Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ім. А.М. ПІДГОРНОГО

Тимчик Олександр Васильович

УДК 536.7: 662.769.21

ПОЛІПШЕННЯ ТЕПЛОЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ГІБРИДНИХ КАМЕР ЗГОРЯННЯ ГАЗОТУРБІННОГО ТИПУ НА ОСНОВІ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ЇХ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2003

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Каніло Павло Макарович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

провідний науковий співробітник;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Маляренко Віталій Андрійович,

Харківська державна академія міського

господарства, професор кафедри

"Теплохладопостачання";

кандидат технічних наук, ст. наук. співр.

Ровенський Олександр Іванович,

Північно-Східний науковий центр НАН України,

завідувач відділом "Регіональної екології";

Провідна установа: Національний технічний університет "ХПІ",

кафедра теплотехніки, м. Харків

Захист відбудеться "19" червня 2003 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046,

м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046,

м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розіслано “19“ травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Техніко-економічний аналіз і набутий досвід показують, що застосування газотурбінних установок (ГТУ) як резервних пікових, а за певних умов і як базових, є одним з перспективних шляхів удосконалення енергетичних систем, підвищення їхньої економічності, екологічності, надійності.

Камера згоряння (КЗ) найважливіша складова ГТУ, від її надійної й ефективної роботи багато в чому залежать показники установки в цілому. Вимоги до КЗ останнім часом неухильно зростають, обмежуючи рівень шкідливих викидів в атмосферу з газами, що відробили, при високій повноті згоряння на всіх експлуатаційних режимах роботи ГТУ. Одним з найбільш ефективних способів задоволення цих вимог є перехід до спалювання попередньо підготовленої паливоповітряної суміші (ППС). Однак відомі на сьогоднішній день конструкції КЗ із попередньою підготовкою ППС (гомогенні, гібридні, каталітичні) відрізняються високою складністю й низькою надійністю, а іх теплоекологічні характеристики багато в чому далекі від очікуваних.

Актуальність теми дисертації обумовлено тим, що вона спрямована на поліпшення теплоекологічних показників гібридних камер згоряння (ГбКЗ) газотурбінного типу шляхом інтенсифікації процесів спалювання рідких, газоподібних і твердих палив, у тому числі: шляхом часткової гомогенізації ППС у черговому факелі, використанням водню як додаткового енергоносія, застосуванням низькотемпературної НВЧ-плазми у якості черговий факела.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася у відділах газотурбінних двигунів й оптимізації процесів і конструкцій турбомашин Інституту проблем машинобудування НАН України по держбюджетних темах: “Створити і відробити в дослідно-промислових умовах технологію виробництва енергоакумулюючих речовин (ЕАР), включаючи інтерметалиди, що забезпечують малотоксичну роботу автотранспорту.” (№ держреєстрації 0186U072690); “Розробка наукових основ, методів і засобів підвищення техніко-економічної та екологічної ефективності енергоустановок на основі використання альтернативних енергоносіїв” (№ держреєстрації 0191U017872); “Розробка концепції підвищення ефективності використання альтернативних енергоносіїв і нетрадиційних джерел енергії у виробничому комплексі України” (№ держреєстрації 0197U012286); "Розвиток теорії і розробка комплексних системних методів і способів для створення і високоефективного функціонування теплоенергетичних установок" (№ держреєстрації 0100U001808), а також по темі “Reseach and Development of Microwave Tecnologies for Clean and Efficient Combustion of Pulverized Cool at Power Plants (грант PL 975069).

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є поліпшення теплоекологічних показників ГбКЗ газотурбінного типу за рахунок зниження рівнів викидів шкідливих речовин в атмосферу.

Для досягнення цієї мети в дисертації вирішувалися наступні задачі:

створити експериментальні установки і розробити методики досліджень теплоекологічних характеристик багато паливних ГбКЗ;

провести експериментальні дослідження теплоекологічних і зривних характеристик багатопаливної ГбКЗ із різними варіантами організації чергового факела;

провести експериментальні і розрахункові дослідження режимів горіння розпиленого рідкого палива в черговому факелі ГбКЗ;

розробити методику і провести аналіз еколого-економічної ефективності застосування ГбКЗ в енергетичних ГТУ;

провести експериментальні дослідження інтенсифікації горіння пиловугільних аеросумішей у КЗ гібридного типу НВЧ-розрядом .

Обьектами дослідження є процеси горіння ППС у ГбКЗ .

Предметами дослідження є способи інтенсифікації процесу горіння ППС у ГбКЗ.

