ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ МЕТАНОВОДОРОДНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА И КОНСТРУКЦИЙ КАМЕР СГОРАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА МЕТАНОВОДОРОДНОЙ СМЕСИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.45.022.5

DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.08

М.А. Снитко, А.М. Сипатов, Т.В. Абрамчук, Ю.А. Митрофанова

ОДК-Авиадвигатель, Пермь, Российская Федерация

ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ МЕТАНОВОДОРОДНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА И КОНСТРУКЦИЙ КАМЕР СГОРАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА МЕТАНОВОДОРОДНОЙ СМЕСИ

Представлен обзор технологий малоэмиссионного сжигания водородосодержащего топлива для газотурбинных установок, а также конструкций камер сгорания ведущих мировых производителей газотурбинных установок, работающих на водородосодержащем топливе и водороде.

Большинство разработчиков имеют длительный опыт проектирования газотурбинных установок, работающих на топливах, содержащих водород, обусловленный в основном потребностями заказчиков в работе на синтез-газах, попутных нефтяных газах и т.п.

У всех ключевых производителей газотурбинных установок с малоэмиссионными камерами сгорания разработаны дорожные карты по переходу двигателей на работу на чистом водороде с целевыми сроками во второй половине 2020-х - начале 2030-х гг. При этом у большинства разработчиков уже имеется существенный научно-технический задел по сжиганию топлив с высоким содержанием водорода (от 10 до 20 лет), в рамках которого проработаны концепции малоэмиссионного сжигания метановодородных смесей, проверена работоспособность данных концепций, выполнен цикл работ по подтверждению характеристик малоэмиссионных камер сгорания в составе автономных стендов.

Ключевые слова: водород, газотурбинный двигатель, водородосодержащее топливо, камера сгорания, горелоч-ное устройство, жаровая труба, пламя, стабилизация пламени, эмиссия, углеродный след, метановодородная смесь, сжигание, малоэмиссионная камера сгорания.

M.A. Snitko, A.M. Sipatov, T.V. Abramchuk, Yu.A. Mitrofanova

UEC-Aviadvigatel, Perm, Russian Federation

TECHNOLOGIES OF COMBUSTION OF METHANE-HYDROGEN FUELS AND CS STRUCTURES FOR INDUSTRIAL GAS TURBINE ENGINES OPERATING ON A METHANE-HYDROGEN MIXTURE

The article presents an overview of technologies for low-emission combustion of hydrogen-containing fuel for gas turbine engines for industrial purposes, as well as combustion chamber designs of the world's leading manufacturers of gas turbine engines operating on hydrogen-containing fuel and hydrogen.

Most developers have long-term experience in designing gas turbine engines operating on fuels containing hydrogen, mainly due to the needs of customers to work on synthesis gases, associated petroleum gases, etc.

All key manufacturers of gas turbine engines with low-emission combustion chambers have developed roadmaps for the transition of engines to work on pure hydrogen with target dates in the second half of the 2020s - early 2030s. At the same time, most developers already have a significant experience (from 10 to 20 years) in development burners with a high hydrogen content, within which the concepts of low-emission combustion of methane-hydrogen mixtures have been worked out. The operability of these concepts has been tested, a cycle of work has been carried out to confirm the characteristics of low-emission combustion chamber as part of autonomous stands.

Keywords: hydrogen, gas turbine engine, hydrogen-containing fuel, combustion chamber, burner device, flametube, flame, flame stabilization, emission, carbon footprint, methane-hydrogen mixture, combustion, low-emission combustion chamber.

В последнее десятилетие практически во всех промышленно развитых странах мира (Германии, Франции, Великобритании, США, Южной Кореи, Японии, Китая) интенсифицировались исследования по снижению выбросов парниковых газов, в первую очередь за счет снижения так называемого углеродного следа (выбросов СО2). Так, Еврокомиссия заявляет своей целью достигнуть углеродной нейтральности (баланса между выбросами и поглощением СО2)

к 2050 г., в том числе за счет декарбонизации электрогенерации [1]. В России также принята Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г., утверждённая распоряжением Правительства Российской Федерации от 29 октября 2021 г. № 3052- р.

