Закономерности образования окислов азота при сжигании предварительно подготовленной смеси в камерах сгорания наземных установок на базе авиационных ГТД

Одно из актуальных направлений конверсии авиационного двигате-лестроения — создание работающих на природном газе компактных и экономичных газотурбинных установок на базе авиационных ГТД для нужд энергетики и газовой промышленности. Газовые турбины наземного применения должны удовлетворять строгим нормативам по выбросам загрязняющих веществ. При сжигании природного газа основными компонентами вредных выбросов являются окислы азота N0 и N02, реальная опасность которых связана с их активностью в фотохимических реакциях, оказывающих прямое негативное влияние на человека и растительность. ГОСТ 29 328–92, распространяющийся на газовые турбины, применяемые на электростанциях, устанавливает для вновь создаваемых установок предельный уровень концентрации 1чЮх (N0 и N02 суммарно), равный 50 мг/нм3 для условного режима с концентрацией кислорода 15% в сухой пробе продуктов сгорания. Для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом ГОСТ 28 775–90 предписывает менее жесткие ограничения: 150 мг/нм3 для ГПА с простым циклом и 200 мг/нм3 для ГПА с регенеративным циклом.

В ближайшее время следует ожидать пересмотра этого стандарта в направлении снижения предельных концентраций. Проблема ограничения выбросов Ж) х приобретает все большее международное значение. Еще в 1989 г. наша страна присоединилась к Международной конвенции 1979 г. о трансграничном загрязнении воздуха. За прошедшие годы в мире достигнут значительный прогресс в улучшении экологических показателей газовых турбин наземного применения, и в большинстве про-мышленно развитых стран для окислов азота принят норматив 50 мг/нм3. В этих условиях сохранение действующих в РФ нормативов способствует углублению наметившегося отставания отечественных дви-гателестроительных фирм от ведущих зарубежных фирм.

При высоких параметрах цикла возможности уменьшения выбросов КОх в камерах сгорания традиционной схемы (с раздельной подачей топлива и воздуха) оказываются исчерпанными. Применительно к наиболее эффективным отечественным ВРД ПС-90, АЛ-31Ф, НК-93 достижение мирового уровня по выбросам Ж) х означает снижение достигнутого уровня выбросов в 3- 4 раза, а это предполагает радикальное изменение организации рабочего процесса в камере сгорания — переход к сжиганию предварительно подготовленной топливо-воздушной смеси «бедного» состава.

Очевидно, конструктивные мероприятия, направленные на повышение качества процесса горения, могут дать ожидаемый положительный эффект лишь в том случае, когда имеется ясное понимание механизма влияния условий смешения и горения на процессы окисления топлива и образования вредных веществ. Начало научным исследованиям механизма окисления атмосферного азота было положено классической работой Зельдовича [11], в которой раскрыт термический механизм образования N0. В последующих работах других авторов была уточнена кинетика окисления азота и установлена связь между реакциями окисления топлива и образования окислов азота. В работе [59] Фенимор предложил так называемый механизм «быстрой» N0 для объяснения аномально высоких концентраций N0 вблизи фронта пламени. В работах Билджера [2,55] теоретически и экспериментально доказано существование сверхравновесных концентраций О и ОН вблизи фронта пламени и предложена модель, описывающая влияние неравновесности на процесс окисления азота. В работах [64,66] раскрыта важная роль так называемого «N20 — механизма» в пламени однородных «бедных» смесей с низкой температурой горения.

В устройствах с диффузионной организацией горения образование ЫОх происходит в стехиометрических зонах при доминировании механизма Зельдовича, что позволяет существенно упростить задачу расчета концентрации КОх, сведя ее к оценке относительного объема стехиометрических зон. Применительно к диффузионному пламени струйного типа Кузнецов создал расчетную модель, позволяющую описать образование 1ЧОх с учетом влияния мелкомасштабной турбулентности на скорость химических реакций [22]. На основе этой модели в ЦИАМ разработан метод определения концентрации Ж) х в выхлопных газах камер сгорания традиционной схемы с погрешностью 10−20% [24].

