Применение вихревых запально-горелочных устройств в конверторах природного газа энергетических установок на топливных элементах

DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-159-164 УДК 662.76+621.352.6

Н.Н. Пономарев

Филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕВЫХ

ЗАПАЛЬНО-ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ В КОНВЕРТОРАХ ПРИРОДНОГО ГАЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Объект и цель научной работы. Объектом работы является вихревое запально-горелочное устройство (ВЗГУ), являющееся составной частью горелочного устройства (ГУ) конвертора природного газа энергетической установки на топливных элементах. Цель состоит в выборе оптимальных режимов работы, которые обеспечивают минимальные выбросы N0 и СО.

Материалы и методы. Расчетным методом исследована структура течения в устройстве без горения. Величины выбросов вредных веществ найдены экспериментально при горении природного газа и остаточного конверсионного газа.

Основные результаты. Определены границы зажигания и проскока пламени в закручивающую камеру. Выбрана концепция «богато-бедного горения» в горелочном устройстве. На режиме разогрева, при работе горелочного устройства на природном газе, определены режимные параметры, при которых обеспечивается полное сгорание топлива: коэффициент избытка воздуха в ВЗГУ равен 0,4; коэффициент избытка воздуха в ГУ - 2,98. При данных условиях выбросы СО = 4 ррт и N0 = 10 ррт. На рабочем режиме, при работе горелочного устройства на остаточном конверсионном газе, полное сгорание топлива обеспечивается при следующих режимных параметрах: коэффициент избытка воздуха в ВЗГУ -0,39, коэффициент избытка воздуха в ГУ - 3,08. При данных условиях выбросы СО и N0 отсутствуют. Заключение. Определена геометрия горелочного устройства конвертора природного газа (паро-метановый цикл) с отделением продукционного водорода. Выбран режим, обеспечивающий сжигание остаточного конверсионного газа, на котором отсутствуют выбросы вредных веществ.

Ключевые слова: вихревое запально-горелочное устройство, богато-бедное горение, остаточный конверсионный газ, выбросы вредных газов.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-159-164 UDC 662.76+621.352.6

N. Ponomarev

TsNII SET branch of Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

VORTEX IGNITION-BURNER DEVICE FOR NATURAL GAS CONVERTERS OF FUEL CELL-BASED POWER PLANTS

Object and purpose of research. This paper studies vortex ignition-burner device (a part of combustion units in natural gas converters of fuel-cell based power plants). The purpose is to identify optimal operating modes with minimum NO and CO emissions.

Materials and methods. This study calculates flow structure in the burner in no-burning conditions. The values of harmful substances emissions were determined experimentally during the combustion of natural gas and residual conversion gas. Main results. This paper determines the limits for ignition and flame slip to the swirl chamber, choosing the concept of "rich-poor combustion" in the burner. The study also determined optimal conditions for the warm-up stage, when the

Для цитирования: Пономарев Н.Н. Применение вихревых запально-горелочных устройств в конверторах природного газа энергетических установок на топливных элементах. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 1(391): 159-164.

For citations: Ponomarev N. Vortex ignition-burner device for natural gas converters of fuel cell-based power plants. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 1(391): 159-164 (in Russian).

burner is running on natural gas, so as to ensure complete fuel combustion: air excess factors in the burner and in the combustion unit 0.4 and 2.98 respectively. CO and NO emissions at this stage will be 4 and 10 ppm respectively. At the operational stage, when the burner is running on residual syngas, complete combustion of fuel is ensured (with zero CO and NO emissions) when air excess factors for the burner and the entire combustion unit are 0.39 and 3.08 respectively. Conclusion. This study identifies combustion unit geometry for an natural gas converter based on steam-methane reforming cycle The conditions suggested in this paper ensure zero-emission combustion of residual syngas with the separation of production hydrogen.

