КАМЕРА ДОЖИГАНИЯ
AFTERBURNER CHAMBER

Предлагаемое изобретение - камера дожигания - относится к устройствам для сжигания топливного газа в потоке выхлопных газов из газотурбинного двигателя.
Применение камеры дожигания (КД) позволяет обеспечить высокую эффективность котла-утилизатора при неполной загрузке газотурбинного двигателя (ГТД) и при различных температурах окружающего воздуха, от которых существенно зависит температура выхлопных газов.
Эта задача становится особенно актуальной при использовании в блоках электростанций высокоэффективных ГТД со степенью сжатия компрессора более 20. Для таких двигателей характерна высокая температура выхлопных газов (на номинальном режиме работы в стандартных условиях до 450°С), что требует незначительного подогрева выхлопных газов для получения оптимальной температуры перед котлом-утилизатором 520°С. На режиме работы ГТД 0,5 номинала, что предусмотрено техническими условиями на эксплуатацию двигателя, при отрицательной температуре окружающего воздуха максимальный подогрев выхлопных газов составляет 300°С. Таким образом, камера дожигания должна работать в широком диапазоне расходов топливного газа и выполнять жесткие требования по однородности температурного поля перед котлом утилизатором.
Известным примером использования КД для повышения температуры выхлопных газов является энергоблок системы Сименс для парогазовой ТЭЦ города Гетеборг (см. Гущин А.В., Торжков В.Е. Парогазовая ТЭЦ Siemens для города Гетеборг (Швеция). Турбины и дизели (сентябрь - октябрь) 2007. С.16…21), где применяются несколько автономных кольцевых модулей с уголковыми стабилизаторами, каждый из которых имеет систему зажигания и два топливных контура. При такой конструкции КД трудно обеспечить подогрев выхлопного газа в широком диапазоне нагрузок, одновременно обеспечивая однородное температурное поле перед котлом-утилизатором.
Известна камера дожигания разработки ЦКТИ для Якутской ТЭЦ (см. Акулов В.А., Бутовский Л.С., Жемчугов В.И. и др. Испытания блока дожигающих устройств ГТ-25-700 на Якутской ГРЭС. Теплоэнергетика №6. 1981. С.48…51), в которой использованы уголковые стабилизаторы, расположенные вертикально в одной плоскости с ~60% загромождением проходного сечения газохода. Уголковые стабилизаторы имеют коллекторы, через которые топливный газ раздается вдоль уголка. Для розжига КД используются два горизонтальных стабилизатора аналогичной конструкции, которые выполняют роль дежурной зоны. Раздача топлива производится двумя контурами. Из-за низкой температуры газа на выходе из ГТД камера дожигания имеет узкий диапазон регулирования. Жестких требований к полю температур не предъявляется. Недостатком указанной конструкции является узкий диапазон регулирования температуры газов перед котлом-утилизатором, значительные гидравлические потери, ограниченная область применения из-за отсутствия модульности конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения КД является исключение повышенных потерь в газоходе, снижение трудозатрат за счет удобства монтажа и ремонта, получение однородного требуемого поля температур за счет использования многоконтурной топливоподачи.
Указанная задача достигается тем, что в конструкции КД имеются 11 фронтовых устройств, расположенных горизонтально, с тремя контурами подачи топлива, что позволяет при их последовательной загрузке обеспечивать требуемую температура рабочего газа в котле-утилизаторе при работе ГТД в широком диапазоне нагрузок. Для удобства монтажа каждое фронтовое устройство с уголковыми стабилизаторами и коллекторами для впрыска топливного газа, состоит из двух модулей. Модули устанавливаются попарно относительно вертикальной плоскости. Подача топливного газа осуществляется через боковые стенки газохода коллекторами с отверстиями для равномерной раздачи топливного газа вдоль модулей. Модули, расположенные на центральной горизонтали газохода, снабжены воспламенителями для розжига КД и выполняют функцию дежурной зоны, от которой пламя перебрасывается вверх и вниз на соседние модули. Для гарантированного переброса пламени в модуле от горизонтального стабилизатора вверх и вниз отходят короткие вертикальные стабилизаторы, топливный газ на которые подается через коллекторы, расположенные перед уголками. Вертикальные коллекторы запитываются топливом от горизонтального коллектора.
