Аэродинамические и тепловые характеристики камер сгорания ГТУ с горелочной системой трубчатого типа

3. Кузнецов, В. В. Проектирование теплообменных аппаратов для ГТУ сложных циклов [Текст] / В.В. Кузнецов, Д.Н. Соломо-нюк // Вісник НТУ „ХПІ”. Збірник наук.праць. - Харків: НТУ „ХПІ”. - 2008.-№35. -С.78-88.

4. Калинин, Э. К. Интенсификация теплообмена в каналах [Текст] / Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, С. А. Ярхо. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.

5. Кузнецов, В. В. Оптимизация массогабаритных показателей регенераторов ГТУ [Текст] / В.В. Кузнецов, Д.Н. Соломонюк// Восточно - Европейский журнал передовых технологий 4/6(40), 2009. - С.48-52.

6. Халатов А. А. Теория и практика закрученных потоков [Текст] / А. А. Халатов - К.: Наукова Думка, 1989.- 200 с.

7. Халатов, А. А. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил в 9 т. [Текст]/ А. А. Халатов, А. А. Авраменко, И. В. Шевчук. - К.: Изд. Ин-та технической теплофизики НАН Украины, 2010 - Т. 9: Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газових турбин . - 2010. -317 с.

8. Кузнецов, В. В. Теплоотдача при закрутке потока внутри трубчатых каналов теплообменных аппаратов газотурбинных установок [Електронний ресурс] / В.В. Кузнецов, С.Н. Мовчан, В.И. Романов, А.П. Шевцов // Електронне видання Вісник НУК, Зб. наук. праць - Миколаїв: НУК, 2011. - № 4.

9. Кузнецов, В. В. Представление и обощение экпериментальных исследований теплоотдачи при закрутке потока внутри трубчатих каналов элементов газотурбинной установки [Текст] / В.В. Кузнецов, С.Н. Мовчан, В.И. Романов, А.П. Шевцов // Зб. наук. праць НУК - Миколаїв: НУК, 2011. - № 5. С. 69-75

-------------------- ------------------------

Наведено результати дослі джень

аеродинамічних та теплообмінних процесів у камері згоряння газотурбінної установки (ГТУ) з пальниковою системою, виготовленою на основі використання трубчастої технології газоспалю-вання (ТТГ). Показано комплекс переваг трубчастих пальникових систем для забезпечення якісного сумішоутворення та високого рівня рівномірності полей швидкості і температур у процесі спалювання суміші. Доведено можливість створення малоемісійної камери згоряння для ГТУ будь-якої потужності

Ключеві слова: камера згоряння, трубчаста технологія газоспалювання, комплексні переваги сумішоутворення, згоряння

-------------------------------------

Рассмотрены особенности тепловых и аэродинамических характеристик камер сгорания ГТУ с горелочной системой, изготовленной на основе применения трубчатой технологии газо-сжигания (ТТГ). Анализируются преимущества трубчатых горелочных систем для обеспечения качественного смесеобразования и высокого уровня равномерности полей скоростей и температур при сжигания топливной смеси. Показана возможность создания малоэмиссионной камеры сгорания для ГТУ любой мощности

Ключевые слова: камера сгорания, трубчатая технология газосжигания, комплексные преимущества смесеобразования, горения -------------------- ------------------------

УДК 621.43.056

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ

и тепловые

ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР СГОРАНИЯ гту С ГОРЕЛОЧНОй

системой трубчатого типа

Г. Б. Варламов

Доктор технических наук, профе^ор, проректор*

E-mail: varlamov@kpi.ua А. А. Халатов

Доктор технических наук, профессор, академик Национальной академии наук Украины, заведующий кафедрой Кафедра «Физика энергетических систем» Физико-технический институт* пр-т Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056 E-mail: Artem.Khalatov@vortex.org.ua *Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

1. Введение

Современное развитие промышленных секторов экономики различных стран часто сталкивается с проблемой надежного и постоянного энергообеспечения. Чаще всего это относится к промышленным комплексам или отдельным предприятиям отечественных или международных корпораций, которые развиваются самостоятельно и строят свои объекты в странах с минимальным

налогообложением и нуждаются в увеличении потребляемой тепловой и электрической мощности.

