Топлива для газотурбинных установок

И их характеристики

Топливом называют вещества, способные в процессе химиче­ских превращений (горения) выделять определенное количество тепловой энергии.

Основными горючими элементами топлива являются углерод и водород. Эти элементы в топливе не в свободном состоянии, а в виде различных соединений углерода с водородом, кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Сжигание газообразного топлива в камерах сгорания ГТУ осу­ществляется более просто и качественно, чем жидкого и твердо­го. Природные горючие газы представляют собой в основном сме­си различных углеводородов. Содержание метана доходит до 90%, что определяет высокое значение выделяемого при сжигании теп­ла.

Наряду с природным газообразным топливом широко применя­ется искусственное газообразное топливо, получаемое в газогенераторах, исходным топливом которых служит, как правило, уголь, а в качества окислителя используется воздушное, паро­вое или паровоздушное дутье. Получаемый в процессе газифика­ции газ по своим свойствам уступает природному.

Важнейшими характеристиками топлив с точки зрения исполь­зования их в ГТУ являются: состав топлива, теплота сгорания и характер изменения состава топлива в процессе сгорания.

Элементным составом характеризуется содержание в процентах по весу основных компонентов топлива: углерода С, водорода Н, кислорода O, азота N,серы S, минеральных включений А (зольность) и влаги W. Все виды топлива имеют один и тот же элементарный состав:

C + H + O + N + S + A + W =100%.

Элементный состав позволяет провести расчет необходи­мых данных для использования топлива в камерах сгорания (КС), таких как количество участвующих в горении веществ, со­став продуктов сгорания.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгора­ния. Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяюще­гося при полном сгорании единицы массы топлива. Теплота сгора­ния определяет удельный расход топлива установкой. Различают высшую Q_В и низшую Q_H теплоту сгорания. Низшая теплота сгорания не учитывает тепло, затрачиваемое на конденсацию паров во­ды. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания может до­стигать 5 – 10 %.

Теплота сгорания зависит от элементного состава топлива. Высокая теплота сгорания жидких и газообразных топлив объясняется высоким содержанием в них водорода, углерода и малой золь­ностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, вода и зола снижают теплоту сгорания.

В качестве характеристики топлива используется низшая тепло­та сгорания , которая характеризуется рабочей массой топли­ва:

C^P + H^P + O^P + N^P+ S ^P+ A^P + W^P =100%.

Зная элементный состав топлива, по Формуле Менделеева можно определить теплоту сгорания:

 

,кДж/кг (4.1)

 

Доя сжигания 1 кг топлива заданного состава потребуется кислорода в количестве

 

L_O2 = 0,0266 C^P + 0,8 H^P + 0,01 S ^P – 0,01 O^P , кг/кг (4,2)

 

Так как в воздухе содержится азот, то количество возду­ха, необходимое для окисления 1 кг топлива, так называемое стехиометрическое количество, определится по формуле

 

L_O = 0,1149 C^P + 0,3448 H^P + 0,0431(S ^P – O^P ), кг/кг (4.3)

 

В объемных единицах это количество воздуха выразится, как

 

, м³ /кг (4.4)

 

Обычно для сгорания топлива подают большее количество воздуха, чем теоретически необходимое. Отношение L/ L_O = α называется коэффициентом избытка воздуха.

Теоретическое количество образующихся продуктов сгора­ния на I кг топлива определится по формуле:

для трехатомных газов

 

G_RO2 = 0,0371(C^P + 0,375 S ^P ), кг/кг (4.5)

водяных паров

 

G_H2O = 0,09 H^P + 0,01 W^P + 0,0161 L_O, кг/кг (4.6)

 

азота

 

G_N2 = N^P + 0,768 L_O,кг/кг(4.7)

 

Суммарное количество газов равно

G_Г = G_RO2 + G_H2O + G_N2 , кг/кг (4.8)

Камеры сгорания ГТУ

 

Камера сгорания ГТУ (КС) – это устройство, предназначенное для сжигания топлива и повышения энергии рабочего тела с целью использования ее в проточной части турбины.

На рис 4.1 приведена схема камеры сгорания ГТУ. Поток воздуха после компрессора, поступающий в КС, разделяется на первичный воздух G_В1 и вторичный – G_В2. Первичный воздух, подаваемый в количестве не менее стехиометрического, служит для полного сгорания топлива, а вторичный – для снижения температуры про­дуктов сгорания до требуемого уровня. Весь объем камеры сгорания делится на зоны горения и смешения.

Рис. 4.1 Конструкция камеры сгорания.

 

Воздухонаправляющее устройство (регистр) I служит для распределения и турбулизации первичного воздуха с целью улучше­ния смесеобразования для создания условий устойчивого процесса горения.

Запальное устройство 2 служит для зажигания топлива в ка­мере сгорания в момент пуска.

Горелочное устройство 3 предназначено для подачи топлива в КС и равномерного распределения по объему зоны горения.

Пламенная (жаровая) труба 4 служит для ограничения огне­вого пространства и восприятия тепловых нагрузок.

Силовой корпус 5 воспринимает нагрузки внутреннего давле­ния в камере сгорания.

Смесители 6 перемешивают вторичный воздух с продуктами сго­рания с целью получения на выходе заданного температурного по­ля.

Устойчивое горение топлива в КС обеспечивается следующими факторами: 1) подачей воздуха в количестве, необходимом для создания смеси нужного состава; 2) созданием нужного температурного режима; 3) наличием зоны стабилизации фронта пла­мени. Для обеспечения необходимого уровня температур и поля скоростей организуется зона обратных токов.