Для снижения потерь давления в камере дожигания вертикальные уголки выполнены наклонными в сторону выходного сечения газохода, что способствует распространению пламени в вертикальной плоскости и уменьшению местного загромождения с целью снижения гидравлических потерь. С этой же целью, начиная от центрального фронтового устройства, каждый соседний ряд модулей сверху и снизу смещен к выходу газохода так, что бы модули, следующие за центральным, находились в следах пламени от модулей, расположенных вверх по потоку.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что камера дожигания парогазовой установки, размещенная в переходном газоходе, соединяющем выхлоп газовой турбины с котлом-утилизатором, содержащая несколько рядов фронтовых устройств диффузионно-стабилизаторного типа, включающих уголковые стабилизаторы и находящиеся внутри них газовые коллекторы со струйными форсунками подачи топлива, характеризуется тем, что фронтовые устройства собираются из модулей, в которых на кромках уголковых стабилизаторов, с шагом, равным расстоянию между рядами горелочных устройств, с наклоном в сторону выхода установлены поперечные уголки с короткими топливными коллекторами перед ними, соединенными с основным коллектором; фронтовые устройства эшелонированы по длине камеры, причем горелочное устройство, включаемое при запуске первым, расположено первым по потоку и в центре камеры дожигания.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 в качестве примера показан общий вид фронтовых устройств камеры дожигания. Каждое из фронтовых устройств 1, 2 (11 шт.) диффузионно-стабилизаторного типа имеет горизонтальный уголковый стабилизатор, на котором размещены поперечные (вертикальные) уголковые стабилизаторы 3 с шагом S, равным расстоянию между горизонтальными стабилизаторами. Фронтовые устройства 2 эшелонированы по потоку 4 относительно центрального устройства 1. На фиг.2 показан вид на модули камеры дожигания со стороны котла, где видно, что горизонтальные и вертикальные стабилизаторы образуют решетку стабилизаторов. Фланцы 5 топливных коллекторов модулей выходят на наружные боковые стенки газохода. Центральное фронтовое устройство 1 снабжено двумя газовыми воспламенителями 6. Наличие горения топлива в центральном фронтовом устройстве (дежурная зона) контролируется термопарами 7, а контроль и регулирование температуры выхлопных газов перед котлом-утилизатором осуществляется с помощью термогребенки 8 (изображена схематично).
Принципиальная конструкция каждого модуля фронтового устройства показана на фиг.3. Фронтовое устройство содержит горизонтальный стабилизатор 9, внутри которого расположен топливный коллектор 10, на котором выполнены отверстия для раздачи топливного газа 11. На вертикальные стабилизаторы 3 топливный газ подается с внешней стороны через короткие вертикальные коллекторы 12, соединенные с горизонтальным коллектором 9.
Камера дожигания работает следующим образом.
После запуска и выведения газотурбинного двигателя на заданный режим разжигаются воспламенители 6 и подается топливный газ в коллектор центрального фронтового устройства 1. Горение топлива в дежурной зоне контролируется термопарами 7 и термогребенкой 8. При устойчивом горении топливо подается в коллекторы фронтовых устройств 2, расположенных выше и ниже от центрального, и далее последовательно разжигаются фронтовые устройства, примыкающие к зоне горения. Воспламенение топлива во фронтовых устройствах 2 происходит от горящих соседних устройств, чему способствует горение за вертикальными уголками 3 и эшелонирование фронтовых устройств по потоку. Устойчивость горения в КД отслеживается термогребенкой 8, фотодатчиками и визуально посредством видеокамер. Подключение и регулирование фронтовых устройств КД осуществляется автоматически системой управления.
Радиальная эпюра температуры выхлопных газов перед котлом измеряется гребенкой термопар 8, в которой отдельные группы термопар, расположенные в следе за фронтовыми устройствами, определяют уровень локальной температуры выхлопного газа и, следовательно, загрузку каждого устройства. По этим температурам и по заданному алгоритму система регулирования перераспределяет топливо по контурам КД.
Таким образом, благодаря применению в КД фронтовых устройств в виде отдельных модулей облегчается их монтаж и обслуживание, снижаются до минимума температурные напряжения в конструкции и гидравлические потери в газоходе, а многоконтурная подача топливного газа позволяет получить требуемую неравномерность температурного поля перед котлом-утилизатором на всех режимах работы ГТД. С целью осуществления заявленного изобретения для отработки процесса горения в КД был изготовлен отсек с поперечным сечением 400×400 мм, который представлял ~1/100 часть центрального фронтового устройства натурной камеры дожигания и состоял из горизонтального уголкового стабилизатора с топливным коллектором внутри уголка и вертикального стабилизатора с трубкой подачи топлива на его наружную поверхность (перед уголком). Кроме того, было установлено еще одно фронтовое устройство относительно центрального (эшелонирование).
Отсек был укомплектован штатным воспламенителем топлива, устанавливаемым в дежурном фронтовом устройстве. Для выполнения условий подачи воздуха в воспламенитель моделировалось положение воспламенителя относительно фронтового устройства.
Для получения требуемой температуры воздуха на входе в отсек использовался стендовый подогреватель воздуха (камера сгорания, работающая на керосине).
Цель экспериментов:
- оценка параметров воспламенителя, обеспечивающих надежный розжиг фронтового устройства КД;
- проверка устойчивости горения во фронтовом устройстве при крайних возможных параметрах воздуха на входе в отсек и различных расходах топлива;
- оценка влияния конструктивных параметров на стабилизацию пламени;
- исследование переброса пламени между соседними фронтовыми устройствами.
На первом этапе экспериментов отказались от полного моделирования элементов камеры дожигания. Результаты экспериментальных исследований показали следующее.
Горение газа в отсеке камеры дожигания устойчивое, вибрационное горение во всем исследованном диапазоне отсутствует.
Одной из важных задач при испытании отсека была проверка переброса пламени между соседними фронтовыми устройствами.
Для проведений таких испытаний вертикальный стабилизатор был укорочен в 1,5 раза. При этом полностью моделировалась геометрия фронтового устройства в масштабе 1:1,5, а около верхней стенки размещался в указанном масштабе дополнительный горизонтальный стабилизатор с топливным коллектором, имитирующий соседнее фронтовое устройство.
Выполненные испытания отсека позволили подтвердить основные положения проектирования БДУ, а также разработать дополнительные мероприятия, позволяющие повысить надежность работы БДУ в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя в условиях Лидской ТЭЦ республики Беларусь.