CC BY
15
УДК 621.43.05
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-5-6-50-53
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА МЕТАНОВОДОРОДНОЙ СМЕСИ В МАГИСТРАЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА
INVESTIGATION OF THE OPERATION OF GAS TURBINE ENGINES ON A METHANEHYDROGEN MIXTURE IN THE MAIN TRANSPORT OF NATURAL GAS
Китаев С.В., Фарухшина Р.Р., Муратова В.И., Дарсалия Н.М.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8605-0273, E-mail: svkitaev@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1825-5496, E-mail: faruhshinarr@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9243-9878, E-mail: v.muratova05@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2772-2487, E-mail: darsaliya90@mail.ru
Резюме: В работе проведена оценка использования метановодородной смеси (МВС) в качестве топливного газа для газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов. Приведены результаты моделирования процесса горения МВС с долей водорода 20% в камере сгорания газотурбинного двигателя АЛ-31СТ в программном комплексе ANSYS. Применение МВС позволит улучшить экологические показатели работы газотурбинных двигателей на магистральных газопроводах.
Ключевые слова: газотурбинная установка, камера сгорания, топливный газ, показатели эффективности, водородная энергетика, метановодородная смесь.
Для цитирования: Китаев С.В., Фарухшина Р.Р., Муратова В.И., Дарсалия Н.М. Исследование работы газотурбинных двигателей на метановодородной смеси в магистральном транспорте природного газа // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 5-6. С. 50-53.
D0I:10.24412/0131-4270-2022-5-6-50-53
KitaevSergey V., Farukhshina Regina R., Muratova Vera I., Darsaliya Nana M.
Ufa State Petroleum Tehnological University, 450062, Ufa, Russia ORCID:https://orcid.org/0000-0002-8605-0273, E-mail: svkitaev@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1825-5496, E-mail: faruhshinarr@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9243-9878, E-mail: v.muratova05@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2772-2487, E-mail: darsaliya90@mail.ru
Abstract: The paper evaluates the use of a methane-hydrogen mixture (MHM) as a fuel gas for gas turbine engines of gas pumping units. The results of the simulation of the combustion process of the MHM with a hydrogen fraction of 20% in the combustion chamber of the AL-31ST gas turbine engine in the ANSYS software package are presented. The use of MHM will improve the environmental performance of gas turbine engines on main gas pipelines.
Keywords: gas turbine unit, combustion chamber, fuel gas, efficiency indicators, hydrogen energy, methane-hydrogen mixture.
For citation: Kitaev S.V.,Farukhshina R.R., Muratova V.I., Darsaliya N.M. INVESTIGATION OF THE OPERATION OF GAS TURBINE ENGINES ON A METHANEHYDROGEN MIXTURE IN THE MAIN TRANSPORT OF NATURAL GAS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2022. no 5-6. pp. 50-53.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-5-6-50-53
В процессе производственной деятельности газовая промышленность осуществляет загрязнение атмосферного воздуха. В окружающую среду попадают парниковые газы и загрязняющие вещества - углеводороды (в основном метан СН4), оксиды углерода и азота, диоксид серы и др.
По данным экологического отчета ПАО «Газпром», наибольшее количество выбросов парниковых газов (в СО2-экв.) в атмосферу осуществляется при транспортировке природного газа по магистральным газопроводам. При этом основная часть выбросов, около 74%, приходится на стационарное сжигание топлива [1].
В связи с вышесказанным одним из инструментов для ограничения потенциально негативных воздействий, связанных с изменением климата, является повышение энергоэффективности и снижение объема потребления энергоресурсов на собственные технологические нужды ПАО «Газпром» [2, 3].
Благодаря высокой массовой теплоте и полноте сгорания водородное топливо позволяет повысить эффективность двигателей, уменьшить удельный расход топлива, уменьшить массу и габариты двигателя.
Попытки использовать водород в качестве топлива для двигателей были осуществлены еще в СССР. В 1988 году взлетел первый в мире самолет на жидководородном топливе Ту-155 с двигателем НК-88. Применение водородного топлива требует внесения существенных изменений в конструкцию двигателей, однако есть возможность улучшить свойства топлив без изменения конструкций за счет добавления водорода с концентрацией до 20%.
Целью работы являлось исследование применения метановодородной смеси (МВС) в качестве топлива для газотурбинных установок авиационного типа в магистральном транспорте природного газа.
