燃氣輪機原理第四章 燃燒室4-6

1、燃氣輪機原理第四章 燃氣輪機燃燒室4-6 燃用重油燃料的若干問題重油燃料- 在原油中提取了沸點低、分子量較輕的汽油、煤油和柴油后所殘余下來的重質(zhì)碳氫化合物。特點- 分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜而粘度大，沸點高而揮發(fā)性差，含有大量由硫、鋁、鉀、鈉、鎂、鈣、鐵、釩、鋅等元素的化合物組成的灰分。重油不是一種很容易燃燒的燃料，它為在燃氣輪機中的使用帶來了一系列困難：l燃燒問題l結(jié)垢問題l腐蝕問題燃燒問題在機組負荷變動時，燃用重油容易出現(xiàn)積炭、積焦，甚至排氣冒黑煙現(xiàn)象。原因：由于霧化不良，重油液滴顆粒過大，因而在低負荷工況下很容易未經(jīng)燃燒就被帶離高溫區(qū)，最后以液體狀態(tài)積存在火焰管尾部壁面上，經(jīng)高溫燃氣烘烤而逐漸形成積焦

2、或積炭；燃燒問題噴霧錐角過大時，油滴也容易被甩到火焰筒的過渡錐頂或壁面上去，同樣會在高溫燃氣烘烤下形成積焦或積炭；由于燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)過大，即燃燒區(qū)的溫度水平過低，致使重油燃料來不及充分燃燒而被帶走，同樣為火焰管尾部的積炭提供了條件；燃燒問題由于燃料與空氣混合不好，致使重油燃料不能及時地得到新鮮空氣助燃，從而產(chǎn)生析炭，在噴油錐角選得過小或噴油嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)時，這個問題特別嚴重。那時會有大量的重油被噴到乏氧的高溫回流區(qū)，嚴重缺氧而析炭；由于火焰筒壁溫度太低，在沾上油滴后，無法使其充分燃燒而形成積炭。燃燒問題積炭的后果相當(dāng)嚴重-l燃燒效率下降；l噴油嘴的端面積炭，噴霧錐角偏斜，霧化質(zhì)量降低，

3、燃燒條件進一步惡化；l高負荷時，積存的干炭會復(fù)燃，燃燒火焰筒或回?zé)崞鳎籰析出的炭粒子磨損渦輪葉片，降低使用壽命。結(jié)垢問題由于重油中含有大量的灰分和雜質(zhì)，當(dāng)它們被高溫燃氣帶著流過渦輪和回?zé)崞鲿r，就會在葉片表面或回?zé)崞鲹Q熱面上逐漸積存起來，使流道通流面積減小，降低渦輪的功率和效率以及換熱效果。國外某試驗結(jié)果表明，在結(jié)垢較嚴重的情況下，機組運行810小時后性能就受到影響。運行300小時后，機組功率降低40%。結(jié)垢問題在氣流速度如此高的渦輪流道中，結(jié)垢形成的原因目前為止還未研究清楚。但渦輪葉片和回?zé)崞魃系慕Y(jié)垢種類為：由于燃燒不完全而形成的炭黑和瀝青和燃料中的灰分混在一起形成的結(jié)垢；由燃料灰分中的K,N

4、a,Mg,Fe等雜質(zhì)與燃燒后產(chǎn)生的SO2和SO3化合而成的硫酸鹽或亞硫酸鹽形成的結(jié)垢，Na2SO4為主要成分；結(jié)垢問題由燃料灰分中的釩鹽在溫度低于1200C的條件下與氧氣化合成V2O5以及由V2O5與各種金屬氧化物相互作用而成的復(fù)雜化合物，如Na2OV2O5，F(xiàn)e2O3V2O5等形成的結(jié)垢。這些化合物的融點比較低，在高溫燃氣中是以熔融的粘性狀態(tài)出現(xiàn)，因而當(dāng)遇到溫度較低的金屬表面時就會粘在上面而凝結(jié)成粘得很勞的結(jié)垢。腐蝕問題積存在渦輪葉片上的灰分，由于各種復(fù)雜的原因，會與葉片的金屬元素逐漸起化學(xué)或物理作用，使葉片腐蝕損壞，嚴重影響機組的壽命和運行可靠性。原因：當(dāng)渦輪葉片的金屬表面溫度超過650

