Shinich Kajita, кандидат наук Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Gas Turbines & Machinery Company

1. Камеры сгорания газотурбинных установок Лекция в Московском Энергетическом институте Октябрь, 2012 Shinich Kajita, кандидат наук Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Gas Turbines & Machinery Company Gas Turbines Division

2. СОДЕРЖАНИЕ • Краткая информация о камерах сгорания газовых турбин • Конструкция камеры сгорания газовых турбин • Обзор выбросов газовых турбин • Технологии сухого подавления выбросов (DLE) • Надежностькамеры сгорания

3. Краткая информация о камерах сгорания газовых турбин

4. ● Компрессор Сжимает всасываемый воздух до требуемого давления ●Камера сгорания Смешивает сжатый воздух и топливо, сжигает полученную смесь и направляет горячие газообразные продукты сгорания в турбину ● Турбина Преобразует кинетическую энергию горячих газов во вращательную энергию вала приблизительно 2/3 мощности турбины уходит на сжатие всасываемого воздуха Газовые турбины - принципы и эксплуатация Воздух Выхлопные газы

5. Условия эксплуатации (цикл Брайтона) Высок. 3‘ Температура 4‘ ● 2‘ ● 1 ● ● 2‘ 3‘ ● ● Расширение 1 Давление 4‘ Сгорание Низк. ● ● Температура Bсас Выхлоп Камера сгорания Сжатие Турбина Компрессор Выхлоп Энтропия Диаграмма T-S

6. Типы камерсгорания • Выносная (трубчатая) • Секционная(трубчатая) • Кольцевая • Трубчато- кольцевая

7. Выносные и секционные камеры сгорания • Преимущества • Механически прочны • Легко совмещают спектры течения топлива и воздуха • Стендовые испытания требуют лишь небольшой доли массового расхода воздуха двигателя • Легки в техобслуживании • Недостатки • Громоздки и тяжелы • Большие потери давления • Не подходят для более высоких температур газов на входе в турбину по причине увеличения спирального охлаждения (выносная камера сгорания) • Требует пламяперепускных патрубков (секционная камера сгорания) • Возникают проблемы с кругового свечения Одиночная выносная камера сгорания Секционная камера сгорания

8. Кольцевые камеры сгорания • Преимущества • Минимальная длина и вес • Минимальная лобовая поверхность двигателя • Минимальные потери давления • Легкость кругового свечения • Недостатки • Серьезные деформации наружных оболочек камеры сгорания • Для стендовых испытаний требуется подача полного объёма массового расхода воздуха двигателя • Сложно совмещаются спектры течения топлива и воздуха • Трудно поддерживать стабильный температуру на выхлопе • Трудно заменять камеру сгорания на площадке

9. Трубчато-кольцевые камеры сгорания • Недостатки • Менее компактная, чем кольцевая • Требуются пламяперепускные патрубки • Возникают проблемы с круговым огнем • Для техобслуживания нужен разборный • кожух • Преимущества • Механически прочны • Легко совмещают спектры течения топлива и воздуха • Стендовые испытания требуют лишь малой доли массового расхода воздуха двигателя • Малые потери давления

10. Конструкция камеры сгорания газотурбинной установки

11. Тенденции рынка R:Надежность （Надежность) A:Availability(Доступность) M:Осн.tenability（Простота обслуживания) D:долговечность (Долговечность) S:Safety(Безопасность)

12. Требования Влияет на: Надежное зажигание Эксплуатацию Устойчивость горения (нет проскоков, отрыва, пульсаций) Производительность двигателя Минимальная потеря давления Высокая эффективность сгорания Низкая дымность Экологичность Удовлетворительные уровни выбросом Предпочтительное распределение температур на выходе Срок эксплуатации Долговечность Низкая стоимость производства Стоимость жизненного цикла Простота обслуживания Гибкость в выборе топлива Конкурентоспособность Критерии конструкции камеры сгорания

13. Типовая диффузионная камера сгорания Топливо Зона обратных токов Охлаждающий воздух Завихритель Распыл топлива Воздух на смешение Выхлопные газы Воздух Tопливные форсунки Первичная зона Вторичная зона Зона смешения

14. Типовая камера сгоранияс предварительным смешением Вторичный воздух для смешения с продуктами горения Топливопровод высокого давления Завихритель Выхлопные газы Воздух для горения Топливо Зона предва рительного смешения топлива и первичного воздуха Зона смешения Зона Горения

15. Интенсивность горения Трубчато-кольцевая (диффузия) Кольцевая (диффузия) Секционная(диффузия) Трубчатая (диффузия) Трубчато-кольцевая (СПВ сухое подавление выбросов) Кольцевая (СПВ) Секционная (СПВ) Трубчатая (СПВ) Камера сгорания СПВ Интенсивность горения Выходная мощность / Выносная или кольцевая КС (кВт)

