Анотація до роботи:

Мікулін Г. А. Трубчаста технологія спалювання газу і основи її ефективного застосування у теплових енергоустановках. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14 – Теплові та ядерні енергоустановки. Національний технічний університет України «КПІ», Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці і науково-технічному обґрунтуванню високоефективної по енерго-екологічним характеристикам і універсальної по використанню технології спалювання газового палива.

Виконані дослідження аеродинамічних характеристик трубчастих паливо-спалюючих модулів. Визначена оптимальна величина розкриття насадка Борда.

Розроблені типові схеми трубчастих модулів, що забезпечують дифузійне, попереднє і комбіноване сумішоутворення. На основі вогневих випробувань вивчені структура і умови розвитку факела, визначені граничні умови електроіскрового займання, бідного та багатого погасання факелу.

Розроблена методика енерго-екологічного аудиту, виявлено вплив методу сумішоутворення на характеристики емісії NOx і СО, а також запропонована методика оцінки пріоритетних областей використання трубчастих модулів з альтернативними схемами сумішоутворення.

Сформульовані рекомендації, що стосуються раціонального використання трубчастої технології у теплових енергоустановках широкого призначення.

В дисертаційній роботі наведено узагальнення та нове рішення науково-технічної задачі, спрямованої на створення енергетично ефективної та екологічно чистої технології спалювання газового палива в теплових енергоустановках широкого призначення на базі застосування трубчастих інтенсифікаторів горіння і стабілізаторів полум’я. При цьому досягнута кінцева мета роботи – проведено науково-технічне обґрунтування технології спалювання газового палива, яка відрізняється від традиційних низькою витратністю і можливістю ефективного її застосування як у пальникових пристроях стехіометричного типу (топки енергетичних котлів та автономних теплоцентрів), так і у пристроях, що працюють при високих надлишках повітря (камери згорання ГТУ і ПГУ, промислові теплогенератори різного призначення) при низький токсичності продуктів згорання.

На основі виконаного фізичного моделювання основних складових робочого процесу трубчастих інтенсифікаторів сумішоутворення і горіння вперше отримані наступні наукові результати:

1. При ізотермічних умовах (без горіння) отримана база даних, яка характеризує особливості формування аеродинамічної та турбулентної структури потоку у каналі насадка Борда та визначені характеристики аеродинамічного опору трубчастих елементів з раптовим розширенням у діапазоні чисел Рейнольдса Re = 1,610⁴…10⁵, який охоплює всі характерні області течії (у тому числі і турбулентну при Re > 10⁴);

2. При моделюванні процесу горіння отримана база даних, що характеризує особливості розвитку факелу при дифузійному та попередньому сумішоутворенні, умови стабільного його існування (електроіскрове займання, багате та бідне погасання факелу) у вигляді функції швидкості потоку від коефіцієнту надлишку повітря W = f(a) та емісійні характеристики NOx = f(a) і СО = f(a) при різних умовах розвитку факелу: попередньому, дифузійному та комбінованому сумішоутворенні, у діапазоні зміни коефіцієнту надлишку повітря (a = 0,85…7,81) та його температури (t = 4…247 С).

3) Сформульовані принципи енерго-екологічного аудиту та проведене відповідне тестування дозволили виявити особливі переваги трубчастих пальни-ків: можливість мінімізації емісії СО та хімічної неповноти згорання палива (q₃ 0) при низькому рівні емісії NOx у діапазоні зміни надлишків повітря; a » 1,6…1,8 для модулів з попереднім сумішоутворенням та a » 1,8…2,2 для модулів дифузійного типу. При цьому встановлена можливість зниження емісії оксидів азоту за рахунок: комбінованого сумішоутворення на 20-30%; стадійного горіння на - 20-30%; прямотоковості факелу (зниження часу перебування у порівнянні з вихровим факелом) - на 20%, також показана суттєве зниження емісії NOx (без збільшення емісії СО) при “вологому” горінні і можливість ефективної його реалізації при подачі екологічної пари як у потік окисника, так і за рахунок добавки до паливного газу (особливо в області високих надлишків повітря).

4) Проведений аудит екологічних характеристик NOx = f(a) та СО = f(a) та комплексна діагностика енергетичних характеристик на основі визначення у продуктах згорання рівня концентрацій СО, Н₂, і СН₄ і хімічної неповноти згорання (q₃) у діапазоні надлишку повітря: від a 1,0 до a = 7 (та більше), а також на підставі аналізу впливу геометричного параметра n = (d/D)² та режимних факторів (p, T та W) на коефіцієнт місцевих втрат (z_і) та втрати повного тиску (Dр) дозволили встановити:

форми базових, приведених та узагальнюючих характеристик емісії NOx, що дозволяє проводити їх адекватне порівняння при різних режимах експлуатації пальників;