Методи дослідження. У роботі використовувані: експериментальні методи - при визначенні теплоекологічних і зривних характеристик ГбКЗ; методи математичного моделювання - при визначенні режимів горіння ППС у черговому факелі й оцінці екологічної ефективності застосування ГбКЗ в енергетичних установках.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тім, що:

обґрунтовано доцільність і запропоновані методи використання в черговому факелі ГбКЗ гомогенно-дифузійного режиму горіння зі ступенем попереднього випару палива не менш 50% і коефіцієнтом надлишку повітря по випаровуванному паливу не менш 1,0 ;

вперше в дослідницької КЗ, при використанні НВЧ - розряду як газифікатора і чергового факелу реалізовані режими повного горіння і горіння з частковою попередньою газифікацією високозольних низько реакційних вуглів;

вперше, на основі запропонованого інтегрального показника екологохімичної безпеки проведена оцінка екологічної ефективності застосування багатопаливних ГбКЗ у стаціонарних ГТУ.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тім, що:

розроблено рекомендації з удосконалення багатопаливних ГбКЗ газотурбінного типу на основі інтенсифікації процесів спалювання палив у черговому факелі і використанню водню як додаткового енергоносія, у тому числі при його подачі тільки в гомогенізатор ГбКЗ, що дозволяє мінімізувати витрату водню і знизити викиди оксидів азоту до рівня порядку 4 мг/м3 при збереженні повноти згоряння основного палива більш 99%;

створено дослідницьку КЗ газотурбінного типу з НВЧ - плазмотроном у якості газифікатора і чергового пальника для проведення стендових іспитів при роботі на дрібнодисперсному пилу висо козольних низько реакційних вуглів;

запропонована і впроваджена методика інтегральної оцінки еколого-хімичної безпеки ГТУ.

Результати дисертаційної роботи використовувалися у навчальному процесі на кафедрі "Екології і хімії" Харківського національного автомобільно - дорожнього університету (акт від 23.11.2001 р.) та у дослідницькій роботі відділу "Регіональна екологія" Північно - Східного наукового центру (ПСНЦ) національної академії наук України (акт від 10.12.2001 р.).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці програм і проведенні експериментальних досліджень КЗ , в обробці й аналізі здобутих результатів. Дисертант брав також безпосередню участь у розробці та створенні експериментальних стендів і діагностичних комплексів, що використовувались у роботі. Особистий внесок здобувача в роботах, які опубліковано у співавторстві і представлено в авторефераті, є таким: у роботах [1,2,3,4,9,11,13] - брав участь у розробці програм і проведенні експериментів, здійснював обробку й аналіз результатів; у роботах [12,15] - брав участь в обробці й аналізі результатів; у роботах [6,8,10] - здійснював розрахунки й аналіз результатів; у роботах [5,14] - здійснював постановку задачі й аналіз результатів, брав участь у проведенні експериментів; у роботі [7] - брав участь у створенні та випробуваннях експериментального стенда.

Апробація результатів дисертації.

Про основні результати дисертації було повідомлено: на VII Міжнародній конференції з питань водневої енергетики (Москва, 1988р.); на XV Міжгалузевому семінарі “Атомна і воднева енергетика і технологія” (Москва, 1990 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Утворення і викид канцерогенних вуглеводнів” (Самара, 1991 р.); на Міжнародному симпозіумі з питань використання стиснутого природного і зрідженого нафтового газу як моторного палива для транспортних засобів (Київ, 1991р.); на XXXVIII Всесоюзній науково-технічній сесії з проблем газових турбін (Харків, 1991 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення енергетичних і транспортних турбоустановок методами математичного моделювання, обчислювального і фізичного експерименту”(Харків, 1994 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання”(Харків, 1997 р.); на III Конгресі двигунобудівників України (Рибальське, 1998 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання” (Харків, 2000 р.); на IX Міжнародній науковій конференції "Наука і соціальні проблеми суспільства: людина, техніка, технології, навколишнє середовище" (Харків, 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 друкованих праць, з них 9 статей у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць, у тому числі 6 - у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 6 тез доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаних літературних джерел і одного додатка. Зміст дисертації викладений на 112 сторінках основного тексту, містить 15 рисунків і 26 таблиць. Список використаних джерел нараховує 131 найменування. Всього 127 сторінок друкованого тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження і сформульовано: мету, задачі, наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасні тенденції створення КЗ ГТУ з низьким рівнем викидів шкідливих речовин в атмосферу і надано огляд літератури з різних питань даної проблеми. На основі проведеного аналізу показано, що одним з найбільш ефективних способів зниження рівнів викидів є попереднє перемішування палива з повітрям (гомогенізація ППС). Однак використання “бідних” гомогенних ППС обмежене вузькими межами стійкого горіння. Одним з перспективних напрямків у розв'язанні протиріччя між вимогами до стійкості горіння і токсичності продуктів згоряння є застосування гібридних КЗ, в яких використовувають комбінацію дифузійного і гомогенного способів спалювання вуглеводневих палив. Розглянуто приклади відомих конструкцій ГбКЗ вітчизняних і закордонних фірм, проведено аналіз досягнутих результатів і невирішених проблем щодо створення ГбКЗ для багато паливних багато режимних ГТУ. До таких проблем відносять: створення багато паливного (на рідкому і газовому паливах) багато режимного випарника-гомогенізатора і форсунок до нього, а також газифікатора при роботі ГТУ на вугільним пилу; конвертація ГбКЗ на різні види палив і їхніх сумішей без зміни елементів КЗ; розширення діапазону усталеної роботи ГбКЗ у режимі гомогенного горіння шляхом удосконалення робочого процесу у черговому пальнику, використанням водневого або плазмового чергового факелу та ін. На основі здобутих висновків сформульовано мету роботи й обґрунтовано постановку задач дослідження.

