Топливо для ГТУ и его характеристики
Топливо для газотурбинных установок
В газотурбинных установках используют жидкие и газообразные органические топлива.
Жидкие топлива являются продуктами перегонки нефти. В нашей стране наибольшие запасы нефти расположены в Южно-Каспийском, Волго-Уральском, Краснодарском, Тймене-Печерском, Мангышлакском, Западно-Сибирском и Сахалинском месторождениях. После переработки нефти получают топлива разных составов. В газотурбинных установках используют легкое и тяжелое дистиллятное, а также остаточное топливо.
Легкое дистиллятное топливо, представляющее собой низкокипящую фракцию прямой перегонки, крекинга или реформинга - нефти, подразделяют на топливо для карбюраторных, реактивных и дизельных двигателей. Некоторые виды дизельного топлива, непригодные для использования в дизельных двигателях, могут использоваться в ГТУ.
Тяжелое дистиллятное газотурбинное топливо, являющееся дистиллятом нефти, сланца или остаточных нефтепродуктов, служит основным жидким топливом для стационарных и транспортных ГТУ.
К остаточным относят моторные топлива, флотские и топочные мазуты, являющиеся тяжелыми вязкими остатками прямой перегонки и крекинга нефти, или их смеси с более легкими топливами. При использовании в ГТУ этих топлив необходимы их промывка и ввод присадок.
Газообразные топлива — это природный и искусственный газы.
Природный газ добывают на газовых месторождениях. Крупнейшими месторождениями являются Тюменское и Уренгойское, а также на Северном Кавказе, Украине, Северном Урале, Волге и в Средней Азии. Кроме того, на нефтяных месторождениях добывают разновидность природного газа — попутный газ.
Искусственный газ является побочным продуктом доменного, коксового и других производств. Кроме того, его получают в специальных газогенераторных установках или в результате подземной газификации угля.
Основными характеристиками жидкого и газообразного топлива являются его состав, теплота сгорания, зольность, вязкость, температура вспышки и застывания, стабильность, совместимость с другими видами топлива, характер взаимодействия с водой.
Органическое топливо в основном состоит из сложных углеводородов. В относительно небольших количествах в нем содержатся азот, сера, кислород, щелочные металлы и другие элементы. Состав топлива принято представлять в виде процентного массового содержания углерода С, водорода Н, азота N, кислорода О, серы S, минеральной негорючей части (золы) А и влаги W. Различают рабочую, сухую (без влаги), горючую (без влаги и золы) и органическую массы топлива.
Массу топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называют рабочей. По составу топлива рассчитывают тепловой и материальный балансы процесса горения. Рабочая и сухая массы некоторых видов топлива могут заметно отличаться друг от друга.
Топливо содержит горючие и негорючие части. Горючей частью топлива являются углерод, водород и частично сера. Азот и кислород — негорючие составляющие. Сера, входящая в состав топлива, подразделяется на органическую, колчеданную и сульфатную, из которых горючими являются органическая и колчеданная. В жидких топливах содержатся органические соединения серы. Наличие серы в топливе нежелательно. Продукты окисления серы — сернистый ангидрид SO2 и особенно серный ангидрид SO3 — вызывают интенсивную коррозию металлических поверхностей и загрязняют атмосферу.
Наличие влаги в топливе требует дополнительных затрат теплоты на ее нагрев, испарение и снижает температуру горения. При повышенной влажности усиливается коррозия деталей оборудования, а также из-за налипания топлива забиваются фильтры. В воде, кроме того, растворено основное количество соединений коррозионно-агрессивных щелочных металлов.
Одной из важных характеристик топлива является теплота сгорания. При горении в результате экзотермических реакций окисления происходит выделение теплоты, количество которой зависит прежде всего от состава топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При охлаждении продуктов горения до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров выделяется теплота конденсации. Количество теплоты, выделяющейся при сжигании единицы массы или объема топлива с учетом этой теплоты, называют высшей теплотой сгорания топлива. Низшей теплотой сгорания называют количество теплоты, в котором не учитывается возврат теплоты от конденсации водяных паров.