Для технических устройств с предварительной подготовкой рабочей смеси такая точность прогнозирования остается недостижимой, поскольку механизм образования окислов азота в этих устройствах значительно сложнее, чем в устройствах с диффузионным горением. В этом случае внутри зоны горения нельзя выделить локальные зоны, ответственные за выбросы МОх, окисление атмосферного азота происходит по сложному кинетическому механизму с преобладанием различных каналов в зависимости от уровня режимных параметров. Существенное влияние на скорость образования Ж) х оказывают незавершенность реакций окисления топлива, качество подготовки смеси и интенсивность массообмена.

Тем не менее, при инженерных расчетах концентрации КЮХ чаще всего применяется простейшая аппроксимация Зельдовича, справедливая для послепламенной зоны [17, 45], игнорируется влияние термодинамической неравновесности и пульсаций концентрации топлива. Такой подход применяется и в исследовательских работах (см. например [5]). Слабо изучено влияние конструктивных параметров устройств для предварительной подготовки смеси на качество смешения и осредненную скорость окисления азота. В современной литературе отсутствуют рекомендации по выбору конструктивных параметров смесительных устройств, недостаточно разработаны вопросы доводки и испытаний камер сгорания с предварительным смешением топлива в стендовых и промышленных условиях. Несовершенство методологии создания камер сгорания с предварительным смешением топлива обусловливает трудности практического внедрения этой концепции организации рабочего процесса камер сгорания. Известные конструкции ведущих зарубежных и отечественных фирм «Сименс» [60], «Solar» [52], «ABB» [70], «Дженерал Электрик» [51], ОАО «А. Люлька — Сатурн» [29], СНТК им. Н. Д. Кузнецова [31] отличаются высокой сложностью и низкой надежностью. Процесс доводки этих камер сгорания чрезвычайно дорог, а экологические характеристики во многих случаях далеки от ожидаемых.

Современное состояние практики создания камер сгорания с предварительным смешением топлива предопределили выбор цели настоящей работы. Целью диссертации является установление количественных закономерностей образования окислов азота в камерах сгорания ГТД с предварительным смешением топлива и разработка методов создания го-релочных устройств с низкими уровнями выбросов NOx. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Исследование закономерностей влияния условий смешения и горения на процесс образования окислов азота в пламени предварительно подготовленных смесей природного газа с воздухом.

2. Создание методики расчета концентрации окислов азота в устройствах с предварительной подготовкой рабочей смеси.

3. Разработка рекомендаций по организации рабочего процесса в камерах сгорания ГТД с предварительным смешения топлива.

4. Создание методики доводки горелочного устройства с предварительным смешением топлива в стендовых и опытно-промышленных условиях и модернизация промышленной камеры сгорания с целью достижения уровня выбросов NOx не более 50 мг/нм3 (при 15% О2).

Исследование закономерностей образования ИОх непосредственно в условиях реальных камер сгорания ГТД малоэффективно, поскольку на процесс окисления азота воздействует сложный комплекс гидродинамических, тепловых и кинетических факторов. Методика исследований была построена на основе анализа литературных источников, посвященных изучению кинетики окисления атмосферного азота, влияния реакций окисления топлива и качества смешения на скорость образования МОх в пламени предварительно подготовленной «бедной «смеси.

В работе применялись теоретические и экспериментальные методы. Влияние режимных параметров процесса горения молекулярно — однородной «бедной» смеси на концентрацию окислов азота исследовалось аналитически в одномерном приближении с использованием модели равновесия С-Н-О, модели квазиглобальной кинетики и модели детальной кинетики, предложенной Миллером и Боумэном [64]. При изучении влияния условий предварительной подготовки смеси на процесс образования МОх применялся метод функции плотности вероятности (ФПВ) консервативной скалярной величины и аналитическое решение В. Р. Кузнецова для описания ФПВ [22], а также эмпирические результаты Се-кундова [21,36] для оптимальных камер смешения.

Эксперименты проводились в условиях лабораторных установок, включающих модельные камеры сгорания (с подогревом воздуха, квазиодномерной схемой организации процесса смешения и горения, контролируемым уровнем потерь тепла) и измерительные системы, позволяющие регистрировать состав продуктов сгорания с высокой точностью в реальном масштабе времени.