кореляцію між рівнем концентрації СО та хімічною неповнотою згорання q₃ в області надлишків повітря 1,0 < a < 2,0 (що дозволяє розглядати концентрацію СО як “індикатор” якості згорання); можливість мінімізації СО та q₃ у центральній частині цієї зони (при a a_кр2); тенденцію різкого підвищення суми горючих (_г.к = СО + Н₂ + СН₄) i q₃ на границях даної зони та суттєвого зниження емісії NOx при зростанні надлишку повітря, що дозволяє вважати зону a = 1,6…2,0 оптимальним енерго-екологічним діапазоном експлуатації трубчастих пальників;

існування неоднакового впливу геометричного параметра n = (d/D)² на коефіцієнт місцевих втрат z_і для різних складових елементів трубчастого модуля; визначальний внесок до сумарних втрат тиску елементів з раптовим звуженням та раптовим розширенням.

На основі прикладного застосування одержаних наукових даних отримані наступні практичні результати:

1. Розроблена методика проектування трубчастих пальників за рахунок реалізації принципів уніфікації та універсалізації за рахунок застосування стільникової схеми компонування трубчастих елементів, використання стандартних матеріалів (труба та листовий метал).

2. На основі аналізу результатів фізичного моделювання робочого процесу одиночних трубчастих модулів, отриманих узагальнень та даних тестування трубчастих пальників у промислових умовах їх використання, розроб-лені рекомендації що стосуються ефективного впровадження даної технології у діапазоні первинних надлишків повітря від a 1,0 до a 2,0 з урахуванням наступних вимог: забезпечення автомодельності течії (Re > 410⁵); застосування ефективного рівня розкриття (n = F_вх/F_вых = 0,2…0,4); реалізації оптимального аеродинамічного форсування (q_F(аэр) = m/(F_вхp) = (0,3…0,4)10^-4 кг/(Нс)); застосування повітряних трубок з внутрішнім діаметром d = 0,015…0,057.

3. На підставі викладених рекомендацій спільно з ІГ НАН України та Корпорацією технологій енергозбереження «КОРТЕЗ» (м. Київ) розроблена технічна документація на пальники трубчастого типу серії ДСГМ (6 типорозмірів тепловою потужністю від 0,3 до 12 МВт), а також технічні умови на їх експлуатацію і виробництво, які затверджені Міжвідомчою комісією.

4) Висока енерго-екологічна ефективність трубчастих пальників підтверджується успішною атестацією п’яти типорозмірів (ДСГМ–30, ДСГМ–75, ДСГМ–120, ДСГМ–160 ЖТ, та ДСГМ–750-II), яка проведена Державним центром по використанню та впровадженню паливоспалюючого обладнання і по результатам приймальних випробувань отримано дозвіл на їх виготовлення і широке впровадження в складі теплових агрегатів відповідної теплової потужності в енергетиці і промисловості України.

5) Достовірність отриманих результатів та ефективність трубчастої технології підтверджується широким її впровадженням на десятках енергетичних об’єктах в різних регіонах України, у тому числі в агрегатах опалювальних модульних серії АОМ (потужністю: 0,250; 0,315; 500; 1,0 МВт), у контактних апаратах опалювальних модульних (КАОМ) тепловою потужністю 0,5 та 1,0 МВт. Трубчасті пальники ДСГМ-160 та ДСГМ-750 ефективно працюють у складі котлів ДКВР-4/13 (м. Київ), ДЕ-6,5-14 (м. Сімферополь).

Розроблена трубчаста технологія спалювання газового палива може ефективно застосовуватися в теплових енергоустановках різного типу, у тому числі: в топках парових і водогрійних котлів (енерго- та теплогенеруючі установки Мінпаливоенерго України); в апаратах децентралізованого теплопостачання (об’єкти муніципальної енергетики України та теплоцентри промислового і приватного теплопостачання); при створенні топкових пристроїв промислових теплогенераторів (підприємства машинобудування, системи очистки промислових газових викидів і т.п.); у камерах згорання ГТУ при модернізації ГПА на компресорних станціях магістральних газопроводів України (ДК «Укртрансгаз», ВАТ «Укргазпроект», УМГ Київтрансгаз”), а також при реалізації перспективних газотурбінних та парогазових технологій, у тому числі технології “Водолій” (НПК “ЗОРЯ–МАШПРОЕКТ”, м. Миколаїв, ВАТ «ВНІІПІтрансгаз», м. Київ); у форсованих системах утилізації енергії на вихлопі ГТУ (Мінпаливоенерго України).

Публікації за темою дисертаційної роботи

1. Любчик Г. Н., Микулин Г. А., Марченко Г. С., Варламов Г. Б., Левчук С. А. Особенности эмиссии NOx и СО в горелках на базе трубчатых модулей // ЕНЕРГЕТИКА: економіка, технології, екологія. - 2001.- № 4.- С. 59 – 63.

   Дисертантові належить розробка альтернативних схем одиночних трубчастих пальників, методика проведення та результати експериментальних досліджень впливу режимних та конструктивних факторів на емісію NOx та CO у продуктах згорання.

