Возможность использования метано-водородного топлива в конвертированных газотурбинных двигателях для энергетических установок

Введение. Принято считать, что в долгосрочной перспективе на смену природному газу должно прийти водородное топливо. Водород – самое эффективное и экологически чистое топливо. Его свойства обеспечивают возможность повышения КПД тепловых двигателей и энергетических установок, причем реальный цикл двигателя при работе на водороде стремится к теоретическому по сравнению с любым углеводородным топливом. Применение метано-водородного топлива способствует снижению токсичности выбросов в 35–40 %, объема выбросов парниковых газов, эксплуатационного расхода топлива.

Поэтому в настоящее время в России и за рубежом уделяется много внимания вопросу разработки технологии получения метано-водородных смесей (МВС), производимых в процессах адиабатической конверсии метана (АКМ). Получаемая метано-водородная смесь может применяться в качестве топлива для наземных приводных газотурбинных двигателей.

Данный вопрос требует основательной научной проработки, так как применение метановодородного топлива может привести к изменению в конструкции двигателя и его эксплуатационных параметров. Поэтому в данной статье предлагается общая универсальная методика расчета топливной системы и камеры сгорания для адаптации газотурбинной установки (ГТУ) к работе на метано-водородном топливе [1].

Расчет разделен на три части. В первой части расчета определяются теплофизические характеристики газообразного топлива имеющегося состава. Во второй части выполняется расчет топливной системы и формируются рекомендации по оптимизации ее конструкции. В третьей части производится расчет камеры сгорания и вырабатываются рекомендации о необходимости изменения топливных форсунок, а также о перераспределении отверстий подвода воздуха по длине жаровой трубы [2; 3].

Объект исследования. В качестве объекта исследования рассматривается ГТУ на базе двигателя НК-16СТ.

Газотурбинный двигатель НК-16СТ (рис. 1) предназначен для газодобывающей отрасли и энергетики, создан на базе авиационного двигателя НК-8-2У. Применяется в газоперекачивающих агрегатах ГПА-Ц-16. В качестве топлива используется природный газ.

Рис. 1. Газотурбинный двигатель НК-16СТ

Fig. 1. Gas turbine engine NK-16ST

Параметры двигателя занесены в табл. 1.

Таблица 1

Основные параметры ГТД НК-16СТ

Наименование параметра	Значение
Мощность, МВт	16
Эффективный КПД, %	29
Степень повышения давления	8,85
Расход топливного газа, кг/час	4240
Расход рабочего тела, кг/сек.	98
Температура газа перед турбиной, К	1100
Частота вращения силовой турбины, об./мин.	5300
Температура газов на выходе из СТ, °C	450

В серийной камере сгорания двигателя НК-16СТ заложены технические решения, позволяющие реализовать однозонное диффузионное горение, которое наиболее приемлемо для обеспечения сжигания газов различного состава [4].

Рис. 2. Камера сгорания ГТУ НК-16СТ

Fig. 2. Combustion chamber of GTU NK-16ST

Конструкция камеры сгорания (рис. 2) состоит из наружного 1 и внутреннего 2 корпуса, газового коллектора 3, трубопроводов 4 для подачи топлива к форсункам 5, жаровой трубы 6, со- держащей кожухи 7 с отверстиями 8 и патрубками смесителей 9. Фронтовое устройство 10 содержит 32 горелки 11. Жаровая труба – кольцевая, многосекционная, обеспечивающая конвективно-пленочное охлаждение стенок [5].

Определение теплофизических характеристик газообразного топлива. Для выполнения первой части расчетов рассматривается состав метано-водородной смеси, служащей в качестве топлива. Выполняется расчет его низшей теплоты сгорания и определяется стехиометрический коэффициент. Состав метано-водородной смеси, принятый для расчета, приведен в табл. 2.

C i =

и

0,02404

Состав метано-водородной смеси

Таблица 2

Компонент	Молярная масса M i , кг/моль	Низшая теплота сгорания Hu, МДж/кг	Объемная доля v i , %
Этан C 2 H 6	0,0301	47,5	0,016
Водород H 2	0,002016	119,83	0,299
Метан CH4	0,016042	50	0,685

Расчет молярной концентрации каждого компонента выполняется по формуле где Ci - молярная концентрация i-го компонента, моль/м3; иi - объемная доля i-го компонента; 0,02404 м3/моль = 0,0224 м3/моль (293,15 К/273,15 К) – молярный объем идеального газа при 20 °С (293,15 K) и давлении 101325 Па, где 0,0224 м3/моль - молярный объем идеального газа при 0 °С и давлении 101325 Па.

