого в горелку воздуха по каналам на входе: наружный канал около 60%, промежуточный канал около 25%, центральный около 15%. Крутка воздуха может осуществляться как односторонняя - все каналы с помощью аксиальных лопаток закручивают воздух в одну сторону: вправо или влево или смешанная - каналы закручивают воздух в разные стороны.
Газоподающие трубы 4 размещены периферийно коаксиально по окружности между наружным 1 и промежуточным 2 каналами с возможностью поворота вокруг своей оси и продольного осевого перемещения при помощи электродвигателей с сервоприводами 12 по компьютерной программе от блока 13 в соответствии с требуемой длиной и диаметром факела для заданного расхода и теплоты сгорания топлива, определяемых датчиком 7, газоанализатором 17, расходомерами 19, 20 и тепловой нагрузкой котла.
Количество и выходной диаметр газоподающих труб выбираются исходя из тепловой мощности горелки. На чертеже условно показаны две газоподающие трубы. Каждая из газоподающих труб 4 имеет возможность раздельного от других труб поворота вокруг своей оси и осевого перемещения.
Форсунка 5 служит для сжигания жидкого топлива и размещена в коаксиальном канале по оси внутри горелки (на чертеже канал позицией не обозначен). Осевое перемещение и поворот вокруг оси для регулирования длины и диаметра жидко топливного факела осуществляется по компьютерной программе от блока 13 в соответствии с нагрузкой котла, тепловым излучением факела, регистрируемых датчиком 7.
При сжигании газового топлива форсунка 5 из горелки вынимается во избежание прогорания распыливающего насадка (на чертеже не обозначен) и хранится на стеллаже площадки обслуживания котла. При переходе с газообразного топлива на жидкое форсунка 5 вдвигается в коаксиальный канал, присоединяется к штуцерам распыливающего агента - перегретого водяного пара и нагретого жидкого топлива - мазута, а также по линии электрической связи к блоку управления 13.
Запальник 6 служит для электрического воспламенения топлива при первоначальном пуске горелки по сигналу от блока управления 13.
Датчик контроля факела 7 служит для измерения интенсивности теплового излучения факела с выработкой электрического сигнала и передачи величины значения этого сигнала в блок управления 13.
Электродвигатели с сервоприводами 8, 9, 10 соединены электрическими связями с блоком управления 13 и осуществляют безударный поворот аксиальных лопаток 14, 15, 16 на определенный угол относительно оси горелки с регулируемыми осевым параметром крутки и расходом воздуха.
ксиальное расположение лопаток в заявляемой горелке при безударном входе воздуха позволяет достигнуть положительного технического результата - равномерного горения топлива по всей длине факела и полному его сгоранию без химического недожога.
Лопатки 14, 15, 16 расположены на выходных участках каналов 1, 2, 3 подвода воздуха, профилированы, насажены на оси (на чертеже оси показаны пунктирными линиями), которые поворачиваются на определенный угол вместе с лопатками при помощи электродвигателей с сервоприводами 8, 9, 10 по компьютерной команде от блока 13 в соответствии с теплотой сгорания топлива.
Газоанализатор 17 служит для количественного определения содержания горючих компонентов в составе поступающего на сжигание газообразного топлива и передачи данных в виде электрического сигнала по электрической связи в блок 13, в котором по программе определяется его теплота сгорания и подается электрический сигнал на электродвигатели 8, 9, 10, 12, осуществляющих механический поворот лопаток 14, 15, 16 и газоподающих труб 4 в соответствии с теплотой сгорания топлива.
В соответствии с теплотой сгорания блок 13 по компьютерной программе также подает электрические сигналы на газовые расходомеры с регулирующими вентилями 19, при помощи которых устанавливается расход топлива для каждой газоподающей трубы, а при помощи электроприводных лопаток 14, 15, 16 - длина и диаметр факела. Это позволяет, по сравнению с известной горелкой, достигнуть оптимальных температур в зоне горения и в топке без превышения или снижения температуры уходящих из топки продуктов сгорания.
