ЭНЕРГЕТИКА ENERGY ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62-622, 62-623.1, 621.438 DOI 10.52167/1609-1817-2023-128-5-375-384 А.М. Достияров, Д.Р. Умышев, А.К. Яманбекова , Г.А. Колдасова, Ж.С. Дуйсенбек
Алматинский университет энергетики и связи имени Г.Даукеева, Алматы, Казахстан E-mail: [email protected]
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ В НОВОМ ГОРЕЛОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ С ДОБАВКОЙ ВОДОРОДА
Аннотация. На сегодняшний день защита окружающей среды является актуальной проблемой. В связи с этим, одним из приоритетных задач государства является снижение вредных выбросов в энергетике. Известны различные методы, такие как совершенство технологического процесса, использование возобновляемой энергии и т.д. Данная работа посвящена еще одному перспективному варианту по снижению вредных выбросов – это использование водорода в качестве безуглеродного топлива.
Авторами предложена конструкция нового горелочного устройства для сжигания газообразного топлива с возможностью добавления водорода в зоне перемешивания и проведен численное исследование. Горелочное устройство состоит из нескольких элементов, в частности входного лопаточного устройства, зоны сужения, сопел для подачи газообразного топлива и водорода, а также выходного лопаточного устройства.
Основной целью статьи является анализ аэродинамических характеристик, а также численное иследование влияния добавления водорода в новом, предложенным авторами горелочном устройстве. В статье представлены результаты моделирования в виде графиков зависимостей температур, концентраций оксидов азота и углексилого газа в уходящих газах, а также контуров температур от доли водорода в топливно-воздушной смеси. Проведенный анализ показывает, что добавление водорода имеет преимущества в виде низких концентрации углекислого газа, но также и обладает недостатком в виде увеличения температуры в зоне горения, что приводит к увеличению концентраций оксидов азота.
Ключевые слова: топливно-воздушная смесь, доля водорода в топливе, уходящие газы, газотурбинная установка, загрязняющие вещества, оксиды азота.
Введение
Одной из приоритетных задач «Концепции по переходу Республики Казахстан к
«зеленой экономике»», стоящими перед страной, является повышение качества окружающей среды. Ведь защита окружающей среды – это вопрос, который привлекает внимание всей мировой общественности на сегодняшний день [1, 2]. Окружающая среда – это основа экономики и источник средств существования любой страны, а также источник национальных богатств. И от развития ресурсной базы государства и устойчивого управления зависит безопасность данных средств существования [3].
На сегодняшний день установленная мощность газотурбинных установок (ГТУ) в нашей стране превышает 2 ГВт. Как отмечено в работе [4] одним из важных факторов успешного продвижения ГТУ на рынке – это повышение КПД ГТУ. Также газотурбинные установки имеют такие преимущества как: высокая степень автоматизации всех процессов; относительно малая удельная стоимость, связанная с отсутствием в схеме ГТУ
дорогостоящих элементов паротурбинного цикла (паровой котел, водоподготовительная установка и т.д.); незначительное влияние на окружающую среду; маневренность и многое другое [5]. И маневренность ГТУ в свою очередь приведет к росту их числа в Казахстане. Известно, что на качество воздуха в районе расположения Газотурбинных ТЭС (ГТЭС) наибольшее воздействие оказывает выбросы ГТУ и составляет по объему 98- 99 % всех валовых выбросов в атмосферу. При сжигании природного и попутного газа в камерах сгорания ГТУ выбросы оксидов азота являются основными загрязняющими веществами [6, 7]. Необходимо подчеркнуть, что, как и в Казахстане, так и за границей все больше внимание уделяется вопросам образования оксидов азота при работе ГТУ [7, 8, 9].
В целях борьбы с глобальным изменением климата ведущие страны мира в своих долгосрочных стратегиях устанавливают цели касательно сокращения выбросов парниковых газов [10, 11], большинство из которых сделаны 2015 г. в связи с Парижским соглашением.