Зная молярную концентрацию C_i и молярную массу M_i (табл. 2) каждого компонента, определяем массовую концентрацию каждого компонента, содержащегося в 1 м³ метано-водородной смеси Y i , кг/м³ [6]

Y i = CM ,

где Y i - массовая концентрация i -го компонента в 1 м³ коксового газа, кг/м³.

Сумма масс компонентов, содержащихся в 1 м3 метано-водороднойсмеси, будет являться массой 1 м3 метано-водородной смеси, т. е. его плотность будет соответствовать:

Р = ^ Р i = 0,43 кг/м ³ ,                                   (3)

i где ρ – плотность метано-водороднойсмеси, кг/м3.

Определяем массовую долю каждого компонента:

,                                                          (4)

Р где mi - массовая доля i-го компонента.

Результаты расчета массовых долей компонентов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Массовые доли компонентов

Компонент	Масса компонента в 1 м3 р i , кг/м3	Массовая доля ω i
Этан C 2 H 6	0,020	0,039
Водород H 2	0,025	0,049
Метан CH 4	0,457	0,910

Зная массовые доли компонентов, рассчитывается массовая теплотворная способность. Для рассматриваемого состава низшая теплотворная способность метано-водородной смеси H_{u МВ} , МДж/кг составляет

Стехиометрический коэффициент метано-водородной смеси L 0 , кг воздуха/кг топлива – это масса воздуха, необходимая для полного сгорания 1 кг метано-водородной смеси. Для этого необходимо оценить количество кислорода, которое требуется для сгорания всех горючих компонентов метано-водородной смеси, т. е. водорода H 2 , метана CH 4 , этана C 2 H 6 .

Как известно, 1 кг C 2 H 6 стехиометрически реагирует с 3,73 кг O 2 , 1 кг H 2 – с 7,9 кг O 2 , 1 кг CH 4 – с 3,99 кг O 2 . Таким образом, количество кислорода m ₀ , необходимое для сгорания 1 кг метано-водородной смеси, составляет

m0 ^^^im0i = 4,17 кг, i где m0i – масса кислорода, стехиометрически реагирующая с i-м компонентом, кг.

Учитывая, что в 1 кг воздуха содержится 0,232 кг кислорода, получаем стехиометрический коэффициент:

= ^m0 = 17,99 ^кг воз .

0,232 кг топл

Расход природного газа при работе двигателя НК-16СТ на номинальном режиме ( N СТ = 16 МВт) составляет G _ПГ = 1,179 кг/с (см. табл. 1). Эквивалентный расход метановодородной смеси G _МВ газа для того же режима будет составлять

G мв = G ППГ H u ПГ = 1,1 кг/с,                                 (8)

HuМВ где HuМВ = 49,84 МДж/кг – низшая теплотворная способность природного газа.

Когда известен расход топливного газа, необходимо выполнить вторую часть расчета и определить возможность топливной системы пропустить через себя этот расход, т. е. выполняется ли условие

G t = G к ,                                         (9)

где G Т – расход топлива на выходе из дозатора газа; G К – расход через топливную систему камеры сгорания.

Расчет топливной системы. Под топливной системой камеры сгорания понимается топливный коллектор, топливопроводы и форсунки (рис. 2).

Расход через топливную систему камеры сгорания определяется по формуле [7]:

G K = ^ф 72 p ( p вх - p к ) ,                                (10)

где μ – коэффициент расхода топливной системы камеры сгорания; F ф – суммарная площадь отверстий форсунок; ρ – плотность топливного газа; p вх – статическое давление топливного газа на входе в топливный коллектор; p _к – статическое давление воздуха в камере сгорания.

Плотность топливного газа определяется по следующей формуле:

р=—, RГT где RГ – газовая постоянная топливного газа; T – температура. Подставив выражение для плотности в (10) получаем

G k =^ F ф. 2 p b( Р вх - Р к ) .

R Г T

T

Подставив (11) в (9) и умножив обе части равенства на и проведя необходимые преоб-p вх разования, получаем:

GV!     „ 2 ( 1 )

= ^ F-\ I

Р вх       R^ r I Р )

или

G _TV T    „ / 2 ( 1 )

= ^F\     -- I ,

Р к Р     R£ Г I Р )

где р = ^{Р вх}- .

p _к

GT GT

Параметры T и к будем называть расходными характеристиками топливной сис-pвх pвх темы двигателя и топливной системы камеры сгорания, соответственно.

