Устройство горелки

 

Использование: в энергетике и относится к горелкам для текучих видов топлива. Сущность: устройство горелки с практически концентрично расположенными кольцевыми каналами для подачи различных рабочих сред /В, С, Е, F/ и внешней практически конически сужающейся системой кольцевых каналов для подвода воздуха, причем предусмотрено множество выпускных форсунок для подмешивания тонко распределенной газообразной среды /В/ или жидкой среды /С/ к воздушному потоку /А/, протекающему в системе кольцевых каналов для подвода воздуха, причем далее со стороны притока выше выпускных форсунок в систему кольцевых каналов для подвода воздуха впадает дополнительный кольцевой канал. Дополнительный кольцевой канал служит для подвода горючего газа с низкой удельной теплотой сгорания, например каменноугольного газа, в то время как устройство горелки согласно уровню техники может эксплуатироваться как горелка с предварительным смешиванием на газе и/или нефти. При всех применяемых видах топлива и видах эксплуатации выброс NO_x в окружающую среду может быть сведен к минимуму. 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение касается горелки для текучих видов топлива, например нефти, природного газа и/или каменноугольного газа для применения в газовых турбинах.

Принимая во внимание усилия в мировом масштабе по снижению выброса вредных веществ установок для сжигания, в частности, в газовых турбинах, в последние годы были разработаны устройства горелки, которые имеют особенно низкие выбросы окислов азота (NOX). При этом часто придают значение тому, чтобы такие горелки могли работать не только на одном топливе, но по возможности с различными видами топлива, например на нефти, природном газе и/или каменноугольном газе по выбору или даже в комбинации, чтобы повысить надежность снабжения и гибкость в эксплуатации. Такие горелки описаны, например, в EP 0276696 B1. Проблема при расчете горелок для всех возможных режимов работы и рабочих веществ заключается в том, что необходимые для работы объемы рабочих веществ являются совершенно различными так, что использование одной и той же подводящей системы и одинаковых форсуночных отверстий для всех рабочих веществ создает трудности. Поэтому в уровне техники известно применение для жидких и газообразных веществ различных подводящих систем. Однако другая проблема возникает также тогда, когда необходимо использовать по выбору газообразные виды топлива с совершенно различными значениями удельной теплоты сгорания, например природный газ и каменноугольный газ. Совершенно различные объемные соотношения при использовании этих двух видов топлива и различные химические процессы при их сжигании требуют модификации или расширения известных систем.

Задача изобретения лежит в создании устройства горелки, которая является пригодной как для сжигания горючего газа с низкой теплотой сгорания в диффузионном пламени, так и для сжигания горячего газа с высокой теплотой сгорания и/или для сжигания нефти в режиме с предварительным смешением. При этом должна сохраняться надежность эксплуатации известных систем и дополнительные аппаратурные затраты должны быть низкими. Системы не должны оказывать взаимного отрицательного воздействия на качество сжигания, причем, в частности, должно избегаться нежелательное образование пламени на местах завихрения в системе перед собственно зоной горения.

Для решения этой задачи служит устройство горелки, содержащей практически концентрично расположенные кольцевые каналы для подвода различных рабочих сред и внешнюю практически конически сужающуюся кольцевую систему каналов для подвода воздуха, причем с помощью множества выпускных форсунок газообразная среда или жидкая среда может подмешиваться с тонким распределением к воздуху, протекающему в кольцевой системе каналов для подвода воздуха, причем со стороны притока над выпускными форсунками в кольцевую систему каналов для подвода воздуха впадает дополнительный кольцевой канал.

Изобретение исходит при этом из знания того, что при сжигании горючего газа с низкой теплотой сгорания не требуется никаких особых мероприятий для снижения выброса вредных веществ, так как при сжигании таких газов не возникают особенно высокие температуры пламени и таким образом образование NOX остается практически незначительным. Поэтому достаточно создать дополнительную простую подводящую систему, причем однако необходимо обращать внимание на то, чтобы эта система не оказывала отрицательного влияния на другие системы и также не уменьшала надежности эксплуатации при работе других систем. Поэтому важно, чтобы дополнительный кольцевой канал со стороны притока впадал выше выпускных форсунок для других видов топлива. Таким образом, способная к воспламенению смесь не может попадать в дополнительный кольцевой канал, когда горелка снабжается через выпускные форсунки топливом другого вида.