Результаты исследования обобщены в виде полуэмпирической методики расчета концентрации КЮХ в устройствах с предварительным смешением топлива.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе опытного и аналитического изучения процесса образования окислов азота при горении молекулярно-однородной «бедной» смеси природного газа с воздухом установлено, что в широком диапазоне изменения режимных параметров (давление Р = 0,1-И, 6 МПа, температура воздуха Тв = 523+723 К, коэффициент избытка воздуха, а = 1,5+2,0, время пребывания в зоне горения 1 Г = 0+20−103 с) концентрация МОх существенно превышает значение концентрации, рассчитанное по модели равновесия С-Н-О. Расхождение усиливается при уменьшении давления и времени пребывания, а также при увеличении, а и может достигать 500%.

2. Показано, что экспериментальные зависимости концентрации окислов азота от режимных параметров могут быть описаны в рамках расширенного механизма Зельдовича с использованием модели квазиглобальной кинетики окисления топлива для определения сверхравновесных концентраций О, ОН и температуры продуктов сгорания.

3. Установлено, что зависимость концентрации 1МОх от давления является неоднозначной и не соответствует зависимости %0 ~ Р°>5, прогнозируемой моделью равновесия С-Н-О.

4. Разработана полуэмпирическая методика расчета концентрации КОх в устройствах для сжигания предварительно подготовленной «бедной» смеси, позволяющая учесть влияние термодинамической неравновесности и условий смешения топлива с воздухом, отличающаяся тем, что эффективная скорость окисления топлива корректируется с помощью постоянного (в диапазоне Р > 0,1 МПа, а = 1,5 + 2,0) эмпирического коэффициента.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Созданы методики проектирования, доводки, стендовых и опытно-промышленных испытаний горе л очных устройств с предварительным смешением топлива.

2. Выработаны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров устройств для предварительной подготовки рабочей смеси.

3. Предложена принципиальная схема горелочного устройства для многомодульной компоновки камеры сгорания с неизменяемой геометрией. Перспективность данной схемы подтверждена результатами испытаний в модельных и натурных условиях.

4. Впервые в отечественной практике концепция предварительной подготовки топливо-воздушной смеси успешно внедрена в рабочий процесс промышленных камер сгорания.

Результаты работы внедрены в АО «А. Люлька — Сатурн» и используются научно-производственной фирмой (НПФ) «Теплофизика» при создании малотоксичных камер сгорания газоперекачивающих агрегатов (ГПА), эксплуатируемых в РАО «Газпром». К моменту завершения работы над диссертацией в промышленной эксплуатации находилось свыше 40 ГПА четырех типов с уровнем выбросов окислов азота менее 50 мг/нм3 (при 15% О2), что соответствует лучшим мировым достижениям в области создания малотоксичных камер сгорания газовых турбин. Для четырех типов агрегатов завершены стендовые испытания камер сгорания с предварительным смешением топлива и эти разработки находятся на стадии промышленного внедрения.

На защиту выносятся:

1) результаты комплексного экспериментального и теоретического исследования влияния условий смешения и горения на образование Ж) х в пламени «бедной» предварительно подготовленной смеси природного газа с воздухоми.

2) полу эмпирическая методика расчета концентрации КтОх в устройствах с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси;

3) методики доводки ГУ с предварительным смешением топлива в стендовых и опытно-промышленных условиях.

Основная часть диссертации состоит из четырех глав.

В первой главе анализируются тенденции мировой практики создания камер сгорания с предварительным смешением топлива и проблемы, возникающие при реализации этой концепции организации рабочего процесса. Основная проблема, сдерживающая промышленное применение подобных камер сгорания, заключается в наличии трудно устранимого противоречия между требованиями к устойчивости процесса горения и токсичности выхлопных газов. Принципиальные подходы к решению этой проблемы рассмотрены на примере известных конструкций отечественных и зарубежных фирм. В этих камерах сгорания организация процесса предварительной подготовки смеси далека от оптимальной, низкие уровни ГчЮх достигаются за счет чрезмерного усложнения конструкции, что снижает ее надежность и требует длительной и трудоемкой доводки. Проблемы создания камер сгорания с предварительным смешением топлива во многом обусловлены несовершенством методологии проектирования, испытаний и доводки горелочных устройств. Исходя из этого вывода формируется цель работы и обосновывается постановка задач исследования.