Определим графическим способом значение параметра p для номинального режима работы

GT двигателя НК-16СТ на природном газе (рис. 3). Для этого построим кривые T и pкp

p

для различных значений p и найдем точку их пересечения. При по- строении кривых считаем GТ = GПГ = 1,179 кг/с, T = 293 K, pк = 941438,4 Па (из дроссельной характеристики двигателя НК-16СТ), RГ = 519 Дж/(кг^К), ц = 0,731 (по результатам продувок топливной системы камеры сгорания), Fф = 0,000845 м2 (у камеры сгорания НК-16СТ имеется 32 форсунки, в каждой из которых выполнено 4 отверстия диаметром dотв = 2,9 мм). Из рис. 3 видно, что кривые расходных характеристик пересекаются в точке p =1,25, что соответствует давлению на входе в топливную систему камеры сгорания pвх = 1,25∙941438,4 Па = 1176798 Па = = 12 кгс/см2.

На рис. 4 показаны кривые расходных характеристик топливных систем двигателя и камеры сгорания, построенные для работы двигателя НК-16СТ на метано-водородной смеси. При построении кривых считается G Т = G МВ = 1,1 кг/с, R Г = 688 Дж/(кг∙К). Из рис. 4 видно, что при использовании форсунок со штатными диаметрами отверстий d отв = 2,9 мм ( F ф = 0,000845 м²) кривые расходных характеристик пересекаются в точке p =1,25, что соответствует давлению на входе в топливную систему камеры сгорания p вх = 1,25∙941438,4 Па = = 1181505 Па = 12,05 кгс/см². Для того чтобы кривые расходных характеристик пересекались в точке p =1,28 (как при работе двигателя на природном газе) необходимо диаметр отверстий форсунок увеличить до d отв = 3 мм ( F ф = 0,0009 м²).

Рис. 3. Расходные характеристики топливной системы двигателя и топливной системы камеры сгорания при работе двигателя на природном газе

• Fig. 3.    Consumption characteristics of the fuel system of the combustion chamber when the engine is running on natural gas

Рис. 4. Расходные характеристики топливной системы двигателя и топливной системы камеры сгорания при работе двигателя на метано-водородной смеси

• Fig. 4.    Consumption characteristics of the fuel system of the combustion chamber system when the engine is running on a methane-hydrogen mixture

В соответствии с выполненным расчетом, выработаны рекомендации по доработке топливной системы для работы на метано-водородной смеси: 1) требуется изменение диаметра трубопроводов подвода газа к форсункам; 2) требуется увеличение внутренних каналов форсунки и диаметров отверстий для струйной подачи газа.

Расчет камеры сгорания. В третьей части производится расчет необходимости перераспределения отверстий подвода воздуха по длине жаровой трубы.

В жаровой трубе камеры сгорания происходит взаимодействие закрученных струй топливовоздушной смеси, выходящих из горелок, с воздухом, подаваемым из основных отверстий в зону горения и смешения [8] (см. рис. 2).

Глубина проникновения струй воздуха в отверстиях, расположенных в зоне горения, определяется их диаметром и соотношением газодинамических напоров струй воздуха и газового потока. «Вторичный» воздух, подаваемый в зону смешения камеры сгорания через подводящие смесительные патрубки, определяет максимальную температуру и влияет на формирование температурного поля газового потока на выходе из камеры сгорания [9] (см. рис. 2).

Для расчета распределения воздуха по длине жаровой трубы необходимо принять некоторые допущения:

• 1.    Число поясов подвода воздуха соответствует значению серийной камеры сгорания (табл. 4).

• 2.    Определяется относительная площадь отверстий в каждом поясе (рис. 5):

• 3.    Относительные расстояния L. = L_i|L._ЖТ , где L . - расстояние от фронтового устройства до центра отверстий или середины патрубков смесителей; L _:ЖТ – длина жаровой трубы.

• 4.    Пренебрегая различием соответствующих коэффициентов расхода отверстий, принимаем, что указанные относительные площади отверстий будут равны соответствующим относительным величинам расхода воздуха через них. Таким образом, расход воздуха по поясам камеры сгорания распределяется пропорционально суммарным площадям проходных сечений отверстий и щелей через пояса [10].

• 5.    Расход воздуха в -м сечении определяется по формуле:

F ft = F,                                           (13)

F ₀

где F_i – суммарная площадь отверстий i -го пояса; F ₀ – суммарная площадь всех отверстий.

g.= Л.(14)

Проверкой принятого распределения воздуха является выполнение условия

Z g.= 1.(15)

G = g. ■ Gв.(16)

Из рис. 5 видно, что 70 % воздуха участвует в организации процессов горения, а 30 % поступающего в камеру сгорания воздуха расходуется на охлаждение жаровой трубы. В связи с чем можно утверждать, что система охлаждения является приемлемой для обеспечения необходимого состояния стенок при сжигании метано-водородной смеси и не нуждается в дополнительной доработке [11].