Keywords: vortex ignition-burner device, rich-poor combustion, residual syngas, CO and NO emissions. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

Вихревые запально-горелочные устройства (ВЗГУ) находят широкое применение в различных областях техники. В газовых турбинах они используются для розжига камер сгорания мощных газотурбинных установок ГТЭ-150 и ГТЭ-180 ЛМЗ. ВЗГУ являются составной частью низкоэмиссионных камер сгорания ЦИАМ [1, 2]. Также они применяются в паротурбинных установках и топках котлов. В Санкт-Петербургском институте машиностроения в течение ряда лет проводились широкие исследования работы ВЗГУ, результаты которых изложены в [3-6]. Особенность работы ВЗГУ в составе конвертора природного газа (паро-метановая конверсия) состоит в том, что на этапе разогрева в ВЗГУ подается природный газ, а на рабочем режиме - остаточный (после отделения водорода) конверсионный газ.

Цель исследования заключается в определении геометрических размеров горелочного устройства, а также выборе режимов сжигания природного газа и остаточного конверсионного газа, при которых отсутствуют выбросы вредных веществ.

Схема горелочного устройства, составной частью которого является ВЗГУ, приведена на рис. 1.

Принцип работы горелочного устройства состоит в следующем. По тангенциальному каналу в закручивающую камеру подается смесь топлива и воздуха. На режиме разогрева это смесь природного газа с воздухом, а на рабочем режиме - смесь остаточного конверсионного газа (после отделения водорода) с природным газом и воздухом. Зажигание происходит от свечи, и далее горение поддер-

живается самостоятельно. Продукты неполного сгорания за вихревой трубой ВЗГУ смешиваются с вторичным воздухом, в котором происходит полное сгорание. Этому способствует также разогретая перфорированная стенка горелочного устройства.

Окончательные размеры горелочного устройства были выбраны после предварительных испытаний варианта, разработанного в НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова.

По результатам индивидуальных испытаний ВЗГУ определена граница стабильного зажигания. При расходах природного газа 0,25-1,5 нм3/ч коэффициент избытка воздуха должен находиться в пределах а^ = 0,9-1,15. При расходе воздуха менее 4,4 нм3/ч наблюдается проскок пламени в закручивающую камеру, который фиксируется по резкому росту температуры ее поверхности.

Расчетным путем определено влияние изменения геометрических параметров на характеристики ВЗГУ. Расчет течения был выполнен в SolidWorks. Результаты приведены в табл. 1. На расчетном режиме расход воздуха в ВЗГУ составлял 15 нм3/ч, природного газа - 2,6 нм3/ч и вторичного воздуха - 72 нм3/ч.

Используются следующие обозначения конструктивных параметров: Ьтр /йтр - длина вихревой трубы в калибрах; Ьк /Бк - длина камеры закрутки в калибрах; у - наклон стенки конуса перехода от камеры закрутки к вихревой трубе по отношению к оси, град.; ^тр /^к - отношение площадей вихревой трубы и камеры закрутки;

Dk

Рис. 1. Схема горелочного

устройства

Fig. 1. Burner layout

Таблица 1. Сравнение геометрических и расчетных параметров вихревых запально-горелочных устройств Table 1. Parameters of different vortex ignition-burner device: geometry vs calculations

Параметр Входной патрубок 010 мм Входной патрубок 012 мм Входной патрубок 014 мм

LTp /^тр 3,4 3,4 3,4

Lk /D 0,6625 0,6625 0,6625

Y 30 30 30

Fтр /Fк 0,25 0,25 0,25

^тр 20 20 20

F к /Fe 16,0 11,111 8,163

LBX /rk 0,7 0,65 0,6

Фвх к 11,2 7,222 4,899

LTK /dk 0,25 0,25 0,25

Фвых 0,4418 0,4132 0,4037

Lф ев 21,6 22,8 23,2

Xe 0,206299 0,143524 0,105194

Овнутр 0,954144 0,976701 0,987689

Ополн 0,95101 0,973664 0,984435

%внутр 1,863533 1,947345 1,911544

1,990902

2,201138

2,416792

полн

dw - внутренний диаметр вихревой трубы, мм; FK /Fc - отношение площадей камеры закрутки к площади тангенциального канала; LBX /Як - отношение плеча закрутки к внутреннему радиусу камеры закрутки; F L

Фвх к = ~——sin ßR - конструктивный параметр

Fc R

закрутки фк = 90°);

Lтк /Бк - отношение расстояния тангенциального канала от торцевой стенки к диаметру камеры закрутки.