Одним из главных проблем XXI века, затрагивающей все секторы общества и экономики, является потребность в сокращении выбросов парниковых газов наряду с обеспечением энергией растущего населения мира. На сегодняшний день для снижения вредных выбросов в энергетике широко используют электрическую энергию из возобновляемых источников. Наряду с происходящим процессом глобальной трансформации в мировой энергетике, который связан в первую очередь декарбонизацией, использование водорода в качестве безуглеродного топлива также считается перспективным вариантом. И на данный момент спрос на водород растет, также во всем мире внедряют водородные стратегии [12, 13, 14]. В семинаре по водородной энергетике, который состоялся в КМГ Инжиниринге, было отмечено, что с сентября 2021 года уже 9 стран обнародовали свои национальные стратегии касательно водорода и на сегодняшний день их число уже достигло 25 стран.
В работе [15] приведены результаты некоторых испытании компаний Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) в которой указано, что использование водороду привело к сокращению выбросов на 10 %, а также, по мнению компании, выбросы
«остались на удовлетворительном уровне» [15, 16]. Сжигание водородных газов является весьма сложным процессом, виду того, что по сравнению с другими видами топлива, такими как природный газ, физические свойства водорода сильно различаются [15]. По оценкам компании MHPS, без существенных изменений в конструкциях существующих ГТУ долю водорода в составе смеси с природным газом можно увеличить до 20 %.
Однако могут быть вызваны такие вредные последствия, как более высокие выбросы и сокращение срока службы компонентов тракта горячего газа [15].
Материалы и методы
Исходя из вышесказанного, в рамках исследовании финансируемого Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан (грант
№ AP14872041), нами разработана новая конструкция горелочного устройства для сжигания природного газа с добавкой водорода, которая прошла формальную экспертизу [17] и проведены численные исследования.
На рисунке 1 приведен общий вид исследуемой горелки и модели. Горелка состоит из корпуса, топливной трубки, а также входных и выходных завихрителей. В входном завихрителе закручивается воздушный поток при помощи 10 лопаток установленных под углом 30° по отношению к оси горелки. А подвод газобразного топлива осуществляется с помощью топливной трубки, которые установлены равными шагами радиально вокруг топливной трубки. После топливо-воздушная смесь поступает в выходной завихритель, который состоит из 12 плоских лопаток установленных под углом 40°. В данной статье исследовалось влияние доли водорода в природном газе на процесс сжигания и
образования загрязняющих веществ. Начальные параметры модели представлены в таблице 1.
Горелочное устройство работает следующим образом: воздух подается через входной регистр (завихритель). После этого воздух попадает в сужающуюся часть, где получает ускорение. По трубке для подачи топлива поступает метан и подается через отверстия в пространство с закрученным воздухом, где создается хорошо перемешанная топливно-воздушная смесь. После этого смесь подается ко второй группе лопаточных завихретелей, у корня которых расположено 12 отверстия для подачи водорода. После смешения водорода с топливно-воздушной смесью, горючая смесь поступает на лопаточные завихрители где перемешиваются и сгорают в зоне горения.
Рисунок 1 – Общий вид исследуемой горелки и модели
Для моделирования было использовано газообразное топливо в виде метана. Для исследования было принято, что теплоемкости и другие физические величины имеют линейную температурную зависимость. Коэффициент избытка воздуха был принят по метану и не изменялся.
Таблица 1 – Начальные данные моделирования
№ Параметр Единица измерения Значение
1 Температура воздуха °C 20
2 Температура топлива °C 20
3 Температура водорода °C 20
4 Расход топлива 1
5 Расход воздуха 9,3
6 Состав топлива % Метан – 100
7 Коэффициент избытка воздуха (по
метану) - 1,05
При моделировании использовались следующие уравнения:
Уравнение сохранения энергии:
(1)
где, – энергия содержащаяся в потоке;
– коэффициент теплопроводности тела;
– коэффициент описывающий диффузионный поток;
– теплота выделяемая при окислении.
