Рабочий процесс в камере сгорания и определение основных параметров газотурбинных установок

§ 22. Топлива для ГТУ и их характеристики

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 риформинга - 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. Запасы природного газа в СССР наибольшие в "Бгаре. 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. Рабочая масса топлива может быть представлена в следующем виде: Ср+.Нр+№-Ю^р+£^р+Ар+Шр== = 100%. Индекс «р» указывает на содержание данного компонен­та в рабочей массе топлива. 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 Q_B^p и низшую QhP 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 Q_bp. Низшей теплотой сгорания QyP называют количество теплоты, в котором не учитывается возврат теплоты от конденсации водяных паров. Низшая и высшая теплота сгорания связана следующим соотношением:

Qh^P= Q_B^p — <W= Qb^P — 2,5UWP/100 + 9HtV100),

где Wp/100 — количество водяных паров, образующееся при испарении влаги из 1 кг топлива; 9НР/100— количество водяных паров, ' образующееся при сжигании водорода, содержащегося в 1 кг топлива; /-==2,51 МДж/кг — скрытая теплота парообразования; О_вп —количество водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. 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 Q^>.

v 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. Золовьгё 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. Л 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 рас-пыливания 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. Вязкость тяжелого жидкого топлива (° ВУ*) при температуре t можно определить по формуле

°ВУ,=--=°ВУ_БО(50/0",

где ° ВУ₅о — условная вязкость топлива при 50° С. ч

При изменении вязкости (°ВУ₅о) от 2 до 20 показатель степе­ни п изменяется от 1,8 до 2,85.

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.