Значительным прорывом в проектировании современных КС энергетических ГТУ является переход к двухступенчатым камерам сгорания с предварительным смешением топлива и воздуха, способным работать как на газообразном, так и на жидком топливе. На рис. 1 приведена принципиальная схема двухступенчатой КС, спроектированной и опробованной в работе фирмой General Electric и имеющей маркировку DLN (Dry Low N0x - сухие низкие NOx).
Рисунок 1 - Принципиальная схема КС типа DLN (фирмы General Electric)
Конструкция такой КС включает в себя четыре основных компонента: систему впрыска топлива, пламенную (жаровую) трубу, сопло Вентури, центральную секцию пламенной трубы.
Эти компоненты объединены в общую конструкцию и образуют две ступени КС. В режиме предварительного приготовления топливной смеси первая ступень КС служит для тщательного перемешивания топлива с воздухом и получения однородной бедной, несгоревшей топливовоздушной смеси для подачи ее во вторую ступень КС. Рис. 2 иллюстрирует работу КС типа DLN на природном газе в одном из перечисленных ниже режимов. Предварительное пермешивание топлива и природного газа и сгорание топливовоздушной смеси зависят от нагрузки установки.
режим I (первичный) - происходит зажигание топлива, набор частоты вращения ГТУ, работа под нагрузкой, равной 20% номинальной. Смесь воздуха и топлива поступает только в горелки первой ступени, где топливо и сгорает;
режим II (обеднéнный - обеднéнный) - ГТУ работает в интервале нагрузки, равной 20÷39 % номинальной. Смесь воздуха и топлива подается в обе ступени КС и горение осуществляется в этих двух ступенях;
режим III (вторичный) - работа ГТУ при нагрузке, равной 40% номинальной. Смесь воздуха и топлива поступает только во вторую ступень КС, где и сгорает;
режим IV (предварительного смешения) - работа ГТУ в интервале нагрузок 41÷100% номинальной. Смесь воздуха и топлива подается в обе ступени КС, но горение происходит только во второй ее ступени, где сгорает все топливо.
Рисунок 2 - Режимы работы многокамерной (по топливу) КС типа DLN
Возможен автоматический переход от сжигания природного газа к сжиганию жидкого топлива. Специальные детекторы пламени отслеживают горение в первой и второй ступенях КС. Специфична и работа свечей зажигания, которые не убираются во время работы, так как необходимо осуществлять повторное зажигание топлива в первой ступени при высоких нагрузках.
Первая секция приготовления топливовоздушной смеси ограничена стенкой первой ступени КС и передним конусом сопла Вентури. Последнее препятствует обратному забросу горячих газов из второй в первую ступень КС.
Эффективность КС типа DLN изменяется в зависимости от нагрузки. Регулированием калиброванного клапана осуществляется разделение топлива для работы в заданной точке, определенной по расчетной температуре зажигания (рис. 3).
Рисунок 3 - Типичная диаграмма распределения газовых потоков в системе DLN
Принципиальная схема системы подачи и распределения газового топлива в КС ГТУ типа DLN показана на рис. 4.
Рисунок 4 -. Схема системы подачи и распределения газового топлива в КС ГТУ типа DLN
SRV - клапан задания скорости/степени обеднения топливовоздушной смеси; GCV - клапан регулирования расхода газа; GSV - клапаны распределения газовых потоков; Р - первая ступень; S - вторая ступень; GTV - переключение газовых потоков
Сжигание топлива в КС с сухими малотоксичными горелками типа DLN на современном энергетическом рынке считается наименее дорогостоящим методом борьбы с выбросами N0x, при этом достигнута концентрация вредных выбросов в выходных газах ГТУ 25ррm. Новые конструкции горелок типа DLN-2.6 при Тнт = 1327°С позволяют уменьшить выбросы NOx до 15 ррm, а при Тнт = 1396 °С - до 9 ррm.
Стремление к работе на сверхбедной топливовоздушной смеси в современных сухих малотоксичных КС встречает определенные трудности. Возможны возникновения нестабильности пламени и пульсации давления, а также проскок пламени в случае внезапного воспламенения смеси в тракте перед горелкой.
При использовании сухих КС типа DLN имеет место ограничение объемной концентрации метана СН4 в топливном газе до 85%. Стоимость КС с горелками типа DLN составляет до 10% общей стоимости энергетической ГТУ (около 1 млн долл. США на одну ГТУ большой мощности).
Международный концерн ABB (Швейцария - Швеция) достиг значительных успехов в разработке современных сухих малотоксичных КС оригинальной конструкции - так называемых EV-горелок (Environmental Burner - экологическая горелка). Общая схема такой горелки представлена на рис. 5, а конструкция и особенности ее работы показаны на рис. 6.
Рисунок 5 - Двухконусная EV-горелка фирмы ABB для сжигания в сухом режиме двух видов топлива
Рисунок 6 - Конструкция EV-горелки (фирмы ABB) (а) и особенности технологического процесса сгорания топлива (б)
1 - воздух для сгорания топлива; 2 - подача природного газа; 3 - выходная кромка EV-горелки; 4 - отрыв вихрей; 5 - предварительное смешение воздуха и топлива; 6 - фронт пламени; 7 - завихритель; I-IV - этапы сгорания топлива в EV-горелке
Как видно из рисунков, EV-горелка состоит из двух конических половин, которые смещены одна относительно другой в осевом направлении. В результате смещения образуются два шлица по всей длине горелки. Через эти шлицы в горелку поступает воздух для горения, который перемешивается с природным газом, впрыскиваемым через небольшие отверстия по краям шлицов. Благодаря специальной форме горелки внутри нее образуется поток топливовоздушной смеси с очень высокой скоростью, который покидает конус и поступает в факел. Последний стабилизируется рециркуляционной зоной перед горелкой без помощи механического стабилизатора пламени. Таким образом, можно выделить следующие этапы процесса горения (рис. 6, б):
1. Газообразное топливо (г) подается во входное устройство и сразу перемешивается с воздухом (в).
2. Высокая осевая скорость топливовоздушной смеси (ТВС) предотвращает ее загорание внутри корпуса.
3. Обедненная топливовоздушная смесь покидает конус горелки и подается в горящий факел. Зона обратных токов стабилизирует горение.
4. Скорость движения воздуха (в) и топлива (т) защищает поверхность металла от пламени факела.
Благодаря тому что обтекающий EV-горелку холодный воздух для горения поступает вовнутрь и факел не имеет контакта с корпусом горелки, последняя остается сравнительно холодной и не подвергается износу. EV-горелка пригодна для смешанного режима сжигания газообразного и жидкого топлива. При работе на жидком топливе оно распыляется на вершине конуса и перемешивается с воздухом для сжигания.
Работая на природном газе без впрыска пара/воды, EV-горелки обеспечивают концентрацию вредных выбросов NOx менее 25 ррm, а при работе на жидком топливе эти значения могут быть около 42 ррm.