Одним из основных направлений работ по снижению углеродного следа в энергетическом и транспортном секторах является разработка технологий получения и малоэмиссионного (низкие уровни NOx) сжигания топлива с повышенным содержанием водорода или чистого водорода.

Разработка «сухих» малоэмиссионных камер сгорания (МЭКС), работающих на метано-водородных смесях сопряжена с решением следующих сложных проблем:

- минимизация риска проскока и бедного срыва пламени. В связи высокой реагирующей способностью водорода, проскок пламени обозначен как наиболее сложная техническая задача, требующая решения в рамках создания малоэмиссионных горелочных устройств, способных сжигать топлива с широким диапазоном содержания водорода в горелке [2, 3]. Так, для нивелирования риска проскока при горении чистого водорода в традиционных «сухих» МЭКС наиболее прямым решением выглядит увеличение скорости потока в горелке (до 10 раз), что может привести к сложностям при стабилизации пламени при сжигании природного газа [4];

- минимизация риска самовоспламенения метановодородной смеси. Время задержки воспламенения у водорода существенно меньше, чем у метана. При высоких температурах и давлениях время задержки воспламенения уменьшается, что потребует проведения исследований, направленных на подтверждение отсутствия риска самовоспламенения топливовоздушной смеси при создании МЭКС [2];

- контроль и минимизация утечек водорода. В связи с тем, что водород обладает большой способностью просачиваться через малейшие трещины, поры и сочленения деталей, это создает повышенные риски утечек и взрыва, поэтому возникает необходимость дополнительного контроля утечки водорода на объекте эксплуатации [5];

- исключение водородного охрупчивания, вызванного воздействием водорода на многие материалы, используемые в конструкции газотурбинных двигателей (ГТД) [1].

Среди основных производителей промышленных ГТД, реализующих технологию малоэмиссионного сжигания сжигания водородосодержащих топлив, можно отметить: Siemens, MHPS (Mitsubishi - Hitachi Power Systems), General Electric, Ansaldo Energía, Kawasaki, Solar Turbines. Большинство из них имеют длительный опыт проектирования ГТД, работающих на топливах, содержащих водород в различных пропорциях с остальными компонентами топлива, обусловленный в первую очередь потребностями заказчиков в работе на синтез-газах, попутных нефтяных газах и т.п.

Производители ГТД при создании МЭКС, работающих на метановодородных смесях, идут по трем основным направлениям, направленным на расширение возможности применения водорода в качестве компонента топлива:

- обеспечение возможности малоэмиссионного горения максимальных объемов водорода в топливных смесях в уже разработанных конструкциях «сухих» МЭКС за счет доработок топливных горелок, направленных на улучшение аэродинамики внутри горелок с целью исключения риска проскока пламени, а также замены материалов горелок на более жаростойкие. В зависимости от конструкции камеры сгорания (КС) достигнута возможность сжигания от 5 до 60 % объёмной доли Н2 (компании Solar Turbines, Siemens, General Electric);

- реализация стадийного сжигания топлива в МЭКС для дальнейшего увеличения допустимой концентрации водорода в топливной смеси;

- разработка принципиально новых конструкций горелочных устройств, позволяющих обеспечивать малоэмиссионную работу на топливных смесях с высокими скоростями турбулентного горения (чистый водород) и на природном газе.

Допустимое количество водорода в топливе определяется конструкцией КС и параметрами работы двигателя, влияние содержания водорода в топливе на потребность доработки горе-лочной системы двигателя показано на рис. 1.

Влияние содержания Нг (об.) на «сухие» МЭКС

10 -30 vol%'

10-30 vol%"

50- 70 vol%'

50 - 70 vol%"

Конструкция горелки не меняется

Возможно, потребуется модификация конструкции горелки

Требуется разработка новой конструкции горелки

Допустимое содержание водорода варьируется от типа ГТД и требований по эмиссии ВВ

Рис. 1. Влияние содержания водорода в топливе на потребность доработки горелочной системы двигателя [6]

Далее представлен обзор достижений основных зарубежных разработчиков промышленных ГТД с малоэмиссионными камерами сгорания, работающими на водородосодержа-щем топливе.