Температура газов после камеры сгорания ГТУ высока, и конденсации водяных паров в проточной части газовой турбины и выхлопном тракте не происходит. Поэтому при расчете ГТУ используют низшую теплоту сгорания топлива.
После завершения процесса горения топлива образуется зола — твердый негорючий остаток. При сгорании жидких топлив образуется зола, в которую входят соли, оксиды металлов и кремний, содержащиеся в топливе в свободном состоянии или в виде химических соединений. Соединения некоторых металлов (Na, Ca, Pb) попадают в топливо в процессе производства, перевозки и хранения. Кроме того, при сжигании жидких топлив могут образовываться легкоплавкие соединения ванадия, натрия, калия и свинца, которые при высоких температурах вызывают коррозию металлов. Соединения кальция образуют прочные отложения на металлических поверхностях. Золовые отложения оседают на внутренней поверхности жаровых труб, сопловых и рабочих лопатках. Содержание (мг/кг) отдельных элементов в жидком топливе не должно превышать: натрия и калия — 0,5-1 (суммарное); ванадия — 0,5; свинца — 1-2; кальция — 1-5. При большем их содержании необходима предварительная очистка топлива. При сжигании газообразного топлива зола образуется в основном из содержащихся в нем твердых частиц.
Вязкость топлива характеризует возникающее в нем при движении внутреннее трение. Вязкость газообразных топлив крайне мала. Различные сорта жидких топлив имеют разную вязкость. Чем легче топливо, тем меньше его вязкость. Для количественной оценки вязкости используют градусы условной вязкости (°ВУ), выражающие отношение времени вытекания через калиброванное отверстие 2 -10~4 м3 рассматриваемой жидкости к времени вытекания такого же объема воды при 20°С. Для качественного распыливания форсунками и надежной транспортировки по трубопроводам вязкость жидкого топлива не должна превышать 2—3°ВУ. При нагревании до определенной температуры вязкость топлива сначала быстро уменьшается, а затем остается практически постоянной.
Температуру, при которой топливо теряет подвижность и не может перекачиваться по трубопроводам, называют температурой застывания.
Различные жидкие топлива воспламеняются при разных температурах. От постороннего источника пламени воспламеняется не само топливо, а смесь его паров и воздуха возле поверхности. Температурой вспышки называют наименьшую температуру топлива, при которой смесь его паров с воздухом у поверхности способна воспламениться от постороннего источника пламени.
При соприкосновении с воздухом жидкое топливо окисляется и со временем уплотняется. При этом образуются осадки, которые загрязняют оборудование и нарушают его нормальную работу. Чем меньше скорость окисления топлива, тем выше его стабильность. Осадки могут образовываться также при смешивании различных видов жидкого топлива. Если при смешивании нескольких видов топлива выпадает большое количество осадков, такие топлива называют несовместимыми.
Стабильность и совместимость жидких топлив повышают введением специальных присадок.
Вода отделяется от различных видов жидких топлив по-разному. В легких топливах она быстро отстаивается, а с тяжелыми может образовывать устойчивые эмульсии и выпадает в осадок через очень длительное время. Чтобы предупредить образование эмульсий и ускорить отделение воды от топлива, также применяют специальные присадки — деэмульгаторы.
Общие сведения о процессе горения топлива для ГТУ
Горение топлива в камере сгорания ГТУ происходит в смеси с воздухом. При этом протекает химическая реакция окисления горючих компонентов топлива. Окислителем служит кислород, которого в воздухе при нормальных условиях содержится примерно 21% по объему. При соединении кислорода с углеродом, водородом и серой топлива образуются соответственно углекислый газ, водяной пар и диоксид серы:
С + О2 = СО2;
2Н2 + Оа = 2Н2О;
S + О2 = SO2.