В решении вопроса энергообеспечения предриятий корпорации все чаще используют газотурбинные установки (ГТУ) или тепловые схемы с использованием этих высокотехнологических агрегатов. Для Украины основными объектами с широким использованием газотурбинных установок являются компрессорные станции (КС) газотранспортной системы (ГТС), где

они применяются для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА), металургия и энергетика. В последнее время к этим агрегатам предъявляются особые требования по надежности эксплуатации, экономичности и экологичности [1, 2]. При этом ведущую роль в обеспечении этих показателей играют камеры сгорания, которые являются наиболее теплонапряженным элементом камеры сгорания.

В статье рассмотрены результаты анализа аэродинамических и тепловых характеристик в камере сгорания газотурбинных установок (ГТУ) с горе-лочной системой, выполненной на основе трубчатой технологии сжигания газа (ТТГ) [3, 4].

2. Постановка проблемы в общем виде

Для каждого типа ГТУ предприятия-изготовители используют различные способы, методы и конструктивные особенности жаровой трубы и горелочного устройства для снижения концентрации оксидов азота NOx и оксида углерода СО в выхлопных газах [1].

Камеры сгорания ГТУ различных производителей сильно отличаются друг от друга даже для одинаковой мощности и достигнутых значений эмиссии NOx и СО. Тиражирование ГТУ по мощности за счет использования одинаковой (или подобной) конструкции отработанных горелочных не надежно в связи с непредсказуемостью процесса смешения и сжигания в горелочных системах регистрового, форкамерного и другого типа.

Ведущие мирове производители в области газотур-бостроения, такие как General Electric, Siemens, Solar Turbines, Rolls-Royce, Mitsubishi в жесткой конкуренции идут по пути создания и внедрения собственных си-тем смесеобразования и сжигания топливо-воздушной смеси в камерах сгорания, которые характеризуються высокой сложностью. Это осуществляется с целью монополизации разработки и обеспечения невозможности копирования разработки конкурирующими фирмами, т.е. для обеспечения монопольной защищенности [4, 5].

Это значительно повышает стоимость конструкции, усложняет ее эксплуатацию и требует даже при относительно простих профилактических операциях и ремонтах присутствия представителя завода-разра-ботчика, что удорожает ремонт и приводит к увеличению его срока. Эти обстоятельства не только увеличивают эксплуатационные расходы, но и «привязывают» пользователей ГТУ к заводам-изготовителям на длительное время, т.е. обременяют первых наличием неэффективных и затратных связей. Особенно заметно это проявляется в том случае, если используются ГТУ иностранного производства. Вопрос ремонтнопригод-ности и взаимозаменяемости является проблемным для всех элементов ГТУ, но особенно остро он стоит для камер сгорания.

В связи с этим особенно актуальным является вопрос создания универсальных и тиражируемых по мощности технологий сжигания топлива и камер сгорания с низким уровнем эмиссии вредных и парниковых газов, что позволит в период эксплуатации и ремонта ГТУ освободиться от поставок зарубежных фирм-производителей газотурбинной техники. Это также позволит создать условия для распространения этих технологий на другие энергетические установки [6-8].

3. Предпосылки создания и особенности трубчатой технологии газосжигания

Украина относится к немногочисленным странам, обладающим высокотехнологическим оборудованием по производству ГТУ. Поэтому для страны важно развивать свои отечественные технологии в газотурбострое-нии, способствующие увеличению конкурентоспособности выпускаемых газотурбинных двигателей (ГТД) с обеспечением высокой эффективности, экологической безопасности и экономической привлекательности.

Отсутствие механизмов эффективной мотивации разработки инновационных отечественных технологий в процессах конструирования и производства ГТУ не позволяет заводам-изготовителям газотурбинной техники мобильно реагировать на запросы рынка и вести постоянную научно-исследовательскую и проектно-конструкторскую работу в этом направлении. Не ведутся также систематические научные работы и по фундаментальным и прикладным задачам газотурбостроения.

