Анализ мирового опыта создания угольных энергоблоков с применением технологии ультра-суперкритического пара

Поэтому, во-вторых, эти горелки должны обеспечивать регулирование интенсивности крутки формируемых ими потоков, - хотя бы части из них. Без этого нельзя оптимизировать размеры отмеченных выше зон индивидуального факела, а также его длину и угол раскрытия в топке. Без этого, в свою очередь, очень трудно влиять на теплотехнические характеристики результирующего факела в топке и на процессы теплообмена по газовому тракту котла.

В третьих, горелки  должны формировать длинные факела сильно пониженной крутки. Эти удлиненные факела необходимы для достижения многих целей. Прежде всего, выделим время  пребывания первичных продуктов, содержащих NOx, в восстановительной атмосфере. Обеспечив местные избытки воздуха  в зоне горения на уровне значений 0,8-0,9 (часто всего это внешние  и дальние участки индивидуального  факела горелки), можно сильно ослабить процессы образования NOx. При этом они  даже почти не будут зависеть (по Рослякову - МЭИ) от температуры, если она  не слишком высока. Снижение крутки индивидуальных факелов вплоть до затухания (захлопывания) приосевого обратного  тока может, по данным ряда зарубежных и отечественных работ 60-70-х годов, вызывать усиление турбулентного обмена в протяженной приосевой области  факела. Это, на наш взгляд, особенно важно для подавления образования  сажи (содержат канцерогены группы С20Н12) в области сжигании топлива  с недостатком О2, особенно при  экстремально низких избытках воздуха (примерно равных 0,4-0,6). Эта зона горения  очень важна для экологически чистого сжигания не только природного газа. При сжигании углей, это может  понизить образование «топливных» NOx при умеренном выходе «быстрых» NOx (следует из работ Рослякова и зарубежного опыта).

В связи с  этим, в четвертых, такие горелки  должны иметь дополнительные средства стабилизации горения, так как иначе  их эксплуатация вообще невозможна из-за опасности обрыва факела при сильном  снижении его крутки в режимах  приближения к достижению максимального  подавления выбросов оксидов азота. В лучших современных американских и немецких конструкциях горелок  чистого и экономичного сжигания твердых топлив этому служат совсем небольшие конусы, уступы, шайбы (плохообтекаемые  тела), не вызывающие увеличения аэродинамического  сопротивления. Они одновременно являются еще и весьма эффективными турбулизаторами  отдельных зон горящего факела за горелкой, где вследствие резкого  роста температур снижается эффективность  проявления механизмов турбулентного  переноса. Еще один прием совместной стабилизации горения и активизации  механизмов перемешивания в приосевой  зоне факела горелки, был популярен  за рубежом уже более 30 лет тому назад, - это установка в центральной  части горелок (в потоке воздуха  или аэропыли) неподвижного или подвижного (например, горелки фирмы Stork) лопаточного  регистра с радиальными или наклонными (диагональными) лопатками. Этот прием  применялся также на газовых горелках самой высокой эффективности, например, компанией Deutsche Babcock, а ныне – John Zink, а сегодня - и в ряде подобных новых  отечественных конструкций.

В пятых, наряду с возможностью регулировать расходы  воздуха и топлива по любому из каналов горелок, необходимо добиться предельного повышения осесимметричости всех формируемых потоков. Считаем, что это очень важно, так как  осесимметричность позволяет предельно  снижать местные избытки воздуха  в факелах и общие - в результирующем факеле всей топки. Это обеспечит  значительно более полное использования  потенциала любых схем позонного  подавления или восстановления «термических»  или иных NOx с достижением предельной полноты выгорания в камерной топке любого вида энергетического  топлива.

Достижение  оптимального минимума перечисленных  требований невозможно, следуя требованиям  давно устаревших ОСТ. Стандартные  или нормализованные горелки  не имеют регулируемых регистров (завихрителей) воздуха и дополнительных средств  стабилизации горения. Не предусмотрены  на них дополнительные средства повышения  интенсивности турбулентного обмена в отдельных зонах потоков  или факелов на их основе. Регулирование  расходов воздуха по каналам - слабое и совершенно недостаточное средство управления смешением и размерами  отдельных зон факела. И все  приведенные нами выше требования обеспечения  безопасного и экономичного сжигания реализуется только в специальных  горелках, принципиально противоречащих требованиям ОСТ. Эти горелки  иногда называют горелками экологически чистого сжигания. Далее обозначим  их как ГЭЧС.

