АГРЕГАТИРОВАННАЯ ГОРЕЛКА
PACKAGED BURNER

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности - к конструкциям горелочных устройств, работающий на жидких топливах (мазут, дизтопливо) и газе, и может использоваться для энергосбережения в различных областях техники.
В состав общеизвестных горелочных устройств входят камера горения, воздушный тракт с нагнетателем воздуха (вентилятором) в камеру горения, электропривод (электромотор) вентилятора, система подачи топлива (газа, жидкого топлива), включающая форсунки, а, в случае использования жидкого топлива - насос с электроприводом, газовод для подачи высокотемпературных продуктов сгорания в котлоагрегат, сопряженный с камерой горения, запальные устройства, запорнорегулирующая арматура и т.п.
Наиболее широкое распространение получили агрегатированные горелки, предназначенные для малых, в том числе - мобильных, котельных мощностью от 1,1 до 5 МВт, разработанные фирмами "Вайсхаут" (Германия), "Ойлон" (Финляндия). Потребляемая электрическая мощность такой агрегатированной горелки мощностью 2 МВт только на привод вентилятора и насоса составляет ~3,75 кВт, суммарная мощность электропотребления малой котельной, в основе которой эксплуатируется такой горелка, достигает величины 23 кВт, а затраты на электроэнергию при непрерывной эксплуатации котельной в течение 1 года при современных ценах на электроэнергию могут быть более ~400000 руб.
Задача экономии электроэнергии (вплоть до полного исключения электропотребления от внешних источников тока) при эксплуатации малой котельной особенно актуальна при отсутствии необходимой для этого инфраструктуры, например, в случае отсутствия соответствующих коммуникаций, что может быть при обустройстве временных пунктов базирования, проведении ремонтных работ, при разработке новых месторождений и т.д.
Известна взятая за прототип заявляемого изобретения конструкция агрегатированной горелки по патенту (RU 2013700 C1, F23D 11/00, F23D 17/00, 30.05.1994), содержащая камеру горения с запальным устройством, магистраль подачи жидкого топлива с топливным насосом и форсункой, а также магистраль подвода газа с газовой форсункой в камеру горения, воздушный тракт, включающий нагнетатель воздуха в камеру горения, имеющий турбинный и электрический приводы, газовод для подвода продуктов сгорания из камеры горения в топку котельного агрегата. Данная конструкция обеспечивает снижение электропотребления котельной за счет исключения их затрат на привод вентилятора и топливного насоса.
Недостатки горелки по прототипу обусловлены месторасположением турбины в зоне горения, где температура достигает 2200 К. При таких температурах работоспособность турбины можно обеспечить двумя способами:
- введением охлаждения соплового аппарата, диска лопаток и вала турбины, что существенно усложняет ее конструкцию, так как требует, например, выполнения каналов в элементах конструкции для протока охладителя и введения в состав горелки дополнительных устройств, обеспечивающих подачу воздуха в указанные каналы, существенно повышает ее стоимость и требует создания новых технологий, так как существующие в настоящее время технологии не обеспечивают возможности создания малоразмерных охлаждаемых турбин;
- выполнением турбины из жаропрочных материалов, рассчитанных на указанный выше уровень температур, что также связано с созданием новых технологий обработки таких материалов, как например, вольфраморениевые, молибдено-рениевые сплавы, интерметаллиды и т.д., в обеспечение возможности создания таких турбин.
В силу указанных выше причин, затраты на разработку горелок по прототипу могут быть очень высокими, а производство их - экономически нецелесообразным.
Еще одним недостатком горелки по прототипу, связанным с месторасположением турбины в камере горения, является ограниченный резерв ее мощности из-за небольшой степени расширения продуктов сгорания на турбине, вследствие малого напора вентилятора, исключающей возможность достижения достаточно высоких значений адиабатической работы продуктов сгорания на турбине, вследствии чего ее располагаемой мощности хватает лишь на привод вентилятора и топливного насоса.
И, наконец, расположение турбины по оси камеры горения исключает возможность центрального расположения топливной форсунки, что нарушает равномерность смесеобразования в камере и негативно влияет на полноту сгорания топлива.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение экономичности малых котельных, использующих агрегатированные горелки, вплоть до исключения электропотребления от внешних источников и самообеспечения электроэнергией при упрощении конструкции горелки и повышения ее технологичности.