Предпочтительным образом дополнительный кольцевой канал примыкает к другим кольцевым каналам для подвода рабочих сред так, что дополнительный кольцевой канал впадает внутри в кольцевую систему каналов для подвода воздуха. Далее дополнительная подводящая система для другого топлива может быть, в частности, скомбинирована с кольцевой системой канала для подвода воздуха, которая со стороны оттока имеет набор завихряющих лопаток, ниже или внутри которых расположены выпускные форсунки для жидкой среды. Альтернативно или дополнительно возможна комбинация с множеством выпускных форсунок для газообразной среды. Особенно выгодным при этом является предусматривать выпускные форсунки для газообразной среды в самом наборе завихряющих лопаток. Для этого завихряющие лопатки выполнены в виде полых лопаток и подключены к подводящей системе для газообразной среды. Множество выпускных форсунок на завихряющих лопатках, которые предпочтительно направлены примерно вертикально относительного направления течения, позволяет равномерно подмешивать газообразную среду к воздушному потоку. При этом дополнительно могут использоваться форсунки с различным диаметром в соответствии с различной длиной выступающей струи.

Главным случаем использования дополнительного кольцевого канала является подвод горячего газа с низкой удельной теплотой сгорания (Low Btu Gas), в частности каменноугольного газа.

При этом кольцевая система канала для подвода воздуха и дополнительный кольцевой канал образуют в принципе диффузионную горелку для сжигания горючего газа с низкой удельной теплотой сгорания с воздухом. А именно на относительно длинном пути до собственно зоны горения имеет место известное предварительное смешивание, однако не в степени, известной для горелок с предварительным смешиванием. В частности, непосредственно за устьем дополнительного кольцевого канала и до области набора завихряющих лопаток можно не считаться с нежелательным зажиганием возможно возникающей смеси горючего газа с воздухом. Основные режимы работы горелки согласно изобретения следуют из таблицы, причем в принципе возможны еще комбинации представленных там основных режимов работы. Следует также упомянуть, что для стабилизации пламени сжигания в случае устройства горелки согласно изобретения в общем будет необходима система пилотной горелки, которая поддерживает центральное стабильное пламя, как это известно из уровня техники в различных вариантах. Для этого пригодной является каждая известная система пилотной горелки, причем особенно предпочтительной является естественно пилотная горелка, которая может работать на том же топливе, что и основная горелка. Это также указано в таблице.

На чертеже представлен пример выполнения изобретения в продольном осевом сечении через примерно ротационносимметричное устройство.

В таблице представлены основные возможности эксплуатации устройства горелки согласно изобретению.

На чертеже показано в схематическом представлении продольное осевое сечение через устройство горелки согласно изобретения, причем делается ссылка на EP-O 276696 B1 и EP-O 193838 B1, насколько речь идет о деталях изобретения, не являющихся обязательно решающими. При этом следует установить, что по сравнению с уровнем техники EP-O 276696 B1 устройство изменено путем выгодной модификации и дополнения кольцевым каналом 16, а также путем перемещения выпускных форсунок для природного газа в область набора завихряющих лопаток.

Устройство горелок, которое при необходимости в соединении с другими подобными устройствами может быть использовано, например, в топочной камере газотурбинной установки, содержит внутреннюю часть, систему пилотной горелки и расположенную концентрично к ним внешнюю часть, систему основной горелки. Обе системы пригодны для работы на газообразном и/или жидком топливе в любой комбинации. Система пилотной горелки состоит из центрального нефтепровода 1 (среда G) и расположенного концентрично вокруг него внутреннего канала для подвода газа 2 (среда F). Он, в свою очередь, окружен концентрично расположенным внутренним каналом для подвода воздуха 3 (среда Е). В этом или на этом канале может быть расположена подходящая система зажигания, для которой известно множество возможностей выполнения и от представления которой здесь отказались. Центральный нефтепровод 1 содержит на своем конце форсунку для нефти 5, внутренний канал для подвода воздуха 3 имеет в своей конечной области набор завихряющих лопаток 6. Система пилотной горелки 1, 2, 3, 5, 6 может эксплуатироваться известным образом.