В связи с  изложенным, выделим три ключевые технологические проблемы, которые  необходимо разрешить при разработке ГЭЧС. Первая – они должны позволить  регулировать интенсивность крутки в широком диапазоне, по крайней  мере, одного потока. Причем диапазон регулирования  крутки должен быть реализован в условиях реальной эксплуатации котла. Вторая –  закручивающие аппараты (регистры) ГЭЧС должны обеспечивать исходную (до включения регулирования) структуру  потока (факела), которая позволит в  эксплуатации изменять крутку в нужном для практике направлении. Третья - решение двух перечисленных технологических  проблем должно быть обеспечено с  минимальными затратами энергии, в  пределах возможностей обычных дутьевых средств энергетического котла.

При анализе  горелок и их регистров в отечественной  практике ограничиваются сильно условными  расчетами крутки по геометрии устройств, используя как стандартные (ОСТ), так и нестандартные и популярные методы (Ахмедов, Найденов, Иванов и  др.). Разумеется, что эти расчеты  крутки при таких крайне условных подходах никогда не совпадают со значением крутки, найденной интегрированием  экспериментальных профилей (полей) скоростей, давлений и плотностей. Но даже независимо от этого противоречия, мы подчеркнем неоспоримый факт: существует несколько типов регистров для  закрутки воздуха на горелках. Каждый из них формирует поток с некоторыми существенными для практики особенностями, а простейшие горелки на их основе, имеют некий свой диапазон значений коэффициента аэродинамического сопротивления и характеристик горящего факела. Другой особенностью каждого типа регистра является реальный диапазон регулирования крутки и структуры формируемого им потока в диапазоне допустимых на практики коэффициентов аэродинамического сопротивления.

Известно  несколько похожих классификаций  регистров горелок или горелок  с этими регистрами. Считаем, удобнее  принять классификацию Ахмедова (или Найденова) , в которой выделены 1-2 вида камерных регистров и 3 основных типа лопаточных регистров: тангенциальные лопатки (ТЛ), аксиальные лопатки (А), и  АТЛ (аксиально-тенгенциальные). Здесь  и далее все абревиатуры нами даны по Ахмедову. Однако считаем, что  тип АТЛ лучше было бы называть диагональным регистром и обозначить как «Д», что мы и делаем.

Многие современные  специалисты считают , что самые  успешные типы – это регистры А  и Д, которые более удачно совмещаются  в неком регистре промежуточного типа, близко напоминающем тип Д, но не выделяемом специально. Они формируют  устойчивые длинные, хорошо стабилизированные  горящие факела, с хорошими условиями  смешения топлива с воздухом в  приосевой области корня факела до и после воспламенения - в зоне первичного горения топлива. К таким  регистрам можно отнести некоторые  конструкции центральных регистров  стандартных (ОСТ) отечественных газовых  горелок. Другой еще более удачный  пример,

-это центральный  регистр рекордных по своим  характеристикам вихревых горелок  камер сгорания газовых турбин  корпорации «Siemens» серии «3а». Мы также имеем удачный опыт  использования подобных регистров,  разработанных нами в 1985 году  для специальных вихревых газовых  горелок, с необычно длинными, устойчивыми, хотя и слабо закрученными  турбулентными факелами, но, тем  не менее, сохраняющими устойчивые  осевые обратные токи. Горелки  эти на практике показали рекордно  низкое аэродинамическое сопротивление  и были установлены на опытном  водогрейном котле с топкой  циркулирующего кипящего слоя  в котельной УПИ, который был  пущен в 1991 году. Регистры этих  горелок (комбинация типа А  и Д) геометрически совершенно  подобны осевым регистрам горелок  газовых турбинах «Siemens», поступивших  в эксплуатацию в том же  году. А необычные параметры горелок  опытного котла ЦКС-УПИ были  связаны с внедрением нового  способа влияния на крутку  и структурой потока (о нем  речь дальше), который и обеспечил  устойчивое воспламенение и полное  сгорание природного газа при  сверхнизком сопротивлении и  пониженной крутке.

