微氣配風(fēng)器點(diǎn)火影響因素的試驗(yàn)研究

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(jī)組啟動(dòng)、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(zhì)允許的情況下,應(yīng)盡量采用微氣點(diǎn)火^[3-4]實(shí)現(xiàn)鍋爐啟動(dòng)、停爐和低負(fù)荷穩(wěn)燃,節(jié)約天然氣資源。

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

1 主要技術(shù)參數(shù)

1.1 天然氣技術(shù)參數(shù)

天然氣是一種易燃、易爆的可燃?xì)怏w,為了安全起見,在進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)火研究之前,首先需要掌握天然氣的一些基本技術(shù)參數(shù)。天然氣的性質(zhì)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(guān)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(shù)平方根也成正比。

2 實(shí)驗(yàn)臺搭建

為了對微氣配風(fēng)器的點(diǎn)火影響因素進(jìn)行分析,專門搭建了用于微氣點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)臺,此實(shí)驗(yàn)臺主要由天然氣系統(tǒng)和助燃風(fēng)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(jìn)行供氣,低溫液化天然氣由氣化器氣化后經(jīng)專門設(shè)計(jì)的管道輸送到微氣配風(fēng)器用于點(diǎn)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(fēng)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、閥門和管路組成。具體系統(tǒng)示意圖如圖1所示,實(shí)驗(yàn)臺現(xiàn)場設(shè)備如圖2所示。

3 影響點(diǎn)火因素的研究

微氣配風(fēng)器是微氣點(diǎn)火系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,其著火性能的好壞直接影響微氣點(diǎn)火的成功與否。影響微氣配風(fēng)器著火性能的主要因素有:1)配風(fēng)器中天然氣供氣管采用單管還是多管形式;2)配風(fēng)器前端是否有預(yù)混燃燒區(qū);3)燃?xì)鈬娮旖Y(jié)構(gòu)形式;4)天然氣的供氣壓力;5)助燃風(fēng)量和風(fēng)壓。

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

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的點(diǎn)火結(jié)果和判斷依據(jù),對上述五個(gè)主要的影響因素進(jìn)行分析和對比,最終得出更加合理的微氣配風(fēng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)。

3.1 單管供氣與多管供氣對比

單管供氣配風(fēng)器簡圖如圖3所示,多管供氣配風(fēng)器簡圖如圖4所示。在實(shí)驗(yàn)室通過對兩種不同結(jié)構(gòu)的配風(fēng)器進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn):1)多管供氣結(jié)構(gòu)的配風(fēng)器點(diǎn)火成功率更高;2)單管供氣配風(fēng)器出力調(diào)節(jié)范圍為40~80 Nm³/h,而多管供氣配風(fēng)器出力調(diào)節(jié)范圍為60~200 Nm³/h。

兩種結(jié)構(gòu)對微氣配風(fēng)器點(diǎn)火有兩方面的影響:

1)相比單管供氣結(jié)構(gòu),多管供氣結(jié)構(gòu)前端混合燃燒區(qū)的天然氣分布更加均勻、更易點(diǎn)火;2)單管供氣受限于只有一個(gè)燃?xì)鈬婎^,出力調(diào)節(jié)范圍較小,而多管供氣則有多個(gè)燃?xì)鈬婎^,出力調(diào)節(jié)范圍更大。

3.2 有無預(yù)混燃燒區(qū)對比

無預(yù)混燃燒區(qū)多管供氣配風(fēng)器簡圖如圖4所示,有預(yù)混燃燒區(qū)多管供氣配風(fēng)器簡圖如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)室通過對兩種不同結(jié)構(gòu)的配風(fēng)器進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn):無預(yù)混燃燒區(qū)多管供氣配風(fēng)器在助燃風(fēng)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(yù)混燃燒區(qū)多管供氣配風(fēng)器的天然氣火焰更加穩(wěn)定。

有預(yù)混燃燒區(qū)多管供氣配風(fēng)器將前端的混合燃燒區(qū)分成了兩部分:預(yù)混燃燒區(qū)和充分混合燃燒區(qū),在預(yù)混燃燒區(qū)僅讓部分助燃空氣進(jìn)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(jìn)入,補(bǔ)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(fēng)壓力調(diào)整時(shí),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?xì)鈬娮旖Y(jié)構(gòu)形式

燃?xì)鈬娮斓慕Y(jié)構(gòu)形式主要有兩種:一是軸向和側(cè)向都有出口;二是僅軸向有出口。具體結(jié)構(gòu)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(cè)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(diǎn)火。

在實(shí)驗(yàn)室通過對兩種不同結(jié)構(gòu)的配風(fēng)器進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn):僅軸向有出口的配風(fēng)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(dāng)入口壓力過大,使得天然氣出口速度過大時(shí),將導(dǎo)致天然氣脫火、滅火。通過具體實(shí)驗(yàn)測試,最終發(fā)現(xiàn):天然氣入口壓力在50~100 kpa時(shí),天然氣火焰比較穩(wěn)定;當(dāng)入口壓力繼續(xù)提高時(shí),火焰出現(xiàn)脫火現(xiàn)象。

3.5助燃風(fēng)量和風(fēng)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(xué)反應(yīng)式CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O可以計(jì)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(fēng)器的出力調(diào)節(jié)范圍一般為60~200Nm³/h,所需的助燃風(fēng)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(yīng)。

當(dāng)助燃風(fēng)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(shí)驗(yàn)測試,最終發(fā)現(xiàn):助燃風(fēng)壓在2.0~4.5 kpa 時(shí),容易點(diǎn)火,著火后火焰穩(wěn)定。

4結(jié)論

通過上面的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論:

1)微氣配風(fēng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對點(diǎn)火效果有很大的影響,比較合理的配風(fēng)器結(jié)構(gòu)為:內(nèi)部多管供氣、將混合燃燒區(qū)分為預(yù)混燃燒區(qū)和充分燃燒混合區(qū)、采用軸向和側(cè)向都有出口的燃?xì)鈬娮臁?

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

[參考文獻(xiàn)]

[1]萬乾德.淺析煤粉鍋爐天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)存在的問題及解決措施[J].工業(yè)鍋爐,2023(5):47-48.

[2] 何縣宇,劉應(yīng)山,姜云剛.310MW機(jī)組W型火焰鍋爐天然氣點(diǎn)火改造與應(yīng)用[J].湖南電力,2012,32(3):57-59.

[3]公艷勇.某350t/h燃煤鍋爐微氣點(diǎn)火系統(tǒng)簡述[J].電站系統(tǒng)工程,2016,32(2):58-59.

[4]王映奇.天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)在超臨界循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用[J].山西電力,2021(6):61-64.

[5] 陳開碇,劉圣勇,郭瑞琴.電站鍋爐天然氣點(diǎn)火裝置的理論與實(shí)踐[J].節(jié)能技術(shù),2001,19(4):14-16.

[6]張全國,劉圣勇.燃燒理論及其應(yīng)用[M].鄭州:河南科技出版社,1993.

2024年15期第4篇