16. Распределение воздуха в камере сгорания воздух Коэффициент эквивалентности зоны горения топливо Воздух горения Воздух охлаждения + Воздух смешения φp =0.8 φp =0.7 φp =0.6 φp =0.5

17. Противоречивые требования Требует низких температур Требует высоких температур КПД CO,несгоревшие углеводороды Охлаж- дение NOx

18. Методы охлаждения внутренней облицовки камеры сгорания газы высокой температуры пленка охлаждающее вещество Пленочное охлаждение газы высокой температуры пленка охлаждающее вещество Относительный поток охлаждающего воздуха Инжекционное охлаждение Инжекционное охлаждение Эффузионное охлаждение газы высокой температуры пленка охлаждающее вещество Эффузионное охлаждение пористая стенка высокая температура газа Типы охлаждения пленка охлаждающее вещество Пористое охлаждение

19. Снижение воздушного потока, охлаждающего наружную поверхность КонвективноеОхлаждение (KHI) Натекание воздуха + КонвективноеОхлаждение (Solar) ТЕПЛОВОЙ ПОТОК + TBC Верхнее керамическое покрытие Термобарьерное Покрытие Металлическая связка Основной материал пламенной трубы Может понизить температуру поверхности металла на50 – 100℃ Охлаждениепаром (MHI) ОХЛАЖДАЮЩИЙ ВОЗДУХ

20. Топливо для газовых турбин

21. Влияние вязкости на форму струи

22. Обзор выбросов газовых турбин

23. Выбросы газовых турбин (загрязняющие вещества)

24. Механизмы формирования NOx

25. Высокие Выбросы Низкие Низкая Высокая Температура пламени Характеристики выбросов Желаемый Эксплуатационный Диапазон Желаемый Рабочий диапазон

26. Технологии низких NOｘ Понижение NOx Управлениегорением Подготовка выхлопных газов Влажный метод Сухой метод Селективное каталитическое восстановление Впрыскводы/пара Обедненное диффузионное горение Каталитическоегорение Ступенчатое сжигание Предварительно обедненное горение

27. Эффект впрыскиванияводы/парав NOx Соотношение NОx/ NОx без впрыскивания Вода Пар Топливо: природный газ Соотношение воды или пара к топливу

28. Технологии сухого подавления выбросов(DLE)

29. Эффект стехиометриитемпературы пламени Высок. Диффузионноегорение Предварительно обедненное горение Исключение обеднения Коэффициентстехиометрии Температура пламени Обеднение топлива Обогащение топлива Низк. Соотношениетопливо / воздух

30. Технологияпроектирования DLE – 4-х сторонний ящик Невозможно изменить параметр, чтобы это не отразилось на других параметрах NOx Динамика надежности жизни компонента Снижение производительности CO, несгоревшие углеводороды

31. Проектирование камеры сгорания с предварительным смешиванием • Понизитьвыбросы NOx － Снижениетемпературы пламенииз-за обедненного горения － Исключить горячие точки равномерным смешиванием топлива и воздуха • Понизитьвыбросы CO и несгоревших углеводородов － Продлитьвремя пребывания увеличением объёма камеры сгорания － Исключитьбыстрое охлаждение газаулучшением охлаждения стенок камеры сгорания • Стабильноегорение － Стабилизировать обедненное пламязапальной горелкой • Возможности понижения производительности － управлениекоэффициентом топливо/воздухс помощью воздуха нагорение и/или подготовкойтоплива

32. Камера сгорания DLE (Solar, Centaur 50S) Цилиндр с задним охлаждением Актуатор Охл.воздух Конвектор Крышка Первичная зона Охл.воздух Цилиндр с задним охлаждением Конвектор Обычный Охлаждение по центру и воздух Воздушн.смесь Выбросы Глав.топливо Запальное топливо Главный воздух Камера запального воздуха/топлива Завихритель глав.воздуха Камера предв.смеш. гл.топл./воздуха Нагрузка %

33. Камеры сгорания DLE (MHI, серии D～G) Запальная форсунка Серии G Обходной клапан Главн.форсунка Главное топливо Запальное топливо Корзина Переходная часть Серии D Темп. пламени 1500 гр. Запальная форсунка Главн.форсунка Байпасный клапан Воздух Пар Корзина 1500 град. контурохлажденияподачей пара(MTFIN) Переходная часть Пар (подача) Серии F (Обратка)

34. Камера сгорания DLE (GE, DLN-1 ) Внеш.кожух Рукав потока Стандарт. операция -на 20-50% нагрузки Первич. операция от зажиг.до 20% нагрузки Первичн. топл. Форсунки (6) топливо топливо Сердцевина Первич.зона обеднен. и предв. смешивания Зона разряжения Вторичн. зона Вторичн. топл.форс.(1) Расходометр Концевая крышка топливо топливо Операция предв. смешивания -50-100% нагрузки Горение 2-й стадии -неустойчиво при переходе до предв. смешивания MS7001EA/MS9001E emissions