   2. Любчик Г. Н., Микулин Г. А., Варламов Г. Б., Левчук С. А, Зарицкий А. А., Ольховская Н. Н. Использование конструктивных особенностей и аэродинамических эффектов насадка Борда при создании малотоксичных топливосжигающих модулей // Технологические системы, № 2 (13)/2002, Выпуск 1.- С. 130 – 133.

   Дисертантові належить результати досліджень і аналіз аеродинамічних ефектів, що виникають у полі течії насадка Борда, а також умов стабільного існування одиночного дифузійного факелу.

   3. Мікулин Г. О., Любчик Г. М., Варламов Г. Б., Марченко Г. С., Левчук С. О., Зарицкий А. О., Кардашов А. В. Використання трубчастих модулів як елементів інтенсифікації горіння та підвищення енерго-екологічної ефективності газових пальників// Экотехнологии и ресурсосбережение.- 2003.- №4.- С.58-65.

   Дисертантові належить розробка методики та дослідження структури течії за насадком Борда при ізотермічних умовах і при горінні, а також граничних характеристик спалювання газу за одиночним модулем.

   4. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б., Говдяк Р. М., Шелковский Б. И., Микулин Г. А., Левчук С. А. Создание малотоксичных камер сгорания ГТУ // Экотехнологии и ресурсосбережение.-2003.-№2. - С. 65-74.

   Дисертантові належить розробка моделі камери згорання ГТУ на базі трубчастих пальників, проведення її експериментальних випробувань при різних підігрівах та надлишках повітря, а також визначення областей використання трубчастих пальників.

   5. Любчик Г. М., Марченко Г. С. Варламов Г. Б. Мікулін Г. О., Макаренко В. В., Левчук С. О. Емісійні характеристики пальників на базі трубчастих модулів // Экотехнологии и ресурсосбережение.-2004.-№1. - С. 73-79.

   Дисертантові належить аналіз характеристик емісії NOx та СО у продуктах згорання альтернативних схем одиночних модулів та у багатомодульних пальниках різного промислового призначення, а також аналіз і узагальнення екологічних характеристик.

   6. Микулин Г. А., Любчик Г. Н. Аэродинамические характеристики и мас-собменные свойства трубчатых интенсификаторов горения и стабилизаторов пла-мени//ЕНЕРГЕТИКА: економіка, технології, екологія. - 2004.- № 2(15).- С. 54 - 62.

   Дисертантом виконані експериментальні дослідження та проведені узагальнення аеродинамічних і масообмінних характеристик течії за насадком Борда, а також аналіз турбулентної структури потоку і проведено порівняння з даними інших авторів.

   7. Микулин Г. А., Любчик Г. Н., Варламов Г. Б. Эмиссионные свойства труб-чатых топливосжигающих элементов интенсификации горения и стабилизации пламени// Экотехнологии и ресурсосбережение.- 2005.- № 2.- С. 56 – 62.

   Дисертантові належать результати екологічної діагностики трубчастих інтенсифікаторів та стабілізаторів горіння, та методика аудиту емісії NOx на основі застосування базових, приведених та узагальнених характеристик.

   8. Любчик Г. М., Варламов Г. Б., Мікулін Г. О., Говдяк Р. М., Чабанович Л. Б., Шелковський Б. І. Розвиток систем допалювання на вихлопі утилізаційних ГТУ// Вісник Національного технічного університету «ХПІ» - «Енергетичні процеси й устаткування». – 2005, № 6.- С – 145 – 153.

   Дисертантові належить обґрунтування вимог до блоків допалюючих пальників у когенераційних схемах “ГТУ – котел” та визначення специфічних особливостей режимів їх експлуатації.

   9. Любчик Г. Н., Микулин Г. А., Варламов Г. Б., Марченко Г. С. Использование трубчатой технологии сжигания топлива в аппаратах и системах децентрализованного теплоснабжения // В кн. «Малая энергетика в системе обеспечения экономической безопасности государства». / Под общей ред. Вороновского Г. К., Недина И. В.,-К.: Знания Украины, 2006. – С.139-151.

   Дисертантові належить фізичне моделювання робочого процесу у пальниках трубчастого типу, розробка рекомендацій щодо їх ефективного використання, аналіз та узагальнення енерго-екологічних характеристик трубчастих пальників в умовах їх роботи у когенераційно-утилізаційних системах на базі ГТУ.

   10. Варламов Г. Б., Любчик Г. М., Марченко Г. С., Макаренко В. О., Мікулін Г. О. Газовий пальник// Патент України № 56602, М.П. Кл. F 23 D 14/02, F 23 D 14/22, Бюл. № 5, 2003.- 3 с.

   Дисертанту належить обґрунтування доцільності застосування у конструкції пальника застосування у внутрішньому корпусі конічної прокладки, виготовлення внутрішньої газової камери у вигляді шестигранного циліндра, а також стендові випробування моделі пальника.