Технический результат обеспечивается тем, что в горелке, содержащей камеру горения, газовод для подвода продуктов сгорания в топку котельного агрегата, воздушный тракт, включающий нагнетатель воздуха в камеру горения, имеющий турбинный и электрический приводы, магистраль подвода газа с форсункой и топливную магистраль с насосом и форсункой, нагнетатель воздуха выполнен в виде автономного агрегата турбокомпрессора, вал которого кинематически связан с валом электрогенератора, реализующего также обратную функцию - электромотора при запуске горелки, в газоводе установлен теплообменник-подогреватель, вход и выход теплопринимающего тракта которого сообщены, соответственно, с выходом компрессора и входом турбины турбокомпрессора; при этом вход в компрессор сообщен с заборником воздуха из окружающей среды, а выход турбины - со входом воздушного тракта в камеру горения.
При таком исполнении конструкции заявляемой горелки появляется возможность существенного повышения избыточной (по сравнению с компрессором) мощности турбины при подогреве рабочего тела турбины -воздуха в теплообменнике, расположенном в газовом тракте горелки на выходе камеры горения, до уровня допустимой для материала конструкции турбины(например, нержавеющая сталь) величины ~800°C, исключающей возгорание материалов конструкции турбины в воздушной среде. В основном повышение мощности турбины обусловлено увеличением адиабатной работы газа на турбине за счет срабатываемого на ней перепада давления, который обеспечивается более высокой степенью повышения давления в компрессоре по сравнению с вентилятором - в прототипе. Упомянутый избыток мощности турбины преобразуется в электрическую мощность при работе горелки на режиме посредством кинематически связанного с турбокомпрессором электрогенератора, вырабатываемая при этом электроэнергия (при условии ее преобразования средствами потребителей) может обеспечить все потребности малой котельной, использующей горелку.
Так, расчетная оценка показывает, что газомазутная агрегатированная горелка с тепловой мощностью 2 МВт, конструкция которой выполнена в соответствии с предлагаемым изобретением, при расходе воздуха через турбокомпрессор и в камеру горения - 0,7168 кг/с с температурой на входе в турбину ~800°C (1073 К), повышении давления в компрессоре в три раза и потерях давления в тракте продуктов сгорания теплообменника - 0,3 атм, а в его воздушном тракте - 0,1 атм, при реальных значениях коэффициентов полезного действия компрессора - 0,75, турбины - 0,84 и электрогенератора - 0,95 способна вырабатывать, кроме указанной тепловой мощности, до ~24 кВт электрической мощности, которой достаточно для полного самообеспечения котельной электроэнергией, что определяет новое качество - автономность котельной и ее независимость от внешних источников электроэнергии при использовании заявляемой горелки.
На чертеже представлена принципиальная схема горелки.
Горелка включает в свой состав: камеру горения 1 с запальным устройством 2, магистраль подачи жидкого топлива с топливным насосом 3 и форсункой 4, магистраль подачи газа с газовой форсункой 5, воздушный тракт 6 на входе в камеру горения 1 с нагнетателем воздуха в виде турбокомпрессора 7, вал которого кинематически связан с валом топливного насоса, тракт подачи продуктов сгорания 8 в котельный агрегат, электрогенератор 9, кинематически связанный с валом турбокомпрессора 7. Выход компрессора сообщен со входом в воздушный тракт теплообменника 10, установленного в тракте 7 на выходе камеры горения, вход в компрессор - с заборником воздуха 11 из окружающей среды, вход в турбину - с выходом воздушного тракта теплообменника 10, выход из турбины - со входом в воздушный тракт 6 камеры горения 1. Вал турбокомпрессора 7 кинематически связан, через рессору 12, с валом электрогенератора 9, и, через муфту 13 - с топливным насосом 3.
Для обеспечения требуемых потребителями параметров электроэнергии (напряжение, частота переменного тока) в составе котельной должен быть предусмотрен блок преобразования напряжения и частоты электрического тока 14, а для питания электрогенератора в режиме "мотор" при запуске горелки в случае автономной эксплуатации котельной - аккумуляторная батарея 15.
Для управления процессом запуска, останова, выведения на тепловой режим горелки и ее регулирования в котельной должен быть предусмотрена центральная система управления (СУ) 16. Для регулирования режима работы турбокомпрессора в составе горелки предусмотрен регулятор в виде дросселя 17 с электроприводом 18, установленный в магистрали перепуска воздуха с выхода компрессора на выход турбины (исполнительный элемент СУ), и датчик оборотов ротора 19 электрогенератора (чувствительный элемент СУ).
