книги из ГПНТБ / Найденов, Г. Ф. Газогорелочные устройства с регулируемыми характеристиками факела

6П2.21'

Н20

УДК 662.951.2

Газогорелочные устройства с регулируемыми характеристиками факела. Н а й д е н о в Г. Ф. «Техшка», 1974, 112 стр.

В книге описаны способы и приемы регулирования теплооб­ мена в топке и температуры перегретого пара, новый тип горелочных устройств с комбинированным (тангенциальным и осевым) подводом дутьевого воздуха, обеспечивающих регулирование теп­ ловых и геометрических характеристик факела. Приведены дан­ ные, необходимые для конструирования горелок, и методика их расчета, рекомендации по применению горелочных устройств с комбинированным подводом воздуха. Описаны конструктивные варианты горелок этого типа и результаты их эксплуатации в ко­ тельных агрегатах, промышленных печах и установках термиче­ ского обезвреживания газообразных выбросов. Рассчитана на инженерно-технических работников, которые занимаются эксплу­ атацией, наладкой и проектированием котельных и печных агрега­ тов, работающих на газообразном топливе.

Табл. 5, илл. 37, библ. 77.

Рецензент канд. техн. наук Г. Н. Любчик

Редакция литературы по тяжелой промышленности jnjjynyininiiii ргддщ'щгтгяппг В. И. Кравец

Издательство «Техшка», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время совершенствованию топливного ба­ ланса нашей страны придается огромное значение. Большое внимание уделяется развитию газовой промышленности. В 1975 г. намечено добыть 300—320 млрд, м3 природного га­ за. Доля его в общем топливоиспользовании возрастает с каждым годом. Поэтому повышение эффективности исполь­ зования газообразного топлива является важной народно­ хозяйственной проблемой.

Решение этой проблемы тесно связано с усовершенство­ ванием газогорелочных устройств. От работы горелок в боль­ шой степени зависит не только производительность и ко­ эффициент полезного действия тепловых установок, но и продолжительность периода их межремонтной эксплуатации.

Теоретические и экспериментальные исследования, опыт эксплуатации тепловых агрегатов, работающих на газооб­ разном топливе, показывают, что, наряду с обеспечением ус­ ловий для полного выгорания топлива в пределах камеры сгорания, важную роль в повышении экономичности и на­ дежности тепловых установок играет. регулирование про­ цесса горения с целью поддержания оптимального теплово­ го режима при изменении нагрузки и при работе на различ­ ных видах топлива. Регулирование параметров факела и

\теплоотдачи в топке необходимо для обеспечения требуемой ’ температуры перегрева пара в котлах, соответствующего технологическим условиям распределения температуры в промышленных печах, и устранения локальных тепловых

перегрузок поверхностей нагрева и обмуровки. Анализируя работу широко распространенных в настоя­

щее время вихревых горелок, следует отметить, что неудов-

3

РОЛЬ ГОРЕЛОК

ВРАБОТЕ ТЕПЛОВОГО АГРЕГАТА

Вструктуре топливно-энергетического баланса нашей страны с каждым годом все большее значение приобретает природный газ, который используется не только как постоян­ ное, но и как сезонное и буферное топливо. При совместном сжигании природного газа и других видов топлива в котель­ ных агрегатах широко применяются вихревые комбинирован­ ные (газомазутные или пылегазовые) горелки.

Отличительной особенностью вихревых горелок являет­ ся подача топлива в закрученный поток дутьевого воздуха. Закрутка воздушного потока, в большинстве случаев по­ догретого, обусловлена сжиганием не газа, а мазута и уголь­ ной пыли, как более «трудных» топлив. Вихревые комбини­ рованные горелки появились в связи с массовым переводом

ТЭЦ и промышленных котельных с твердого и жидкого топ­ лива на природный газ. При этом существующие пылеуголь­ ные и мазутные горелки приспосабливались для сжигания газа, т. е. к горелкам пристраивали периферийный или центральный газовый коллектор для многоструйной, пре­ имущественно радиальной, раздачи газа.