Вычислив расход воздуха в расчетном поясе, можно определить коэффициент избытка воздуха в этой области жаровой трубы:

a = —G ^,                            (17)

L о • Gt                                               ' '

где L ₀ – стехиометрический коэффициент для рассматриваемого топлива.

Если учесть, что суммарная площадь раскрытия жаровой трубы составляет F 0 = 164474 мм², а расход воздуха на режиме 16 МВт G в = 98 кг/с (см. табл. 1) и рассматривать три пояса в жаровой трубе, участвующих в процессе горения (фронтовое устройство и два пояса подвода воздуха), то в этих поясах можно определить рассмотренные выше параметры [12; 13].

Рис. 5. Распределение воздуха по длине жаровой трубы

Fig. 5. Air distribution along the length of the flame tube

Параметры в расчетных сечениях жаровой трубы

Таблица 4

Фронтовое устройство	Наружный кожух жаровой трубы (пояса отверстий)		Внутренний кожухов жаровой трубы (пояса отверстий)
	IН              \	II Н	I ВН	II ВН
Площадь отверстий Fi , мм2
12829	9286,55	12363,75	6649	6181,9
fi относительная площадь отверстий
0,0780	0,0564	0,0752	0,0404	0,0375
G i расхода воздуха в сечении, кг/с
7,644	5,527	7,370	3,959	3,675
α коэффициент избытка воздуха
Применение в качестве топлива природного газа
0,387	0,279	0,372	0,200	0,186
Суммарный коэффициент избытка воздуха для зоны горения
1,424
Применение в качестве топлива метано-водородной смеси
0,386	0,279	0,372	0,199	0,185
Суммарный коэффициент избытка воздуха для зоны горения
1,421

Из табл. 4 можно увидеть, что коэффициенты избытка воздуха на выходе из горелок, а также в зоне горения камеры сгорания, работающей на природном газе и метано-водородной смеси, близки по своим значениям. Это объясняется тем, что стехиометрический коэффициент у метано-водородной смеси выше, при этом сжигание происходит при меньшем расходе метано-водородной смеси.

Для определения температуры газа в зоне горения, по полученным данным можно воспользоваться выражением [14]:

T Г

*

__*

*

w

Hu -n

CP Г ( 1 + a- L 0 )

, при η з.г

> 1,0,

где с р г – средняя теплоемкость газа при постоянном давлении; Hu – низшая теплотворная способность; η – полнота сгорания; α – коэффициента избытка воздуха в рассчитываемой области; T_w ^* – температура перед завихрителем, К.

По результатам расчета температура в зоне горения при сжигании метано-водородной смеси в камере сгорания Т г = 2314,5 К, а при сжигании природного газа Т г = 2213,06 К, что составляет близкие значения.

Для оценки достаточности объема жаровой трубы для сжигания заданного расхода топливно-воздушной смеси используется параметр объемной теплонапряженности [15]:

Q v =

G в - H u -П г a- L о - V ж - Pk

Для серийной камеры сгорания, работающей на природном газе, Q v составляет 3,12∙10⁶ Дж/ч∙м³ Па, а на метано-водородной смеси – 3,14∙10⁶ Дж/ч∙м³ Па. Откуда видно, что данный параметр укладывается в диапазон, рекомендованный для современных камер сгорания ГТД: Q v = (1,2 ^ 6,5)^10 6 Дж/ч^м³ Па, и имеет гарантированный запас. В связи с чем, объем жаровой трубы является достаточным для сжигания газа рассмотренного состава. Полученные данные свидетельствуют о том, что изменения объема жаровой трубы и перераспределения отверстий в ней не требуется.

Заключение

• 1.    Выполнен расчет топливной системы и камеры сгорания для адаптации ГТУ к работе на газах, отличных по составу от природного газа.

• 2.    Расчетом подтверждена возможность работы газотурбинной установки НК-16СТ на метано-водородной смеси.

• 3.    Для подвода больших объемов метано-водородной смеси, по сравнению с природным газом, может потребоваться доработка топливной системы в части увеличения размеров топливных трубопроводов, изменения агрегатов дозирования, регулирования и увеличения диаметра отверстий в топливных форсунках.

• 4.    Изменения объема жаровой трубы и перераспределения расхода воздуха по ее длине не требуется.