У другому розділі наведено опис експериментальної установки для дослідження процесів горіння в КЗ. Експериментальна установка дозволяє проводити випробування натурних КЗ і їх відсіків по наступних основних параметрах робочого процесу: витрата повітря до 1 кг/с, при тиску 0,12 МПа; температура повітря до 873 К; температура продуктів згоряння (ПЗ) до 1373 К. Випробування здійснюються на рідкому і газовому паливах, їхніх сумішах і водні. Діагностичний комплекс стенда випробувань дозволяє визначати рівні концентрацій у ПЗ: оксидів вуглецю (СО, СО2), оксидів азоту (NO,NOx), незгорілих вуглеводнів(СхHу), діоксида сірки (SO2), бенз(а)пірена (БП) і сажі (Сж). Відбір проб здійснюється як на виході з КЗ, так і в будь-якій точці внутрішньо камерного об'єму з одночасним визначенням температури ПЗ у точці відбору. У розділі наведено також опис методик вимірів з оцінкою точності одержаних результатів. У розділі також наведено схему (рис.1) та опис експериментальної установки для дослідження процесів горіння вугільного пилу в КЗ з використовуванням НВЧ - плазмотрона, як газифікатора та чергового пальника. Установка має наступні технічні характеристики: длина КЗ - 1200 мм; діаметр КЗ -125 мм; температура повітря на вході в КЗ- 293 - 523 К; витрата повітря до 30г/с; тиск повітря- 0,12 - 0,2 МПа; витрата вугілля - 1,0 - 10 г/с; потужність НВЧ- генератора - 5 кВт; длина НВЧ-хвилі - 12,5 см.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень теплоекологічних і зривних характеристик трубчатої ГбКЗ (рис.2) під час роботи на рідкому і газовому паливах, газових вуглеводнево-водневих сумішах і водні. Для подачі основного палива в гомогенізатор ГбКЗ було використано пневматичні мікрофорсунки струминного типу, розташовані тангенціально в повітряних каналах. Для подачі чергового палива в ГбКЗ було використано пневмомеханічну форсунку з відцентровим розпилювачем і перепуском палива. Підведення розпилюваючого повітря здійснювалося по тангенціальних каналах завихрювача в корінь паливного факела. Подача газу та газових сумішей здійснювалось по повітряним каналам форсунки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Схема експериментальної установки с НВЧ - плазмотроном

В табл. 1 наведені деякі геометричні показники ГбКЗ.

Таблиця 1

Геометричні показники ГбКЗ

№ п/п	Найменування	Значення
1.	Длина пломенювої труби Lкз, м	0,235
2.	Діаметр пломенювої труби Dкз, м	0,225
3.	Відношення Lкз/ Dкз	1,05
4.	Обьем пломенювої труби Vкз, м3	0,0085

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Принципова і розрахункова схеми ГбКЗ:

1 - гомогенізатор, 2 - черговий факел,

3,4 - зона обернених токів, 5,6 - зони догоряння,

РІЗ - реактор ідеального змішання,

РІВ - реактор ідеального витиснення.

На основі експериментальних досліджень, які були проведені на режимах, що моделюють експлуатаційні режими малорозмірної ГТУ можна зробити висновок, (рис.3) що під час роботи ГбКЗ на рідкому паливі раціональні за стійкістю горіння значення коефіцієнта надлишку повітря в гомогенізаторі (основному кінетичному пальнику) К.Г. знаходяться в діапазоні 1,4 2,2 при витраті палива на черговий пальник GТ.Д./GT = 7 13% від загального. При цьому рівні викидів NOx і БП не перевищують 30 80 мг/м3 і 0,1 мкг/м3 відповідно, значення коефіцієнта повноти згоряння (г) монотонно змінюються в діапазоні 0,998 0,995.

При роботі ГбКЗ на природному газі раціональні значення К.Г. також знаходяться в діапазоні 1,4 - 2,0 при GТ.Д./GT = 3 - 7 % ; рівні викидів NOx не перевищують 20 - 60 мг/м3, а значення г монотонно змінюються в діапазоні 0,997 - 0,98. (рис.4). Деяка різниця у теплоекологічних та зривних характеристиках ГбКЗ при роботі на рідкому і газовому паливах можливо пояснюється неповним випаровуванням крапель рідкого палива у гомогенізаторі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Теплоекологічні характеристики ГбКЗ на дизельному пальному:

1 - GТ.Д./GT; 2 - БП при водневому черговому паливі; 3 - БП; 4 - NOx; 5 - г; I - коефіцієнт надлишку первинного повітря , - H2; , - дизельне пальне.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Теплоекологічні характеристики ГбКЗ на природному газі:

1 - GТ.Д/GT, 2 - NOx, 3 - г; 4 - зрив пломеню

, - H2; , - природний газ.