Энергия определяется следующим образом:
(2) где, энтальпия определяется как:
(3) Окончательно уравнение для не адиабатического диффузионного горения выглядит следующим образом:
(4) Уравнение транспорта определяется следующими уравнениями: первое уравнение (5) определяет турбулентную кинетическую энергию . Второе (6) скорость диссипации кинетической энергии:
(5)
(6) На рисунке 2 представлена сеточная модель горелочного устройства. Как видно из рисунка, сетка состоит из треугольных ячеек в количестве 400000 единиц. Особое внимание при построении сетки было уделено входной части и зоне горения в виду необходимости большей точности, чем на выходе из зоны моделирования.
Рисунок 2 – Сеточная модель горелочного устройства
Результаты и обсуждение.
На рисунке 3 представлена характеристика течения воздуха в горелочном устройстве. Как видно из рисунка, воздуха в значительной степени закручивается на входном участке. На это влияет большое количество лопаток во входном регистре. Из потока воздуха видно, что воздух приобретает неравномерное течение в сужающейся части горелки. После сужающейся части заметно, что появляются рециркуляционные потоки в области перед лопатками выходного закручивающегося устройства. Это позволяет эффективно перемешивать поступающий водород с топливно-воздушной смесью. Как видно из рисунка, рециркуляционные течения во внутренней части горелки образуются непосредственно за сужающейся частью. Также можно увидеть из рисунка, что конструкция горелки сделана таким образом, что зоны таких течений позволяет оптимально перемешивать как топливо с воздухом, так и водород, поступающий через отверстия перед лопаточным завихрителем.
Рисунок 3 – Характеристика течения воздуха в горелочном устройстве
На рисунке 4 представлена векторная диаграмма течений. Как видно из рисунка, поступающее топливо выходит со значительной скоростью в сравнении с основным потоком воздуха. За счет этого, до и после струи топлива образуются рециркуляционные течения. Причем рециркуляционное течения после струи топлива имеет продолговатую форму, часть которой находится над отверстиями для подачи водорода. Такая форма рециркуляционного течения позволяет эффективно перемешивать любой вид газообразного и жидкого топлива. Дальнейшие исследования следует вести в области расстояний между отверстиями, их размерами и другими аэродинамическими параметрами для определения оптимального соотношения между ними.
Рисунок 4 – Векторы скоростей в области перемешивания топлива с водородом
На рисунке 5 представлена зависимость температуры уходящих газов от доли водорода в топливно-воздушной смеси. Как видно из рисунка, увеличение доли водорода приводит к увеличению температуры уходящих газов, в виду наличия более высокой теплоты сгорания. Причем зависимость характеризуется некоторой линейностью.
Увеличение доли водорода приводит к повышению общей температуры в зоне горения, что приводит к увеличению концентрации оксидов азота (рисунок 7).
Рисунок 5 – Зависимость температуры уходяшего газа от доли водорода
На рисунке 6 представлена зависимость концентраций и в зависимост от доли водорода в топливно-воздушной смеси. Оксиды азота имеют экспоненциальную зависимость от температуры и это приводит к увеличению концентрации оксидов азота при увеличение доли водорода. Повышение температуры в зоне горения приводит к снижению свободных радикалов кислорода, за счет быстрой реакции с молекулами азота.
С другой стороны, увеличение доли водорода приводит к снижению концентрации углекислого газа, в виду того, что при сгорании водорода образуется водяной пар, а при горении метана углекислый газ. Снижение доли метана приводит к снижению образования углекислого газа.
Рисунок 6 – Зависимость концентрации и от доли водорода в составе топливе
Заключение
В статье представлены результаты численного исследования нового горелочного устройства с возможностью добавления водорода финансируемого Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № AP14872041).