35. Камера сгорания DLE (KHI, M1A-13D ) Зап.форсунка диффузионного стакана Завихрители Гл.форсунки предв. смешив.(8ea) Трубки подачи газа Воспламенитель Камера сгорания Доп. диффуз. форсунки (4ea)

36. Постадийная подача топлива (KHI, M1A-13D ) Диапазон DLE Расширенный рабочий диапазон посредством IGV (опция) Нагрузка двигателя, %

37. Камера сгорания DLE (KHI, M7A ) Топливо Воспламенитель Воздух Трубки впрыскаосн.топлива вспом.топливо Вспом. Форсунки предв. смеш-я Осн.форсункапредв.смеш-я отверстияразряж.воздуха Воздух Осн.топливо Зап.топливо удлиннение Выхлоп конвекционноеохл-е Радиальный завихритель Прям. обдув + плён. охл-е Диффуз.зап.форсунка

38. Стадийная подачатоплива/воздуха (KHI, M７A ) NOｘ CO Нагрузка двигателя (%кВт)

39. Каталитическое горение (KHI, M1A-13X ) Критерии выбросов (O2=15%) NOx < 2.5 ppm CO <6 ppm UHC <3 ppm Эксплуатац.диапазон DLE : 70～100% нагрузки Время жизни ускорителя: 8,000 час. Впрыск топлива Миксер Предв. горелка Модуль ускорителя Зона прекращения горения Мощность:1400кВт Тепл.мощн.:5997кВт Ускорительн.модуль Камера сгорания

40. Сгорание пламенем vs. Каталитического горения Воздух разряж. Воздух горения Воздух горения Обычное горение пламенем Диффуз. горение Топливо Топливо Воздух разряж. Воздух горения Воздух Обедн. предв.замеш-ем горение Вода Топливо Ускоритель Смесь топлива/воздуха Каталит. горение Каталитическое горение Ускоритель Топливо Метан Диффуз. горение Кислород Воздух Вытка NрабоOx Температура горения Азот Обедн. предв.замеш-ем горение Вода Каталит. горение Ускоритель Выход камеры сгорания Вход камеры сгорания

41. 1 ГТна топливеиз обеднён. метана (KHI, M1A-01V) Нетвыбросов NOx ! 6 5 Топливо из разбавл. метана (2%CH4) Каталитич.камера сгорания Пусковаякамера сгорания Ускоритель 7 2 Выхлоп.газ 8 4 ГТ 3 Редуктор Теплообменник

42. Надежность камеры сгорания

43. Процесс разработки камеры сгорания Надежность камеры сгорания (системы сгорания) может быть повышена за счет развития этого процесса. Коммерческиекамеры сгоранияпредполагают многократный процесс анализа, проектирования и тестирования производительности.

44. Проектированиекамер сгорания

45. Улучшение дизайна камеры сгорания • Анализ CFD • Аэродинамика камеры сгорания • Смешивание топлива / воздуха • Структура пламени • Присутствие участков местного перегрева • Профили температур на выходе камеры сгорания Векторы скорости Профиль скорости реакции Температурный профиль

46. Стендовые испытаниякамеры сгорания

47. Стендовые испытания камеры сгорания • Подтвердить начальные характеристики • Выбросы • Потеря давления • Фактор шаблона • Температура стенок • Улучшения для требований по двигателю • Изучить оптимальные условия для DLE • Подтвердить эксплуатационные пределы • Разжигание • Срыв пламени • Проскок пламени • Пульсация давления • Температура стенок камеры сгорания Барокамера Камера сгорания Проектированиеупр-я двиг-лем и алгоритмов управления Устройствостенд. испытаний камеры сгорания

48. Стендовые испытаниядвигателя

49. Стендовые испытания двигателя • Подтвердить производительность • Способность к зажиганию • Стабильность в переходных режимах • ускорение • нагрузка/разгрузка • пошаговаянагрузка/разгрузка • Эксплуатац.диапазон для малых выбросов • Потеря давления • Профиль радиальной температ. • Распростр. темп. выхл. газов • Подтвердить эксплуатационные пределы • Срыв пламени • Проскок пламени • Пульсации давления • Оптимизироватьработу DLE • Расслоениетоплива • Управлениевоздухомгорения • Подтвердить долговечность • Испытание на циклы нагрева • Измерениятемпературы стенок • →Анализ методом конечных • элементов Устройство стенд. испытания двигателя

50. Измерения температуры стенок Термоэлектрические средства Примеры индикации термокраской