Заміна чергового рідкопаливного чи газового факела водневим не приводить до поліпшення теплоекологічних і зривних характеристик ГбКЗ (рис. 3-4), в той же час подача водню тільки у гомогенізатор дозволяє мінімізувати викиди NOx до рівня 4 мг/м3 зі збереженням г на рівні 99 % без застосування чергового факела (рис.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Теплоекологічні характеристики ГбКЗ на газо-водневої суміші:

1 - GH2/GT, 2 - NOx, 3 - г.

У розділі наведено також методику та результати розрахунково-експериментальних досліджень режиму горіння рідкого палива у черговому пальнику ГбКЗ. В основу методики покладено розрахунок ступеня попереднього випаровування т розпилюваного палива з використанням інтегральній функції розподілу крапель по діаметрах Ф(D), визначеної експериментально з використанням лічильно-імпульсного методу:

т = Gп()/Gт = 1 Gж()/Gт,

де Gп() потік парової фази в часі;

Gт первісна маса рідкої фази (витрата палива);

Gж() поточне значення залишкової маси рідкої фази;

час ( часу затримки самозапалення).

Gт і Gж() визначаються по наступних залежностях:

Gт = /6тDк3NoФ(D),

Gж() = /6тDкi3NoФ(D)i,

де Dк, Dki середні діаметри крапель у початковий момент часу і момент часу i відповідно;

No загальна кількість крапель у заданій масі палива в початковий момент часу;

т щільність палива.

Ф(D) =Ко(Dmin) Ko(Dк) / Ко(Dmin),

где Dmin мінімальний діаметр крапель у паливному факелі, - параметр дисперсності, Ко - функція Бесселя.

Значення Dk визначалися експериментально, а Dki за допомогою рівняння Срезневського:

Dk2 Dki2 = кi,

де к константа випаровування.

За відомим значенням т та коефіцієнта надлишку повітря в черговому пальнику д, визначався коефіцієнт надлишку повітря в гомогенної ППС п

п = т-1д .

У роботах Басевича В.Я., Копилова В.Є., Тумановського О.Г. показано, що в залежності від рівня значень т і п горіння факела розпилюваного палива може відбуватися в дифузійно-краплинному (т 0), дифузійно-газовому (т = 1,0) або гомогенно-дифузійному (т 0,5, п 1) режимах. Реалізація того чи іншого режиму горіння чергового факела багато в чому визначає теплоекологічні та зривні характеристики ГбКЗ. Найкращим з цього погляду є гомогенно-дифузійний факел. У досліджуваній ГбКЗ розглядалися наступні схеми організації процесу в черговому пальнику: механічне і пневмомеханічне розпилювання палива безпосередньо в зону горіння основної гомогенної ППС; ті ж варіанти розпилювання палива, але з установкою чергової форсунки в форкамері, включаючи варіант ГбКЗ із подачею всього повітря через фронтовий пристрій КЗ. Результати проведеного дослідження показали, що гомогенно-дифузійний режим горіння реалізується тільки при пневмомеханічному розпилюванні палива в форкамері. У цьому випадку на всіх експлуатаційних режимах роботи ГбКЗ приблизно половина розпилюваного палива горить як гомогенне полум'я "бідної" ППС, а інша половина згоряє окремими краплями, стабілізуючи горіння всього факелу. Таким чином, у даної ГбКЗ можливе існування декількох самостійних і взаємодіючих між собою зон горіння: гомогенної ППС в основному пальнику, гомогенної ППС і краплин палива в черговому пальнику. Регулювання подачі повітря через фронтовий пристрій ГбКЗ, дозволяє змінювати значення п на всіх експлуатаційних режимах при збереженні т на колишньому рівні , а отже, і мінімізувати викиди NOx і БП при збереженні високої г і стабільності горіння. Отже, підвищити ефективність горіння рідкого палива в черговому пальнику ГбКЗ можна, використовуючи одночасно регульований розподіл витрати повітря по обьему ГбКЗ і пневморозпил палива, у сполученні з установкою чергової форсунки у форкамері-гомогенізаторі. В роботах Христича В.О. і Тумановського О.Г. показано, що зривні (одностайно) і теплоекологічні (багато в чому) характеристики ГбКЗ визначаються стійкістю й ефективністю горіння палива в черговому факелі. Разом з тим, у цих же роботах робиться висновок про те, що для підвищення ефективності чергового факела необхідно збільшувати його теплову потужність, тобто витрату палива . Представлені в розділі результати дозволяють доповнити цей висновок твердженням, що необхідно і можливо також змінювати режим горіння чергового палива з дифузійного на гомогенно-дифузійний, при якому т 50%, а п 1,0.