Во второй главе приводится обзор теоретических и экспериментальных работ по кинетике образования окислов азота и влиянию условий смешения и горения на скорость окисления азота в пламени газообразных углеродных топлив. Рассмотрены механизм Зельдовича, механизм образования «быстрой» N0 и механизм образования N0 с участием N20. Проанализированы возможные причины расхождений между опытными данными и расчетными значениями концентрации Ж) х, выявленпых в ряде экспериментальных работ. Исследована возможность теоретического описания процесса смешения топлива с воздухом с помощью метода консервативной скалярной величины и выполнена расчетная оценка влияния качества смешения на осредненную скорость образования N0 по механизму Зельдовича в пламени «бедных» смесей. Исходя из достигнутого уровня знания о механизме окисления атмосферного азота, конкретизирована задача исследования влияния условий смешения и горения на процесс образования Г" ЮХ в пламени предварительно подготовленных смесей природного газа с воздухом.

В третьей главе изложены результаты численного и опытного моделирования образования окислов азота при горении предварительно подготовленных «бедных» смесей природного газа с воздухом. Глава состоит из пяти разделов. В первом разделе развита математического модель образования МОх в пламени молекулярно-однородной смеси с учетом неравновесности реакций окисления топлива. При моделировании окисления топлива применена квазиглобальная модель кинетики, процесс образования N0 описывается механизмом Зельдовича. Расчеты по модели показывают, что при умеренных отклонениях от равновесия скорость окисления азота всегда превышает значение, определенное по модели равновесия. Во втором разделе главы приведено описание методики и результатов экспериментального исследования процесса образования КЮХ в пламени молекулярно-однородной смеси, предпринятого с целью проверки адекватности математической модели и уточнения количественных зависимостей концентрации Ж) х от режимных параметров. По результатам исследования скорректирована методика расчета концентрации >ЮХ за счет введения эмпирического множителя в уравнение для эффективной скорости окисления топлива. В третьем разделе главы расчетная методика распространяется на случай горения смеси с пульсациями концентрации. Модели кинетики образования ГЮХ и окисление топлива дополнены моделью смешения газовых струй с потоком воздуха. При построении модели смешения использованы эмпирические результаты Секундова [21,36] для оптимальных камер смешения, приняты гипотезы однородности турбулентности и постоянства коэффициента турбулентной диффузии. Функциональный вид ФПВ для восстановленной концентрации топлива принят из работы Кузнецова [22]. В четвертом разделе представлены результаты экспериментального исследования условий смешения на процесс образования МОх. В исследовании использованы смесители нескольких типов, отличающихся значениями уровня потерь полного давления, шага между турбулизаторами и временем смешения. В последнем разделе обобщены основные результаты модельных исследований.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке основ внедрения концепции предварительной подготовки смеси в рабочий процесс камер сгорания. Глава состоит из четырех разделов. В первом разделе обосновывается выбор принципиальной схемы организации рабочего процесса малотоксичной камеры сгорания ГТД с предварительным смешением топлива, режимных и конструктивных параметров горелочного устройства для многомодульной компоновки камер сгорания с неизменяемой геометрией. Во втором разделе развиваются методы доводки поля скоростей в смесителе и поля концентраций топлива на срезе горелочного устройства в изотермических условиях (без горения). В третьем разделе изложена методика огневого моделирования рабочего процесса горелочного устройства. В заключительном разделе главы приводятся результаты испытаний гореломных устройств с предварительным смешением топлива в натурных условиях и анализируется опыт внедрения концепции предварительной подготовки смеси в рабочий процесс камер сгорания газоперекачивающих агрегатов.

В диссертационной работе обобщаются результаты исследований по разработке принципов создания малотоксичных камер сгорания, финансируемых в разное время ОАО «А. Люлька — Сатурн» и РАО «Газпром» и проводимых научно-исследовательской лабораторией «Тепловые процессы двигателей летательных аппаратов» при кафедре Теории авиационных и ракетных двигателей (ТАРД) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и (НПФ) «Теплофизика» при УГАТУ под руководством докторанта кафедры ТАРД, к.т.н. Кашапова P.C.