Обозначения расчетных параметров:

^ м

Ф =- - интегральный параметр закрутки, где

Kx R

R

M = 2nj puwr 2dr - осевая составляющая момента

о

количества движения потока;

R

Кх = 2njpu 2rdr - осевая составляющая количества

о

движения потока; R - радиус камеры; r - текущий радиус; р - плотность;

и и м> - осевая и вращательная составляющие абсолютного вектора скорости;

Фвых - интегральный параметр закрутки на выходе из ВЗГУ, полученный расчетом;

5 2Ф-0,78

ьф св =-!—выа--длина факела в свобод-

0,1367е' взгу ном потоке в калибрах [3]; авзгу = 0,604 - коэффициент избытка воздуха; Хс - приведенная скорость в тангенциальном канале; Р - среднемассовое полное давление; Р - среднемассовое статическое давление; овнутр = Р2 /Р1 - коэффициент сохранения полного давления в ВЗГУ;

сполн = Р2/Р1 - коэффициент сохранения давления в ВЗГУ;

^внутр = (1 - Овнутр)/(1 - п(Хс)) - коэффициент внутренних гидравлических потерь в ВЗГУ; ^полн = (1 - Р2/Р1 )/(1 - п(Хс)) - коэффициент полных гидравлических потерь в ВЗГУ.

Расчетные потери в ВЗГУ согласуются с замеренными.

На рис. 2 представлена картина течения в ВЗГУ. В приосевой зоне ВЗГУ расположен вихрь, центр которого характеризуется пониженной скоростью, однако обратного течения не наблюдается.

Расчет, выполненный по [3] для данной геометрии, также показал отсутствие приосевого возвратного течения. Поскольку интегральная степень закрутки Фвых меньше критического значения 0,5-0,8 [7], распада вихря на выходе из ВЗГУ с образованием зоны обратных токов не происходит. Однако при

Рис. 3. Горение на выходе из вихревого запально-горелочного устройства

Fig. 3. Combusion at the exit of vortex ignition-burner device

горении с избытком топлива, которое имеет место в рассматриваемом случае, ядро вихря распадается, и возникает зона обратных токов, которая служит стабилизатором пламени. На рис. 3 показан процесс горения на выходе из ВЗГУ. На выходе из вихревой трубы по ее центру располагается пламя, которое не касается стенок.

Длина свободного факела Ьф св (рассчитанная по [3], табл. 1) при избытке топлива превосходит имеющуюся длину горелочного устройства, и, следовательно, догорание топлива происходит на перфорированной стенке с участием вторичного воздуха.

В горелочном устройстве реализована концепция «богато-бедного RQL» горения [8]. При этом рекомендованное оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в первичной зоне равно 0,5-0,65. В период от пуска до разогрева горелочного устройства коэффициент избытка воздуха авзгу снижается от 1,0 до 0,4. За счет уменьшения температуры образование NO минимально. В ВЗГУ идет процесс восстановления оксидов азота до молекулярного уровня продуктами неполного сгорания метана. Также имеет место воздушная конверсия метана с образованием Н2 и СО.

Продукты неполного сгорания в камере горе-лочного устройства смешиваются с вторичным воздухом, и на перфорированной стенке происходит их окончательное догорание при более низком уровне температуры, предотвращающем образование NO (а = 2,6-3,1). В работе [8] рекомендованное значение а = 2,0.

