СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO BURN FUEL IN COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE PLANT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании и модернизации энергетических газотурбинных установок (ГТУ), потребляющих в качестве энергетического газотурбинного топлива природный газ и другие виды газообразного топлива.
Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в жаровую трубу воздуха и водяного пара для неполного сгорания топлива и последующее его дожигание /RU 2042886, F23R 3/34, 1995/. Отличительной особенностью указанного способа является то, что дожигание топлива осуществляют по меньшей мере в две стадии. Причем неполное сжигание топлива производят с коэффициентом избытка окислителя 0,4-0,8, а дожигание в обеих стадиях с возрастающим коэффициентом избытка окислителя и не менее 0,6 при первой стадии дожигания.
Там же описана камера сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус, жаровую трубу, горелочные устройства, установленные в зоне горения и в зоне дожигания по окружности жаровой трубы, подключенные к ним трубопроводы топлива и водяного пара и воздуховод. Отличительной особенностью камеры сгорания является то, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным горелочным устройством, установленным в зоне дожигания, причем горелочные устройства, расположенные в зоне неполного горения, размещены по оси камеры, а в зоне дожигания смещены по длине жаровой трубы и размещены под разными углами наклона к ее оси.
Недостатком известных способа и устройства является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода.
Наиболее близким к заявляемому является способ турбулентного факельного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ в диффузионном режиме с последующим диффузионным разбавлением продуктов сгорания воздухом [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир. 1986. с.22-23].
Недостатком данного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода. В процессе диффузионного смешения топлива со вторичным воздухом, протекающим по всей длине камеры сгорания ГТУ, не удается достигнуть необходимой степени обеднения топливовоздушной смеси непосредственно в области горения, поэтому не обеспечивается достаточно низкий уровень образования оксидов азота, соответствующий современным экологическим требованиям. Снижение температуры в результате ввода вторичного воздуха ухудшает условия для конверсии монооксида углерода и других продуктов неполного сгорания топлива. Поэтому для их догорания требуется значительное увеличение длины камеры сгорания (жаровой трубы). Кроме того, турбулентный характер и высокая температура горения приводят к высоким термическим и газодинамическим нагрузкам на поверхность камеры сгорания (жаровой трубы), что приводит к сокращению ресурса ее работы.
Наиболее близким к заявляемому является устройство камеры сгорания ГТУ, имеющее одну или несколько форсунок для подачи топлива, входной тракт для нагнетания первичного воздуха в камеру сгорания в область форсунок и устройства для подачи вторичного воздуха в область разбавления продуктов сгорания [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир. 1986. с.25].
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, обеспечивающей распределенную подачу вторичного воздуха по длине камеры сгорания, необходимость большой длины камеры сгорания для обеспечения необходимой полноты конверсии СО и других продуктов неполного сгорания топлива, большие тепловые и газодинамические нагрузки на стенки камеры сгорания (жаровой трубы), сложность охлаждения стенок камеры сгорания (жаровой трубы) и невысокий ресурс их работы.
Авторы решали задачу по созданию способа сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки и устройства для его реализации, лишенных указанных недостатков. Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение температуры процесса, уменьшение выбросов оксидов азота и оксидов углерода, улучшение температурной однородности продуктов сгорания, упрощение конструкции камеры сгорания с одновременным уменьшением ее объема.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается способ сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, при котором его предварительно смешивают с воздухом в определенном соотношении компонентов, топливно-воздушную смесь пропускают через объемную матрицу, а на выходе из матрицы поддерживают пламя в режиме
поверхностного горения при ламинарном потоке топливно-воздушной смеси и при температуре от 1200 до 1500K.
Дополнительно предлагается процесс горения поддерживать во встречных потоках топливно-воздушной смеси.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для реализации способа содержащее корпус со входом для подвода топливно-воздушной смеси и выходом для вывода продуктов сгорания. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что внутри корпуса помещена объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, причем объемная матрица выполнена с полостями, которые соединены с выходом для вывода продуктов сгорания.
Дополнительно предлагается объемную матрицу выполнить из нескольких последовательно соединенных элементов.
Элементы объемной матрицы могут быть выполнены из пенометаллического материала и/или из перфорированной керамики, и/или металлической сетки и/или из пористого карбида кремния.
Осуществление предлагаемого способа и устройства, его реализующего, позволяет осуществить переход от высокотемпературного турбулентного факельного сжигания топлива к беспламенному ламинарному горению вблизи поверхности матрицы, проницаемой для топливовоздушной смеси. При этом развитая поверхность пламени, обеспечивающая высокую интенсивность турбулентного горения, заменяется развитой поверхностью матрицы. Расположение фронта пламени на поверхности матрицы обеспечивает внутреннюю рекуперацию тепла от пламени к топливовоздушной смеси по цепочке пламя - матрица - топливовоздушная смесью. Такой рекуперационный подогрев топливовоздушной смеси обеспечивает возможность сжигания бедных топливно-воздушных смесей, снимает проблему догорания топлива и позволяет рассчитывать на значительное сокращение длины камеры сгорания.
Низкая (1300-1500°С) температура пламени, стабилизированного вблизи поверхности матрицы, исключает образование заметной концентрации оксидов азота NOx, и снимает большую часть проблем с охлаждением элементов конструкции ГТУ. При этом существенно упрощается вся конструкция камеры сгорания за счет отсутствия таких сложных и ненадежных компонентов традиционных камер сгорания, как жаровая труба и система ее охлаждения, система подачи вторичного воздуха. Снижаются требования к конструкционным материалам камеры сгорания, повышается ее ресурс.
Сжигание топлива в ламинарном режиме вблизи поверхности матрицы делает процесс горения более стабильным, устраняя такие характерные для турбулентного горения явления, как пульсация пламени и повышенное образование вредных выбросов в результате локальных повышений температуры и концентраций компонентов горючего даже при сжигании бедных смесей.
Однородность (подобие) процесса горения вблизи каждого элемента поверхности матрицы существенно облегчает масштабирование и компоновку камер сгорания для ГТУ различной мощности.
Достоинством поверхностного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ, выгодно отличающим его от предлагаемых для снижения уровня выброса вредных веществ каталитических конвертеров, является газофазный характер горения, при котором продукты горения не взаимодействуют с поверхностью матрицы. Помимо повышения ресурса камеры сгорания это делает возможным использование одной и той же камеры сгорания для сжигания различных видов жидкого и газообразного топлива. Новый тип камер сгорания также расширяет возможность использования в ГТУ низкокачественных и альтернативных топлив. За счет упрощения конструкции камеры сгорания и отсутствия зоны догорания топлива можно ожидать снижения ее габаритно-весовых характеристик по сравнению камерами сгорания типовых ГТУ.
На прилагаемом чертеже представлено заявляемое устройство, где 1 - корпус, 2 - вход для подвода топливно-воздушной смеси, 3 - выход для вывода продуктов сгорания, 4 - объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, 5 - полости, соединенные с выходом для вывода продуктов сгорания 3.
Способ осуществляют, а устройство работает следующим образом. Заранее подготовленная топливно-воздушная смесь поступает на вход 2 корпуса 1, Смесь, проходя по периферии внутреннего пространства корпуса 1, охлаждает его и затем, пройдя сквозь проницаемую объемную матрицу 4, попадает в полости 5, где на поверхности матрицы происходит процесс горения. Продукты сгорания поступают на выход 3.