Для проведения оценки эффективности применения МВС в качестве топливного газа были проведены исследования на примере компрессорной станции КС-4 с тремя работающими агрегатами ГПА16-Р «Уфа» с газотурбинным приводом типа АЛ-31СТ. Двигатель АЛ-31СТ является современным перспективным конвертированным двигателем [4].
Расчеты тепловых процессов производились в соответствии с методическими основами [5, 6]. В результате исследований получено, что при добавлении водорода в
■ Рис. 1. Зависимость расхода топливного газа за расчетный ■ Рис. 2. Зависимость затрат на топливный газ от концентрации период от концентрации Н2 в МВС Н2в МВС
|Рис. 3. Зависимость мощности выбросов СО от концентрации ■ Рис. 4. Зависимость мощности выбросов NОx от концентрации
и г, П/1ПГ И и Г, л лог
Н2 в МВС 6 Н2 в МВС
М СО, г/с
5 10 15
Концентрация Н2 в МВС, %
20
25
МЫОх, г/с
6,4 6,3 6,2 65,1 6
10 15 20
Концентрация Н2 в МВС, %
25
0
5
0
|Рис. 5. Зависимость мощности выбросов СО2 от концентрации
и „ Л/ШГ
Н2 в МВС
М СО2, г/с
2850
2800'
2750 2700
2650 2600
2550 2500
2450
Рис. 6. Трехмерная модель горелочного устройства камеры сгорания газотурбинного двигателя АЛ-31СТ (вид со стороны входа воздуха)
5 10 15
Концентрация Н2 в МВС, %
20
25
0
природный газ расход топливного газа уменьшается. При использовании МВС с содержанием 20% водорода расход топливного газа составит 56,0 млн м3/год. При работе на природном газе без добавления водорода расход топливного газа составит 84,6 млн м3/год, что на 33,8% больше.
На рис. 1 приведена зависимость расхода топливного газа от концентрации водорода в МВС до 20% с шагом в 5%.
При использовании МВС в качестве топливного газа увеличится коэффициент полезного действия агрегата на
5-6 • 2022
величину до 4,3%, за счет чего снизится расход топливного газа.
Расчет экономического эффекта при использовании в качестве топлива метановодородной смеси с 20% концентрацией водорода показал, что затраты на топливный газ при использовании МВС на 77,7 млн руб. (на 18%) ниже, чем при использовании природного газа. На рис. 2 приведена зависимость затрат на топливный газ при использовании МВС с различным содержанием водорода в топливе.
51
Зависимости выбросов продуктов сгорания при применении метаново-дородной смеси в качестве топливного газа с содержанием водорода до 20% приведены на рис. 3-5.
Таким образом, как следует из рис. 6-7, при увеличении концентрации водорода в МВС мощность выбросов вредных веществ в атмосферу уменьшается.
Моделирование процесса горения метана и МВС с 20% содержанием водорода проведено в программном комплексе АЫЗУЭ, позволяю- а щем моделировать процессы горения газов в камерах сгорания [7].
На рис. 6 показана трехмерная геометрическая модель секции камеры сгорания газотурбинного двигателя АЛ31-СТ.
Для проведения моделирования была взята упрощенная модель секции камеры сгорания с входными отверстиями, через которые поступает воздух и топливный газ.
В результате моделирования были получены иллюстрации полей концентрации кислорода, метана, углекислого газа, воды и азота.
На рис. 7 приведено поле концентрации диоксида углерода при горении природного газа (а) и МВС с 20% содержанием водорода (б).
Из данного следует, что концентрация СО2 при добавлении 20% водорода к природному газу понизилась на 30% по сравнению с результатами, полученными при сжигании природного газа.
I Рис. 7. Поле концентрации диоксида углерода при горении: а - СН4; б - СН4 + Н2
9.99 е-02
9.490-02 8.99 е-02 8.50 е-02 8.D0e-02 7.50 е-02 7.00 е-02 6.50е 02 6.000 02 5.50 е-02 5.00е-02 4.500-02 4.00 е-02 3.50 е-02 3.D0 е-02 2.50 е-02 2.00 е-02 1.50 е-02 9.99 0-03 5.00е-03 0.00е+00
Выводы
1. На основе проведенных исследований установлено, что применение метановодородной смеси в качестве топливного газа с процентным содержанием водорода до 20% на компрессорных станциях с газотурбинным приводом является эффективным методом борьбы с выбросами вредных веществ в атмосферу за счет улучшения показателей работы газотурбинных установок.
2. При использовании МВС в качестве топливного газа увеличивается коэффициент полезного действия ГТУ и повышается экономичность трубопроводного транспорта природного газа.