Газотурбинные двигатели компании Siemens

На данный момент в мире эксплуатируется более 55 газотурбинных установок (ГТУ) компании Siemens, работающих на топливе с высоким содержанием водорода в топливе [6], среди которых как двигатели с диффузионными КС без подавления эмиссии, так и КС с впрыском воды/пара, а также «сухие» МЭКС. Компания обеспечивает возможность работы на богатых водородом топливах в линейке своих ГТД от 4 до 567 МВт. В двигателях SGT-600, -700, -800 (мощность от 24 до 57 МВт) с сухими МЭКС реализована возможность сжигать метан с 60 % об. д. водорода и обеспечением эмиссии NOx не более 25 ppm.

Для сжигания от 10 до 30 % предполагается выполнить усовершенствование действующих конструкций камер сгорания, которые включают в себя замену материалов горелок на более жаростойкие, а также внедрение систем контроля утечек. Для более широкого диапазона содержания водорода до 50-70 % об. д. потребуется модификация конструкций горелок и увеличение диаметров трубопроводов, для «сухих» МЭКС, работающих на 100 %, понадобится создание новых конструкций КС.

На данный момент для большинства ГТД компании Siemens доработки для обеспечения возможности работы на водородосодержащем топливе выполняются индивидуально под конкретный проект, готовые решения разработаны только для ГТД 2000E и 4000F (конфигурация H2DeCarb), применение которых позволяет двигателям работать на топливе с содержанием до 30 и 15 % об. д. водорода соответственно [6].

Промышленные газотурбинные двигатели Siemens средней мощности

В двигателях SGT-600/700/800 (мощность 24,5-53,0 МВт c КПД 33,6-39,0 %, эмиссия NOx менее 15 ppm при работе на природном газе) используется кольцевая МЭКС третьего поколения (рис. 2) с горелками AEV (Advanced Environmental), которые имеют конический и цилиндрический участки для обеспечения высокого качества перемешивания топлива с воздухом и имеет пилотный и основной контуры подачи топлива (два коллектора для подвода гомогенного топлива в смеситель).

На протяжении 2010-2020 гг. в компании выполнялись работы по улучшению характеристик камеры сгорания для обеспечения возможности сжигания разнообразных топливных смесей, в том числе водородосодержащего топлива [8]. Основной акцент при исследованиях сде-

лан на минимизации риска проскока пламени и обеспечении теплового состояния горелки. В открытых публикациях детали выполняемых доработок не раскрываются.

АЕУ горелки

Рис. 2. Камера сгорания третьего поколения [7]: 1 - пилотное топливо (газ); 2 - центральный подвод гомогенного топлива (газ); 3 - основной подвод гомогенного топлива (газ); 4 - пилотное топливо (жидкое); 5 - основной подвод жидкого топлива

На рис. 3 показаны фотографии пламени, возникающего на выходе из горелки АЕУ при сжигании смеси «природный газ - водород» на режимах работы SGT-700 (желтый цвет пламени получился из-за формирования оксидов азота) [9]. По мере увеличения подачи водорода становятся более заметными 12 факелов пламени от пилотной горелки. При испытаниях исследовалось тепловое состояние горелки для анализа рисков проскока пламени. По результатам испытаний получено, что при подаче водорода до 32 % об. д. риски проскока пламени отсутствуют (тепловое состояние горелок такое же, как и при сжигании природного газа), а камера сгорания может работать в безопасном режиме без внесения каких-либо существенных изменений в конструкцию (рис. 4, а). На рис. 4, б показаны результаты измерения эмиссии оксидов азота для двух конфигураций горелок в зависимости от концентрации водорода в смеси с природным газом, выполнена нормировка значений к эмиссионным характеристикам горелок при испытании на чистом природном газе.

б

Рис. 3. Визуализация пламени горелки АЕУ (МЭКС третьего поколения) при различном содержании водорода в топливной смеси [9]

а

в

Особый акцент при усовершенствовании горелки третьего поколения для работы на во-дородосодержащем топливе был сделан на аддитивные технологии [10], применение которых совместно с численным моделированием (рис. 5, а) позволило разработать горелочный модуль с оптимизированной аэродинамикой и улучшенной системой охлаждения (рис. 5, б, в).

