5.3. Газомазутные топки и горелки.

Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять топочные камеры для этих видов топлив одинаковой конструкции. Природный газ и мазут сгорают в парогазовом состоянии (см. гл. 4). Интенсивность горения в обоих случаях определяется только условиями перемешивания. Для сжигания этих топлив достаточен невысокий подогрев воздуха: t_Г.В= 250…300°С. Практически отсутствует зола после сгорания этих топлив, поэтому исключается необходимость шлакоудаления в нижней части топки и не происходит шлакования экранов.

В результате при одинаковой тепловой мощности котла для этих топлив могут быть приняты одинаковые по размерам и конструкции топки. Близкие объемы образующихся продуктов сгорания позволяют применять одни и те же тягодутьевые машины. Смешение топлива с воздухом в газообразном состоянии в обоих случаях позволяет обеспечить практически полное сжигание топлива с низким избытком воздуха в топке α_Т= 1,02…1,05 при наличии высоких тепловых напряжений в зоне горения.

Газ и мазут обычно сжигаются в камерной топке раздельно, так как при совместном их сжигании возрастают топочные потери. В этом случае природный газ, воспламеняющийся раньше мазута, расходует на свое горение кислород и балластирует зону горения мазута продуктами своего сгорания. В котлах, оснащенных современными мощными газомазутными горелками, имеющими раздельные клапаны подачи воздуха (периферийный и центральный) с самостоятельным завихрением каждого потока, возможно совместное сжигание газа и мазута. Это определяется обеспечением начальной стадии горения каждого вида топлива "своим" воздухом из "своего″ канала.

Конструктивно топочная камера для сжигания природного газа и мазута имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Нижнюю часть топки (под) выполняют горизонтальной или с небольшим уклоном к центру. Из-за малого содержания минеральных примесей в этих топливах никаких устройств для вывода шлака не предусматривается. Интенсивное горение топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, которая характеризуется высоким уровнем температур. При этом излучательная способность факела в значительной мере определяется наличием сажистых частиц и трехатомных газов в зоне факела (СО₂, Н₂О), а количество твердых коксовых частиц здесь много меньше, чем при сжигании твердого топлива.

Высокий уровень температур в ядре факела создает значительную интенсивность теплового потока на настенные экраны, особенно при сжигании мазута за счет образования большего количества сажистых частиц. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии, а также ведет к образованию высокой концентрации оксидов азота в ядре факела.

Большинство выпускаемых газомазутных паровых котлов оборудуются традиционными призматическими топками с двухфронтальным (встречным) расположением горелок. При однофронтальной установке горелки размещаются в 3…4 яруса, но при такой компоновке горелок не обеспечивается равномерное заполнение топки факелом. Однофронтальное размещение горелок неприемлемо для топок с небольшим размером по глубине (b_Т< 6 м). При встречном расположении горелок обеспечиваются лучшие условия работы экранов.

Для уменьшения температур факела и локальных тепловых потоков на топочные экраны используется нижнее (подовое) расположение горелок в открытой топочной камере с развитием факела вверх.

Горелка выполняется с малой степенью крутки потока воздуха, горение факела растягивается на большую высоту топки, локальные тепловые потоки на экраны заметно снижаются, но температура газов на выходе из топки повышается.

Горелки для сжигания природного газа и мазута выполняются комбинированными, позволяющими поочередно сжигать эти топлива в одном горелочном устройстве. Одним из преимуществ комбинированных грелок является возможность легкого перехода с сжигания одного вида топлива на другое. Горелка должна быть выполнена таким образом, чтобы сжигание каждого из видов топлива происходило в оптимальных условиях.

На рис. 5.11 показан пример такой горелки большой тепловой мощности. Горелка имеет два самостоятельных канала подвода воздуха, каждый из которых завихривается в тангенциальном лопаточном аппарате и поступает в периферийный и центральный каналы горелки. Кроме того, имеется прямоточная подача третичного воздуха в центральную трубу для охлаждения канала мазутной форсунки. Подача мазута осуществляется паромеханической форсункой ТКЗ-4М производительностью 1,28 кг/с (4,6 т/ч) при давлении мазута 4,5 МПа и пара 0,2 МПа.

Распыление мазута производится в основном в потоке центрального воздуха, что обеспечивает воспламенение топлива при нагреве смеси, поступающей в топку. Природный газ в основном вводится в периферийный поток воздуха большим числом труб диаметром 32 мм из кольцевого коллектора. Другая часть природного газа вводится через отверстия центрального коаксиального канала; расчетная скорость выхода газа из отверстий соответственно 134 и 177 м/с.