Стереотип действия новых руководителей отечественных заводов-производителей ГТУ базируется на принципе максимальной прибыли при минимальных затратах. На коротком отрезке времени для специфических условий под воздействием внутренних и внешних факторов эта стратегия оправдана. Однако на длительный период времени такая стратегия приводит к застою в перспективных разработках и создает предпосылки хронического запаздывания в развитии и необратимого проигрыша в конкуренции с другими производителями аналогичного оборудования и систем.

Позитивным моментом для Украины остается наличие в отечественной научной среде творческих, пусть и немногочисленных научных коллективов в составе высших учебных заведений и академических институтов, которые продолжают без финансовой поддержки государства и предприятий проводить по собственной инициативе научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по созданию современных технологий, устройств и систем инновационного наполнения, в том числе и для газотурбинной отрасли промышленности. В таким коллективам относится Научно-технический центр «Экотехнологии и технологии энергосбережения» (НТЦ «ЭКОТЭС») Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт», работающий в содружестве с Отделом высокотемпературной термогазодинамики Института технической теплофизики НАНУ [4, 9].

За последние годы специалистам НТЦ «ЭКОТЭС» удалось разработать и испытать в составе реальных камер сгорания газотурбинных двигателей новую трубчатую технологию газосжигания (ТТГ), которая по своим свойствам способна составить серьезную конкуренцию существующим зарубежным технологиям сжигания газа в камерах сгорания ГТУ [9-15]. Лабораторные, стендовые и промышленные испытания горелочных систем трубчатого типа в составе камер сгорания ГТУ мощностью 6 и 10 МВт [11, 12, 13], а также горелочной системы с использованием ТТГ в ГТУ мощностью 25 МВт [14, 15] позволяют утверждать, что при реализации в камерах сгорания ТТГ газотурбинные установки могут получить ряд положительных свойств, к числу которых относятся следующие:

3

- низкое аэродинамическое сопротивление по воздушному тракту;

- прямоточное высокоскоростное движение топливовоздушной смеси в горелке и в жаровой трубе;

- короткое время пребывания газовоздушной смеси в зоне горения;

- возможность плавного регулирования способом смесеобразования с контролем заданной интенсивности;

- обеспечение высокого уровня полноты сгорания топлива в широком диапазоне значений коэффициента избытка воздуха.

Эти характеристики ТТГ способствуют приданию горелочным системам целого ряда положительных свойств, основные из которых следующие:

- универсальность (возможность эффективного использования в установках различных типов с возможностью сжигания различных газообразных топливных сред);

- унифицированность (горелочные системы для установок различных типов и мощностей создаются на основе одной методики);

- надежность работы (ограниченное тепловыделение вблизи горелки и отсутствие условий для проска-кивания пламени);

- устойчивое зажигание и стабилизированный режим горения в широком диапазоне нагрузок и значений коэффициента избытка воздуха;

- простота конструкции;

- обеспечение малошумности и минимальных вибраций в элементах и всей установки в целом;

- надежность конструкции и отсутствие необходимости в серьезных ремонтных мероприятиях в процессе эксплуатации.

4. Аэродинамические и тепловые характеристики горелочных систем на основе ТТГ

Аэродинамические и тепловые характеристики го-релочных систем на основе использования ТТГ подробно изучены при различий организации газовоздушных потоков в одной и той же камере сгорания ГТУ со штатной (регистровой) системой и системой трубчатого типа в газоперекачивающем агрегате ГТК-10 [12, 13]. Показано, что использование горелочной системы трубчатого типа с микрофакельным механизмом сжигания позволяет обеспечить высокую степень гомогенизации топливовоздушной смеси и прямоточность ее движения с минимальным временем пребывания в зоне горения.

На рис.1 видно, что на расстоянии 3...5 см от фронтальной поверхности горелочной системы практически исчезает неравномерность концентрации газа по всему поперечному сечению зоны сжигания. В камере сгорания с горелочной системой трубчатого типа отсутствуют области резкого изменения скорости потока и неравномерности поля скорости по ходу движения газа от входа к выходу из жаровой трубы, что обеспечивается упорядоченной структурой и оптимизированным расположением трубчатых модулей по всему поперечному сечению жаровой трубы.