Переоборудование существующих мазутных и пылеуголь­ ных горелок было вызвано необходимостью сжигать мазут или угольную пыль как резервное топливо, а также стремле­ нием затратить минимальное количество труда и средств на реконструкцию.

Теплообменные характеристики газового факела значи­ тельно отличаются от факелов других видов топлива. На­ пример, при сжигании мазута факел, как правило, ярко

5

светящийся, с высокой излучательной способностью, а вихре­ вые комбинированные горелки, работающие на природном газе, дают сравнительно короткий и прозрачный факел.

Светимость факела определяется концентрацией в пламе­ ни сажевых частиц. Чем больше образуется в факеле сажи, тем, при прочих равных условиях, тепловое излучение от факела будет сильнее. Это объясняется тем, что нагретые частички сажи дают сплошной спектр излучения, свойствен­ ный излучению твердого тела, в то время как для молекул газа характерен прерывистый спектр излучения. От состава топлива зависит, сколько сажи может образоваться в факеле: чем больше величина отношения углерода к водороду в со­ ставе топлива, тем больше может образоваться сажи. Напри­ мер, суммарное превращение углерода в сажу в газовом и мазутном пламенах оценивается так: 5% для природного га­ за и 20% для мазута [61].

Различие в радиационной способности газового и мазут­ ного пламен приводит к тому, что экранные поверхности нагрева в топке отбирают от газового факела меньше тепло­ вой энергии, чем от мазутного. В результате перевод котель­ ного агрегата с мазута на газ сопровождается ростом тем­ пературы перегретого пара. Наоборот, переводу котлов с твердого топлива на газообразное сопутствует падение тем­ пературы перегретого пара, так как природный газ сжига­ ется со значительно меньшими избытками воздуха, чем уголь.

В процессе эксплуатации котельного агрегата на одном виде топлива температура перегрева пара изменяется в за­ висимости от нагрузки. Такие факторы, определяющие вели­ чину тепловой энергии, передаваемой радиацией, как теоре­ тическая температура горения топлива, степень черноты топки, тепловая эффективность экранных поверхностей на­ грева, остаются неизменными при снижении нагрузки. Поэ­ тому, чем меньше сжигается топлива, тем большая доля всей тепловой энергии отбирается от пламени в пределах топки. Конвективные поверхности нагрева, наоборот, отбирают

6

меньше тепла, так как с уменьшением нагрузки падает температурный напор и величина коэффициента теплопере­ дачи, связанной со скоростью дымовых газов.

В зависимости от того, радиационного или конвектив­ ного типа пароперегреватель, температура перегретого пара будет повышаться или понижаться при снижении нагрузки.

Подбором размеров радиационной и конвективной частей пароперегревателя можно добиться, чтобы температура пара оставалась практически постоянной в определенном диапазо­ не нагрузок. Соотношение радиационное™ и конвективное™ такого пароперегревателя будет оптимальным только для определенного вида топлива. Однако и при стабильной ха­ рактеристике комбинированного пароперегревателя невоз­ можно целиком отказаться от регулирования температуры пара, хотя и в меньшем диапазоне [33].

Допустимые отклонения действительной температуры перегретого пара от расчетной весьма невелики. Не допус­ кается снижение температуры пара более чем на 10 град или превышение свыше чем на 5 град в интервале изменения на­ грузки от 100 до 70%. Поддержание температуры перегрето­ го пара в столь узких пределах необходимо для безопасной и экономичной работы как самого котельного агрегата, так и паровой турбины. Высокая температура пара, а следователь­ но, еще более высокая температура металла значительно снижаютсрокслужбы пароперегревателя. Например, змееви­ ки из стали 12Х1МФ, рассчитанные на длительную проч­ ность в 100 000 ч при -температуре 858° К, могут выйти из строя через 30 000 ч, если будут работать при температуре

868° К [25].

