Моделирование образования загрязняющих веществ в камере сгорания газотурбинной установки

УДК 536.423.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

САФОНОВ Е.В., *КОРЕПАНОВ М.А.

Южно-Уральский государственный университет (НИУ), 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76 *Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Проведено численное моделирование образования загрязняющих веществ в камере сгорания (КС) газотурбинной установки (ГТУ). Показано, что основными загрязняющими веществами, образующимися при сгорании топлива в КС ГТУ, являются оксиды азота N0» образующиеся по термическому механизму.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: газотурбинная установка, горение, камера сгорания, загрязняющие вещества. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время большое значение уделяется не только экономичности энергосиловых установок, использующих в качестве источника энергии процесс горения, но и их экологическим характеристикам. В связи с этим при проектировании новых энергетических установок особенное внимание уделяется процессам образования и разложения загрязняющих веществ.

Основными загрязняющими компонентами продуктов сгорания энергетических установок, использующих углеводородное горючее и воздух в качестве окислителя, являются угарный газ, СО, и оксиды азота, К0Х [1, 2]. При этом, несмотря на то, что кинетика образования и разложения этих веществ в пламени достаточно хорошо изучена, проблема моделирования этих процессов остается, в частности из-за сложности решения систем уравнений химической кинетики.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Схема газодинамического тракта ГТУ, работающей на природном газе, представлена на рис. 1. Воздух от компрессора обтекает вокруг камеры сгорания, охлаждая ее стенку, и поступая в зону вторичного горения и перемешивания через перфорированные отверстия. В двухкомпонентной форсунке воздух смешивается с природным газом и поступает в зону горения. После смешения со вторичным воздухом продукты сгорания поступают на выход из КС на турбину. Степень смешения со вторичным воздухом определяется требуемым уровнем температуры на турбине - не более 900 °С.

Горючим, как было отмечено выше, является природный газ, состав которого был принят следующим (массовые доли): СН4 = 0,9712, С2Н6 = 0,0111, С3Н8 = 0,0027, N2 = 0,0121, С02 = 0,0029. Состав воздуха был принят следующим: N2 = 0,7553, 02 = 0,2314, Аг = 0,0128, С02 = 0,0005.

В область камеры сгорания воздух подавался с температурой торможения 726 К после сжатия в компрессоре и расходом 1,1 кг/с. Подача горючего осуществлялась с температурой 298 К и суммарным расходом 0,012 кг/с. На входе (после компрессора) задавалось давление 0,5 МПа.

Рис. 1 Газодинамический тракт ГТУ

Учитывая осесимметричность газодинамического тракта, и для упрощения расчетов был использован подход с нестационарным реактором идеального смешения (НРИС), предложенный в [1]. Математическая модель процессов в движущемся нестационарном реакторе идеального смешения и метод ее решения подробно описаны в [3, 4]. Основными особенностями использования этой модели являются следующие допущения:

- в первичной зоне, возле форсунок, формируются равновесные продукты сгорания;

- подводимый вторичный воздух мгновенно равномерно распределяется по объему НРИС;

- теплообмен стенки КС с продуктами сгорания и охлаждающим воздухом описывается при помощи критериальных уравнений вынужденной конвекции, например [5].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Было проведено моделирование для двух вариантов конструкции: исходного варианта (рис. 1) и с продольным оребрением внешней стенки КС. Оребрение внешней стенки КС приводит к увеличению теплообмена с поступающим на горение воздухом, что с одной стороны повышает его температуру, а с другой снижает температуру стенки КС.

На рис. 2 приведены графики изменения концентраций СО и N0 по длине камеры сгорания. Из графиков видно, что в зоне горения концентрации загрязняющих веществ достаточно велики, что связано с соотношением компонентов близким к стехиометрическому и, как следствие, высокой температурой продуктов сгорания. В зоне 0,13 м осуществляется подвод части вторичного воздуха, вследствие чего концентрации загрязняющих веществ резко падают за счет разведения воздухом. При этом угарный газ догорает и его концентрация становится пренебрежимо малой - менее 10-6, стоит отметить, что в исходной модели концентрация СО изначально низкая, что связано с более высоким начальным коэффициентом избытка окислителя, обусловленного более низкой температурой первичного воздуха при той же геометрии подводящего тракта. На участке газодинамического тракта от 0,14 м до 0,18^0,20 м происходит окисление азота по термическому механизму, описанному Я.Б. Зельдовичем [6]. Дальнейшие незначительные колебания концентрации оксида азота, N0, происходят за счет подмешивания остатков вторичного воздуха по длине газодинамического тракта КС.

Однако, следует отметить, что в обоих расчетных случаях массовая доля N0 стремится к своему равновесному значению при текущей температуре.

3,5Е-03

3,0Е-03 2,5Е-03

§

ч 2,0Е-03

а:

го

° 1, 5Е-03

о

го

^ 1, 0Е-03 5,0Е-04

0,0Е+00

0,10

1,0Е-02

9,0Е-03

8,0Е-03

7,0Е-03

6,0Е-03

5,0Е-03

4,0Е-03

3,0Е-03

2,0Е-03

1,0Е-03

0,0Е+00 0,

0,12

0,14

исходная модель

оребрение

0,16

0,18

0,20 x, [м]

0,22

0,24

0,26

0,28 0,30

-исходная модель — — оребрение —

--

ч\

\\

\ч / / \ ---- • — - "

10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30

x, [м]

Рис. 2. Изменение массовых долей CO (а) и N0 (б) по длине КС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

а

б

В результате проведенных исследований показано, что основным загрязняющим компонентом продуктов сгорания газотурбинной установки являются оксиды азота, N0^ образование которых идет по термическому механизму, описанному Я.Б. Зельдовичем, т.е. за счет окисления атмосферного азота, т.к. в составе топливной смеси нет связанного азота.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках комплексного проекта «Создание производства модельного ряда микротурбинных энергоустановок нового поколения» по договору № 02.G25.31.0078 от 23.05.2013 г. между Министерством образования и науки Российской Федерации и Открытым акционерным обществом специальным конструкторским бюро «Турбина» в кооперации с головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Крюков В.Г., Наумов В.И. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М. : Наука, 1989. 256 с.

2. Боумэн К.Т. Кинетика образования и разложения загрязняющих веществ при горении // Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / пер. с англ. / ред. Н.А. Чигир. М. : Машиностроение, 1981. С. 59-83.

3. Корепанов М.А. Математическое моделирование процессов термической переработки элементов РДТТ : дис. канд. техн. наук. Ижевск, 1997. 162 с.

4. Корепанов М.А. Математическое моделирование химически реагирующих течений // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 3. С. 268-279.

5. Исаев С.А., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена : Учебник для вузов / под ред. А.И. Леонтьева. М. : Высшая школа, 1979. 495 с.

6. Зельдович Я.Б. Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении // Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. М. : Наука, 1984. С. 309-318.

SIMULATION OF POLLUTANTS GENERATION IN THE COMBUSTION CHAMBER OF THE GAS TURBINE POWER PLANT

Safonov E.V., *Korepanov M.A.

South Ural State University (National Research University), Chelyabinsk, Russia *Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The numerical simulation of pollutants generation in the combustion chamber of the gas turbine power plant is done. It is shown that main pollutants generated during the combustion process are thermal NOx.

KEYWORDS: gas turbine power plant, burning, combustion chamber, pollutants.

Сафонов Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент, декан Аэрокосмического факультета ЮУрГУ, e-mail: e-safonov@yandex.ru

Корепанов Михаил Александрович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412) 20-34-76, e-mail: kma@udman.ru