Газомазутные горелки рассчитываются на работу топки с предельно малыми избытками воздуха (α_Т= 1,02…1,03 в газоплотной топке) в целях снижения интенсивности коррозионных процессов в низкотемпературной части тракта и уменьшения образования NO_X(см. § 7.7). Работа с низкими избытками воздуха требует тщательного выполнения горелок и воздухоподводящих трактов для того, чтобы исключить неравномерность распределения топлива и воздуха по горелкам. При работе топки под разрежением неизбежны присосы холодного воздуха извне (Δα_Т= 0,05…0,1). В таком случае расход организованного горячего воздуха через горелку будет несколько меньше теоретически необходимого (α_ГОР= 0,96…0,98), поскольку присосанный воздух частично (около 0,5Δα_Т) используется для горения топлива.

Для тонкого распыления мазута применяются центробежные форсунки. В зависимости от используемой среды для распыления мазута различают форсунки механические, паромеханические и паровые (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Виды мазутных форсунок: а - механическая; б - паромеханическая; в - паровая

В форсунках с механическим распылением используется кинетическая энергия струи мазута, создаваемая напором топливного насоса. Выходя под давлением с повышенной скоростью (до 80 м/с) через завихритель и сопло форсунки, мазут тонко распыляется и выходит в топочный объем в форме полого конуса с большим углом раскрытия. Внутрь конуса поступают горячие топочные газы, которые обеспечивают прогрев и испарение выходящего из сопла топлива.Средний размер получающихся мелких капель составляет d_к= 250…300 мкм.

В паромеханической форсунке тонкое распыление мазута достигается подачей пара в зону разрушения пленки мазута. За счет большой плотности пара и значительной его скорости (более 500 м/с) происходит тонкое распыление жидкости (d_к= 100…150 мкм). Расход пара на распыление составляет не более 10% расхода мазута. Производительность паромеханической форсунки по мазуту составляет 5…7 т/ч и обеспечивает глубокий диапазон регулирования нагрузки.

В паровых форсунках распыление топлива достигается в результате использования кинетической энергии струи пара, вытекающей из форсунки, а мазут может поступать в форсунку под небольшим давлением. Преимуществом парового распыления является простота форсунки, а также высокое качество распыления даже при невысоком подогреве мазута (до 80°С). Однако паровые форсунки используются редко и только как растопочные на электростанциях, сжигающих твердое топливо. В длительной работе неэкономичны из-за большого расхода пара на распыление (40…60% от расхода мазута).

Расчетная производительность механической центробежной форсунки В_М,кг/с, прежде всего зависит от площади выходного сопла f₀, м², давления поступающего топлива Р_М, МПа, и коэффициента расхода μ закрученного потока, проходящего через сопло

Здесь дополнительно b - числовой коэффициент; ρ_М- плотность жидкого топлива, кг/м³. Как видно, расходная характеристика более существенно зависит от сечения (диаметра) сопла форсунки, слабее от давления мазута и температуры его нагрева (плотности). Производительность центробежных форсунок для котлов большой мощности составляет 0,83…3,3 кг/с (3…12 т/ч) при диаметре выходного сопла d_С= 4…8 мм; коэффициенте расхода μ = 0,15…0,30 и угле раскрытия струи φ = 80…120°.

При сжигании природного газа его ввод в воздушный поток выполняют перпендикулярно к направлению движения воздуха (рис. 5.13). При этом газ может поступать из центральной газовой трубы (центральный ввод), либо через большое число отверстий с внешней стороны воздушного канала (периферийный ввод). Для равномерного распределения газа в объеме воздуха глубина проникновения отдельных струй газа должна быть различной. Определяющей характеристикой при расчете проникновения газовой струи является глубина внедрения струи h_С, определяемая соотношением количества движения газовой струи и воздушного потока и характеризующая расстояние по нормали от устья струи до места, где она принимает спутное с воздушным потоком направление движения.

Из формулы (5.12) следует, что глубина проникновения струи определяется главным образом ее диаметром и отношением скоростей струй газа и воздуха. При выполнении газовых отверстий вдоль потока воздуха в 2…3 ряда равномерное распределение газа в воздушном потоке достигается путем уменьшения диаметра отверстий по направлению движения воздуха (см. рис. 5.13).

