0引言

天然氣是一種潔凈、安全、可靠、燃燒效率更高的高熱值能源,更適合作為火力發(fā)電機組啟動、助燃和穩(wěn)定燃燒的輔助燃料^[1-2]。天然氣跟石油一樣,都是屬于不可再生資源,所以在煤質允許的情況下,應盡量采用微氣點火^[3-4]實現(xiàn)鍋爐啟動、停爐和低負荷穩(wěn)燃,節(jié)約天然氣資源。

微氣點火系統(tǒng)的主要設備包括:微氣點火煤粉 燃燒器、微氣配風器、微氣槍、點火裝置、供氣系統(tǒng)、 助燃風系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)等。微氣配風器是用于穩(wěn)定微氣槍著火火焰的設備,是微氣點火系統(tǒng)的核心設備,因此,為了提高天然氣點火的穩(wěn)定性,對微氣配風器進行研究非常有必要。

1 主要技術參數(shù)

1.1 天然氣技術參數(shù)

天然氣是一種易燃、易爆的可燃氣體,為了安全起見,在進行試驗點火研究之前,首先需要掌握天然氣的一些基本技術參數(shù)。天然氣的性質及著火性能^[5-6]如表1所示。

1.2 流量與噴嘴直徑、壓力的關系

將式(1)(2)聯(lián)立求解得:

式中:Q為流量;D為噴嘴直徑;V為速度;ΔP為壓力差;P為密度;K為系數(shù),K=√ 2π/4。

根據(jù)上式,流量與噴嘴直徑的平方成正比,與壓力的算術平方根也成正比。

2 實驗臺搭建

為了對微氣配風器的點火影響因素進行分析,專門搭建了用于微氣點火的實驗臺,此實驗臺主要由天然氣系統(tǒng)和助燃風系統(tǒng)組成。由于沒有天然氣管道,需要用液化天然氣儲罐進行供氣,低溫液化天然氣由氣化器氣化后經(jīng)專門設計的管道輸送到微氣配風器用于點火。天然氣系統(tǒng)主要由氣化器、供氣管路、吹掃管路和放散管路等組成,助燃風系統(tǒng)主要由風機、閥門和管路組成。具體系統(tǒng)示意圖如圖1所示,實驗臺現(xiàn)場設備如圖2所示。

3 影響點火因素的研究

微氣配風器是微氣點火系統(tǒng)的關鍵設備,其著火性能的好壞直接影響微氣點火的成功與否。影響微氣配風器著火性能的主要因素有:1)配風器中天然氣供氣管采用單管還是多管形式;2)配風器前端是否有預混燃燒區(qū);3)燃氣噴嘴結構形式;4)天然氣的供氣壓力;5)助燃風量和風壓。

判斷微氣配風器著火性能的依據(jù)有:1)是否容易點火;2)點火后,火焰燃燒是否穩(wěn)定;3)微氣配風器的出力是否能夠靈活調整。

根據(jù)實驗室的點火結果和判斷依據(jù),對上述五個主要的影響因素進行分析和對比,最終得出更加合理的微氣配風器結構和運行參數(shù)。

3.1 單管供氣與多管供氣對比

單管供氣配風器簡圖如圖3所示,多管供氣配風器簡圖如圖4所示。在實驗室通過對兩種不同結構的配風器進行點火實驗,發(fā)現(xiàn):1)多管供氣結構的配風器點火成功率更高;2)單管供氣配風器出力調節(jié)范圍為40~80 Nm³/h,而多管供氣配風器出力調節(jié)范圍為60~200 Nm³/h。

兩種結構對微氣配風器點火有兩方面的影響:

1)相比單管供氣結構,多管供氣結構前端混合燃燒區(qū)的天然氣分布更加均勻、更易點火;2)單管供氣受限于只有一個燃氣噴頭,出力調節(jié)范圍較小,而多管供氣則有多個燃氣噴頭,出力調節(jié)范圍更大。