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1) Добавление водорода имеет значительное влияния на показатели горения в горелочном устройстве. Увеличение доли водорода в топливно-воздушной смеси привело к увеличению образования оксидов азота, за счет роста температуры в зоне горения. С другой стороны, добавление водорода привело к уменьшению доли углекислого газа, за счет снижения доли метана, продуктом горения которого является углекислый газ.
2) Анализ аэродинамических течений в новом горелочном устройстве показывает, что сужение находящееся после лопаточного аппарата на входе в горелку, а также система подачи газообразного топлива являются источниками зон рециркуляции в горелочном устройстве. С технической точки зрения наличие таких зон позволяет эффективно перемешивать как классическое топливо, так и водород, отверстия для подачи которого находятся в зоне действий рециркуляционных зон.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Houghton J. Global Warming the Complete Briefing. – Cambridge University Press, 2004. – 351 p.
[2] Islam S.M.N. Sanderson J. Climate Change and Economic Development. – Palgrave Macmillan, 2007. – 216 p.
[3] Jacobson M.Z. Atmospheric Pollution. – Cambridge University Press, 2002. – 216 p.
[4] Скиба М.В. Тенденции развития рынка газотурбинных установок // Вестник Самарского государственного университета. Серия «Экономика и управление», 2015. – № 9/2 (131), С. 156-164.
[5] Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Об оценке энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий // Инженерные системы, 2014. – №2, С. 26-29.
[6] Канило П.М., Христич В. А. Энергетические и экологические характеристики ГТД при использовании углеводородных топлив и водорода. – Киев: Наукова думка, 1987.
– 256 с.
[7] Христич В.А., Тумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды. – Киев: Техника, 1983. – 144 с.
[8] Сударев А.В., Маев В.А. Камеры сгорания ГТУ. Интенсификация горения. – Л.:
Недра, 1990. – 274 с.
[9] Ахметов Р.Б., Брюханов О.Н., Иссерлин А.С. и др. Рациональное использование газа в энергетических установках: Справочное руководство. – Л.: Недра, 1990. – 423 с.
[10] Юлкин М.А. Глобальная декарбонизация и ее влияние на экономику России. //
Семинар Института глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля, 6 февраля 2019 г.
[11] Мандрыкина И. Парижское соглашение и ТЭК: почему нефтяники заинтересованы в его реализации? // Энергетическая политика, 2019. – №3 (141), С. 62-71.
[12] Глобальная энергетика и устойчивое развитие (Белая книга) / Под ред.
Бушуева В.В., Мастепанова А.М. - М.: Изд. МЦУЭР, 2009. – 374 с.
[13] Simon O., Mikael O., Filip J. Exploring the competitiveness of hydrogen-fueled gas turbines in future energy systems. // International Journal of Hydrogen Energy, 2022. – Vol. 47, pp. 624-644.
[14] Liu X., Michael B., Arman A.S., Senbin Y., Robert Z.S., Zhongshan L., Per P., Xue S.B., Marcus A., Daniel L. Investigation of turbulent premixed methane/air and hydrogen
enriched methane/air flames in a laboratory – scale gas turbine model combustor // Int. J.
Hydrogen Energy, 2021. – Vol. 46 (24), pp. 13377-13388.
[15] Алфаяад А.Г.Х. Возможность применения водорода как топлива для будущей работы газовой турбины. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2022. – № 4, С. 18-24.
[16] Гриб Н. Водородная энергетика: мифы и реальность // Нефтегазовая вертикаль, 2019. – № 19, С.61-69.
[17] Достияров А.М., Умышев Д.Р., Кибарин А.А., Яманбекова А.К., Кумаргазина М.Б. Горелочное устройство для сжигания природного газа с добавкой водорода. Патент РК, 2023/0222.1. – 30.03.2023 г.
REFERENCES*
[1] Houghton J. Global Warming the Complete Briefing. – Cambridge University Press, 2004. – 351 p.