При запуске горелки подается электрическое напряжение на электропривод 18 дросселя 17. Электропривод 18 устанавливает дроссель 17 в полностью закрытое положение. Включается муфта 12, обеспечивая кинематическую связь вала электрогенератора 9 с валом турбокомпрессора 7. В случае использования мазута или дизельного топлива, включается муфта 13, обеспечивая кинематическую связь приводного вала насоса 3 с валом турбокомпрессора 7. Подается электрическое напряжение на запальное устройство 2. На вход топливного насоса подается предварительно разогретый мазут или дизельное топливо. При автономном использовании котельной разогрев мазута может осуществляться электрообогревателем в системе подогрева топлива котельной за счет электроэнергии поступающей из аккумуляторной батареи 15. При использовании газового топлива на вход в газовую магистраль с форсункой 5 подается природный газ. Одновременно от аккумуляторной батареи 15 через блок преобразования 14 подается электрическое напряжение на обмотки статора электрогенератора 9, включая его в режиме "электромотор". Электрогенератор 9 в режиме "электромотор" приводит во вращение вал турбокомпрессора 7 и (в случае работы на жидком топливе) - вал насоса 3; обеспечивая подачу воздуха и топлива (через форсунку 4) в камеру горения 1. Зажигательное устройство 2 создает электрический разряд в камере горения 1, воспламеняя смесь воздуха и распыленного форсункой 4 жидкого топлива (а в случае использования газа смесь природного газа с воздухом). После воспламенения снимается электрическое напряжение с запального устройства 2. Высокотемпературные продукты сгорания из камеры горения 1 поступают в тракт подачи продуктов сгорания 8, где осуществляется прогрев конструкции теплообменника 10 и подогрев поступающего в него с выхода компрессора воздуха. Подогретый воздух с выхода воздушного тракта теплообменника 10 поступает на вход в турбину турбокомпрессора 7, которая преобразует его тепловую энергию в механическую энергию вращения вала турбокомпрессора 7. По мере разогрева теплообменника 10 температура воздуха на входе в турбину повышается, увеличивается располагаемая мощность турбины, повышается давление на выходе из компрессора и расход воздуха в камеру горения. Одновременно повышается расход жидкого топлива (с увеличением оборотов насоса 3) или газа (средствами регулирования котельной) в камеру горения; при этом осуществляется поддержание необходимого соотношения между расходами топлива и воздуха. При превышении располагаемой мощности турбины над мощностью компрессора, избыток мощности турбокомпрессора 7 реализуется в виде крутящего момента на валу электрогенератора, вследствие чего требуемая мощность электропитания электрогенератора 9 уменьшается до 0, электрогенератор 9 переходит из режима "электромотор" в режим выработки электроэнергии, которая поступает на подзарядку аккумуляторной батареи 15 и частичное электроснабжение систем котельной.
После выхода теплообменника на установившийся режим максимальная избыточная мощность турбокомпрессора 7, поступающая на вращение электрогенератора 9, реализуется на выработку электроэнергии с максимальной электрической мощностью, которая поступает на подзарядку аккумуляторных батарей 15 и на питание электрических систем, обеспечивающих функционирование котельной. После окончания подзарядки аккумуляторной батареи 15 электроэнергия от электрогенератора 9 полностью поступает на питание систем котельной, при этом система управления 16 поддерживает постоянство частоты вращения ротора турбокомпрессора 7, обеспечивая тем самым постоянство напряжения и частоты вырабатываемого электрического тока. Например, при снижении мощности электропотребления котельной и связанном с этим увеличении оборотов роторов системы "электромотор-турбокомпрессор" по сигналу датчика оборотов 19 система управления 16 формирует команду на электропривод 18, который переводит дроссель 17 в направлении открытия дросселирующего сечения, расход перепускаемого воздуха с выхода компрессора на выход турбины увеличивается, располагаемая мощность турбины и избыток мощности турбокомпрессора уменьшаются до уровня соответствующего электрической мощности потребления котельной.
Останов горелки осуществляется прекращением подачи жидкого топлива или газа в соответствующую магистраль. При этом прекращается поступление топлива в камеру горения и подвод энергии в теплообменник, вследствие чего уменьшается нагрев воздуха в теплопринимающем тракте теплообменника, его температура на входе в турбину. По мере остывания конструкции теплообменника обороты роторов турбокомпрессора 7 и электрогенератора 9, при отсутствии подвода энергии от внешних источников, уменьшаются вплоть до прекращения их вращения. По мере падения оборотов давление в контуре теплообменник-турбокомпрессор уменьшается. Прекращается расход воздуха через турбокомпрессор в камеру горения. Горелка приходит в исходное состояние.
Заявленная конструкция агрегатированной горелки способна вырабатывать электроэнергию в количестве, достаточном для полного обеспечения котельной. При этом тепловая мощность котельной на максимальном режиме ее работы снижается на величину вырабатываемой электроэнергии - не более чем на 1,2%.