5、C 后，就會發(fā)生一種以V2O5為主體的腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)渦輪葉片結(jié)垢中Na2SO4量達到10%時，V2O5的腐蝕作用最強烈；腐蝕問題當(dāng)燃氣溫度提高到900950 C 時，會發(fā)生堿金屬硫酸鹽腐蝕。堿金屬硫酸鹽與葉片金屬或其它金屬氧化物發(fā)生化學(xué)作用生成金屬硫化物，同時氧化層呈多孔、松脆狀而剝落下來，使金屬表面剝落暴露。同時，金屬硫化物因氧化釋放出自由硫，使葉片金屬表面進一步硫化而完成硫化物的自行再生過程，因而腐蝕過程不斷向金屬內(nèi)部發(fā)展。解決措施噴油嘴預(yù)熱重油燃料，降低其粘度，為重油霧化提供條件；采用空氣噴油嘴或回油式噴油嘴，以確保在低負荷工況下能把重油霧化成很細的顆粒。試驗表明，重油的積炭、積焦主要是在

6、燃燒溫度低于1000 C 以下的低負荷工況發(fā)生。假如使液滴顆粒尺寸小于100m的重量百分數(shù)不低于85%，尺寸大于150m的不超過8%，就有可能改善燃燒過程；解決措施噴油嘴在火焰管直徑較小的燃燒室中燃用重油時，噴油錐角應(yīng)取在5080，防止重油甩到火焰管上。在大型燃燒室中，噴油錐角可取到80100左右，防止將重油噴到乏氧的回流區(qū)中去；重油燃料的噴油嘴容易磨損，必須采用優(yōu)質(zhì)材料制造，例如3Cr13并作硼化處理。解決措施燃燒室合理控制進入燃燒區(qū)的空氣量，以確保在低負荷工況下，燃燒區(qū)的溫度不低于10501200 C ，而在滿負荷時，余氣系數(shù)在1.151.20左右（一次空氣自調(diào)方案）；選擇合適的旋流器結(jié)構(gòu)

7、型式以求得比較合理的燃燒區(qū)溫度場的分布特性（在火焰管中心附近，占整個橫截面積2/3以上的空間內(nèi)燃燒溫度超過10501200 C ，無大顆粒的油滴甩出此高溫區(qū)）；解決措施燃燒室重油燃料的揮發(fā)性差，燃燒速度低，應(yīng)適當(dāng)延長液滴逗留時間，容熱強度要??；增強氣流的紊流擾動強度，提高重油的燃燒速度；提高重油燃燒室的壁溫，低負荷時，保證火焰管壁溫超過400450 C ，在空氣供給充分的條件下，積炭和積焦都能復(fù)燃燒盡。需要采取冷卻空氣保護方案，以防止?jié)M負荷時壁面溫度過高。解決措施燃料從結(jié)垢和腐蝕的成因可見，重油灰分中的Na、V、S是造成渦輪葉片和回?zé)崞鞅砻娼Y(jié)垢和腐蝕的主要原因。結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生又為腐蝕想象的發(fā)生提供了先決條件。由此可見，清除重油灰分中的Na、V、S，特別是清除所含的Na鹽是解決重油燃料在燃氣輪機中使用是產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象的主要措施。解決措施燃料對重油進行處理，例如水洗，去掉重油中的鈉鹽；在重油中加入防腐添加劑，例如鎂添加劑（MgSO47H2O或Mg(OH)2），使釩V和鎂Mg在燃燒火焰中反應(yīng)生成融點高于1