К ВОПРОСУ О ПЕРЕВОДЕ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК С РЕЖИМА ГОМОГЕННОГО ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА НА ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ГОРЕНИЕ
В.В. Барелко, Н.В. Быкова, Д.Н. Соколов, Л.А. Быков, О.Ф. Бризицкий*,
В.Я. Терентьев*, Ю.В. Морозов*
Институт проблем химической физики РАН, просп. Акад. Семенова, д.1, Черноголовка, Московская область, 142432, Россия *Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ, Саров
На основе результатов исследований динамических особенностей каталитического горения пропанового автотоплива на кассетном стеклотканом катализаторе в условиях малых времен контакта развита концепция об экономических, технологических и эксплуатационных перспективах перевода камер сгорания в газотурбинных установках с гомогенно-факельного сжигания топлива на режим гетерогенно-каталитического горения: упрощение системы управления мощностью установки и расширение диапазона варьирования мощностью, легко реализуемое регулирование в широких пределах температуры рабочего тела, исключение потерь тепла в узлах охлаждения рабочего потока перед подачей на лопатки турбины, повышение уровня экологичности процесса.
TO THE MATTER OF GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER CONVERSION FROM FLARE GAS FUEL COMBUSTION TO HETEROGENIC CATALYTIC COMBUSTION
V.V. Barelko, N.V. Bykova, D.N. Sokolov, L.A. Bykov, O.F. Brizitsky*, V.Ya. Terentiev*, Yu.V. Morozov*
Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Acad. Semenov av., 1, Chernogolovka, Moscow region, 142432, Russia *Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics
Mira pr., 37, Sarov, Russia
On the basis of research results of dynamic features of catalytic combustion of car's propane fuel with fiber glass woven cassette catalyst in regime of short contact times the conception is advanced about economical, technological and operational prospects of transfer of combustion chambers in gas-turbine units with homogeneous combustion of gas fuel into the regime of heterogeneous catalytic combustion: simplification of executive system of unit capacity and expansion of power range, easily realizable regulation over a wide range of combustion gases temperature, exception of heat loss in cooling units of working thread before feeding on turbine blades, increase of level of ecological compatibility of process.
Хорошо известно, что газотурбинные установки относятся к числу исключительно важных и распространенных систем, широко применяемых в различных областях техники, энергетики, авиастроения. Сразу оговоримся, что в данном сообщении речь пойдет об энергетических газотурбинных установках относительно небольшой мощности, предназначенных для обеспечения локальных потребностей в электроэнергии ограниченных по площади территорий, т. е. о таком распространенном классе установок, которые ориентированы на удешевление применяемых при их изготовлении конструкционных материалов, на упрощение эксплуатационных схем управления и не очень требовательны к уровню КПД системы.
Камера сгорания газотурбинной установки (ГТУ) является одним из ключевых звеньев всей системы. При конструировании камеры сгорания ГТУ вплоть до настоящего времени повсеместно принята ориентация на факельное гомогенное сжигание газового топлива при генерации рабочего тела ГТУ. Такой режим работы камеры сгорания характеризуется существенными техническими недостатками:
1 - появление в выхлопах экологически вредных компонентов из-за неполноты сгорания топлива и образования оксидов азота;
2 - необходимость охлаждения продуктов горения на 1000 и более градусов перед подачей их на лопатки турбины из-за ограничений по термостойкости материалов лопаток, что, естественно, усложняет аппаратурное оформление ГТУ и схему ее управления;
3 - существенное ограничение интервала управления мощностью ГТУ из-за существования в гомогенном пламени нижнего и верхнего предела горения по концентрации топлива в газовоздушной смеси.
Априори представляется очевидным, что перевод камеры сгорания ГТУ с традиционного режима гомогенного горения на режим гетерогенно-каталити-ческого сжигания газового топлива может обеспечить существенные технические преимущества по целому ряду технических показателей ГТУ с каталитической камерой сгорания:
1 - обеспечение полноты сгорания топлива и исключение в выхлопах оксидов азота и других экологически вредных компонентов;
2 - обеспечение любой заданной температуры рабочего тела на выходе из камеры сгорания перед подачей на лопатки турбины путем варьирования концентрацией топлива в газовоздушной смеси;
3 - возможность плавного управления мощностью ГТУ, практически от нулевого значения до максимального.
Однако до настоящего времени каталитические камеры сгорания не нашли в ГТУ заметного технического применения. Здесь можно указать лишь на попытки использования каталитических элементов в камерах сгорания ГТУ в качестве воспламенителей факельного горения (см., например, патент [1] и цитированную там патентную литературу).