3.2 有無預混燃燒區(qū)對比

無預混燃燒區(qū)多管供氣配風器簡圖如圖4所示,有預混燃燒區(qū)多管供氣配風器簡圖如圖5所示。在實驗室通過對兩種不同結構的配風器進行點火實驗,發(fā)現(xiàn):無預混燃燒區(qū)多管供氣配風器在助燃風壓力增大后,天然氣火焰發(fā)飄,火焰存在不穩(wěn)定的情況;而有預混燃燒區(qū)多管供氣配風器的天然氣火焰更加穩(wěn)定。

有預混燃燒區(qū)多管供氣配風器將前端的混合燃燒區(qū)分成了兩部分:預混燃燒區(qū)和充分混合燃燒區(qū),在預混燃燒區(qū)僅讓部分助燃空氣進入,減小了對天然氣密度的稀釋和沖擊,這樣就更加有利于天然氣火焰的穩(wěn)定,到充分混合燃燒區(qū),剩余的助燃空氣進入,補充天然氣燃燒所需空氣量,使得天然氣充分燃燒,這樣在助燃風壓力調整時,其對天然氣火焰的影響降到最低,使得火焰一直穩(wěn)定。

3.3 燃氣噴嘴結構形式

燃氣噴嘴的結構形式主要有兩種:一是軸向和側向都有出口;二是僅軸向有出口。具體結構如圖6所示。軸向出口主要是保證天然氣噴出后有一定的剛度,火焰不會太飄;而側向的出口能夠使天然氣更快地充滿混合燃燒區(qū),有利于點火。

在實驗室通過對兩種不同結構的配風器進行點火實驗,發(fā)現(xiàn):僅軸向有出口的配風器剛性較好,但是容易出現(xiàn)脫火、滅火等現(xiàn)象。

3.4 天然氣供氣壓力

通過公式(2)可知,壓力差與速度的平方成正比,在入口壓力增大、出口壓力基本保持不變的情況下,出口速度將隨入口壓力增大呈拋物線狀增加。

天然氣的燃燒傳播速度為39 m/s,當入口壓力過大,使得天然氣出口速度過大時,將導致天然氣脫火、滅火。通過具體實驗測試,最終發(fā)現(xiàn):天然氣入口壓力在50~100 kpa時,天然氣火焰比較穩(wěn)定;當入口壓力繼續(xù)提高時,火焰出現(xiàn)脫火現(xiàn)象。

3.5助燃風量和風壓

天然氣成分中95%以上是甲烷(CH4),空氣中氧 氣含量為21%,根據(jù)化學反應式CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O可以計算得到1 Nm³ 的天然氣完全燃燒所需空氣量為10 Nm³左右。微氣配風器的出力調節(jié)范圍一般為60~200Nm³/h,所需的助燃風量為600~2 000Nm³/h,為保證天然氣充分燃燒,需要保證足夠的空氣量供應。

當助燃風壓力提高,速度將會隨之提高,要保證混合燃燒區(qū)的氣流速度小于燃燒傳播速度39 m/s。通過具體實驗測試,最終發(fā)現(xiàn):助燃風壓在2.0~4.5 kpa 時,容易點火,著火后火焰穩(wěn)定。

4結論

通過上面的理論分析和實驗結果得到如下結論:

1)微氣配風器的結構設計對點火效果有很大的影響,比較合理的配風器結構為:內(nèi)部多管供氣、將混合燃燒區(qū)分為預混燃燒區(qū)和充分燃燒混合區(qū)、采用軸向和側向都有出口的燃氣噴嘴。

2)運行參數(shù)是保證點火效果的關鍵因素,其中最重要的運行參數(shù)是:(1)天然氣供氣壓力,合適的調節(jié)范圍為50~100 kpa;(2)助燃風量和風壓,風量保證天然氣完全燃燒所需空氣量,風壓調節(jié)范圍為2.0~4.5 kpa。

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2024年15期第4篇