Испытания в составе отсеков и двигателей в период с 2017-2020 гг. подтвердили надежную работу SGT-600 на топливе с 60 % об. д. Н2, SGT-700 до 55 %, SGT-800 до 50 % с обеспечением эмиссии оксидов азота до 25 ррт. При этом составе двигателя SGT-600 были выполнены испытания с содержанием водорода до 80 %. Также в Центре чистой энергии Сименс

(г. Берлин) были выполнены испытания горелки для данных двигателей на чистом водороде в условиях, близких к натурным. В 2022 г. в Бразилию поставлен ГТД SGT-600, который работает на технологическом газе с содержанием водорода до 60 % об. д [12].

Рис. 4. Результаты испытаний горелки AEV с метановодородной смесью: а - температура на поверхности горелки; б - эмиссионные характеристики горелок в зависимости от содержания водорода [9]

Рис. 5. Исходная горелка AEV (третье поколение): а - для работы на углеводородных топливах; б, в - модификация, оптимизированная для работы на водородосодежащем топливе (изготовлена с использованием аддитивных технологий) [10, 11]

а

а

в

В двигателе SGT-750 (39,3 МВт с КПД 41,5 %, эмиссия NOx менее 15 ppm при работе на природном газе) используется трубчатая выносная МЭКС 4-го поколения (рис. 6). В КС SGT-750 используется сложное фронтовое устройство с радиальным завихрителем и двумя контурами подачи топлива через пилоны в основном контуре, осевым завихрителем в пилотном контуре, а также небольшой камерой сгорания в центре, называемой RPL (Rich Pilot Lean), которая в зависимости от режима работы генерирует радикалы или высокотемпературные газы с коэффициентом избытка топлива меньше единицы [13].

КС 4-го поколения прошла серию численных и экспериментальных исследований в составе отсека [15, 16] и двигателя с использованием газообразного топлива с различными составами (смесь СО2, азота, этана, пропана и бутана), в том числе для метановодородной смеси с содержанием водорода до 47 % об. д. [17]. На рис. 7 показана эмиссия оксидов азота КС на номинальном режиме работы SGT-750 в зависимости от содержания водорода в смеси. Видно, что при концентрациях водорода до 35 % об. д. эмиссия оксидов азота не превышает 20 ppm (в приведении к 15 % О2), а при 45 % - менее 25 ppm. Также видно, что изменение

содержания водорода не оказало какого-либо значимого влияния на уровень низкочастотных пульсаций в КС.

а б

Рис. 6. Камера сгорания SGT-750 (а), схема горелки камеры сгорания SGT-750 (б) [14, 13]

Рис. 7. Эмиссия КОх и уровень пульсаций в КС SGT-750 в зависимости от содержания водорода в метановодородной смеси для различных распределений топлива по коллекторам КС [17] (здесь и далее в рисунках символ @ означает «в приведении к 15 % О2»)

Промышленные газотурбинные двигатели Siemens малой мощности

В ГТД SGT-100/300/400 (мощность 5,7-14,9 МВт и КПД 32,9-36,8 %) используется горе-лочное устройство G30, которое было разработано компанией Alstom в 1990-х гг. (рис. 8).

Рис. 8. Конструкция смесителя и жаровой трубы [18]

Для обеспечения низкого уровня эмиссии вредных веществ (15 ррт и ниже) в современных экземплярах камеры сгорания реализована система активной подстройки распределения топлива между пилотным и гомогенным контурами, которая позволяет за счет тонкой подстройки в некоторых случаях добиться снижения эмиссии в 3-4 раза по сравнению с МЭКС без подобной системы (т.е. с 25 до 7-10 ррт) и при этом обеспечить стабильную беспульсацион-ную работу МЭКС на стационарных и переходных режимах работы ГТД [19, 20].

Горелка G30 прошла через множество этапов усовершенствования как эмиссионных характеристик, так и расширения возможностей использования различных видов топлива [21], в основном по заказу нефтехимических компаний. Данная камера сгорания позволяет сжигать метановодородные смеси с содержанием водорода до 30 % об. д. в составе ГТД SGT-100/300 и до 10 % об. д. в составе SGT-400 [18]. Выполняются дальнейшие работы по увеличению доли водорода в смеси для SGT-100/300.