В качестве одной из главных причин отсутствия реального продвижения в разработке каталитических камер сгорания в схемах ГТУ является то обстоятельство, что традиционные для промышленного катализа насыпные гранулированные катализаторы непригодны для их использования в рассматриваемых системах.
Эффективный дизайн катализаторного узла камеры сгорания ГТУ может быть решен путем разработки кассетной структуры катализатора, собранной из листовых каталитических элементов, изготовленных в форме тканых (или нетканых) волокнистых изделий. В данной работе сделана попытка рассмотреть основные технические, конструкционные и режимные аспекты проблемы каталитической камеры сгорания ГТУ такого типа с использованием демонстрационного макета каталитической камеры сгорания и в лабораторных условиях модельного эксперимента.
Для изготовления каталитических кассет в работе применены кремнеземные стекловолокнистые тканые катализаторы (СВТК) в форме сеточного плетения различной геометрии, активированные платиной или палладием до содержания 0,1-0,2% масс. Этот тип катализаторов разработан авторами совместно с малым инновационным предприятием ООО «Химфист» и предназначен для широкого круга различных процессов, в том числе и для реакций каталитического горения (подробнее см. [2] и сайт www.chemphyst.ru).
На данном этапе работы в качестве горючего компонента было использовано штатное газовое автомобильное топливо на основе пропановой фракции, наполнявшееся для экспериментов в баллоны непосредственно на автозаправочных станциях.
Для визуализации картины перехода гомогенно горящего факела в режим каталитического горения и определения динамики этого перехода был создан макет камеры сгорания. Представительные кадры кинорегистрации этого процесса приведены на рис. 1.
Макет каталитической камеры сгорания изготовлен в форме плоской панели прямоугольного сечения размером 20x30 см. Кадр на рис. 1, а иллюстрирует конструкцию самой каталитической горелки, извлеченной из корпуса камеры. На верхней поверхности панели размещались послойно уложенные стеклотка-ные сеточные каталитические элементы. В макете, изображенном на фотографии, использованы активированные платиной каталитические сетки (концентрация платины в матрице сетки 0,15% масс.) с размером ячейки в свету 1-1,5 мм в количестве от 1 до 3 слоев. Каталитический пакет уплотнялся по периметру панели путем поджатия его к корпусу фланцевой рамкой. Газ из баллона подавался в камеру панели через калиброванную форсунку, а воздух в режиме диффузионного смешения с топливом подводился через открытые окна в патрубке горелки.
с
Рис. 1. Кадры кинограммы процесса «зажигания» стеклотканого катализатора в макете каталитической камеры сгорания Fig. 1. Film pictures of "ignition" process of fiber glass woven catalyst in a pilot model of catalytic combustion chamber
gg International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
После включения подачи газа в камеру осуществлялось зажигание топливной смеси от зажженной спички, поднесенной к поверхности каталитической панели. Эта процедура сопровождалась формированием гомогенного пламени, факел которого равномерно распределялся по поверхности панели (кадр Ь на рис. 1).
Буквально через несколько секунд гомогенное пламя исчезало, в течение 2-3 минут поверхность катализатора набирала «накал», и процесс полностью переходил в режим каталитического горения с очень узким плоским фронтом шириной, равной толщине каталитической сетки, т.е. 0,5-1 мм. Каталитическая сетка раскалялась до светло-оранжевого свечения, что соответствует температурам 850-900° С (кадр с на рис. 1).
Задачи следующего этапа данной работы состояли в определении режимных характеристик процесса каталитического горения пропанового газового топлива на СВТКаталитических материалах, знание которых необходимо для перехода к стадии практического оформления каталитических камер сгорания ГТУ. В перечень режимных характеристик должны быть включены следующие сведения об акте «зажигания» реакции в сборке катализатора и об установившемся стационарном режиме процесса каталитического горения:
1 - влияние типа активного компонента в стекло-волокнистой тканой матрице;
2 - влияние плотности и геометрии структуры тканой матрицы;
3 - влияние количества каталитических слоев в кассетной сборке катализатора;
4 - влияние гидродинамических факторов (скорости фильтрации газовоздушной смеси через каталитическую кассету);
5 - влияние концентрации топлива в газовоздушной смеси на тепловой режим работы каталитической кассеты.
Изучение обозначенных выше характеристик проведено в модельных условиях двух лабораторных реакторов, один из которых был изготовлен из стальных материалов, второй - из кварцевого стекла, обеспечивающего условия для визуализации процесса каталитического горения по накалу каталитического элемента. В конструкциях обеих моделей реализована единая схема загрузки ткано-листового катализатора: послойная укладка каталитических элементов с п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.