Оценка концентрации оксидов азота на выходе из камеры сгорания модельной газовой турбины

Технологии парогазовых циклов с внутрицик-ловой газификацией твердого топлива по мнению многих специалистов [1, 2] могут составить конкуренцию традиционным системам генерации электроэнергии и активно развиваются в последнее время. Особенностью парогазовой установки является наличие газовой турбины. Одной из проблем при проектировании газовой турбины является оценка выбросов оксидов азота. На сегодняшний день не существует единой методики расчета выбросов ввиду сложности процесса образования оксидов, зависящего как от параметров потока (скорость, температура, концентрации компонентов, вихри), так и от химического механизма, который еще до конца не изучен.

Существуют различные методики описания процесса как экспериментальные, так и расчетные. В работе [3] производились исследования процесса горения топлива в камере сгорания модельной турбины оптическими методами, в ходе которых были определены поточные зоны и зоны рециркуляции. На базе проведенных опытов проводилась верификация ряда вычислительных методов. В [4] для описания турбулентности использовалась модель LES. В работе отмечалась нестацио-нарность термодинамики и колебательная природа процесса образования оксидов азота. Аналогичная модель использовалась в работах [5, 6]. Во всех приведенных выше расчетах применялся достаточно упрощенный химический механизм, состоя- щий из 16 реакций, всего лишь три из которых относились к оксидам азота, вследствие чего в моделях отслеживались только монооксид азота и синильная кислота.

В рассматриваемом процессе могут реализовываться 11 реакций образования оксидов азота [7] по трем известным механизмам: термический механизм образования монооксида азота (механизм Зельдовича), реакции 1–3, N₂O-механизм, реакции 4–6 и NO₂-механизм образования радикалов, реакции 7–11. Для реакций в табл. 1 приведены параметры уравнения Аррениуса: предэкспоненци-альный множитель – k ₀ , энергии активации – E .

В работе [7] были изучены механизмы горения метана в богатой и бедной топливом смеси, которые можно представить в виде диаграмм селективности реакций (рис. 1, 2). В бедной смеси (см. рис. 1) азот преобразуется в монооксид азота по двум основным путям: напрямую и через синильную кислоту. Первый путь является более вероятным, константа скорости реакции более чем в два раза превышает константу скорости реакции второго пути. В ходе первого пути возможно выделение ионов азота, которые при взаимодействии с имидогеном (NH) и кислородом приводит к появлению монооксида азота. Еще одним сильным (сравнимым по скорости с первым путем) процессом можно назвать появление монооксида азота из двуокиси азота. Двуокись азота в свою очередь получается только лишь в ходе обратного процесса, который менее интенсивен.

Таблица 1

Ключевые реакции процесса образования оксидов азота [7]

№	Реакция	k 0 , моль/(см3с)	E , Дж/моль	Источник
1	O + N 2 = NO + N	4,5487e + 10	35991,4	[8]
2	N + O 2 = NO + O	6e + 9	6300	[9]
3	N + OH = NO + H	6e + 11	8000
4	N 2 O + O = 2NO	1e + 14	28 000
5	N 2 O + H = NH + NO	3,87e + 14	18 880	[10]
6	N 2 O + CO = NCO + NO	1,9e + 17	740
7	NO 2 + OH = HO 2 + NO	2,11e + 12	–480
8	NO 2 + M = O + M + NO	1e + 20	0
9	NO 2 + O = O 2 + NO	3,9e + 12	–240
10	NO 2 + H = OH + NO	1,32e + 14	360
11	NO 2 + CN = NCO + NO	1e – 10	–171	[11]

Рис. 1. Диаграмма селективности процесса в бедной смеси, ϕ = 0,9 [7]

Рис. 2. Диаграмма селективностей процесса в богатой смеси, ϕ = 1,3 [7]

В богатой смеси (см. рис. 2) остается только один путь – через синильную кислоту, значительно менее интенсивный, чем в бедной. В механизме преобладают в основном промежуточные реакции преобразования нитроксила в монооксид углерода и обратно.

Из рис. 1, 2 видно, что в бедной смеси ключевыми продуктами реакций являются монооксид углерода и синильная кислота, что согласуется с предположениями [6]. Но при коэффициенте избытка топлива φ > 1,3 (величина, обратная коэффициенту избытка воздуха) доминирующими про- дуктами становятся NO, HNO и радикалы: HOCN, HCNO, HNCO.