У розділі наведено також опис чисельної методики і результати аналізу еколого-економічної ефективності застосування ГбКЗ у ГТУ в порівнянні з “традиційними” дифузійними КЗ (ДКЗ). В основу методики покладен інтегральний показник екологохімичного впливу ГТУ на навколишнє середовище, який чисельно визначається рівнем годових платежів (єкокомпенсацій) за викид в атмосферу шкідливих речовин (ШР) по залежності:

П'ас = 10-9 КтКинд Hi'Qог(н) (Ci(н) - [ПДКi ]сс)Кпi , грн/рік,

де: Кт - коефіцієнт, що враховує територіальні соціально-екологічні особливості населеного пункту (для великих індустріальних міст він дорівнює 4,5); Кинд - коефіцієнт індексації (для Харківського регіону на 2002 рік прийнятий рівним 2,2); Н'i - норматив плати, обумовлений з врахуванням: відносної шкідливості i - ї ШР у порівнянні з СО і посилення шкідливого впливу i - ї ШР на людину і навколишнє середовище при спільному впливі з іншими ШР і явищ синергізма, грн/т; Qог(н) -часова витрата газів, що відробили, приведена до нормальних умов, нм3/година; Сі(н) - усереднена концентрація i - і ШР, приведена до нормальних умов, мг/нм3 ; [ПДКi ]сс - середньодобові гранично припустимі концентрації i - х ШР в атмосфері населеного пункту, мг/нм3 ; - час роботи стаціонарної ГТУ, година/рік; Кпi - коефіцієнт кратності плати за гранично небезпечні ШР, обумовлений ступенем забруднення атмосфери в регіоні.

Значення Ci(н) для ГбКЗ визначалися чисельно з використанням реакторної математичної моделі, розрахункова схема якої наведено на рис.1. У моделі використовується кінетична схема горіння метану в повітрі, що складається з 50 оборотних реакцій між 22 компонентами. Значення Ci(н) для ГТУ з ДКЗ було взято з експериментальних даних. Проведений чисельний аналіз економічної шкоди від забруднення атмосфери енергетичною ГТУ під час роботи на рідкому газотурбінному паливі і природному газі показав, що використання в ГТУ ГбКЗ замість ДКЗ дозволяє знизити рівні платежів за викиди в атмосферу в 2-3 рази в залежності від застосовуваного палива.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень робочого процесу та теплоекологічних показників дослідницької ГбКЗ с НВЧ - плазмотроном у якості газифікатора і чергового пальника під час роботи на вугільному пилу (рис.1). В роботі використовувалося вугілля марки ГСШ з максимальним розміром частинок приблизно 150 мкм, яке подавалось в ГбКЗ із бункера по внутрішньому трубчатому каналу коаксіального НВЧ - плазмотрона первинним повітрям. НВЧ-энергія і вторинне повітря, що використовувається і для регулювання положення плазми з метою захисту вихідної ділянки коаксіального хвилеводу від руйнування, подаються по хвилеводу між внутрішнім і зовнішнім каналами. Режим термохімічної обробки вугілля (повне горіння, горіння з недожегом чи газифікація) установлюється шляхом зміни витрати повітря в каналах плазмотрона. Високотемпературна (900-1300С) пилегазова суміш, що утворилася в результаті плазмо-термічної обробки, поступово догоряє, змішуючись зі спутним потоком вторинного повітря. У проведених експериментах ініціювання НВЧ-розряда здійснювалося при накладенні НВЧ-поля на потік пиловугільної повітряної суміші. Розряд являв собою плазмовий шнур сліпуче білого кольору діаметром близько 30 мм і довжиною порядку 80 мм. Температура газу в плазмовому шнурі складала (за візуальними оцінками) 4000-6000 К. Проведені експерименти показали, що вугільний пил попавши в розряд, надійно і легко підпалюється при будь-якому початковому температурному стані пилу, повітря й обмуровування стінок КЗ за час порядку 0,05 с . При збільшенні витрати вугілля розміри факела полум'я монотонно зростали. Його максимальні розміри складали: приблизно 10 см у діаметрі і більш 1 м довжиною. У табл. 3 підсумовані результати експериментальних досліджень.

Таблиця 3

Теплоекологічні показники робочого процесу опитної ГбКЗ з НВЧ-плазмотроном

Параметри	Режими
	1	2	3
Витрата вугільного пилу, кг/ч	7,2	17,4	25,5
Сумарний надлишок повітря	1,2	0,4	0,27
Надлишок первинного повітря	0,23	0,18	0,12
Температура повітря, К	373	373	373
Температура ПЗ, К	1353	1323	1313
Час находження частинок вугілля у КЗ, с	0,15	0,15	0,15
Склад ПЗ: СО, % об.	0,2	4,0	5,0
СО2 , % об.	14,4	9,5	4,0
СН4, % об.	-	1,08	3,56
Н2, % об.	-	2,43	3,7
Н2S, % об.	-	2	5
О2, % об.	4,7	8	5,6
NOx, ч.н.м.	620	505	130
SO2, ч.н.м.	1585	1830	2300

Як видно з представлених даних, максимальний ступінь вигоряння вугілля (по газовій фазі) має місце при великому надлишку повітря, тобто в режимі повного горіння (режим № 1). Подальше зниження надлишку повітря (режим № 2,3) переводить режим повного горіння в режими не повного горіння або горіння з частковою попередньою газифікацією. Для цих режимів характерна поява продуктів неповного горіння (СО), а також пальних газів Н2, СН4 і Н2S. З аналізу газового складу ПЗ слідує, що в першу чергу вигорають летючі речовини, і це не суперечить загальновизнаному механізму горіння вугілля. Досить високі рівні концентрацій в ПЗ NOx пов'язані очевидно, з тим, що поряд з розкладанням паливного азоту, плазма генерує термічні оксиди азоту, властиві всім плазмовим технологіям. Ступінь вигоряння сірки залежить від режиму спалювання вугільного пилу. В окисному режимі горіння сірка перетвориться в SO2, а у відновлюваючому - у Н2S, що також погоджується з відомим механізмом горіння сірки.