В этих исследованиях автор выступал в качестве основного исполнителя, им разработан экспериментальный комплекс, методика исследования закономерностей образования окислов азота в пламени предварительно подготовленных смесей, при участии сотрудников кафедры проведены экспериментальные исследования. Лично автором разработана методика расчета концентрации окислов азота с учетом неравновесности и пульсаций концентрации, предложена принципиальная схема горелоч-ного устройства для многомодульной компоновки малотоксичной камеры сгорания с неизменяемой геометрией, на основе которой НПФ «Теплофизика» провела модернизацию нескольких типов промышленных камер сгорания. Автор работы также принял непосредственное участие в планировании и проведении стендовых и опытно-промышленных испытаний горелочных устройств для модернизированных камер сгорания. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры ТАРД Ахметову Р. Ф., Байкову А. З., Кабирову А. З., Редькину A.A. за содействие при проведении модельных исследований и опытно-промышленных испытаний и аспиранту кафедры ТАРД Скибе Д. В. за помощь в разработке алгоритмов и создании программ для ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнены экспериментальное и теоретическое исследование влияния условий смешения и горения на процесс образования МОх в пламени предварительно подготовленных «бедных» смесей природного газа с воздухом при варьировании режимных и конструктивных параметров горелочных устройств в диапазонах, характерных для условий эксплуатации и стендовых испытаний камер сгорания наземных установок на базе авиационных ГТД (Р = 0,1 -=-1,6 МПа, Тв = 523−723 К, а = 1,5 — 2,0, 1 Г = 0 — 20-Ю" 3 с, 1С = 310″ 3 с — 6-Ю" 3 с, = 0,5−2.0). Установлены следующие закономерности:

— Концентрация Ж) х при горении молекулярно-однородной смеси существенно превышает значение концентрации, прогнозируемое моделью равновесия С-Н-О. Расхождение, возникающее вследствие неравновесности состава продуктов сгорания, может достигать 500%.

— Зависимость концентрации ГчЮх от давления является неоднозначной и не соответствует зависимости гш ~ Р°>5, прогнозируемой моделью равновесия С-Н-О. При, а > 1,7, > 5-Ю" 3 с в диапазоне Р = 0,1 -0,8 МПа концентрация ]ЧОх увеличивается с уменьшением давления, что объясняется повышением сверхравновесной концентрации О в результате замедления скоростей тримолекулярных реакций.

— В условиях слабого влияния неравновесности (Р > 0,8 МПа, Ьг > 10−10″ 3 с) зависимость концентрации 1чЮх от температуры воздуха удовлетворительно описывается в рамках расширенного механизма Зельдовича.

— При «обеднении» состава смеси (а > 1,7) увеличивается расхождение между опытными значениями г^ох и результатами расчетов по механизму Зельдовича. Очевидно, при уменьшении температуры продуктов сгорания возрастает роль механизма образования НОх с участием N20.

— При увеличении относительных потерь полного давления в устройстве для предварительной подготовки топливо-воздушной смеси в диапазоне? < 1,0 концентрация Ж) х резко уменьшается, с дальнейшим ростом потерь зависимость %ох от? существенно ослабляется, что обусловлено нелинейным характером зависимости турбулентной вязкости от потерь энергии на турбулизацию потока.

2. Разработана полуэмпирическая методика определения концентрации НОх в устройствах с предварительным смешением топлива, базирующаяся на методе частичного равновесия для описания горения, механизме Зельдовича для описания кинетики образования 1МОх, методе консервативной скалярной величины и гипотезах об однородности турбулентности и постоянстве коэффициента турбулентной диффузии. Погрешность расчета по данной методике не превышает 30% в указанном выше диапазоне варьирования режимных и конструктивных параметров горелочных устройств.

3. Предложена и апробирована в лабораторных и натурных условиях принципиальная схема горелочного устройства для многомодульной компоновки камеры сгорания с неизменяемой геометрией. Установлено, что применение данного горелочного устройства позволяет значительно (на 30−4-40%) расширить диапазон устойчивой и малотоксичной работы по сравнению с горелочным устройством с равномерным полем концентраций топлива. Определен диапазон оптимальных уровней относительных потерь полного давления в смесителе горелочного устройства £, ор1: = 0,5 -г 1,0.

4. Разработаны методики доводки поля скоростей и концентраций топлива на срезе горелочного устройства в изотермических условиях и методика огневых испытаний на моделирующем режиме. На базе этих методик осуществлено широкое промышленное внедрение концепции предварительной подготовки топливо-воздушной смеси в рабочий процесс камеры сгорания ГПА. Впервые в отечественной практике получен уровень выбросов МОх не более 50 мг/нм3. Установлено соответствие уровней выбросов Ж) х, прогнозируемых расчетным путем и достигнутых в натурных условиях.