На рис. 9 показан уровень эмиссии оксидов азота в зависимости от содержания водорода в метановодородной смеси на режимах работы SGT-400 (Рк до 16 бар, Тк до 690 К), полученный в ходе испытания отсека [18]. Размер кружков указывает на долю топлива (%), подаваемого в пилотный контур (значение указано рядом). Уровень эмиссии нормирован относительно наименьшего значения эмиссии оксидов азота, достигнутого в ходе испытаний.

Содержание водорода, % (об.) Рис. 9. Уровень эмиссии оксидов азота в зависимости от содержания водорода [18]

Авиапроизводные газотурбинных установок компании Siemens

В качестве базовых двигателей в авиапроизводных ГТУ используются двигатели Industrial RB211 (SGT-A35) и Industrial Trent 60 компании Rolls-Royce (SGT-A65). Industrial RB211 (27,9-33,8 МВт, КПД 37,3-40,4 %) предлагается как с диффузионной КС, так и с МЭКС. Для Industrial Trent 60 (51,3-66,0 МВт, КПД 41,1-43,4 %) предлагается камера сгорания с впрыском воды либо сухая МЭКС.

В сухих МЭКС с выносными жаровыми трубами (ЖТ) реализована схема стадийного горения: в RB211 две стадии, разнесенные по длине жаровой трубы, в Trent - три [22, 23], схемы камер сгорания представлены на рис. 10.

Использование стадийного подключения коллекторов и управление подачей топлива в каждую из зон горения позволяет обеспечивать эмиссию NOx даже при экстремально низких режимах работы ГТД (до синхронизации с сетью) без изменяемой геометрии и перепусков воздуха [23]. Для реализации подобной схемы требуется постоянно контролировать температуру в каждой из зон.

На данный момент «сухие» МЭКС двигателей SGT-A35 и SGT-A65 позволяют обеспечивать подачу водорода до 15 % об. д.

Камеры сгорания (V поколение) двигателей SGT-A65 и SGT-A45 с подавлением эмиссии за счет впрыска воды/пара позволяют обеспечивать низкоэмиссионное сжигание до 100 % водорода.

Тяжелые стационарные газотурбинные установки компании Siemens

Данный тип ГТУ представлен двигателями классов E, F и H мощностью от 117 до 450 МВт. Камеры сгорания данных ГТУ оснащаются как «сухими» МЭКС, так и диффузионными КС с подавлением эмиссии за счет впрыска воды/пара.

В двигателях SGT5/6-2000E (две выносные ЖТ с восемью горелками в каждой), SGT5/6-4000F (кольцевая ЖТ с 24 горелками) используются малоэмиссионные двухтопливные горелки HR3 (рис. 11). Конструкция горелки HR3 на данный момент позволяет обеспечить эмиссию оксидов азота менее 15 ppm при работе на природном газе.

Рис. 11. Горелка HR3: а - группа основных модулей горелки HR3 для ГТД Е-класса; б - горелка HR3 для кольцевых КС ГТД F-класса [25, 26]

Начиная с 2020 г. двигатели, оснащенные модулями HR3, за счет оптимизированной аэродинамики для исключения рисков проскока пламени и адаптации конструкции с целью обеспечения возможности работы на обогащенных водородом топливах, позволяют сжигать до 27 % об. д. водорода. Валидационные испытания при высоких давлениях показали возможность обеспечения модифицированной горелки при работе на природном газе или смеси «природный газ - водород» не более 50 мг/нм3 [5].

В двигателях SGT6-5000F SGT5/6-8000H используется более современная выносная камера сгорания трубчатого типа ULN (Ultra-low NOX) с многомодульным фронтовым устройством (рис. 12, а), обеспечивающая эмиссию NOx ниже 10 ppm при работе на природном газе.

Данная горелочная система рассматривается в качестве одной из конструкций КС, для которой возможно доведение работоспособности на 100 % водорода.

С целью исключения риска проскока при сжигании водорода выполняется доработка фронтового устройства КС, а также реализация стадийного сжигания топлива в КС, которая получила название «распределенная система сжигания» (Distributed combustion system - DCS). На рис. 12, б показан пример запатентованной схемы DCS с возможностью стадийного сжигания топлива. В хвостовой части ЖТ находятся модули подачи вторичного топлива, при этом, вероятно, вторичное топливо подается через несколько коллекторов [5].