Иная ситуация складывается при использовании  камерных регистров типа У и Т. Эти регистры имеют очень надежную стабилизацию горения и активное смешение на периферии факелов, но у  них ухудшено смесеобразование на оси  корня факела. Можно утверждать, что этот порок регистров У  и Т можно устранить при  формировании потока циклоном (Ц) –  диафрагмированной камерой, подобной, в том числе, регистрам Т или У. Этот тип регистра мы рекомендуем выделять принципиально в самостоятельный тип «Ц». На основе собственного опыта можем утверждать, что эти регистры Ц формируют потоки с постоянной структурой даже при заметном изменении крутки всего потока в циклоне. Во вторых, в регистрах Ц надежно устраним другой недостаток регистров Т и У – несимметричность потока на выходе из устройства. Использование горелок с камерным регистром типа Ц пока не нашло широкого применения, несмотря на ряд достоинств. К регистрам Ц, по нашему мнению, можно отнести и удачные циклонные предтопки разработки ДВПИ и вышедших из него специалистов, а также ряд газомазутных горелок для небольших котлов разработки американской корпорации John Zink.

Все эти проблемы в значительной мере или даже полностью  можно решить в рамках приемлемых для практики аэродинамических сопротивлений  и высокой эксплуатационной надежности применением нового оригинального  способа управления структурой и  круткой закрученного потока. Есть модель вихревой горелки с этим новым  способом управления. Эта модель, исследованная  нами ранее наряду с некоторыми другими, состояла из нерегулируемой улитки с  выходным каналом, длина которого соизмерима с диаметром. Стенка канала по всей длине была перфорирована отверстиями  малого диаметра. Через них в закрученный  поток радиально вдувался воздух в виде системы равномерно рассредоточенных струй со скоростями, соизмеримыми со скоростями в самом вихре. Такой  струйный радиальный вдув (СРВ) разной интенсивности через стенку оказался чрезвычайно эффективным средством управления потоком, вызывал сильную перестройку его структуры и на порядок изменял интенсивность крутки интегрального вихря на выходе из модели.

В этой модели простейшей вихревой, формально нерегулируемой горелки, установлен нерегулируемый регистр  постоянной геометрии. Все остальные  узлы модели также были неизменны  и неподвижны. Тем не менее, на этой модели нами были получены течения, характерные  для всех основных типов регистров, применяемых в вихревых аппаратах  разного назначения, например, на вихревых горелках разных типов. Интенсивность  управляющего СРВ была положена нами как относительный радиальный импульс  вдува в отверстиях перфорации стенки. Это среднерасходный импульс  всех струй СРВ в отверстиях перфорации стенки выходного канала модели горелки, отнесенный к осевому интегральному  импульсу (также среднерасходному) всего потока при выходе из модели:

k = Kвд/Kвых  /1/

Величина k –  то есть изменение интенсивности  вдува, в данной работе было необычно значительным, - до значений на два порядка  выше, чем обычно принято при организации  охлаждающих и регулирующих вдувов через проницаемые (пористые) стенки аппаратов из аэрокосмической отрасли (в отличие от данной работы - вдувов в незакрученный потоки). Нами установлено  соотношение импульса Kвд вдува и  осевого импульса Kвых вихря, при котором прекращалось взаимодействие закрученного потока (или вихря с сильным осевым стоком) со стенкой выходного цилиндрического канала модели горелки. В этих режимах до нуля уменьшалась вращательная скорость (Wφ=0) у стенки перфорированного цилиндра в модели. Во всех этих режимах продувок параметр СРВ всегда был равен примерно k ≈ 0,7.

