ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
FUEL ATOMISER

Изобретение относится к топливной форсунке, содержащей трубу с выходным отверстием, причем труба связана с топливоподающей магистралью для подачи топлива в трубу, при этом топливо впрыскивается из выходного отверстия в поток воздуха, который, в основном, кольцеобразно окружает топливную форсунку, а доходящий до ее выходного отверстия первый участок трубы выполнен в виде лепестков, а именно таким образом, что происходит, в основном, коаксиальный впрыск топлива в поток воздуха, причем выходное отверстие имеет закрытую, выполненную конической сердцевину лепестков.
Рост цен на природный газ делает необходимым дальнейшую разработку альтернативных топлив. Например, низкокалорийный горючий газ называется ниже также синтез-газом. Его получают, в принципе, из твердых, жидких и газообразных эдуктов. При получении синтез-газа из твердых эдуктов следует назвать, прежде всего, газификацию угля, биомассы и кокса.
В отношении все более высоких требований к выбросу оксидов азота сжигание с предварительным смешиванием приобретает все большее значение также при сжигании низкокалорийных газов.
Горелки с предварительным смешиванием содержат обычно зону предварительного смешивания, в которой смешиваются воздух и топливо, прежде чем смесь будет направлена в камеру сгорания. В ней смесь сгорает, причем образуется находящийся под повышенным давлением горячий газ. Последний направляется дальше к турбине. В связи с эксплуатацией горелок с предварительным смешиванием речь идет, прежде всего, о том, чтобы поддерживать на низком уровне выброс оксидов азота и избегать обратного удара пламени.
Работающие на синтез-газе горелки с предварительным смешиванием характеризуются тем, что в них в качестве топлива используются синтез-газы. По сравнению с классическими турбинными топливами природный газ и нефть, состоящими, в основном, из углеводородных соединений, горючими компонентами синтез-газов являются, в основном, монооксид углерода и водород. В зависимости от способа дегазации и конструкции всей установки теплотворная способность синтез-газа в 5-10 раз меньше, чем природного газа.
Из-за низкой теплотворной способности в камеру сгорания приходится, поэтому направлять большие объемные потоки горючего газа. Вследствие этого для сжигания низкокалорийных топлив, например синтез-газов, требуются заметно большие сечения впрыска, чем в случае традиционных низкокалорийных горючих газов. Однако для достижения низких значений NOx необходимо сжигать синтез-газ в режиме предварительного смешивания.
Наряду со стехиометрической температурой горения синтез-газа качество смешивания его и воздуха для горения у фронта пламени является существенным фактором влияния для предотвращения температурных пиков и, тем самым, для минимизации термического образования оксидов азота. Пространственно хорошее смешивание воздуха для горения и синтез-газа особенно трудно осуществить из-за больших объемных потоков требуемого синтез-газа и соответственно большой пространственной протяженности зоны смешивания. С другой стороны, минимально низкое образование оксидов азота уже с точки зрения охраны окружающей среды и соответствующих законодательных предписаний по токсичным выбросам является существенным требованием к сжиганию, в частности к сжиганию в газотурбинной установке электростанции. Образование оксидов азота экспоненциально быстро повышается с температурой пламени от горения. При неоднородном смешивании топлива и воздуха происходит определенное распределение температур пламени в зоне горения. Максимальная температура такого распределения определяет по названной экспоненциальной связи образования оксидов азота и температуры пламени решающим образом количество образовавшихся нежелательных оксидов азота.
Чтобы обеспечить достаточное смешивание топлива и воздуха, необходима достаточная глубина проникновения отдельных топливных струй в массовый поток воздуха. По сравнению с высококалорийными горючими газами, такими как природный газ, требуются, однако, соответственно большие свободные сечения впрыска. Вследствие этого топливные струи чувствительно нарушают воздушный поток, что, в конце концов, приводит к его локальному отделению в сопутствующей области топливных струй. Образующиеся области обратного потока внутри горелки нежелательны, и их следует обязательно избегать при сжигании высокореактивного синтез-газа. В экстремальном случае такие локальные области обратного потока в пределах зоны смешивания горелки приводят к обратному удару пламени в зону предварительного смешивания и, тем самым, к повреждению горелки.