Наличие газоанализатора 17, газовых расходомеров с регулирующими вентилями 19 на газоподающих трубах 4, аксиальных лопаток 14, 15, 16 с электроприводами 8, 9, 10 соединенных технологически с компьютеризированным блоком управления 13 и с электродвигателями 12 перемещений газоподающих труб 4 позволяет достигнуть положительного технического результата - повышения КПД.
При низких температурах уходящих газов и избыточном балласте в виде воздуха температура перегрева пара в пароперегревателях падает и снижается КПД котла, при высоких температурах уходящих газов снижается КПД из-за потерь в атмосферу с уходящими газами.
Температура перегретого пара при высокой температуре продуктов сгорания на выходе из топки в пароперегреватель ограничивается также технологическим регламентом по условиям прочности металла труб пароперегревателя до значения 560°С путем включения впрыскивающих пароохладителей. Поэтому, помимо прямых потерь теплоты с высоко нагретыми выбросами продуктов сгорания в атмосферу, наблюдаются косвенные потери с работой пароохладителей. Это также приводит к снижению КПД котла.
Кольцевой газоподающий коллектор 18, на котором размещен газоанализатор 17, служит для раздачи топливного газа по газоподающим трубам 4. Общая газоподводящая труба к коллектору 17 горелки условно на чертеже не показана.
Жидкотопливный расход форсунку 5 жидкого топлива, соединен по электрической связи с блоком 13 и служит для измерения и регулирования расхода жидкого топлива по измеренной датчиком 7 интенсивности теплового излучения факела.
Заявляемая горелка работает следующим образом.
Перед розжигом горелки включаются общие дымососы котла (обычно 2 шт.) и общие дутьевые вентиляторы (обычно 2 шт.) и производится вентиляция топки. Устанавливается общий предварительный расход воздуха на котел и расход топливного газа или жидкого топлива в соответствии с тепловой нагрузкой.
После вентиляции топки, согласно тепловой нагрузке котла, блоком управления 13 включается в соответствии составом топлива по газоанализатору 17 расход газа на каждую газоподающую трубу 4 при помощи регулирующего вентиля расходомера 19, производится воспламенение топливовоздушной смеси запальником 6 и устанавливается параметр крутки воздуха каналах 1, 2, 3 путем угла наклона лопаток 14, 15, 16 при помощи электродвигателей 8, 9, 10.
На расчетных режимах и топливе при номинальной нагрузке угол наклона лопаток к оси горелки для наружного канала 25…30 угловых градусов, для центрального канала около 40 угловых градусов, промежуточного - около 45 угловых градуса.
По величине сигнала датчика контроля факела блоком 13 по компьютерной программе устанавливается оптимальный угол осевого поворота газоподающих труб 4 и оптимальная длина выдвижения газоподающих труб в топку (гибкие переходники от газоподающих труб 4 к коллектору 18 на чертеже условно не показаны).
В заявляемой горелке происходит равномерное горение топлива за счет безударного входа воздуха в аксиальные завихрители с лопатками 14, 15, 16 и не образуется химического недожога.
При подаче на сжигание низкокалорийного газа газоанализатор 17 фиксирует содержание горючих компонентов и передает данные в блок 13 для определения теплоты сгорания.
При установленной для данной тепловой нагрузки котла для предотвращения содержания излишнего балластного воздуха блок 13 выдает электрический сигнал команды на увеличение подачи газового топлива при помощи регулирующих вентилей расходомеров 19 на газоподающих трубах. Это приводит к повышению тепловыделения и повышению температуры продуктов сгорания в топке и к повышению КПД котла.
При подаче на сжигание высококалорийного газа сигнал с газоанализатора 17, обработанный блоком 13, поступает на газовые расходомеры 19, регулирующие вентили которых уменьшают расход газа и температура в топке снижается, предотвращая потери теплоты с уходящими газами и повышая КПД котла.
При использовании жидкого топлива по команде блока 13 регулирующие вентили расходомеров 19 перекрывают подачу газа в трубы 4, и открывается регулирующий вентиль расходомера 20 для подачи жидкого топлива в форсунку 5. Поддержание равномерного выгорания по длине факела для предотвращения химического недожога и оптимальной температуры в топке аналогично сжиганию газового топлива с учетом некоторого снижения температуры продуктов сгорания на выходе из топки (на 50…100°С при сжигании мазута M100 с влажностью до 3%).