Не касаясь  всех, полезных для практики эффектов, полученных нами на модели, выделим  лишь самый важный факт. С помощью  одного лишь изменения интенсивности  СРВ (параметр k) через перфорированную  стенку цилиндрического канала модели получено изменение крутки потока на порядок при выходе из этого устройства неизменной геометрии. Причем речь идет только о действительной крутке потока, определенной в соответствии с классическими  подходами (Дубов и др.) - прямым интегрированием  экспериментальных полей скоростей, плотности и статических давлений в точках зондирования потока в модели. Другим и, по нашему мнению, самым важным результатом является четко установленная  нами необычно сильная деформация всей структуры закрученного потока перед  его выходом из модели. При этом в любых деформированных потоках  полностью сохранялись все его  структурные особенности. Эти особенности  проще всего наглядно представлять радиусами характерных зон закрученного потока. Эти зоны или их границы  обычно, хотя и в разном наборе, определяют через максимумы и нулевые  значения некоторых составляющих вектора  скорости и нулевые значения полных и статических давлений. Для теоретических моделей или инженерных расчетов используют также радиусы локализации в вихре областей потока с разным предполагаемым или явным законом вращения или других особенностей.

Изменение этих характерных радиусов или характерных  зон потока, изучено нами в рамках серии режимов изменения интенсивности  управляющего СРВ в диапазоне  изменения параметра вдува 0 < k < (1,1-1,2). Еще раз подчеркнем, что  при всех деформациях потока управляющим  СРВ и при любых изменениях интенсивности крутки потока, при  выходе из модели в закрученном потоке всегда строго сохраняется последовательность радиусов всех перечисленных выше характерных  зон:

0 <Rz0 <Rr <Rh0 <Rφ <Rr0 <R <Rр0 <Rm <Rz <Rk <Rц  /2/

Анализ известных  источников показывает, что получить такой диапазон деформации закрученного потока с сохранением его структуры  невозможно без сильного увеличения его аэродинамического сопротивления. Такой эффект невозможно получить ни в одном ином известном вихревом регулируемом устройстве, кроме выше сказанной модели. Управляющий СРВ  заменит любой регулируемый регистр  на любом устройстве, прежде всего, на горелках.

Продувки  модели горелки с управляющим  СРВ и более глубокий анализ результатов  также убедительно показали, что  с помощью вдува можно регулировать процессы смешения в потоке и формируемом  факеле. Расчетами была установлена  необычно сильное влияние СРВ  на распределение турбулентных характеристик в объеме потока. Прежде всего, нами было уточнено количество и локализация в потоке характерных кольцевых зон повышенных и пониженных значений коэффициента турбулентной вязкости и напряжений турбулентного трения, участвующих в переносе момента вращения по радиусу потока. Эти характеристики, видимо, являются определяющими в процессе формирования факела и процессов выгорания топлива в разных областях его объема. Их значения и распределение в потоке являются главным способом создания в индивидуальном горящем факеле горелки схем стадийного сжигания с контролем в них нужной атмосферы и температуры. Нами установлено, что СРВ является необычно эффективным средством управления положения в потоке подобных зон с более или менее активным турбулентным тепломассообменом, а также значением величин, характеризующих интенсивность этих процессов.

Для анализа  работы существующих и при разработке новых горелок – ГЭЧС считаем  важным знать положение трех характерных  зон закрученного потока. Первая зона, - это зона на крайней периферии  потока радиусом R=Rk (радиус максимумов импульса потока в осевом направлении). Этот импульс, в том числе, определяет в значительной мере дальнобойность факела. Высокий уровень значений ряда турбулентных характеристик в  этой узкой зоне при выключенном  СРВ соответствует известным  представлениям и не является новостью. При этом зона R=Rk почти совпадает  с зоной R=Rz - максимумов осевых скоростей (Wz=Wzmax) у стенки канала. Новым является то, что включение и усиление СРВ отодвигает эту зону от стенки канала и при этом, одновременно происходит струйная турбулизация вдувом этой зоны, но радиусы Rk и Rz уже немного расходятся (Rk › Rz). На практике это не существенно, но позволит управлять интенсивностью процессов на периферии факела вблизи горелки и размерами периферийной зонами планируемых стадий горения топлива при многостадийном его сжигании непосредственно в объеме горящего факела горелки.