В перфорированной стенке выполнены отверстия диаметром 2 мм. Коэффициент загромождения - 0,938. Благодаря такому загромождению происходит смешение и равномерное распределение смеси по поверхности. С обратной стороны стенки между отверстиями образуются зоны возвратных течений, которые стабилизируют процесс горения. Кроме того, прогретая стенка, ввиду обратной тепловой связи, способствует поддержанию горения. Данный процесс подобен процессу в матричных горелках [9], где удалось достичь низкой температуры фронта пламени 1200-1300 °C. В исследованном горелочном устройстве температура продуктов сгорания за перфорированной стенкой снижена примерно до 950 °С при сохранении низких значений эмиссии СО и NO. В табл. 2 приведены данные, полученные на режимах разогрева при подаче в ВЗГУ природного газа.

Режим полного сгорания метана и минимальных выбросов СО = 4 ppm и NO = 10 ppm достигается при температуре 950 °С, при этом аВЗГУ = 0,4.

Таблица 2. Режимы разогрева при подаче в вихревые запально-горелочные устройства природного газа Table 2. Warm-up stage: natural gas combustion in vortex ignition-burner device

авзгу агор Т °С 1 гор; ^ СО, ppm NO, ppm CH4, %

1,047 3,140 819 543 3 0,018

0,872 3,053 854 125 7 0,001

0,698 2,791 934 245 6 0,001

0,616 2,709 974 21 12 0

0.498 2,642 1008 4 16 0

0,419 2,596 1037 2 12 0

0,403 2,657 1035 3 11 0

0,403 2,899 976 3 11 0

0,403 2,979 952 4 10 0

0,403 2,879 960 4 11 0

0,808 3,375 981 330 4 0,033

0,710 3,120 919 546 2 0,170

1,046 6,281 839 144 4 0,041

Таблица 3. Рабочие режимы горелочного устройства при подаче в вихревые запально-горелочные устройства остаточного конверсионного газа

Table 3. Operational stage: syngas combustion in vortex ignition-burner device

авзгу агор Т , °С гор Конверсионный газ СО, NO, CH4, %

CH4, % H2, % СО2, % СО, % Lo ppm ppm

0,311 3,285 945 48,06 24,58 20,81 6,54 8,04 11 9 0

0,298 3,17 969 48,53 23,61 20,72 7,13 8,02 4 9 0

0,437 3,295 963 46,74 32,25 17,58 3,43 9,13 69 7 0,003

0,578 3,555 922 34,79 47,28 14,89 3,03 9,39 13 4 0

0,444 3,354 955 41,06 34,66 20,13 4,15 8,11 98 3 0,009

0,391 3,08 1024 42,36 31,00 20,25 6,39 7,89 0 1 0,001

1,301 7,804 770 21,76 30,95 47,28 n2 0 4,70 390 2 0,032

1,114 6,683 823 25,45 29,49 45,05 n2 0 5,25 83 4 0,009

1,037 6,224 855 27,21 28,80 43,99 n2 0 5,51 43 5 0,006

После выполнения режима паровой конверсии и отделения водорода остаточный конверсионный газ подается в ВЗГУ, причем для поддержания температуры к газу подмешивается часть природного газа. Переход на сжигание остаточного газа происходит стабильно.

В табл. 3 даны результаты, полученные на рабочих режимах при подаче в ВЗГУ природного газа. Ьа - массовое стехиометрическое соотношение.

Режим при авзгу = 0,39 и агор = 3,08 обеспечил отсутствие выбросов СО и NO при практически полном сгорании топлива.

Выводы

Conclusion

Определена геометрия горелочного устройства конвертора природного газа (паро-метановый цикл) с отделением продукционного водорода. Выбран

режим, обеспечивающий сжигание остаточного

конверсионного газа, на котором отсутствуют выбросы вредных веществ.

Библиографический список

1. Устройство для сжигания топлива: пат. 2227247 Рос. Федерация / Свердлов Е.Д., Ведешкин Г.К. № 2001135485/062001135485/06; заявл. 28.12.01; опубл. 20.04.04. 10 с.