Одновременно с этим, горелочная система трубчатого типа за счет более низкого аэродинамического сопротивления позволяет увеличить массовую долю

воздуха, участвующего в процессе сжигания, что позволяет на 15...20% увеличить коэффициент избытка воздуха и увеличить скорость движения воздушного потока в зоне горения. Это, в свою очередь, способствует уменьшению эмиссии N0,^ и СО.

2 мм 10 мм 20 мм

30 мм 40 мм 50 мм

Рис. 1. Концентрация природного газа в различных сечениях жаровой трубы от фронта подачи топлива из горелки трубчатого типа

Анализ аэродинамических и температурных полей в жаровой трубе с горелочной системой трубчатого типа показывает следующие преимущества по сравнению с регистровыми (завихрительными) горелочными системами:

- по сечению жаровой трубы и вдоль нее от входного сечения жаровой трубы до входа на лопаточный аппарат температурное поле имеет высокий уровень равномерности и не претерпевает каких-либо качественных изменений, оно не содержит локальных зон и объемов с высоким температурным градиентом;

- поля скоростей газовых потоков по поперечному сечению жаровой трубы и в осевом направлении от фронтового устройства к выходу из камеры сгорания характеризуются высокой степенью однородности;

- аэродинамическое сопротивление фронтового устройства на 30% ниже по сравнению со штатным фронтовым устройством.

Таким образом, для горелочной системы трубчатого типа характерным является качественное улучшение характера и условий сгорания топливоздушной смеси. Скоростные и температурные поля высокой равномерности способствуют обеспечению высокачественного процесса превращения химической энергии топлива в тепловую и кинетическую энергию с уменьшением времени пребывания смеси в зоне горения и существенному снижению эмиссии оксидов азота и углерода.

5. Перспективы дальнейшего использования ТТГ в ГТД

Горелочные системы трубчатого типа позволяют осуществить малозатратную и быструю модернизацию горелочных систем существующих камер сгорания практически без изменений в конструкции топливо-и воздухоподводов, жаровых труб и направляющего лопаточного аппарата. Модернизация является эффективной в экономическом и экологическом плане. Среди главных факторов, влияющих на высокий уровень эффективности и экологичности ГПА, в котором в качестве привода служит ГТУ с горелочной системой трубчатого типа, необходимо назвать следующие:

Е

• высокий уровень равномерности полей скорости и температуры газового потока в жаровой трубе;

• высокий уровень качества смесеобразования и сгорания газовоздушной смеси;

• снижение аэродинамического сопротивления фронтового устройства трубчатого типа воздушному потоку позитивно влияет на эффективность и экологичность камеры сгорания ГТУ и агрегата в целом.

Указанные особенности ТТГ позволяют успешно реализовать принцип эффективного тиражирования единичной мощности горелочной системы трубчатого типа с высокими энергетическими и экологическими показателями для камер сгорания различного вида и типа.

6. Выводы

Реализация на практике горелочных систем на основе ТТГ позволит создавать универсальные конструкции систем сжигания топлива и камер сгорания, тиражируемые по мощности и обладающие высокими экологическими показателями. Они могут быть использованы в традиционных и каталитических камерах сгорания ГТУ, системах когенерации с дожиганием топлива, циклах ПГУ и ГПУ типа «^ТІС» и «Водолей» для однотопливных и многотопливных горелочных систем, включая сжигание водорода. Реализация на практике ТТГ позволит освободиться от поставок зарубежных фирм-производителей газотурбинной техники в период эксплуатации и ремонта ГТУ.

Литература

1. Костенко, Д. А. Модернизация газотранспортной системы Украины: проблемы создания новых газоперекачивающих агрегатов [Текст]/ Д. А. Костенко, В. В. Романов, А. А. Халатов// Промышленная теплотехника. - 2011.- Т.33,№2. - С.41-45

2. Халатов, А. А. Состояние и проблемы развития механического привода для ГТС Украины [Текст]/ А. А. Халатов, А. А. До-линский, Д. А. Костенко, В. П. Парафейник// Промышленная теплотехника. - 2010. - № 1. - С. 44-53.

3. Говдяк, Р. М. Актуальные проблемы модернизации газотурбинных газоперекачивающих агрегатов [Текст]/ Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов// Экотехнологии и ресурсосбережение.-2003.-№5.-С. 66-72.

