ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК № 6 ЭНЕРГЕТИКА 2014
УДК 537.7,621.438,621.45.022
СЖИГАНИЕ СМЕСЕЙ МЕТАНА С ВОДЯНЫМ ПАРОМ. ВЛИЯНИЕ НА ИНДЕКС ЭМИССИИ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА
© 2014 г. Ю. В. ПОЛЕЖАЕВ1, И. А. КОРОБЕЙНИКОВА2, А. Н. ЕРМАКОВ2, А. А. ИВАНОВ2
1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Объединенный Институт высоких температур Российской академии наук", Москва E-mail: webadmin@ihed.ras.ru 2 Федеральное бюджетное учреждение науки Российской академии наук "Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук", Москва
E-mail: inepcp@chph.ras.ru
Приводятся результаты численного моделирования кинетики процессов догорания СО при сжигании топливных смесей метан—водяной пар в газотурбинных установках (ГТУ). В предложенной модели реактор был разбит на зоны гомогенного и негомогенного смешения. Найдено, что наряду с соотношением метана и водяного пара в топливных композициях и временем их пребывания в камере сгорания ГТУ, существенное влияние на индекс эмиссии CO оказывает степень однородности перемешивания компонентов. Дано обоснование наблюдаемого в экспериментах факта предельного соотношения пар/метан, обеспечивающего минимум эмиссии монооксида углерода, и возможности наращивания впрыска воды в рабочий контур ГТУ по мере увеличения однородности смешения топливных композиций.
Ключевые слова: газотурбинные установки, процессы горения, топливные смеси метан/пар, гомогенность смешения, монооксид углерода.
METHANE AND WATER VAPOUR MIXTURE BURNING EFFECT ON CO EMISSION INDEX
© 2014 г. Yu. V. Polezhaev1, I. A. Korobeinikova2, A. N. Yermakov2, A. A. Ivanov2
1 Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow 2 Tal'roze Institute for Energy Problems of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences, Moscow
The results of numerical simulation of kinetics of CO burning processes at combustion of the fuel mixtures of methane and water vapor in the gas-turbine plant (GTP) were obtained. In the proposed model the reactor was divided into zones of homogeneous and non-homogeneous mixing. Found that, the degree of the components mixing homogeneity along with the ratio of methane and water vapor in the fuel composition and the time of their stay in the combustion gas turbine affect on the index of emission of CO significantly. In addition, not only existence of limit relation vapour/methane providing minimum of carbon monoxide emission what observed in numerous experiments, but also the possibility of increasing water injection into the gas turbine plant with increasing homogeneity of mixing fuel compositions were explained.
Рис. 1. Схема "реакторной" модели камеры сгорания ГТУ с использованием в качестве топлива смесей метана с водяным паром: 23 — смесителя (реактор идеального перемешивания); 25 — калориметрической бомбы
Key words: gas turbine plants, combustion processes, the fuel mixture of methane / vapour, mixing homogeneity, carbon monoxide.
ВВЕДЕНИЕ
Впрыск в рабочий контур газотурбинных установок (ГТУ) водяного пара или воды (Hat, STIG и др.)1, приводящий к повышению КПД и удельной мощности, влияет и на процессы формирования оксидов азота (NQJ и дожига угарного газа (СО). Подача в камеру сгорания (КС) "балласта" в виде пара [1, 2], распыленной воды [3—5] или воздуха (при сжигании бедных смесей [6, 7]) приводит к снижению температуры пламени и уменьшению эмиссии оксидов азота (NOJ, но одновременно замедляет процесс горения, что приводит к росту концентрации в выбрасываемых газах СО — основного продукта "недожига". Критическим при этом оказывается соотношение между подаваемыми в ГТУ расходами пара/воды и метана «1,7 по весу [1]. В результате не удается одновременно снизить концентрации NQX и CO в выбросах ГТУ до ультранизких значений [1], что, как показано ранее в [8, 9], обусловлено формированием в камере сгорания (КС) локальных областей, как с пониженным, так и с более высоким содержанием пара относительно среднего значения, задаваемого расходами метана и водяного пара/воды.
В этих условиях перспективным направлением улучшения экологических показателей газопаровых ГТУ видится использование в качестве топлива в них предварительно подготовленных смесей природного газа с водяным паром [10]. Их сжигание позволило бы уменьшить и мощность подкачивающего газового компрессора, повысив тем самым эффективность энергетических установок в целом [8, 9]. Задача настоящей работы — проследить, как влияет степень однородности смешения компонентов топливных смесей метан—водяной пар на индекс эмиссии СО ГТУ с газопаровыми циклами.
РЕАКТОРНАЯ МОДЕЛЬ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТУ
Следует отметить, что собственно процесс турбулентного сжигания природного газа в КС ГТУ, изучение которого основывается обыкновенно на базе трехмерных CFD расчетов или так называемой модели "eddy break up" [11, 12] с использованием квазиглобальных или детальных кинетических схем, в данной работе не рассматривался. С целью оценки влияния локальных областей с пониженным и повышенным содер-
1(HAT) Humid Air Turbine, STIG (Steam Injection in Gas).