В данной работе представлена новая методика расчета процессов образования оксидов азота в камере сгорания газовой турбины. Методика состоит из связанных между собой расчетов гидродинамики газового потока в камере сгорания и химических реакций по приведенным селективным схемам. Расчеты выполнены в программных пакетах компании CHEMKIN, Energico и Reaction Design, недавно появившихся в составе ANSYS [12], которые позволяют представлять процесс образования оксидов азота в более детальном виде при значительной экономии расчетного ресурса и способны спрогнозировать зависимость изменения продуктов сгорания от режима сжигания топлива. Разработанная методика применена к расчету модельной камеры сгорания газовой турбины, работающей на угольном синтез-газе

Постановка задачи и методика расчета

Схема модельной камеры показана на рис. 3 [13]. Первичный воздух подается через нижнюю решетку с завихрителями через отверстие d =24 мм, а топливо – через 12 отверстий с d = 1,5 мм. Вто- ричный воздух подается в четыре секции, в каждой из которых имеется 12 отверстий с d = 13 мм.

Объемная модель камеры была выстроена в соответствии с известными чертежами изделия [13]. Расчетная область была разбита на 492 тыс. полиэдрических элемента (рис. 4).

Изначально сетка состояла из ~ 900 тыс. тет-раэдальных расчетных элементов. Благодаря функции ANSYSFluent объединения тетраэдаль-ных элементов в более крупные полиэдрические количество элементов было снижено до 492 тыс., что сказалось на скорости расчета. Поверочный расчет производился по схеме, представленной на рис. 5.

Сначала рассчитывались гидродинамические характеристики потока, затем при помощи программы конвертера Energico данные из процессора переносились в химический решатель CHEMKIN.

Расчет гидродинамики осуществлялся в программе ANSYS Fluent. Рассматривался поток идеального газа. Решались уравнения неразрывности, движения, турбулентности, энергии, молекулярной диффузии. Для описания турбулентности применялась модель k-epsilon. В связи с тем, что поток закручивался, использовалась RNG-модель

Рис. 3. Модельная камера сгорания [13]

а)                                                                      б)

Рис. 4. Преобразование тетраэдальной (а) сетки в полиэдрическую (б)

Рис. 5. Схема расчета

с включенной функцией закрученного потока (swirl dominated flow). Решение производилось в псевдо-нестационарной постановке. Дополнительно подключалась модель радиации (дискретных ординат).

В программе Energico по данным потока при помощи встроенных алгоритмов объем разбивался на массив реакторов изобарных либо изохорных. Тип реактора определялся в зависимости от свойств рассматриваемой зоны: поточная либо зона рециркуляции.

В ходе последнего третьего этапа, в программе CHEMKIN рассчитывался массив параллельных реакций в соответствии с полным механизмом горения метана Grimech 3.0.

Были проведены расчеты при коэффициентах избытка топлива ϕ , равных 0,5; 1; 1,5; 2. Темпера- тура продуктов сгорания на выходе из камеры равнялась 1450 °С. Расход топлива составлял 0,01 кг/с. Состав топлива: H2 : CO : H2O : CO2 : N2 = = 0,26 : 0,56 : 0,06 : 0,03 : 0,09 («модельный синтез-газ» кислородной газификации угля [14]).

Результаты

Верификация модели расчета выбросов оксида азота на выходе из пламенной трубы камеры сгорания проводилась на основе сравнения со стендом модельной камеры сгорания, описанным в [13]. Результаты расчета показали отличие от экспериментальных данных на 2,5–10 % (рис. 6). Максимальное расхождение результатов CHEMKIN и опытных данных при коэффициенте избытка топлива φ = 1 уменьшилось на 20 % по сравнению с расчетными данными CFX [14]

Рис. 6. Сравнение методик оценки выбросов азота

По верифицированной модели были выполнены расчеты выбросов оксидов азота и монооксида углерода в камере сгорания турбины ГТ-100-750 КСВД. В качестве топливного газа были использованы угольные синтез-газы различного состава и типа газификации (табл. 2) и природный газ.

Наилучшие результаты по выбросам оксидов азота показал состав газа GE (рис. 7). Самыми проблемными газами являются синтез-газы Polk Power и Texaco (кислородный процесс). Близкими к GE являются синтез-газы, полученные в ходе KRW и Texaco воздушной газификации. Выбросы монооксида углерода оказались максимальными при сжигании природного газа, в то время как

Таблица 2

Состав угольных синтез-газов, об. %

Процесс газификации	H 2	CO	H 2 O	CO 2	H 2 S	Источник
Polk Power	26,9	35,9	18,1	12,3	0,8	[11]
GE	15	8	30	11	2,5	[13]
KRW	10	15	5	15	2,5
Texaco air	12	13	25	4	0,5
Texaco oxygen	31,5	42	12	14	0,5