4. Варламов, Г. Б. Новое поколение горелочных систем ГТУ на основе трубчатой технологии сжигания газа [Текст]/ Г. Б. Варламов, А. А. Халатов, П. О. Позняков, Д. Н. Юрашев// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Т. 3, №10 (57). - 2012. - 9-14 с..

5. Любчик, Г. Н. Создание малотоксичных камер сгорания ГТУ [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Г. С. Марченко, Г. А. Микулин, С. А. Левчук// Экотехнологии и ресурсосбережение.-2003.-№ 2.-С. 65-74.

6. Любчик, Г. Н. Перспективы повышения надежности, экологической безопасности и энергетической эффективности ГПА на основе применения трубчатой технологи сжигания газа [Текст]/ Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Л. Б. Чабанович, О. Г. Гриник, Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов// Ін-т електродинаміки Національної академії наук України. Спеціальний випуск. - К: Інститут електродинаміки НАН України. - 2006.-С.54-57.

7. Любчик, Г. Н. Новая технология создания и использования эффективных и высокоэкологичных горелочных устройств для энергетических котлов и камер сгорания ГТУ и ПГУ [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов; Под редакцией Вороновского Г. К., Недина И. В.// Инновационное развитие топливно-энергетического комплекса: проблемы и возможности. - К.: Знания Украины. - 2004. - С.115-121.

8. Варламов, Г. Б. Технология повышения энергетической и экологической эффективности работы котлов и камер сгорания ГТУ [Текст]/ Г. Б. Варламов, Г. Н. Любчик, И. В. Олиневич, А. В. Ивасенко// Мир техники и технологий . - 2006. - №4 -С.64-65.

9. Любчик, Г. Н. Использование конструктивных особенностей и аэродинамических эффектов насадка Борда при создании малотоксичных топливосжигающих модулей [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, Г. А. Микулин, С. А. Левчук, А. А. За-рицкий, Н. Н. Ольховская// Технологические системы.- 2002.- № 1.- с. 130-133.

10. Любчик, Г. Н. Создание малотоксичных камер сгорания ГТУ [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, Р. М. Говдяк, Б. И. Шелковский, Г. С. Марченко // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. -№ 2. -С. 65-74.

11. Варламов, Г. Б. Трубчаста технологія газоспалювання - прорив у енергозбереженні та екологічності транспортування природного газу [Текст]/ Г. Б. Варламов, Я. С. Марчук, М. В. Беккер, Г. М. Любчик, Ю. М. Камаєв, П. О. Позняков, Д. О. Кузьменко// Нафтова і газова енергетика. - 2010. - Т.12,№1 - С. 60-63.

12. Варламов, Г. Б. Комплексні дослідження енергоекологічних показників експлуатації ГТУ у складі газоперекачувального агрегату типу ГТК-10. [Текст]/ Г. Б. Варламов, П. О. Позняков, Д. М. Юрашев// Энергосбережение, энергетика, энергоаудит . -№01 (95) 2012. - 15-25 с.

13. Варламов, Г. Б. Особенности горелочной системы трубчатого типа для камеры сгорания ГТУ в составе ГТК-10. [Текст]/ Г. Б. Варламов, П. О. Позняков, Д. Н. Юрашев// Экотехнологии и ресурсосбережение. - №2. - 2012г.

14. Любчик, Г. Н. Результаты испытаний камеры сгорания ГТД ДГ80 с низко-эмиссионным горелочным устройством на базе трубчатых модулей [Текст]/ Г. Н. Любчик, Г. Б. Варламов, В. В. Романов, В. Г. Ванцовский, В. В. Вилкул // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Современные технологии в газотурбостроении. Часть III. - Т.40,№ 4/6. - 2009. - 13-18 С.

15. Варламов, Г. Б.Модернизация горелочной системы газотурбинного двигателя ДН80 с использованием трубчатой технологии газосжигания [Текст]/ Г. Б. Варламов, Ю. М. Камаев, П. О. Позняков, Д. Н. Юрашев// Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях.- Харків: НТУ «ХПІ». -№18. - 2012.- С. 117-126.