Результати експериментів свідчать про істотне підвищення інтенсивності запалення і горіння вугілля навіть у порівнянні з уже відпрацьованими плазмовими технологіями спалювання вугіль. Висока ефективність НВЧ-плазмового підпалення вугільного пилу обумовлена, можливо, специфічними особливостями НВЧ-плазми, що має дуже високий ступінь неравновісності з температурою електронів , що досягають декількох десятків тисяч градусів. У силу цього може відбуватися зниження порога активації реагуючих речовин і прискорення процесу горіння вугілля внаслідок утворення активних центрів реакцій (іонів, атомів, вільних радикалів). Таким чином, використання НВЧ-плазмотронів для підпалення і стабілізації горіння вугільного пилу в КЗ газотурбінного типу уявляється фізично реалізуємим і, можливо, економічно вигідним за рахунок зниження витрат на додаткове газове чи рідке паливо і підвищення теплоекологічних показників установки.

ВИСНОВКИ

На підставі проведеного аналізу літературних джерел по темі дисертації зроблений висновок про перспективність застосування ГбКЗ для підвищення теплоекологічних показників багатопаливних ГТУ, у тому числі і при роботі на вугільному пилу з використанням низькотемпературної НВЧ - плазми як газифікатора і чергового пальника.

Проведено експериментальні дослідження теплоекологічних і зривних характеристик ГбКЗ газотурбінного типу на дизельному пальному, природному газі, газової суміші метану з воднем і водні. Показано, що при роботі на дизельному паливі і природному газі, для досягнення рівнів викидів NOx і БП не вище 80 мг/м3 і 0,1 мкг/м3 відповідно і значень коефіцієнта повноти згоряння палива не менш 0,99, величина коефіцієнта надлишку повітря в гомогенізаторі повинна знаходитися в діапазоні 1,4-2,2 при витратах чергового палива 5-13 % від загального. Визначено, що використання водню як додаткового енергоносія, у тому числі при його подачі тільки в гомогенізатор ГбКЗ дозволяє мінімізувати викиди оксидів азоту до рівня порядку 4 мг/м3 зі збереженням повноти згоряння основного палива близько 99% без використання чергового факела.

Запропонована методика, що дозволяє оцінювати режим горіння розпилюваного рідкого палива. В основу методики покладений розрахунок ступеня випару розпилюваного палива по функції розподілу кількості крапель палива по діаметрах, визначеної експериментально. Проведено розрахунковий аналіз режиму горіння палива в черговому пальнику ГбКЗ із використанням вищезгаданої методики. Показано, що в залежності від конструктивної схеми й умов організації робочого процесу в черговому пальнику може реалізовуватися: дифузійно-краплинний, дифузійно-газовий і гомогенно-дифузійний режими горіння. Обґрунтовано доцільність і запропоновані методи використання в черговому факелі ГбКЗ гомогенно-дифузійного режиму горіння зі ступенем попереднього випару палива не менш 50% і коефіцієнтом надлишку повітря по випаровуванному паливу не менш 1,0 .

Запропоновано інтегральний показник екологохімичної безпеки стаціонарних газотурбінних установок на підставі якого, з використанням реакторної математичної моделі ГбКЗ, проведені чисельні дослідження рівня екокомпенсацій за забруднення навколишнього середовища багато паливною ГТУ з різними типами КЗ. Показано, що застосування ГбКЗ замість ДКЗ дозволяє в два - три рази знизити платежі за викиди в атмосферу шкідливих речовин.

Створено експериментальну установку для дослідження процесів спалювання дрібнодисперсного пилу високо зольного низько реакційного вугілля у КЗ газотурбінного типу з НВЧ - плазмотроном у якості газифікатора і чергового пальника. Проведено експериментальні дослідження теплоекологічних характеристик КЗ при роботі на вугіллі марки ГСШ. Установлено, що НВЧ - розряд підпалює вугільний пил при будь-якому початковому температурному стані повітря і стінок КЗ , а також, що в залежності від величини коефіцієнта надлишку повітря в КЗ можлива реалізація режимів повного горіння і горіння з частковою попередньою газифікацією вугілля.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Результаты исследований гибридной камеры сгорания с использованием водорода как дополнительного энергоносителя / Канило П.М., Тымчик А.В., Однолетков В.Д., Агишев З.А., Лутай А.В., Рябека В.П., Косско Б.Л., Воронков В.Г. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерная техника и технология. 1989. Вып.1. С. 64-67.

2. Влияние способа подачи водорода на процесс горения топливных смесей в диффузионных камерах сгорания / Тымчик А.В., Канило П.М., Однолетков В.Д., Агишев З.А., Клочко Е.В., Бершова И.В., Романенко Э.Д., Косско Б.Л., Горелов А.Д. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерная техника и технология. 1989. Вып.1. С. 53-55.