Также высокая реактивность синтез-газа, в частности при высоком содержании водорода, повышает опасность обратного удара пламени.
Кроме того, большие сечения впрыска, необходимые для синтез-газа, приводят большей частью к плохому предварительному смешиванию воздуха и синтез-газа, вследствие чего возникают высокие нежелательные значения NOx. К тому же за счет большого объемного потока нередко возникают потери давления при впрыске.
Перемешивание синтез-газа с воздухом осуществляется, например, за счет завихрителей, как, например, в ЕР 1645807 А1, или за счет впрыска газа поперек воздушного потока. Однако они приводят к значительной нежелательной потере давления и могут вызывать нежелательные сопутствующие области, приводящие к обратному удару пламени.
Исходя из этой проблемы, задачей изобретения является создание топливной форсунки, в частности для подачи синтез-газа, которая при сжигании приводила бы к низкому образованию оксидов азота.
Эта задача решается посредством топливной форсунки, содержащей трубу и выходное отверстие, при этом труба соединена с топливоподающей магистралью для подачи топлива в трубу, причем топливо впрыскивается из выходного отверстия в поток воздуха, который, в основном, кольцеобразно окружает топливную форсунку, а доходящий до ее выходного отверстия первый участок трубы выполнен в виде лепестков, а именно таким образом, что происходит, в основном, коаксиальный впрыск топлива в поток воздуха, причем в выходном отверстии расположена закрытая, выполненная конической сердцевина лепестков.
Изобретение исходит из того факта, что именно для больших объемных потоков топлива, например синтез-газа, в распоряжении должны быть большие сечения впрыска, что связано с большими потерями давления. Однако, кроме того, для достижения «хороших» значений NOx необходим именно режим предварительного смешивания с хорошим смешиванием. Используемые в уровне техники завихрители и подача потока топлива поперек потока воздуха приводят, однако, к значительной нежелательной потере давления, которая, в свою очередь, к «плохим» значениям NOx.
При этом изобретение исходит из того факта, что увеличение контактной поверхности между потоком синтез-газа вызывает существенное улучшение перемешивания. Этот эффект является существенным, в частности, тогда, когда потоки топлива и газа имеют разные скорости течения. Это вызвано выполнением первого участка трубы форсунки в виде лепестков. К тому же за счет выполнения первого участка трубы форсунки в виде лепестков на задних кромках профиля образуется второе поле течения, т.е. нужные рассчитываемые завихрения, что, в свою очередь, улучшает перемешивание. Также это предпочтительно, в частности, тогда, когда потоки топлива и воздуха имеют разные скорости течения. Выполнение первого участка трубы форсунки в виде лепестков обеспечивает далее коаксиальный впрыск топлива в поток воздуха. За счет этого предотвращаются нежелательно высокие потери давления. Это позволяет эксплуатировать форсунку в режиме предварительного смешивания даже в случае больших объемных потоков топлива, как, например, в случае синтез-газа,
Согласно изобретению, выходное отверстие топливной форсунки содержит закрытую, выполненную конической сердцевину лепестков. За счет сердцевины, расположенной симметрично вокруг середины выполненного в виде лепестков выходного отверстия, достигается поверхностное смешивание топлива и воздуха. Это предпочтительно, прежде всего, для топлива, которое направлялось бы через центральную часть выходного отверстия. За счет выполнения выходного отверстия с сердцевиной лепестка увеличивается контактная поверхность между топливом и воздухом, что положительно сказывается на перемешивании. Однако возможен коаксиальный впрыск топлива в поток воздуха, благодаря чему, несмотря на улучшенное перемешивание, возникает потеря давления, которой можно пренебречь.
Предпочтительно сердцевина лепестков заострена в направлении течения.
Предпочтительно сердцевина лепестков выполнена в виде двойного конуса. Это позволяет избежать отрывов пограничного слоя и уменьшить опасность обратного удара пламени за счет областей обратного течения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения сердцевина лепестков имеет насечки. Они нанесены на нее в соответствии с отдельными лепестками или задними кромками профиля. Эти насечки служат, в основном, для создания гладкого перехода для топлива, т.е. выход топлива из форсунки происходит без нежелательных и непредвиденных завихрений. Таким образом, можно избежать отрывов пограничного слоя и уменьшить опасность обратного удара пламени за счет областей обратного течения.