Рис. 12. Камера сгорания ULN (а) и ее вариант с организацией двухстадийного

сжигания топлива (б) [5, 27]

В результате лабораторных исследований модификациях горелок КС ULN показана возможность обеспечения работоспособности КС при содержании водорода до 80 % об. д. (данных об эмиссионных характеристиках нет). Также заявлено, что при работе на более высоких режимах, более характерных для J-класса ГТД, данная КС демонстрирует приемлемые эмиссионные характеристики (рис. 13). Производителем заявлена цель обеспечить возможность работы КС на чистом водороде к 2030 г.

Рис. 13. Модифицированная КС ULN со стадийным впрыском и оптимизацией

горелок для исключения [5]

Газотурбинные двигатели компании General Electric

Компания GE имеет наиболее длительный опыт работы (более 30 лет) с водородосодержа-щими топливами, обусловленный в первую очередь потребностью заказчиков обеспечить возможность работы ГТД на топливах с различным составом и калорийностью: синтез-газы, побочные промышленные газы, коксовые газы и т.п. Согласно информации от компании [28], на данный момент заказчикам поставлено более 100 ГТД (от авиапроизводных до ГТД большой мощности), которые работают на водородосодержащем топливе в диапазоне от 5 до 100 % об. д. Н2. Технологии

сжигания водорода, разработанные GE с указанием предельной концентрации водорода в составе топливной смеси представлены в таблице [1, 29].

Технологии сжигания Н2 от GE

Технология сжигания топлива Примечания Класс турбины Концентрация H2, % по объему

DLE Авиапроизводные КС - До 5

SAC Авиапроизводные КС - До 30-85

SN Одна форсунка в КС B, E До 90-100

MNQC Многофорсуночная КС E, F До 90-100

DLN 1 Сухая МЭКС B, E До 33

DLN 2.6+ Сухая МЭКС F, H До 15

DLN 2.6e Микросмесители (тиШШЬе) 9HA До 50

Компания проводит исследования по определению и максимизации возможности сжигания водорода в топливных смесях в существующих конструкциях КС без внесения существенных изменений в их конструкцию (рис. 14). GE так же, как и Siemens, занимается испытаниями и доводкой горелки AEV (рис. 15) для своих «сухих» МЭКС, унаследованных от компании Alstom.

Авиапроизводные КС Промышленные ГТД большой мощности

Кольцевая КС (SAC) Одномодульная КС Многомодульная КС DLN 2.бе

(single nozzle) «тихая» КС (MNQC)

Рис. 14. Типы КС компании GE [29]

Рис. 15. Горелка AEV копании GE [30]

Стандартная горелка АЕУ кольцевой КС двигателя GT12E2 прошла ряд испытаний в составе отсека высокого давления на различных топливах включая смесь природного газа и водорода [31]. В ходе испытаний горелка продемонстрировала возможность работы с содержанием водорода до 60 % об. д. без проскока и какого-либо риска повреждения горелки при поддержании номинальной скорости потока в горелке. На рис. 16 показан уровень эмиссии оксидов азота для смеси природного газа и водорода в различных пропорциях в зависимости от разницы между Тг (температура пламени за горелкой) на номинальном режиме работы GT12E2 (Тк = 720 К, Тг = 1700 К, Рк = 15 бар) и температуры газов, получаемых при в ходе испытаний на смеси заданного состава. Также приведены результаты для сжигания смеси с повышенным содержанием в топливе углеводородов алканового ряда (от С2 до С5).

Рис. 16. Эмиссия оксидов азота для различных смесей природного газа с водородом в зависимости от температуры пламени на основном режиме работы ГТД [31]

Наиболее новая разработка компании для оснащения ГТД большой мощности - горелоч-ная система DLN2.6e, которая оснащена перспективным премиксером multitube. Работа по созданию МЭКС выполнялась с 2005 г. в рамках программы США по созданию продвинутых ГТУ с высоким КПД комбинированного цикла, работающих на топливах с высоким содержанием водорода (US Department of Energy's High Hydrogen Turbine Program).