3. При концентрациях водорода выше 20-30% в метано-водородной смеси требуется проведение модернизации камеры сгорания газотурбинных двигателей.
б
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экологический отчет ПАО «Газпром» за 2021 год. URL: https://www.gazprom.ru/f/posts/57/982072/gazprom-environmental-report-2021-ru.pdf. (дата обращения: 13.10.2022).
2. Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Хлопцов В.Г. и др. Концепция крупномасштабного развития инновационных систем производства и распределения метановодородного топлива как эффективного альтернативного энергоносителя. URL: https://ccortes.ru/st_docs/klumpur2012.pdf. (дата обращения: 13.10.2022).
3. Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Романов К.В. и др. Потенциал метановодородного топлива в условиях перехода к низкоуглеродной экономике // Газовая промышленность. 2017. № 1 (750). С. 82-85.
4. Программа развития АЛ-31 СТ // Газовая промышленность. 2021. № 7 (182). С. 46.
5. Китаев С.В. Повышение энергетической эффективности работы газопере-качивающих агрегатов: дис. канд. техн. наук: 25.00.19. Уфа, 2003. 162 с.
6. Стационарные газотурбинные установки / под ред. Л.В. Арсеньева и В. Г. Тырышкина. СПб.: Машиностроение, 1989. 543 с.
7. Изучение процессов гомогенного горения предварительно не смешанных компонентов в ANSYS Fluent. URL: http://repo.ssau.ru/handle/Metodicheskie-ukazaniya/Izuchenie-processov-gomogennogo-goreniya-predvaritelno-nesmeshannyh-komponentov-v-ANSYS-Fluent-Elektronnyi-resurs-elektron-metod-ukazaniya-k-lab-rabotam-53581 (дата обращения: 13.10.2022).
REFERENCES
1. Ekologichekiy otchet PAO «Gazprom» za 2021 god (Environmental report of Gazprom PJSC for 2021) Available at: https://www.gazprom.ru/f/posts/57/982072/gazprom-environmental-report-2021-ru.pdf (accessed 13 October 2022).
2. Aksyutin O.YE., Ishkov A.G., Khloptsov V.G. Kontseptsiya krupnomas-shtabnogo razvitiya innovatsionnykh sistem proizvodstva i raspredeleniya metano-vodorodnogo topliva kak effektivnogo al'ternativnogo energonositelya (The concept of large-scale development of innovative systems for the production and distribution of methane-hydrogen fuel as an effective alternative energy source) Available at: https://ccortes.ru/st_docs/klumpur2012.pdf (accessed 13 October 2022).
3. Aksyutin O.YE., Ishkov A.G., Romanov K.V. Potential of methane-hydrogen fuel in the transition to a low-carbon economy. Gazovaya promyshlennost, 2017, no. 1 (750), pp. 82-85 (In Russian).
4. Program for the development of AL-31 ST. Gazovaya promyshlennost', 2021, no. 7 (182), p. 46 (In Russian).
5. Kitayev S.V. Povysheniye energeticheskoy effektivnosti raboty gazoperekachivayushchikh agregatov. Diss. kand. tekhn. nauk [Improving the energy efficiency of gas compressor units. Cand. tech. sci. diss.]. Ufa, 2003. 162 p.
6. Statsionarnyye gazoturbinnyye ustanovki [Stationary gas turbine units]. St. Petersburg, Mashinostroyeniye Publ., 1989. 543 p.
7. Izucheniye protsessovgomogennogo goreniya predvaritel'no nesmeshannykh komponentov vANSYS Fluent (Study of the processes of homogeneous combustion of pre-mixed components in ANSYS Fluent) Available at: http://repo. ssau.ru/handle/Metodicheskie-ukazaniya/Izuchenie-processov-gomogennogo-goreniya-predvaritelno-nesmeshannyh-komponentov-v-ANSYS-Fluent-Elektronnyi-resurs-elektron-metod-ukazaniya-k-lab-rabotam-53581 (accessed 13 October
2022).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Китаев Сергей Владимирович, д.т.н., проф. кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
Фарухшина Регина Радиковна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Муратова Вера Ивановна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Дарсалия Нана Малхазиевна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Kitaev Sergey V., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Transport and Stor-age of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Farukhshina Regina R., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas. Ufa State Petroleum Technological University.
Muratova Vera I., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Darsaliya Nana M., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas. Ufa State Petroleum Technological University.
