Горелки с регулируемым положением факела в топочной камере

Положение факела в топочной камере во многом определяет эффективность топочного процесса — распределение тепловосприятия поверхностей нагрева по высоте топки; температуру газов на выходе из топки. Регулирование положения факела в топке при работе котла достигается не только воздействием на топочные процессы (рециркуляция дымовых газов, отключение части горелок при многоярусной их компоновке, изменение направления крутки в смежных горелках, избыток воздуха), но также индивидуальным регулированием каждой горелки в отдельности, непосредственным управлением положением факела (используя конструктивные возможности горел очных устройств).

Наряду с этой задачей воздействием на конструктивные и аэродинамические параметры горелки формируются оптимальные характеристики других процессов — условия выгорания, подавления вредных выбросов оксидов азота, отличающиеся от тех, которые соответствуют условиям поддержания расчетных параметров пара, обеспечения надежности отдельных элементов топки. Так, в пылеугольной горелке наилучшие условия выгорания топливо-воздушной смеси, поддержания параметров пара, подавления топливных оксидов азота могут складываться при различном соотношении скорости вторичного воздуха и аэросмеси. Задача состоит в ранжировании по значимости последствий изменения характеристик конструкции и режима работы горелки, понимая, что в конкретных условиях приоритеты могут существенно изменяться, и в первую очередь должны рассматриваться вопросы надежности и безопасности.

1) Развитие способов регулирования положения факела вихревых горелок

В вихревых горелках протяженность индивидуального факела и, соответственно, зоны горения в топке регулируется различными способами:

• — изменением интенсивности крутки воздушных потоков, которая оценивается конструктивным параметром крутки п;
• — изменением соотношения скорости потоков — вихревых концентричных и прямоточных смежных;
• — изменением избытка воздуха в факеле.

В настоящее время разрабатываются принципиально новые способы регулирования параметров вихревого факела — струйный вдув воздуха в пристенные слои потока горячего воздуха.

2) Регулирование крутки потока на выходе из горелки с помощью периферийного струйного радиального вдува

В Уральском политехническом институте (сегодня Уральский федеральный университет) разработан и реализован на практике новый способ управления закрученным воздушным потоком на выходе из горелки с помощью периферийного радиального струйного вдува через перфорированную стенку выходного канала горелки [33]. Диапазон влияния этой системы на структуру закрученного потока превосходит возможности всех известных регулируемых лопаточных завихрителей.

Радиальный ввод струй воздуха осуществляется через отверстия в кольцевой периферийной стенке канала вторичного воздуха. Диаметр отверстий — 4 мм, количество — несколько тысяч. Определяющим параметром системы вдува является безразмерная скорость вдува — отношение скорости воздуха в отверстиях перфорации к расчетной скорости воздуха на выходе из горелки. Изменение структуры закрученного потока вторичного воздуха под воздействием системы периферийных струй воздуха связано со стеснением закрученного потока воздуха нарастающим по ходу потока пристенным слоем воздуха из отверстий перфорированной стенки. Это изменение структуры выражается в следующем:

• — смещение максимальной радиальной и вращательной скорости потока к оси вращения;
• — резкое нарастание значения радиальной скорости;
• — сужение зоны обратных токов.

В результате достигаются следующие эффекты:

• — снижение интенсивности крутки потока воздуха;
• — снижение аэродинамического сопротивления;
• — снижение выхода оксидов азота.

Этот метод обеспечивает возможность регулирования перегрева пара при различных режимах работы котла, не нарушая условия стабильности факела и при ограниченном изменении параметров зоны обратных токов.

При использовании несимметричного сектора вдува радиальных струй отмечена возможность изменения направления оси закрученного потока на выходе из горелки с отклонением в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Однако исследования этого эффекта не получили развития.

3) Использование плоскофакельных горелок для регулирования положения факела в топке

Основная цель, которую преследовали разработчики плоскофакельных горелок (ПФГ) — группа сотрудников ЦКТИ и Таганрогского котельного завода «Красный котельщик» [9|, — сводилась к возможности изменения положения факела по высоте топки для сохранения параметров работы котла при сжигании топлив с различными характеристиками. Конструкция горелки показана на рис. 9.29.

Изменение соотношения расхода вторичного воздуха по верхнему и нижнему соплам горелки обеспечивает изменение положения плоскости слияния и растекания обоих потоков. Соответственно регулируется положение ядра факела по высоте топки. При изменении положения факела от опущенного до поднятого положение максимальной температуры факела смещается на 3 м (рис. 9.30).

Рис. 9.29. Плоскофакельная горелка с ПВК_ркотла ТП-240:

• 1 — верхнее сопло вторичного воздуха, 2 — нижнее сопло вторичного воздуха; 3 — сопло сбросного воздуха; 4 — паровой эжектор; 5 — сопло эжектора,
• 6 — канал для мазутной форсунки

Рис. 9.30. Температура факела по высоте топки котла БКЗ-210—140 Ф с плоскофакельными горелками:

1 — факел горизонтальный; 2 — факел опущен; 3 — факел поднят;

I — ось горелок; II — середина выходного окна.

4) Поворотные горелки

В немногих котлах, эксплуатируемых в России, используются поворотные горелки [7]. Они служат для поддержания оптимального положения факела при изменении нагрузки котла с целью обеспечения расчетных параметров пара (рис. 9.31).

В отличие от плоскофакельных горелок, где оперативное изменение положения факела достигается аэродинамическими методами, в поворотных горелках использованы механические способы воздействия — изменение угла наклона струи поворотом выходного участка горелки.

Рис. 9.31. Схема изменения положения факела в топке поворотными горелками при полной (1) и частичных (2, 3) нагрузках.

Горелка типа УП-8, разработанная ЗиО для котла ПК-23 производительностью 250 т/ч, работающего на каменном угле, содержит поворотные чугунные сопла аэросмеси и вторичного воздуха (рис. 9.32). Для изменения положения факела по высоте при наладке топочного режима сопло может поворачиваться от горизонтальной плоскости вверх на 12 ° и вниз на 20 °.

Такой способ регулирования на этом котле не получил распространения из-за значительного увеличения механического недожога топлива и повышения температуры уходящих газов. Поворотные горелки котла ПК-23 используются сейчас лишь для первичной наладки положения факела в топке.

Другие производители тоже используют поворотные горелки. Так, в топочном устройстве ALSTOM для котла на сверхкритические параметры применены тангенциальные поворотные горелки. Они оснащены специальным механизмом поворота горелок для регулирования температуры промежуточного перегрева пара.

Рис. 9.32. Поворотная горелка типа УП-8.