Таблица 1
Состав газовых смесей, подаваемых в реакторы 1—8, и время достижения температуры 1000 К в отсутствие добавок водяного пара
Номер реактора
сн4/н2о сн4, об. % об. % 02, об. % Н20, об. %
Время, с
1-8
1 : 0
9,238
69,506
18,476
1,794
3,23299
жанием водяного пара на кинетику догорания СО и образования N0^ КС ГТУ рассматривалась как сумма связанных реакторов, моделирующих процессы воспламенения, сгорания топлива и дожига несгоревших компонентов. Для каждого из них необходимо задать время пребывания газовых смесей, для реакторов воспламенения задаются также начальные смесовые доли водяного пара и метана и компонентов воздуха, их начальные температура и давление и условия поджига (см. далее).
Рассматриваемая реакторная модель КС газопаровых ГТУ и обозначения основных ее элементов показана на рис. 1. В первой цепочке реакторов, передающих упрощенно зону воспламенения топливной смеси в КС (смесь метана, паров воды и воздуха), фигурирует восемь параллельных реакторов (1-8). Каждый из них представляет собой калориметрическую бомбу (воспламенение топливной смеси рассматривается в адиабатических условиях). Аналогично описана динамика химических процессов и тепловыделения в цепочке реакторов (9-16), упрощенно передающих зону сгорания топливных смесей. Теплообмен через "стенку" в системе реакторов, моделирующих работу КС, на данном этапе для простоты был исключен. Выравнивание температуры между зонами КС и массообмен между ними производились с использованием реакторов идеального перемешивания (далее смесителей), см. рис. 1. В каждый из реакторов № 1-8 подается 1 нм3/ч газовой смеси при температуре 682 К и давлении 10 атм.
Первая цепочка реакторов воспламенения (1-8) в свою очередь разбивалась на три подгруппы (два + четыре + два), см. рис. 1. В четырех из них, условно показанных в центральной части "реакторной" схемы (3-6), соотношение на входе между расходами водяного пара и метана (по объему) принималось равным: 1 : 1 или 2 : 1, 3 : 1, 4 : 1, а соотношение между метаном и воздухом строго отвечало стехиометрии, обеспечивающей полное выгорание топлива. Поскольку рассматриваемые смеси находятся вне пределов самовоспламенения, для их поджига "добавлялась" порция сгоревшего газа в количестве 0,99% об. [8]. Эта добавка сокращает период индукции, ускоряя тем самым процесс воспламенения топливных смесей, и является аналогом процесса стабилизации пламени в процессе сгорания природного газа в реакторах 9-16. Топливные смеси с заданной степенью гомогенности смешения компонентов за счет изменения времени выдержки в реакторах 1-8 доводятся до уровня температур (1000 К).
Подобным образом "осуществлялось" воспламенение топливных смесей в реакторах, располагающихся в верхней (1-2) и нижней части (7-8) реакторной схемы. Состав топливных композиций в них отклонялся от заданного в реакторах (3-6) состава. Например, для рассчитываемого ниже усредненного по всем реакторам соотношения концентраций водяного пара и метана 3 : 1 и гомогенности смешения топливной смеси, равной 70%, оно задавалось следующим образом. В центральных реакторах 3-6 это соотношение принимали равным 3 : 1 по объему (см. рис. 1). В реакторах 1-2 оно считалось равным 2.1 : 1, в реакторах 7-8 соответственно - 3.9 : 1. Распределение компонентов топливной смеси по реакторам воспламенения 1-8 оказывается, таким образом, близким к Гауссовому (дисперсия « 0,8). Для унификации режимов сгорания время пребывания в реакторах 1, 2 и 7, 8 подбиралось из требования достижения в каждом из них температуры 1000 К, обеспечивающей их сгорание в реакторах 9-16 при временах пребывания 0,7-4,0 мс. Далее приведен состав газовых смесей, подаваемых в реакторы 1-8, и время достижения в этих реакторах температуры 1000 К в от-
Таблица 2
Состав газовых смесей, подаваемых в реакторы 1—8, и время достижения температуры 1000 К для топливных смесей с усредненным соотношением СН4/Н20 = 1/1, 1/2, 1/3, 1/4 при 70% гомогенности перемешивания компонентов
СН4/Н20 СН4, об. % об. % 02, об. % Н20, об. %
Номер реактора
Время, с
1, 2 3, 4, 7, 8
1, 2 3, 4, 7, 8
1, 2 3, 4, 7, 8
1, 2 3, 4, 7, 8
5, 6
5, 6
5, 6
5, 6
СН4/И20 = 1 : 0,7 1 : 1 1 : 1,3 СН4/Н20 1 : 1,4 1 : 2 1 : 2,6 СН4/Н20 1 : 2,1 1 : 3 1 : 3,9 СН4/Н20 1 : 2,8 1 : 4 1 : 5,2
1 : 1*
= 1 : 2*
= 1 : 3*
= 1 : 4*
8,671
8,45
8,239
8,171 7,785 7,434
7,724 7,218 6,773
7,324 6,727 6,220
65,246
63.575 61,988
61,476
58.576 55,937
58,119 54,306 50,963
55,110 50,616 46,801
17,343 16,899 16,477
16,341 15,570 14,869
15,449 14,435 13,547
14,649 13,455 12,440
7,754 10,09 12,31
13,026 17,082 20,773
17,772 23,055 27,731
21,931 28,216 33,553
3,41229 3,48688 3,56026
3,58464 3,72764 3,86854
3,75155 3,96017 4,16232
3,91434 4,18346 4,44574
* Усредненный состав газовых смесей, подаваемых в реакторы 1—8.
сутствие добавок водяного пара (см. табл. 1) и для смесей СН4/Н20 = 1/1, 1/2, 1/3, 1/4 при 70% однородности перемешивания компонентов (см. табл. 2).
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.