3. Содержание канцерогенных углеводородов в продуктах сжигания газообразных и жидких топлив / Канило П.М., Однолетков В.Д., Костенко К.В., Хесина А.Я., Бершова И.В., Рябека В.П., Тымчик А.В. // Проблемы машиностроения. К.: Наук. думка. 1992. Вып. 38. С. 70-73.

4. Разработка и исследование малотоксичных гибридных камер сгорания для перспективных ГТУ / Костенко К.В., Тымчик А.В., Тумановский А.Г., Решитько В.П. // Эффективность сжигания топлив и экология: Сб. науч. ст. / НАН Украины. ИПМаш. Харьков. 1993. С. 59-67.

5. Моделирование процессов в гибридных камерах сгорания ГТУ / Канило П.М., Костенко К.В., Тымчик А.В., Демьяненко Е.Н. // Сб. научн. трудов ИПМаш НАН Украины 1997. С. 62-65.

6. Топливно-экологические показатели энергетических установок и пути их совершенствования / Канило П.М., Костенко К.В., Тымчик А.В // Сб. научн. трудов ИПМаш НАН Украины.1997. С. 66-70.

7. Экспериментальный стенд для исследования СВЧ-технологий сжигания высокозольных углей / Канило П.М., Расюк Н.Н., Ваврив Д.М., Костенко К.В., Косско Б.Л., Тымчик А.В. // Экотехнологии и ресурсосбережение.- 2001.- № 1. -С. 78-81.

8. Экологические характеристики многотопливных ГбКС ГТУ / Канило П.М, Тымчик А.В, Костенко К.В. // Вестник НТУ "ХПИ".- 2001.- Вып. 3. - С. 33-35.

9. СВЧ - плазменная технология сжигания угольной пыли / Ваврив Д.М., Казанцев В.И., Канило П.М., Расюк Н.И., Шунеман К., Грицаенко С.В., Тымчик А.В. // Радиофизика и радиоастрономия.- 2002.- Т.7, № 1.- С. 88-96.

10. Numerical analytic metod of investigating processes in combustion chambers / Kanilo P.M., Koval F.F., Kostenko K.V., Kolosov V.I., Nazarenko Yu.I., Tymchik A. V. // Hydrogen energy progress VII, Proceeding of the 7th World Hydrogen Energy Conference. -Moscow. - 1988. - 2077-2094 р.

11. Двухтопливная гибридная камера сгорания для автомобильного ГТД / Канило П.М., Костенко К.В., Клочко Е.В., Тюрин О.П., Тымчик А.В., Бакулин С.Н. // Тезисы докладов 15 Межотраслевого семинара "Атомно-водородная энеретика и технология". - Москва. - 1990. - С. 16-17.

12. Экологически чистая гибридная камера сгорания для ГТД / Канило П.М., Тымчик А.В., Однолетков В.Д., Бершова И.В., Костенко К.В., Клочко Е.В., Маханев В.Т., Воронков В.Г. // Тезисы докладов 38 Всесоюз. научно-технической сессии по проблемам газовых турбин -Харьков. - 1991.- С. 23-25.

13. Гибридное сжигание газообразных топлив в камерах сгорания ГТУ / Канило П.М., Тымчик А.В., Однолетков В.Д., Костенко К.В., Косско Б.Л., Макогон В.Г., Рябека В.П. // Тез. докл. Международной научн.-техн. конф. "Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок методами математического моделирования, вычислительного и физического эксперимента .-Харьков. - 1994.- С. 43-47.

14. Счетно-импульсная и оптическая диагностика газокапельных потоков, результаты исследования качества распыливания топлива форсунками / Канило П.М., Тымчик А.В., Форфутдинов В.В., Шубенко А.Л. // Труды Третьего Конгресса двигателестроителей Украины, Рыбачье, 1998. Т.2. Харьков: ХАИ, 1998. С. 180-183.

15. Системы отбора и анализа бенз(а)пирена в дымовых газах / Канило П.М., Рябека В.П., Костенко К.В., Тымчик А.В.// Тез. докл. Международной научн.-техн. конф. "Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок методами математического моделирования, вычислительного и физического эксперимента.- Харьков.- 2000.- С. 33-34.

АНОТАЦІЯ

Тимчик О.В. Поліпшення теплоекологічних показників гібридних камер згоряння газотурбінного типу на основі інтенсифікації їх робочих процесів Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню процесів горіння рідких, твердих і газових палив у гібридній камері згоряння (ГбКЗ) газотурбінного типу. У роботі на підставі експериментальних і розрахункових досліджень ГбКЗ розглянуто деякі способи поліпшення якості газифікації твердих, та ступеня випаровування рідких вуглеводневих палив, а також стійкості горіння в газовій фазі. Дослідження процесів газифікації, випаровування та горіння було проведено на експериментальних стендах з використанням оригінальних діагностик процесів в об'ємі камери згоряння і складу продуктів згоряння. Розроблено методику і проведено чисельні дослідження щодо впливу поліпшення теплоекологічних показників камери згоряння стаціонарної газотурбінної установки на рівень платежів за викиди шкідливих речовин з газами, що відробили, в атмосферу. Створено експериментальну установку і проведено досліди по підпалу пиловугільно-повітряних сумішей НВЧ-розрядом у КЗ гібридного типу.