2. Способ сжигания топлива и устройство для его реализации: пат. 2193139 Рос. Федерация / Свердлов Е.Д., Марков Ф.Г., ЛошенковаН.С. № 2001115872/06; заявл. 15.06.01; опубл. 20.11.02. 8 с.

3. Толмачев В.В., Богов И.А. Экспериментальные исследования вихревого запально-стабилизирующего горелочного модуля для турбоустановок // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. Т. 1. № 2. С. 85-94.

4. Толмачев В.В., Богов И.А., Вохмянин С.М. Методика проектировочного расчета вихревого запально-стабилизирующего модуля турбоустановок // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. Т. 2. № 2. С. 176-180.

5. Смирнов А.А., Толмачев В.В. Способы стабилизации процесса горения предварительно подготовленной обедненной топливовоздушной смеси в КС ГТУ // Современное турбостроение. 2000. Вып. 3. С. 68-85.

6. Щенников К.А., Тырышкин В.Г., Бодров И.С. Новые запальные системы вихревого типа для газотурбинных установок и других энергетических объектов // Теплоэнергетика. 1986. № 5. С. 55-56.

7. Влияние горения на структуру течения закрученной струи / Дулин В.М. [и др.] // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2012. Т. 7. Вып. 4. С. 68-77.

8. ПостниковА.М. Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ/ Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2002. 286 с.

9. Новые подходы к созданию низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ / Арутюнов В. С. [и др.] // ISJAEE Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 6(128). С. 105-120.

References

1. Ye. Sverdlov, G. Vedeshkin, No. 2001135485/ 062001135485/06. Application date December 28, 2001, publication date April 20, 2004. 10 p. (in Russian).

2. A method of fuel combustion and the tool for its implementation. Russian Patent 2193139 / Ye. Sverdlov, F. Markov, N. Loshenkova. No. 2001115872/06. Application date June 15, 2001, publication date November 20, 2002. 8 p. (in Russian).

3. V. Tolmachev, I. Bogov. Experimental study of vortex glow-stabilizing burners moduel for turbines. // St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Science and Technology. 2012. No. 2(Vol. 1). P. 85-94 (in Russian).

4. V. Tolmachev, I. Bogov, S. Vokhmyanin. Calculation methods of a drawing vortex glow-stabilizing module turbines // St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Science and Technology. 2012. No. 2(Vol. 1). P. 176-180 (in Russian).

5. A. Smirnov, V. Tolmachev. Burning stabilization methods for prepared lean fuel-air mix in combustion chamber of gas turbine // Sovremennoye turbostroyeniye. 2000, Issue 3. P. 68-85 (in Russian).

6. K. Shennikov, V. Tyryshkin, I. Bodrov. New vortex-based burners for gas turbines and other power units // Teploenergetika. 1986. No. 5. P. 55-56 (in Russian).

7. V. Dulin et al. Effect of combustion upon turbulized flow structure // Transactions of Novosibirsk State University. Physics series. 2012. Vol. 7. Issue 4. P. 68-77 (in Russian).

8. A. Postnikov. NOX mitigation in gas turbine exhausts / Samara: Publishing House of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2002. 286 p. (in Russian).

9. V. Arutyunov et al. New approaches to development of low-emission combustion chambers for gas turbines // International Scientific Journal Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2013. No. 6(128). P. 105-120 {inRussian).

Сведения об авторе

Пономарев Николай Николаевич, ведущий инженер филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Тел.: +7 (812) 748-52-70. E-mail: tadpon@mail.ru.

About the author

Nikolay N. Ponomarev, Lead Engineer, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodat-naya st., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: +7 (812) 748-52-70. E-mail: tadpon@mail.ru.

Поступила / Received: 15.10.19 Принята в печать / Accepted: 12.03.20 © Пономарев Н.Н., 2020