Metan ve metan-hidrojen karışımı yakıtların kullanıldığı gaz türbinlerinde yanmanın ve azot oksit oluşumunun modellenmesi
Modelling of combustion and nitrogen oxide formation in gas turbines using methane and methane-hydrogen blend fuels
Yazar: MURAT GÖKÇEK
Danışman: DOÇ. DR. ŞÜKRÜ BEKDEMİR ; YRD. DOÇ. DR. HASAN HÜSEYİN ERDEM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Azot monoksit = Nitrogen monoxide ; Gaz türbini = Gas turbine ; Yakıtlar = Fuels

Özet:
Gaz türbini uygulamalarında, hidrojen-hidrokarbon karışım yakıtı kullanımının araştırılmasıson zamanlarda büyük bir ilgi alanı oluşturmaktadır. Bu ilgiyi artıran nedenler, geniş aralıktaısıl değere sahip alternatif yakıtların kullanılması ihtiyacı; NO, CO ve CO2 emisyonlarınınazaltılması potansiyeli ve fakir yanma şartlarında alev stabilite özelliklerinin artması şeklindesıralanabilir. Hidrojenin üretim maliyeti azaldıkça ve küresel ısınmayla ilgili çevreselendişeler arttıkça, bu konuda yapılan çalışmalar daha da önemli hale gelmektedir. Karışımyakıt kullanımı, karbonsuz yakıt kullanımına geçişte ara geçiş stratejisi olarakdeğerlendirilmeli ve bu yakıtların ilgili yanma sistemlerinde kullanımı araştırılmalıdır. Bunedenle bu çalışmada, küçük ölçekte silindirik yanma odalı bir gaz türbininde, metan vemetan-hidrojen karışımı yakıtların yanma işlemi, deneysel olarak incelenmiş ve gaz türbiniyanma odası için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği esaslı modelleme tekniği kullanılarakyanma işlemi modellenmiştir. Çalışmada saf yakıt olarak CH4, karışım yakıtı olarak CH4?H2karışımları (hacimsel olarak % 10, % 20,% 30 hidrojen içeren) kullanılmıştır. Gaz türbiniyüksüz şartlarda çalıştırılarak, yanma odasında alev teşekkül edilmiş ve farklı türbin girişsıcaklığı (773 K, 873 K ve 973 K) şartlarında çalışma gerçekleştirilmiştir.Bu çalışmada, önce 10 kW ısıl güce sahip bir yakıcıda saf metanın yanma işlemimodellenmiş, 0.6 ile 1 arasında değişen yakıt fazlalık katsayılarında meydana gelen sıcaklıkdağılımları ve NO emisyonu değerleri incelenmiştir. Sonra, ele alınan gaz türbininde, saf yakıtolarak CH4, karışım yakıtı olarak CH4?H2 karışımları, deneysel şartlarda yakılmıştır.Deneysel çalışmada, emisyon değerleri prob esaslı ölçüm yöntemi kullanılarak ölçülmüştür.Daha sonra, deneysel şartlar göz önünde bulundurulup, bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğiprogramı kullanılarak, gaz türbini yanma odasının 3 boyutlu sayısal modeli oluşturulmuştur.Hesaplama kolaylığı açısından alev tüpünün 60o'lik bölümü modellenmiştir. Yanma modeli,metan için iki basamaklı, hidrojen için bir basamaklı yanma reaksiyonu ve Eddy DissipationModel kullanılarak oluşturulmuştur. Model sabiti (A) farklı değerlerlerde ayarlanarak, yanmaakışına etkisi belirlenmiştir. Türbülans modeli olarak, Standart Modelle RNG k-? Modelikullanılmış ve birbiriyle mukayase edilmiştir. Sayısal çözümde, basınç ve hız arasındakibağıntıyı çözmek için SIMPLE metodu, basınç ve hız dağılımlarının hesaplanmasında iseşaşırtmalı hesap noktaları PRESTO (Pressure Staggered Option) metodu kullanılmıştır. Ağyoğunluğunu sayısal sonuçlara etkisinin incelenmesi amacıyla, üç farklı hücre yapısı testedilmiş ve çalışmada 51811 hücre kullanılmıştır.Çalışmada NO emisyonu modellemesi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programındabulunan son işlemci kullanılarak gerçekleştirilmiştir. NO modellemesinde ısıl NO ve hızlı NOmekanizmaları dikkate alınmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlara göre gaz türbininde, her biryakıt için yanma odası giriş sıcaklığı arttıkça, NO emisyonu miktarı artmaktadır. Yakıtkarışımı içerisindeki hidrojen oranı arttıkça, CO ve CO2 emisyonu azalmış, H2O miktarı iseartmıştır. Gaz türbini alev tüpü yüzey sıcaklığı yakıt karışımındaki hidrojen miktarından çokfazla etkilenmemiş ve alev tüpü malzemesinin dayanabildiği sıcaklık sınırlarının altındakalmıştır. Sayısal simülasyonla tespit edilen türbin giriş sıcaklığı değerleri, deneysel şartlardaölçülen değerlere uyan sonuçlar vermiştir. Genel olarak, gerek sıcaklık değerleri gerekse NOemisyonu değerleri incelendiğinde, deneysel şartlar göz önünde bulundurularakgerçekleştirilen simülasyon sonuçlarıyla deneysel çalışma sonuçları arasında, kabul edilebilirseviyelerde uyum olduğu görülmüştür.Anahtar Kelimeler: Gaz türbini, NO emisyonu, Karışım yakıt, Hesaplamalı akışkanlardinamiği.