Снижение температуры перегретого пара на 10 град эквивалентно перерасходу топлива на 0,2% от общего рас­ хода топлива на котлоагрегат. Кроме того, при понижении температуры перегрева повышается влажность пара в по­ следних ступенях турбины. Это приводит к эрозии лопа­ ток турбины и аварийному выходу из строя турбинной уста­ новки.

7

Широко распространенные способы регулирования тем­ пературы перегрева пара при помощи пароохладителей и дополнительных горелок, рециркуляции продуктов горения и изменения нагрузки горелок по высоте топки имеют су­ щественные недостатки.

Поверхностные пароохладители обеспечивают достаточно широкий диапазон регулирования (до 50 град). Однако для этого нужно пропускать через пароохладитель 40—60% питательной воды. Охлаждение пара питательной водой с подачей ее затем в водяной экономайзер увеличивает потери тепла с уходящими газами. Например, при охлаждении пара на 37 град в поверхностном пароохладителе котла ТП-230 температура питательной воды на входе в экономайзер по­ вышается примерно на 26 град [33]. Естественно, повышение температуры воды сопровождается уменьшением тепловосприятия экономайзера и ростом температуры уходящих газов.

Впрыскивающие пароохладители проще поверхностных в изготовлении и более надежны в эксплуатации. Выгодно отличаются они от поверхностных также значительно мень­ шей инерционностью действия (30—60 сек, у поверхностных до 5—7 мин). Охлаждение пара достигается, впрыскиванием в перегретый пар воды. Количество воды, идущей на охлаж­ дение, обычно не превышает 12% от производительности котельного агрегата. К впрыскиваемой воде предъявляются жесткие требования. Считается пригодной для впрыска толь­ ко вода с солесодержанием не более 0,3 мг!кг [31]. Исполь­ зование впрыскивающих пароохладителей для регули­ рования температуры перегрева снижает общий к. п. д.

0,1 % на каждый процент впрыска (доля впрыскиваемой воды определяется от общего расхода воды на питание котла) [7].

Естественно, оба описанных способа регулирования с

8

помощью пароохладителей позволяют только понижать температуру перегретого пара.

В отличие от паровых, газовые методы регулирования обеспечивают в процессе эксплуатации котлоагрегатов как повышение, так и снижение температуры перегретого пара.

Рециркуляция продуктов сгорания из конвективного га­ зохода в топку котла позволяет одновременно изменять ко­ личество и температуру газов перед пароперегревателем. Если газы подаются в нижнюю часть топки, то снижается температурный уровень топочных газов и экранные поверх­ ности воспринимают меньше тепла, а тепловосприятие па­ роперегревателя, наоборот, увеличивается. В том случае, когда рециркуляционные газы подаются в верхнюю часть топки, температура перегретого пара понижается, так как теплопередача излучением в топке не уменьшается (темпера­ турный уровень практически не снижается), а добавка ох­ лажденных газов из конвективных газоходов в продукты го­ рения на выходе из топки снижает температуру газов в райо­ не пароперегревателя.

Недостатками этого способа являются существенные за­ траты на сооружение обводных газоходов, рециркуляцион­ ные вентиляторы и энергетические затраты на перекачку га­ зов, которые достигают 0,3% от общей мощности установки. Кроме того, подача рециркуляционных газов в нижнюю часть топки увеличивает потери тепла с уходящими газами. Например, во время испытаний котла ПК-14 при коэффи­ циенте рециркуляции 16% температура уходящих газов поднялась на 18 град. Соответственно потери тепла с уходя­ щими газами возросли на 1% [33]. Коэффициент рецир­ куляции представляет собой отношение количества рецирку­ ляционных газов к общему расходу газов котлоагрегата, измеренному за местом отбора рециркулируемых газов. Диа­ пазон регулирования температуры перегретого пара возрас­ тает с ростом коэффициента рециркуляции. Обычно доста­ точный диапазон регулирования (40—45 град) достигает­ ся при коэффициенте рециркуляции, равном 20—25%.

9