Чтобы эти реакции прошли полностью, необходимо определенное количество кислорода. Так как топливо в камере сгорания ГТУ смешивается не с чистым кислородом, следует определить количество воздуха, в котором содержится требуемое количество кислорода. Необходимое для полного сжигания 1 кг топлива количество воздуха (кг/кг), называемое стехиометрическим количеством.
При полном окислении всех компонентов и отсутствии потерь горение происходит при наибольшей для данного топлива температуре. Обычно действительная температура горения ниже максимальной, так как воздух в зону горения подается с небольшим избытком, не до конца сгорают отдельные компоненты и из-за процессов диссоциации небольшая часть теплоты не выделяется. С ростом температуры топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, температура горения увеличивается.
Если топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии и тщательно перемешаны, такую смесь называют гомогенной.
Если топливо и окислитель находятся в разных фазах (например, жидкость и газ), такую смесь называют гетерогенной. Горение гомогенной и гетерогенной смесей происходит по-разному. Все процессы горения, присущие гомогенной смеси, являются частью процессов, происходящих в гетерогенной. Химическая реакция горения идет с вполне определенной скоростью. Скоростью гомогенной реакции называют количество вещества, реагирующего в единице объема в единицу времени. Так как обеспечить самопроизвольное горение смеси одновременно во всем объеме невозможно, то в камерах сгорания применяют воспламенение от постороннего источника.
Слой определенной толщины, в котором происходят процессы, предшествующие химической реакции горения и собственно химическая реакция горения, называют фронтом пламени. В неподвижной гомогенной смеси фронт пламени распространяется с определенной скоростью, которая, в основном, зависит от скорости химической реакции.
Сжигание топлива в камере сгорания газотурбинной установки
Материалы, из которых изготавливают камеры сгорания стационарных ГТУ, должны быть дешевыми. Кроме того, камеры сгорания должны обеспечивать возможность работы на разных топливах (газообразном и жидком, легком и тяжелом) и полной автоматизации ГТУ, а также быть экономичными и надежными. Экономичность камер сгорания оценивается коэффициентом полезного действия, который зависит от гидравлических потерь и полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива характеризуется термическим коэффициентом полезного действия камеры сгорания, а гидравлические потери — гидравлическим кпд.
Потери теплоты в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством процесса сгорания топлива. Для уменьшения первых потерь камеры сгорания изолируют. Как правило, эти потери невелики. Вторые потери возникают из-за недожога и они складываются из потерь на физический и химический нёдожог.
Любое топливо горит в газообразном состоянии (жидкое — после так называемой газификации, предшествующей собственно реакции горения). Одной из причин физического недожога жидкого топлива является неправильно организованный процесс горения, при котором оно не успевает газифицироваться, перемешаться с окислителем и уносится из зоны горения. Другой причиной физического недожога является термическое разложение топлива при недостатке кислорода. В этом случае топливо разлагается на летучие фракции и углерод, образующий вместе с золой твердые частицы.
Физический недожог не только снижает экономичность камер сгорания, но и влияет на их надежность. Наличие твердых несгоревших частиц вызывает эрозию проточной части турбины. При этом липкая зола нарастает на лопатках турбины, в результате чего снижаются ее мощность и кпд, а также появляется небаланс ротора Возникающие иногда отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их короблению и растрескиванию, а отрывы наростов могут повредить проточную часть турбины.
Химический недожог связан с недостаточным временем пребывания газа в зоне горения, т. е. при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении ее отдельных участков, а также при низкой температуре горения и др. Полнота сгорания топлива зависит от температуры в зоне горения и давления в камере сгорания.
При определенной температуре термический кпд достигает максимального значения. Повышение температуры в камере сгорания увеличивает скорости испарения и горения топлива и сокращает период его воспламенения. До определенной температуры термический кпд растет. Дальнейшее повышение температуры снижает его, так как усиливаются процессы диссоциации СО2 и Н2О, при которых теплота поглощается. При увеличении давления в камере сгорания термический кпд растет, так как увеличивается скорость горения.
Гидравлический кпд камер сгорания оценивают по потерям полного давления.