Природный газ смешивается с воздухом внутри горелки на некотором расстоянии от выхода в топочный объем. Это необходимо для обеспечения первоначального перемешивания части газа с воздухом и достижения стехиометрического соотношения между ними, что создает зону устойчивого воспламенения газа на срезе горелки при температуре металлического насадка горелки или обмуровки выше 600°С. Иначе факел будет пульсирующим и может оборваться.

Требуемый расход природного газа через горелку B_Г, м³/с, определяется из общего теплового баланса парового котла

где Q^р_Н- теплота сгорания, кДж/м³; Q_П.К, η_П.К- соответственно полезная тепловая мощность парового котла, кВт, и его КПД брутто (их расчет приведен в гл. 6);n_ГОР- число работающих газовых горелок.

Воздушные регистры горелок выполняются трех видов: улиточный, тангенциальный лопаточный и аксиальный лопаточный.

При больших расходных объемах воздуха мощных горелок улиточный завихритель (см. рис. 5.7, а) получается довольно громоздким (большого диаметра).

В тангенциальном лопаточном регистре (см. рис. 5.7, г) поток воздуха движется к центру канала из периферийной камеры по касательной к стенкам канала и имеет несколько большее сопротивление, но отличается высокой степенью крутки потока.

Аксиальный лопаточный аппарат (см. рис. 5.7, б) состоит из прямых или гнутых лопаток, повернутых под углом 40…50° к направлению оси канала, наиболее прост в выполнении и имеет наименьшее гидравлическое сопротивление, но создает при этом меньшую по сравнению с другими степень крутки.

Примеры

Пример 1.Определить время пребывания τ_ПРЕБи скорость подъема газов в топочной камере котла ТПП-312А (N_ЭЛ= 300 МВт), имеющего тепловую мощность

Профиль топки соответствует рис. 5.1,б ее размеры: ширина а_Т= 17,3 м, глубинаb_Т= 8,65 м, высотаh_Т= 41,5 м. Объем топочной камеры V_Т= 5970 м³.

Решение

Секундный расход газов в топке согласно (5.6), м³/c

Время пребывания газов в топке по (5.6)

Скорость газов в сечении топки, м/с

Пример 2.Определить тепловое напряжение топочного объема котла ТПП-312А при сжигании донецкого каменного угля марки ГСШ с жидким шлакоудалением при теплоте сгорания угляи КПД котла η_К=0,92.

Решение

Расход топлива на котел

Тогда тепловое напряжение объема топки по (5.5)

q_v=42 · 18,8/5970 = 0,132 МВт/м³= 132 кВт/м³.

Тепловое напряжение сечения топки по (5.4) при расположении горелок в одном ярусе

q_f= 42 · 18,8/(17,3·8,65) = 5,27 МВт/м³.

Пример 3.Установить необходимый объем газоплотной топочной камеры парового котла паропроизводительностью D_Н= 186,1 кг/с (670 т/ч) при сжиганиии природного газа (Q^p_н= 35 880 кДж/м³, теоретические объемы V⁰_В= 9,52 м³/м³, V⁰_Г= 10,67 м³/м³, коэффициент избытка воздуха α_Т= 1,1).

Предварительными расчетами определены: расход природного газа В_К= 15,5 м³/с, КПД котла η_К= 0,943, температура горячего воздуха t_Г.В= 245°C. Температура газов на выходе из топки θ_Т"= 1265°С. Максимальная энтальпия газов по (4.53) при температуре 2200°С Н^М_Т= 42 868 кДж/м³.

Решение

1. Тепловая мощность топки определяется по (5.3), где теплота горячего воздуха с учетом (4.49) составит

Здесь с_В= 1,34 кДж/м³·К - объемная теплоемкость воздуха при t_Г.В= 245 °С.

Тогда по (5.3) тепловая мощность

Удельное тепловыделение в топке при сгорании 1 м³газа

2. Тепловосприятие топочных экранов по (5.8)

Здесь H_Т" определяется из (4.52)

3. Минимальный объем топочной камеры при допустимом тепловом напряжении для сжигания газа q_v=350 кВт/м³

4. Расчетный объем топки при условии охлаждения газов до температуры θ"_Т= 1265°С

Расчетное тепловое напряжение топочного объема

6. Для типовых размеров сечения топочной камеры котла (а_Т= 18 м,b_Т= 7,6 м) ее высота составитh_Т= 14,5 м.