Abstract:
The investigations on use of the blend fuel of the hydrogen/hydrocarbon in the gas turbinesapplications have been recently made the attractive formed area. The reasons of this interestare explained as the demand for fuels of wide range heat value in terms of the reductionpotential of CO, NO and CO2 emissions and properties of stabile combustion in the fuel leanmixture condition. As the cost of hydrogen production decareases and awareness related toglobal warming increases, the studies about this subject have been more crucial. Utilization ofthe blend fuel should be determind as a transition strategy for a carbon-free energy system andthe use of these blend fuels in the related combustion systems should be investigated.Therefore, in this study, combustion process of the methane and methane/hydrogen blendfuels was investigated experimentally in the small scale gas turbine with the cylindricalcombustion chamber. Combustion process in the combustor was modeled usingComputational Fluid Dynamics method. In the study, methane as pure fuel andmethane/hydrogen mixtures as the blend fuels (including 10%, 20%, 30% hydrogen byvolumetric basis) have been used. The flame in the combustor of the gas turbine has beenobtained under the no-load circumstances for different turbine inlet temperatures.In this study, firstly, combustion process of pure methane has been modeled in the burner ofthe thermal power of 10 kW. NO emission and the temperature distributions in the combustorhave been investigated for diffrenet equivalence ratios from 0.6 to 1. Secondly, in theconsidered gas turbine, CH4 and CH4?H2 blend fuels has been burnt in the experimentalcircumstances. In the experimental study, the emission values have been obtained by using ofthe measurement method based on prob. Later, 3 D numerical model for the combustor hasbeen developed in the CFD Code by taken into experimental circumstances. The segment of60o of the combustor has been considered in terms of the calculation effort. In the combustionmodel, two steps for methane and one step for hydrogen have been taken into account. In thenumarical studies, Eddy Dissipation Model has been used. The model constant of A has beenchanged with diffrent values and its effect on the combustion flow has been determined.Standart k-? and RNG k-? turbulance models have been used as turbulance model and theresults of these models have been compared. The relation between velocity and pressure in thenumerical solution has been solved by using SIMPLE algorithm. The calculation of pressureand velocity distributions has been solved by means of PRESTO method. With the aim of theinvestigation of the effect of grid denisty on numerical solution, three diffrent cell cases havebeen tested, and as a result of these tests, 51811 cells have been selected in the model.In this study, the modelling of NO emission has been carried out by using the post-precessorin the CFD code. Both thermal NO and prompt NO mechanisms have been considered in themodelling. It can be seen from both experimental and numerical studies that as turbine inlettemperature increases, NO emission formed increases. In addition, we can observe that whenhydrogen ratio in the blend fuel increases, CO and CO2 emission decrease and H2O amountincreases. Furthermore, it has been shown that the predicted liner wall temperature is belowthe allowable temperature of the liner material. The predicted turbine inlet temperatures areconsistent with measured temperature values. Generally, both the temperature and NOemission values are in good agrement with the numerical solution values.Keywords: Gas turbine, NO emission, Blend fuel, Computational Fluid Dynamics