Система основной горелки состоит из расположенной концентрично к системе пилотной горелки и наклонно подходящей к ней внешней системы кольцевых каналов для подвода воздуха 4. Также и эта система кольцевых каналов для подвода воздуха 4 снабжена набором завихряющих лопаток 7. Набор завихряющих лопаток 7 состоит из полых лопаток с выпускными форсунками 11 в поперечном сечении потока системы кольцевых каналов для подвода воздуха 4 (среда А). Эти форсунки питаются из подводящего трубопровода 8 и кольцевого канала 9 через отверстия 10 для среды B. Дополнительно горелка содержит подводящий трубопровод 12 для среды C, который впадает в кольцевой канал 13, содержащий выпускные форсунки 14 для среды C в области или ниже набора завихряющих лопаток 7. Распыляемая струя 15 среды C также обозначена. Согласно изобретения горелка содержит дополнительно еще следующий канал для подвода каменноугольного газа 16 (среда D). Этот канал впадает несколько выше набора завихряющих лопаток 7 с выпускными форсунками 11 во внешнюю систему кольцевых каналов для подвода воздуха 4, а именно на ее внутренней стороне так, что они вместе в принципе образуют диффузионную горелку. Важным при этом является то, что при эксплуатации на среде B, например на природном газе, не возможна никакая рециркуляция этой среды на краях или в канале для подвода каменноугольного газа 16, что могло бы ухудшить надежность эксплуатации. Канал для подвода каменноугольного газа 16 также не должен мешать течению ниже своего устья так, что хорошие параметры сжигания для сред B и C остаются неизменными. Если бы канал для подвода каменноугольного газа 16 впадал ниже выпускных форсунок 11 для среды B или выпускных форсунок 14 для среды C, то в этом месте получалось бы расширение поперечного сечения и нарушение краевого течения, что было бы нежелательным. Расположение согласно изобретения канала для подвода каменноугольного газа 16 и полых лопаток в качестве набора завихряющих лопаток 7 требует только небольших изменений в системе горелки согласно уровню техники и поэтому может быть осуществлено с небольшими конструктивными затратами.

Таблица показывает, какие возможности имеются для выбора сред и тем самым для различных видов эксплуатации устройства горелки. Оно может эксплуатироваться при благоприятных с точки зрения выброса вредных веществ характеристиках на природном газе, каменноугольном газе или на другом газе с низкой теплотой сгорания, а также на нефти. Если при одном из этих видов эксплуатации является желательным дальнейшее снижение выброса вредных веществ, то через системы, не нужные при этом виде эксплуатации для подвода топлива, можно подводить при необходимости инертное вещество, в частности воду или пар, при необходимости также с добавками, если это желательно. Переключение отдельных подводящих систем соответственно на желательные среды достигается с помощью простой многоходовой арматуры, относящейся к уровню техники. Аппаратные затраты остаются незначительными, хотя для каждого топлива осуществляется наиболее щадящий окружающую среду вид сжигания. В частности, при всех видах эксплуатации сводится к минимуму эмиссия NOX.

Формула изобретения

1. Устройство горелки с практически концентрично расположенными кольцевыми каналами для подвода различных рабочих сред (В, С, Е, F) и внешней практически конически сужающейся системой кольцевых каналов для подвода воздуха, причем предусмотрено множество выпускных форсунок для подмешивания тонко распределенной газообразной среды В или жидкой среды С к воздушному потоку А, протекающему в системе кольцевых каналов для подвода воздуха, отличающееся тем, что со стороны притока выше выпускных форсунок в систему кольцевых каналов для подвода воздуха впадает дополнительный кольцевой канал.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительный кольцевой канал впадает в систему кольцевых каналов для подвода воздуха внутри.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что система кольцевых каналов для подвода воздуха имеет со стороны оттока набор завихряющих лопаток, причем в их области или вниз по течению от них расположены выпускные форсунки для жидкой среды С.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что система кольцевых каналов для подвода воздуха имеет со стороны оттока набор завихряющих лопаток, который состоит из полых лопаток и содержит множество выпускных форсунок для подмешивания газообразной среды В к воздушному потоку.

5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что дополнительный кольцевой канал рассчитан на подвод горючего газа с низкой удельной теплотой сгорания, в частности каменноугольного газа.

6. Устройство по пп. 1 5, отличающееся тем, что система кольцевых каналов для подвода воздуха и дополнительный кольцевой канал образуют в принципе диффузионную горелку для сжигания горючего газа с низкой удельной теплотой сгорания с воздухом.

7. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что газообразная среда В представляет собой природный газ.

8. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что газообразная среда В представляет собой водяной пар.

9. Устройство по пп. 1 6 или 8, отличающееся тем, что жидкая среда С представляет собой нефть.

10. Устройство по пп. 1 7, отличающееся тем, что жидкая среда С представляет собой воду.

11. Устройство по пп. 1 10, отличающееся тем, что выпускные форсунки и дополнительный кольцевой канал расположены так, что невозможна никакая рециркуляция газообразной среды В и/или жидкой среды С в дополнительный кольцевой канал.

12. Устройство по пп. 1 11, отличающееся тем, что дополнительный кольцевой канал впадает непосредственно выше набора завихряющих лопаток, так что в области набора завихряющих лопаток не может возникнуть никакое зажигание.

13. Устройство по пп. 1 12, отличающееся тем, что практически концентрично расположенные внутренние подводящие каналы для подвода воздуха Е, газообразного топлива F и/или жидкого топлива С служат для создания пилотного пламени, стабилизирующего пламя всего устройства горелки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2