Предпочтительно насечки нанесены прямыми в направлении течения и/или извилистыми. За счет этого потоку воздуха или топлива можно придать завихрение при впрыске.
Предпочтительно первый участок трубы сужается в направлении течения. За счет этого достигается повышение скорости течения топлива.
У альтернативной трубы форсунки с открытой сердцевиной лепестков первого участка трубы выполнена пилообразной. За счет пилообразных зубьев образуются рассчитываемые завихрения в поле течения, которые вызывают лучшее перемешивание топлива с потоком воздуха. Однако поскольку обеспечивается коаксиальный впрыск, у этого варианта топливной форсунки не происходит никакого увеличения потери давления.
При этом может быть предусмотрен второй участок трубы, к которому в направлении течения примыкает ее первый участок, причем второй участок трубы сужается в направлении течения. За счет этого может достигаться дальнейшее повышение скорости течения топлива.
Предпочтительно сердцевина лепестков соединена с проходящей, в основном, коаксиально трубе форсунки трубой для подачи высококалорийного топлива и имеет, по меньшей мере, одно тангенциальное и/или осевое впускное отверстие.
При этом в зависимости от выполнения горелки могут изменяться расположение, число и диаметр впускных отверстий. Поскольку подача высококалорийного топлива происходит в пределах подачи синтез-газа (подвод высококалорийного топлива кольцеобразно окружен подводом синтез-газа), речь при этом идет предпочтительно о тангенциальных и осевых впускных отверстиях, т.е. расточках.
При этом следует обратить внимание на то, что впускные отверстия для высококалорийного топлива и сам подвод требуют лишь небольшого диаметра, поскольку объемный поток высококалорийного топлива существенно меньше потока синтез-газа. Этот факт способствует тому, что подача высококалорийного топлива не вызывает или вызывает лишь небольшой сбой в потоке воздуха в режиме синтез-газа.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения, по меньшей мере, одно тангенциальное впускное отверстие расположено на перемычке лепестков между двумя лепестками выходного отверстия в виде лепестков. Благодаря этому направление впрыска, например природного газа, проходит, в основном, поперек потока воздуха. Это соответствует предпочтительному направлению впрыска традиционной, работающей на природном газе горелки с предварительным смешиванием. За счет этого достигается хорошее перемешивание природного газа с потоком воздуха, так что могут достигаться низкие значения NOx. Эти низкие значения NOx должны обеспечиваться в соответствии с предписаниями также в работающей на синтез-газе горелке, если она эксплуатируется с высококалорийным топливом, таким как природный газ, даже если этот природный газ представляет собой лишь «резервную» функцию.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения топливная форсунка расположена в горелке. Это, в частности, работающая на синтез-газе горелка, эксплуатируемая в режиме предварительного смешивания. При этом горелка может быть выполнена в виде двух - или многотопливной горелки, которая к тому же может эксплуатироваться, например, с природным газом в режиме предварительного смешивания. Предпочтительно горелка расположена в газовой турбине.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - топливная форсунка;
фиг.2 - топливная форсунка в разрезе;
фиг.3 - диаграмма степени смешивания;
фиг.4 - топливная форсунка, согласно изобретению, с сердцевиной лепестков;
фиг.5 - предпочтительный вариант выполнения топливной форсунки с горизонтальными пилообразными зубьями;
фиг.6 - предпочтительный вариант выполнения топливной форсунки с наклонными пилообразными зубьями;
фиг.7 - топливоподвод двух топлив в увеличенном масштабе;
фиг.8 - схематично подвод двух топлив (подвод природного газа).
Одинаковые детали обозначены на всех фигурах одними и теми же ссылочными позициями.