1.00 E+00

1.00 E-01

1.00 E-02

1.00 E-03

1.00 E-04

1.00 E-05

1.00 E-06

1.00 E-07

1.00 E-08

1.00 E-09

1.00 E-10

1.00 E-ll

1.00 E-12

1.00 E-13

NO2

NO

CO

Рис. 7. Сравнение удельных выбросов оксидов азота и монооксида углерода из камеры сгорания при сжигании природного газа и синтез-газов Polk Power, GE, KRW, Texaco, Texaco O2

сжигание синтез- газ а Te x a co (в оз д ушны й процесс) пока за л о м и ним ал ьное з на ч е ние этого па ра м е тра .

Н е с м отря на з на ч ител ьно бол е е в ыс ок у ю низ ш у ю те п л о ту с гора н ия при р од ного га з а, м а кси ма л ь ные те м пе ра т у ры с тенок, ка к в с лу ча е с ж иган и я природного га з а , та к и в с луча е си н тез-газов, имеют близкие значения (рис. 8).

Это связано с неравномерностью распределения поля температур по длине камеры. При сжига- нии природного газа пламя вытянутое, наибольшие температуры достигаются в зоне сужения потоков и подсоса вторичного воздуха.

При сжигании синтез газов Polk Power и Texaco (кислородный процесс) наибольшая тепло-напряженность факела наблюдается в зоне смешения (первая ступень сгорания) (рис. 9), при этом температуры в этой зоне превышают те, что были при сжигании природного газа. В процессе сжига-

Рис. 8. Зависимости максимальной температуры стенки камеры сгорания и низшей теплоты сгорания газа от типа газа

Рис. 9. Поля температур в камере сгорания при сжигании синтез-газов: а – Polk Power; б – GE; в – KRW; г – Texaco; д – Texaco O2

1.00Е-05

1.00E-06

1.OOE-07

1.00E-08

1.OOE-09

1.00E-10

1.OOE-11

1.00E-12

• 1 .OOE-13

  

  4.90E+02 О

  4.80E+02 в

  в

  4.70Е+02 £

  4.60Е+02 р а

  4.50Е+02 |

  Н

  4.40Е+02

  200       400       600       800

  Температура топлива, °C

  
  

Рис. 10. Зависимости концентрации выбросов и температуры стенки от температуры топлива: а – оксид азота; б – двуокись азота; в – монооксид углерода; г – максимальная температура стенки

Рис. 11. Зависимости концентрации выбросов и температуры стенки от температуры воздуха: а – оксид азота; б – двуокись азота; в – монооксид углерода; г – максимальная температура стенки

ния синтез-газов GE и Texaco (воздушный процесс) факел значительно меньше, но возникает ярко выраженная зона рециркуляции (выделена овальным контуром на рис. 9в). Экзотермические процессы, протекающие в этой зоне, повышают максимальную температуру стенки до 500 °С. При сжигании синтез газов Polk Power и Texaco (кислородный процесс) наибольшая теплонапряжен-ность факела наблюдается в зоне смешения (первая ступень сгорания), при этом температуры в этой зоне превышают те, что были при сжигании природного газа.

Варьирование температуры топлива слабо влияет на выбросы оксидов азота и монооксида углерода, при этом наблюдается нелинейная зависимость изменения максимальной температуры стенки (рис. 10). При температуре топлива, близкой к 500 °С, достигается максимальная температура стенки.

С увеличением температуры воздушного дутья монотонно возрастает максимальная температура стенок, а выбросы оксидов азота и монооксида углерода сокращаются на полпорядка (рис. 11).

Заключение

В работе была протестирована новая методика расчета параллельных гомогенных реакций образования оксидов азота в камере сгорания газовой турбины при совместном применении ANSYS Fluent и CHEMKIN-Pro. Результаты расчетов показали, что при неизменной скорости расчета точность возросла на 20 % по сравнению с расчетами в CFX.

Применение методики для расчета процессов сжигания природного газа и четырех типов угольного синтез-газа в камере сгорания промышленной газовой турбины показало зависимость распределения температуры стенки по длине камеры и концентраций образующихся оксидов азота и монооксида углерода от состава топливного газа.

Изменение температуры топлива слабо влияет на концентрации выбросов оксидов азота и монооксида углерода, при этом температура стенки имеет экстремальную зависимость с максимумом при температуре топлива около 500 °С.

Увеличение температуры воздушного дутья приводит к возрастанию максимальной температуры стенок камеры, а выбросы оксидов азота и монооксида углерода значительно сокращаются.