Целью разработки нового смесителя было создание камеры сгорания, сбалансированной с точки зрения потерь давления, риска проскока пламени и надежности, работающей на топливе с высоким содержанием водорода [32], обеспечивающей околонулевые (2 ppm) выбросы оксидов азота. Суть технологии состоит в том, чтобы обеспечивать быстрое смешение топлива и воздуха в множестве миниатюрных трубок (так называемые «быстрые» смесители), топливо в которые подается в набегающий поток (jet in crossflow), поступающий в фронтовое устройство (ФУ) с высокой скоростью. Таким образом, технология позволяет сжигать предварительно подготовленную водородосодержащую смесь без риска проскока пламени. Сами трубки миллиметрового (millimeter-scaled) диаметра расположены в виде параллельного массива, который окружен топливной полостью (рис. 17), спроектированной таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение топлива. Подача топлива в поток воздуха осуществляется через несколько отверстий малого диаметра, расположенных на одном осевом расстоянии и равномерно в окружном направлении.

Рис. 17. Сечение модельного ФУ и его фотография [32]

Соотношение расстояния от точки подачи топлива до среза микротрубки к диаметру трубки Ьтх / Б может варьироваться от 1 до 10, в зависимости от топлива и условий работы горелки. Диаметр трубки подбирается таким образом, чтобы обеспечить скорость потока в ней, превышающую скорость распространения пламени, чтобы нивелировать риск проскока. При этом несмотря на то, что в смесительных трубках поддерживается высокая скорость потока,

потери давления в данном ФУ относительно невысокие из-за их небольшой длины и прямой формы канала. Еще одним преимуществом технологии с премиксером тиШШЬе является ее относительно несложная масштабируемость без существенного влияния на характеристики работы ФУ тиШШЬе.

Испытания проводились на смеси 60 % Н2 и 40 % N при параметрах Рк до 20 атм и Тк до 700 К. При испытаниях демонстратора концепции определялся потенциал снижения эмиссии оксидов азота, в том числе влияние времени пребывания на эмиссию [32]. На малой модели ФУ (рис. 17) были выполнены исследования по определению эмиссионных характеристик, перепада давления воздуха на ФУ (Рк = 17 атм и Тк = 650 К). Испытания показали, что по сравнению с традиционными смесителями МЭКС, где стабилизация пламени осуществляется за счет закрутки, КС тиШШЬе позволяет обеспечить отсутствие проскока пламени при сравнительно небольшом перепаде давления в широком диапазоне температуры пламени (рис 18).

1600 1700 1800 1900 Температура пламени, К

Рис. 18. Перепад давления на ФУ различных конфигураций в зависимости температуры пламени [32]

Более крупная модель ФУ (рис. 19) была использована для исследования горелки с целью оценки влияния состава топлива на вероятность стабилизации пламени внутри смесителя (hydrogen torch test). Испытания проводились при перепаде на ФУ в 3,5 % [32].

а б в

Рис. 19. Визуализация испытаний на стабилизацию пламени в горелке: а - поджиг водорода вверх по потоку; б - 5 с после отключения поджига. Стабилизации пламени внутри горелки нет; в - 5 с после отключения поджига. Стабилизация пламени внутри горелки есть [32]

По результатам исследований модельных горелок был изготовлен прототип полноразмерной КС, который был испытан в условиях, близких к режимам работы ГТД F-класса. Результаты испытаний показали эмиссию ниже 10 ррт (рис. 20) при работе на смеси с содержанием 66 % об. д. водорода и 34 % об. д. азота.

Рис. 20. Эмиссия КОх в зависимости от Тг (полноразмерный отсек) [32]

Технология тиШШЬе была использована для создания камеры сгорания DLN2.6e для работы на природном газе. КС показала хорошие результаты в составе ГТД 7НА и 9НА при обеспечении низких уровней эмиссии и одновременном расширении возможности МЭКС работы на низких режимах (рис. 21, а, б). При создании фронтового устройства активно использовались аддитивные технологии (рис. 21, в).