Из-за высоких цен на природный газ разработка современных газовых турбин происходит в направлении альтернативных топлив, например синтез-газа. Его получают, в принципе, из твердых, жидких и газообразных эдуктов. При получении синтез-газа из твердых эдуктов следует назвать, прежде всего, газификацию угля. При этом уголь в смеси из частичного окисления и газификации водяным паром превращается в смесь из СО и водорода. Помимо угля, в принципе, возможно использование и других твердых веществ, например биомассы и кокса. В качестве жидких эдуктов для синтез-газа могут использоваться различные дистилляты нефти, причем в качестве важнейшего газообразного эдукта следует назвать природный газ. Однако при этом следует иметь в виду, что из-за низкой теплотворной способности синтез-газа приходится подавать в камеру сгорания существенно большие объемные потоки, чем в случае, например, природного газа. Вследствие этого требуются большие сечения впрыска объемного потока синтез-газа. Однако они приводят к плохому предварительному смешиванию воздуха и синтез-газа, из-за чего возникают нежелательно высокие значения NOx. Из-за большого объемного потока нередко достигаются к тому же потери давления при впрыске.
Для достижения хорошего перемешивания используются завихрители, или синтез-газ впрыскивается поперек потока воздуха. Однако с этим связана значительная нежелательная потеря давления. Кроме того, могут образоваться сопутствующие области, приводящие к обратному удару пламени. Этого можно избежать с помощью настоящего изобретения.
На фиг.1 показана топливная форсунка. Она содержит трубу 2 с выходным отверстием 10. Труба 2 связана с топливоподающей магистралью (не показана), которая подает топливо к трубе 2. Топливо впрыскивается из выходного отверстия 10 в поток воздуха 8, кольцеобразно окружающий топливную форсунку. Доходящий до выходного отверстия 10 первый участок 4 трубы выполнен в виде лепестков, а именно таким образом, что происходит, в основном, коаксиальный впрыск топлива в поток воздуха 8. При этом синтез-газ направляется внутри трубы 2.
На фиг.2 показано сечение такого выходного отверстия 10 с шестью отдельными лепестками. Их число зависит, прежде всего, от отдельных типов горелок или типов газовых турбин и может варьироваться. Участок 4 трубы и выходное отверстие 10 за счет своего выполнения в виде лепестков 6 образуют большую контактную поверхность между потоком синтез-газа и потоком воздуха 8. Этим достигается улучшенное смешивание синтез-газа и потока воздуха 8 без повышения потери давления. Указанное выполнение, в частности, предпочтительно, когда поток воздуха 8 и поток синтез-газа имеют разные скорости течения. Кроме того, такое выполнение имеет то существенное преимущество, что образуется второе поле течения, в частности на задних кромках профиля отдельных лепестков. Здесь образуются вихревые структуры. Также это существенно способствует улучшению смешивания, в частности в случае существенного отличия в скоростях течения синтез-газа и потока воздуха 8.
На фиг.3 в виде диаграммы показано улучшенное смешивание с помощью выполненной в виде лепестков топливной форсунки В по сравнению с топливной форсункой А, здесь, например, кольцеобразная сужающаяся труба форсунки из уровня техники. При этом на оси у указана степень несмешивания. Топливная форсунка в виде лепестков имеет более высокое смешивание, однако из-за коаксиального впрыска с меньшей потерей давления.
На фиг.4 показан вариант выполнения предложенной топливной форсунки. В центре ее выходного отверстия 10 в виде лепестков расположена коническая сердцевина 14 лепестков. При этом она может быть выполнена в форме простого или двойного конуса. Это имеет преимущество гладкого перехода обоих потоков друг в друга. Кроме того, такое выполнение препятствует отрыву граничного слоя или образованию областей обратного потока, которые могут вызвать обратный удар пламени.
Предпочтительно на коническую сердцевину 14 лепестков могут быть нанесены насечки 16. Предпочтительно они, во-первых, нанесены по своей радиальной протяженности в соответствии с отдельными лепестками, т.е. насечка 16 и лепестки противоположны друг другу. Этим достигается гладкая выходная поверхность для синтез-газа. Во- вторых, нанесены дополнительные насечки 16, которые противоположны задним кромкам 20 профиля и по своей ширине, в основном, совпадают с ними. Они создают гладкую выходную поверхность для потока воздуха 8. Насечки 16 могут быть выполнены прямыми в направлении течения или извилистыми, чтобы обеспечить, таким образом, завихрения воздуха или топлива.
Следовательно, благодаря выполнению сердцевины 14 лепестков улучшается смешивание в центре топливной форсунки (т.е. вокруг оси впрыска). С помощью сердцевины 14 лепестков смешивание потока синтез-газа с потоком воздуха 8 достигается также в центре лепестков за счет увеличения еще раз контактной поверхности между обоими потоками. Таким образом, возможно сплошное поверхностное перемешивание. Несмотря на поверхностное и, тем самым, очень хорошее перемешивание потеря давления вследствие коаксиального впрыска, однако, мала.