Ключові слова: камера згоряння, водень, пиловугільно-повітряна суміш, форсунка, ступінь випарування, стійкість горіння, теплоекологічні показники, НВЧ-розряд.

АННОТАЦИЯ

гібридний камера вуглеводневий паливо

Тымчик А.В. Улучшение теплоэкологических показателей гибридных камер сгорания газотурбинного типа на основе интенсификации их рабочих процессов. Рукопис.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена исследованию процессов горения жидких, твердых и газовых топлив в гибридной камере сгорания (ГбКС) газотурбинного типа. В работе на основании экспериментальных и расчетных исследований гибридной камеры сгорания рассмотрены некоторые способы интенсификации горения углеводородных многофазных топлив. Исследования процессов горения проводились на экспериментальных стендах с использованием оригинальных диагностик температуры и состава продуктов сгорания. Разработана методика и проведены численные исследования влияния улучшения теплоэкологических показателей камеры сгорания стационарной газотурбинной установки на уровень платежей за выбросы вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу. Создана экспериментальная установка и проведены эксперименты по поджигу пылеугольных топливовоздушных смесей (ТВС) СВЧ-разрядом в опытной ГбКС.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследований, определена новизна и практическая ценность работы, приведена информация по использованию полученных результатов, личному вкладу соискателя, апробации результатов и публикациям.

В первом разделе рассмотрены особенности образования вредных веществ при сжигании углеводородных топлив в камерах сгорания (КС) ГТУ и способы их снижения. Показана перспективность КС с предварительной гомогенизацией ТВС для решения задачи снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Сформулированы задачи, требующие решения.

Во втором разделе описан испытательный стенд и методики, применяемые при исследованиях многотопливных ГбКС, а также экспериментальная установка для исследований СВЧ - плазменной технологии сжигания топлив в гибридных КС

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследований опытной ГбКС при работе на дизельном топливе, природном газе, метано-водородной газовой смеси и водороде. Кроме того, приведены результаты расчетно-экспериментального исследования режима горения жидкого топлива в дежурном факеле ГбКС, при использовании различных форсунок и способов распределения воздуха по объему КС. В основу методики расчета положены, полученные экспериментальным путем интегральные зависимости распределения капель по размерам в факеле распыла топлива. В разделе приводится также описание численной методики и результаты анализа эколого-экономической эффективности применения гибридных КС в ГТУ в сравнении с диффузионными.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментального исследования теплоэкологических показателей опытной ГбКС с СВЧ - плазмотроном при работе на мелкодисперсной пыли угля марки ГСШ. Показано, что, СВЧ - разряд поджигает угольную пыль при любом начальном температурном состоянии пыли, воздуха и стенок КС, и, в зависимости от величины избытка воздуха в КС обеспечивает реализацию режимов полного горения, и горения с частичной предварительной газификацией образовавшейся пылегазовой смеси.

Ключевые слова: камера сгорания, форсунка, водород, степень испарения, устойчивость горения, пыле-воздушная смесь, теплоэкологические показатели, СВЧ-разряд.

ABSTRACT

Tumchik A.V. Improvement heat and ecological of parameters of hybrid chambers of combustion of the gas-turbine tipe on the basis of refinement and of their working processes. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.14.06. - technical heat physics and industrial heat engineering. - Institute for problems in machinery by him. А.N. Podgorni НАН of Ukraine, Kharkov, 2003.

The thesis is devoted to research of processes of combustion liquid and gaseous fuels in the hybrid combustion chamber of the gas-turbine installation. In activity on the basis of experimental and computational researches of the hybrid combustion chamber and injectors some ways of improvement surveyed: qualities of an atomization of hydrocarbonaceous fuel; degrees of its transpiration and stability of gaseous-phase combustion. The researches of processes of an atomization, transpiration and combustion were conducted on experimental benches with usage of original diagnostics of the sizes of drips of fuel, thermo-concentration of fields in a volume of the combustion chamber and structure of products of combustion. The technique designed and the numerical researches of influence of improvement heat and ecological of parameters of the chamber of combustion of the fixed gas-turbine installation on a level of payments for lets of parasitic matters with exhaust gases in atmosphere are held. The experimental installation is created and the experience on ignition gas and dust-air mixtures by microwave category in the model torch(burner) of a hybrid type are held.

Keywords: combustion chamber, injector, quality of an atomization, degree of transpiration, stability of combustion, heat and ecological parameters, payments for lets of parasitic matters, microwave category.

Відповідальний за випуск к.т.н. Лебедев А.Г.

Підписано до друку 26.04.2003 р

Формат паперу 60х90 х 1/16

Папір ксероксний.

Ум. друк. арк. - 1,0

Обл. вид. арк. - 1.2

Тираж 100 прим.

Замовлення № 141

Приватне підприемство Черкашина, м. Харків, вул. Чернишевського 65

Размещено на Allbest.ru

...