Гидравлические потери обусловлены: трением потока о стен¬ки камеры сгорания; турбулентными потерями; потерями на смешение потоков; потерями давления вследствие подвода теплоты. В среднем для современных камер сгорания полный кпд камер сгорания колеблется в пределах 0,92-0,98.
Элементы, из которых собирают камеры сгорания, должны иметь достаточный срок службы. Наиболее слабым элементом камер сгорания являются пламенные трубы. Правильная организация процесса горения, выбор материалов и конструкции камер сгорания должны обеспечивать их надежность.
Для надежной работы лопаток газовых турбин распределение температур газа за камерой сгорания должно быть достаточно равномерным. Допускается относительная неравномерность
Допускаемые значения зависят от компоновки камер сгорания и газовых турбин. Так, при наличии длинных и изогнутых газоходов, выравнивающих поток между камерой сгорания и турбиной, неравномерность температур может быть достаточно большой. При непосредственном соединении газовой турбины с камерой сгорания неравномерность температур должна быть малой.
Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камеры сгорания были небольших размеров. Габариты камер сгорания зависят от теплонапряженности ее рабочего объема.
Процесс горения топлива можно разделить на несколько стадий. При сжигании газообразного топлива это образование смеси, разогрев ее и горение, получение рабочих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходят пирогенное разложение (без доступа кислорода) и испарение капель, а затем процесс горения идет так же, как при использовании газообразного топлива.
До подачи в камеру сгорания топливо соответствующим образом обрабатывают (очищают, подогревают и повышают его давление до необходимого). Затем жидкое топливо через форсунки, а газообразное через горелки подается в камеру сгорания. Время горения топлива определяется временем испарения, смешения, разогрева и протекания химической реакции.
Для эффективной работы камер сгорания необходимо: разделение пространства внутри пламенной трубы на зоны горения и смешения; оптимальное распределение топлива по ее сечению; турбулизация потока в зоне горения; стабилизация фронта пламени; организация охлаждения основных элементов. Температура рабочих газов, попадающих в турбину стационарных ГТУ гораздо ниже температуры горения топлива. Ни одно топливо не будет качественно гореть при низкой температуре из-за неустойчивости процесса горения. Для хорошего горения необходимо, чтобы температура в зоне горения была 1600—1800°С. Поэтому рабочий объем камер сгорания условно делят на две зоны — зону горения, куда подаются первичный воздух и топливо, и зону смешения, куда подаются продукты сгорания и вторичный воздух.
Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха больше, чем его стехиометрическое количество.
Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его необходимо перемешивать с первичным воздухом. Для этого поток первичного воздуха делают турбулентным. Турбулизацию, позволяющую интенсифицировать процессы массо- и теплообмена, улучшить смесеобразование и увеличить скорость горения за счет перехода от ламинарного к турбулентному горению, осуществляют с помощью регистров, плохо обтекаемых тел (конусов), перфорированных пластин и др.
Так как в камере сгорания скорость движения потока значительно выше, чем скорости распространения пламени, то для удержания пламени в устойчивом положении необходимо иметь источник постоянного зажигания — стабилизатор фронта пламени. В камере сгорания его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки.
Рис.1. Схемы образования вторичных токов в зоне горения:
а - с помощью конуса, б - с помощью лопаточного завихрителя (регистра);
1 - корпус, 2 - пламенная труба, 3 - регистр
Две схемы образования обратных токов показаны на рис.1,а,б. За конусом (рис.1,а) создается зона разрежения, в которую из зоны горения подсасываются горячие продукты сгорания. Лопаточный завихритель (рис.1,б) закручивает поток первичного воздуха вокруг оси камеры сгорания. Воздух при этом оттесняется к стенкам пламенной трубы, а вокруг оси камеры сгорания создается зона разрежения, в которую устремляются горячие продукты сгорания.
Топливо подается к внешней границе зоны обратных токов, так как вследствие высокой турбулентности воздушного потока здесь происходит наиболее быстрое перемешивание топлива с первичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и испаряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.