[2] Islam S.M.N. Sanderson J. Climate Change and Economic Development. – Palgrave Macmillan, 2007. – 216 p.
[3] Jacobson M.Z. Atmospheric Pollution. – Cambridge University Press, 2002. – 216 p.
[4] Skiba M.V. Trends in the development of the market for gas turbine installations //
Bulletin of the Samara State University. Series «Economics and Management», 2015. – No. 9/2 (131), pp. 156-164.
[5] Gagarin V.G., Pastushkov P.P. On the assessment of the energy efficiency of energy saving measures // Engineering Systems, 2014. – No. 2, pp. 26-29.
[6] Kanilo P.M., Khristich V.A. Energy and environmental characteristics of gas turbine engines using hydrocarbon fuels and hydrogen. – Kyiv: Naukova Dumka, 1987. – 256 p.
[7] Khristich V.A., Tumanovsky A.G. Gas turbine engines and environmental protection.
– Kyiv: Technique, 1983. – 144 p.
[8] Sudarev A.V., Maev V.A. GTU combustion chambers. Combustion intensification. – L.: Nedra, 1990. – 274 p.
[9] Akhmetov R.B., Bryukhanov O.N., Isserlin A.S. Rational use of gas in power plants:
Reference guide. – L.: Nedra, 1990. – 423 p.
[10] Yulkin M.A. Global decarbonization and its impact on the Russian economy. / Seminar of the Institute of Global Climate and Ecology named after Academician Yu.A. Israel, February 6, 2019.
[11] Mandrykina I. The Paris Agreement and the Fuel and Energy Complex: why are oil companies interested in its implementation? / Energy Policy, 2019. – No. 3 (141), P. 62-71.
[12] Global Energy and Sustainable Development (White Book) / Ed. Bushueva V.V., Mastepanova A.M. – M.: Ed. MTSUER, 2009. – 374 p.
[13] Simon O., Mikael O., Filip J. Exploring the competitiveness of hydrogen-fueled gas turbines in future energy systems. // International Journal of Hydrogen Energy, 2022. – Vol. 47, pp. 624-644.
[14] Liu X., Michael B., Arman A.S., Senbin Y., Robert Z.S., Zhongshan L., Per P., Xue S.B., Marcus A., Daniel L. Investigation of turbulent premixed methane/air and hydrogen enriched methane/air flames in a laboratory – scale gas turbine model combustor // Int. J.
Hydrogen Energy, 2021. – Vol. 46 (24). P. 13377-13388.
[15] Alfayaad A.G.Kh. The possibility of using hydrogen as a fuel for the future operation of a gas turbine. // International Journal of Applied and Fundamental Research, 2022, No. 4, pp. 18-24.
[16] Grib N. Hydrogen energy: myths and reality // Oil and gas vertical, 2019. – No. 19, pp. 61-69.
[17] Dostiyarov A.M., Umyshev D.R., Kibarin A.A., Yamanbekova A.K., Kumargazina M.B. Burner device for combustion of natural gas with the addition of hydrogen.
Patent RK, 2023/0222.1. – 03.30.2023.
Абай Достияров, т.ғ.д., профессор, Ғ. Даукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті, Алматы, Казахстан, [email protected]
Диас Умышев, PhD, қауымдастырылған профессор, Ғ. Даукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті, Алматы, Казахстан, [email protected]
Аяулым Яманбекова, PhD, доцент, Ғ. Даукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті, Алматы, Казахстан, [email protected]
Гульзира Колдасова, докторант, Алматы энергетика және байланыс университеті, Алматы, Казахстан, [email protected]
Жансая Дуйсенбек, PhD, доцент, Ғ. Даукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті, Алматы, Казахстан, [email protected]
СУТЕГІ ҚОСЫНДЫСЫ БАР ЖАҢА ОТТЫҚ ҚҰРЫЛҒЫДАҒЫ ЖАНУ ПРОЦЕСТЕРІН САНДЫҚ МОДЕЛЬДЕУ
Аңдатпа. Бүгінгі таңда қоршаған ортаны қорғау өзекті мәселе болып табылады.