На фиг.5 показан предпочтительный вариант выполнения топливной форсунки с заостренными лепестками, т.е. она выполнена, в основном, пилообразной. Эти пилообразные зубья 22 выполнены на первом участке 4 трубы. Он может иметь в направлении течения постоянный диаметр (т.е. зубья 22, в основном, горизонтальные) или может быть суженным в направлении течения (т.е. зубья 22 наклонены к горизонтальной линии 26, фиг. 6). Второй участок 24 трубы, к которому в направлении течения примыкает первый участок 4, может быть сужен в направлении течения для лучшего впрыска. За счет выполнения топливной форсунки с пилообразными зубьями 22 должны создаваться нужные завихрения в поле течения, что, в свою очередь, улучшает смешивание между синтез-газом и потоком воздуха 8.
Однако и в этом случае, несмотря на поверхностное и, тем самым, очень хорошее перемешивание потеря давления вследствие коаксиального впрыска мала.
На фиг.7 показан вариант выполнения топливной форсунки, согласно изобретению, с подводом двух топлив. Поскольку впускные отверстия для синтез-газа должны обеспечивать большой объемный поток, топливная форсунка выполнена для синтез-газа в виде лепестков 6.
Тангенциальные впускные отверстия 16 для природного газа расположены между двумя лепестками 18. Точка или линия касания двух лепестков 18 между собой называется далее перемычкой 19 лепестков. Это значит, что поток природного газа 33 может впрыскиваться непосредственно в поток воздуха 8 без нахождения между ними лепестка 18. За счет этого природный газ впрыскивается, в основном, поперек потока воздуха 8. На фиг.7 выполнены шесть тангенциальных 16 и одно осевое 17 впускные отверстия для природного газа. В зависимости от горелки и газовой турбины могут варьироваться их число и расположение. Отверстия 16, 17 выполнены, в основном, круглыми посредством сверления.
Подвод синтез-газа и его впускное отверстие для него в виде лепестков 6 и подвод 30 природного газа с впускными отверстиями 16, 17 выполнены при этом так, что при таком же тепловом вводе в отношении синтез-газа и природного газа достигается потеря давления ниже 25 dp/p.
На фиг.8 схематично показан подвод 30 природного газа. Поскольку его объемный поток существенно меньше, чем синтез-газа, диаметр подвода 30 существенно меньше, чем подвод синтез-газа. Для переключения с режима синтез-газа на режим природного газа и наоборот необходимо лишь перекрыть подачу синтез-газа или природного газа. Этого можно достичь без изменений аппаратных средств.
Вместо природного газа можно использовать также любое другое высококалорийное топливо, например мазут. Точно так же форма лепестков 6 впускного отверстия для синтез-газа является лишь примером, и также возможны другие формы такого впускного отверстия.
Предложенная топливная форсунка обеспечивает хорошее перемешивание между объемным синтез-газом и воздухом. Однако благодаря коаксиальному впрыску потеря давления мала. Это позволяет избежать возникающих потерь давления, вызванных, например, только размещением завихрителей и способствует эксплуатации в режиме предварительного смешивания, что также положительно сказывается на значениях NOx.
С помощью предложенной топливной форсунки можно также интегрировать так называемую резервную топливную линию, поскольку работающая на синтез-газе горелка должна эксплуатироваться не только с одним топливом, но и выборочно или даже в комбинации, по возможности, с различными топливами, например нефтью, природным газом и/или угольным газом, чтобы повысить надежность снабжения и гибкость при эксплуатации. Благодаря изобретению можно использовать одну и ту же форсунку для природного газа (или разбавленного природного газа) или синтез-газа. Это упрощает конструкцию горелки и уменьшает число компонентов.
Однако представленная здесь топливная форсунка не ограничена только эксплуатацией с синтез-газом, а может предпочтительно эксплуатироваться с любым топливом. Это преимущество следует особенно подчеркнуть в случае объемного потока топлива. Предложенная топливная форсунка особенно подходит для эксплуатации в режиме предварительного смешивания.