Осыған байланысты, мемлекеттің негізгі міндеттерінің бірі болып энергетикадағы зиянды шығарындыларды азайту табылады. Технологиялық процесстерді жетілдіру, жаңғыртылатын энергияны қолдану және т.б. сияқты түрлі әдістер белгілі. Бұл жұмыс зиянды шығарындыларды азайтудың тағы бір перспективті нұсқасы – сутекті көміртексіз отын ретінде пайдалануға арналған.
Авторлардан араластыру аймағында сутегін қосу мүмкіндігі бар газ тәрізді отынды жағуға арналған жаңа оттық құрылғысының конструкциясы ұсынылған және сандық зерттеу жүргізілді. Оттық қондырғы бірнеше элементтерден тұрады, атап айтқанда кіру қалақша құрылғысынан, тарылту аймағынан, газ тәріздес отын мен сутегін жеткізуге арналған саптамалардан, сонымен қатар шығару қалақша құрылғысынан. Мақаланың негізгі мақсаты – аэродинамикалық сипаттамаларды, сондай-ақ жаңа, авторлар ұсынған оттықтағы сутектің қосылуының әсерін сандық зерттеу. Мақалада модельдеу нәтижелері температуралардың, шығар газдардағы көмірқышқыл газы мен азот оксидтері концнтрацияларының, сонымен қатар температура контурларының отын-ауа қоспасының құрамындағы сутегі үлесінен тәуелділігі графиктер түрінде келтірілген. Жүргізілген талдаулар нәтижесінде, сутегін қосу барысындағы артықшылық ол – көмірқышқыл газының концентрациясының төмендеуі, бірақ, сондай-ақ кемшілігі – жану аймағындағы температураның жоғарлауы салдарынан азот оксидтері концентрациясының жоғарлауы.
Түйінді сөздер. Отын-ауа қоспасы, отындағы сутегі үлесі, шығар газдар, газтурбиналық қондырғы, ластаушы заттар, азот оксидтері.
Abay Dostiyarov, doctor of technical sciences, professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G.Daukeev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Dias Umyshev, PhD, аssociate professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Ayaulym Yamanbekova, PhD, docent, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Gulzira Koldassova, doctoral student, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G.Daukeev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Zhansaya Duissenbek, PhD, docent, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G.Daukeev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
NUMERICAL MODELING OFCOMBUSTION PROCESSES IN THE NEW BURNER UNIT WITH HYDROGEN ADDED
Abstract. To date, environmental protection is a pressing issue. In this regard, one of the priority tasks of the state is to reduce harmful emissions in the energy sector. Various methods are known, such as improvement of technical processes, use of renewable energy, etc. This paper is dedicated to another promising option for reducing harmful emissions, namely the use of hydrogen as a carbon-neutral fuel.
The authors have proposed the design of a new burner unit for the combustion of gaseous fuels with the possibility of adding hydrogen in the mixing zone and carried out a numerical study. The burner unit consists of several elements, in particular, an inlet vane, a taper, gaseous fuel and hydrogen feeding nozzles, and an outlet vane. The purpose of the article is to analyze the aerodynamic performance as well as the numerical study of adding hydrogen in the new burner unit proposed by the authors. The article presents the results of modeling in the form of diagrams of dependences of temperatures, concentrations of nitrogen oxides and carbon dioxide, and temperature loops on the hydrogen content in the fuel-air mixture. The analysis shows that the addition of hydrogen has advantages in terms of low carbon dioxide concentrations, but also the disadvantage of increasing the temperature in the combustion zone, which leads to an increase in the concentration of nitrogen oxides.
Keywords: fuel-air mixture, for hydrogen in fuel, fuel gases, gas turbine unit, pollutants, nitrogen oxides.
*****************************************************************************