Рис. 21. КС DLE 2.6.е и элемент ФУ, изготовленный с использованием аддитивных технологий: а - общий вид; б - фронтовое устройство; в - ФУ в разрезе [33]

Другим направлением работ компании GE по увеличению возможности сжигания водорода в КС является развитие технологии стадийного сжигания топлива в объеме ЖТ (AFS -axial fuel staging). Подход основан на распределенной по длине ЖТ подаче топлива и/или воздуха, что позволяет поддерживать локальную температуру пламени в первичной зоне и обеспечить более низкий начальный коэффициент соотношения «воздух/топливо», который локально уменьшает скорость пламени, уменьшая также риск проскока пламени (рис. 22).

Рис. 22. Камера сгорания ГТД класса НА со стадийной подачей топлива [5]

Компания GE включила камеру сгорания с AFS, получившую название DLN 2.6+, в свою линейку турбин класса HA для повышения производительности и снижения выбросов.

На данный момент в компании выполняется вторая фаза работы по доведению работы горелочной системы multitube до возможности работать на чистом водороде [1]. В компании GE выполняется работа по проекту 3100F integrated system, в рамках которой планируется использовать преимущества, полученные при разработке КС DLE 2.6 и стадийного сжигания топлива (рис. 23).

3100F Integrated System

Стадийная подача топлива

Рис. 23. Прототип системы 3100F [33]

Данная разработка сочетает преимущества технологии multitube и стадийного сжигания топлива, что позволяет еще больше расширить диапазон стабильной работы КС и содержания водорода в топливе. Перспективная конструкция объединяет камеру сгорания и сопловой аппарат турбины высокого давления в единую структуру, что снижает утечки в узле, а также позволяет снизить капитальные затраты на изготовление узла.

Газотурбинные установки компании Ansaldo Energy

Компания производит микро-ГТД мощностью от 75 до 100 кВт, ГТД мощностью от 70 до 280 МВт (АЕ64.3А, АЕ94.2, АЕ94.2К, АЕ94.3А) на базе ГТД большой мощности компании Siemens (F- и E-классы) и ГТД мощностью свыше 370 МВт на базе ГТД компании Alstom (H-класс) [34]. В рамках работ по расширению возможности работы ГТД на различных видах топлива, в том числе на водородосодержащих, в Ansaldo выполняются работы по двум основным направлениям: стадийное сжигание топлива в двух последовательно расположенных КС и развитие технологии FlameSheet;

Двухстадийное сжигание топливно-воздушной смеси

В ГТД GT26 и GT36 (унаследованы от ГТД компании Alstom) используются две последовательно расположенные КС: за основной КС с предварительным смешением расположена вторая КС, в которой топливо воспламеняется за счет горячих газов, поступающих из первой КС. Данный подход позволяет преодолеть ограничения, свойственные традиционным КС (позволяет существенно расширить возможности малоэмиссионной работы ГТД на различных видах топлива, а также расширяет диапазон работы ГТД). В GT26 реализован термодинамический цикл с промежуточным подогревом (ТВД находится за первой КС, ТНД - за второй). Обе камеры сгорания (основная и последующая) кольцевые, изображены на рис. 24, 25. В основной КС реализовано сжигание обедненной топливовоздушной смеси с использованием разработанных в компании ABB горелках EV (Environmental) [35].

Основная камера сгорания с однорядным расположением горелок (24 шт.), установленных на фронтовой плите, защищенной теплозащитными панелями. Наружная и внутренняя стенки ЖТ также закрыты теплозащитными панелями с конвективным охлаждением. Вторая

КС содержит кольцевой объем, а также каналы, в которые подается топливо (рис. 25). В каждом канале располагаются генераторы вихрей тетраэдрической формы, а топливо подается по центру между четырьмя парными вихрями, образованными генераторами вихрей, что обеспечивает распределение топлива по всему сечению канала. Далее топливовоздушная смесь воспламеняется за счет горячих газов из основной КС [3, 36].

Рис. 24. ГТД GT26 со стадийным сжиганием топлива в двух последовательно

расположенных КС [35]

Основная КС ЕУ Вторая КС БЕУ

Рис. 25. Основная камера сгорания EV и вторая КС двигателя GT26 [35]

Каждая горелка EV (рис. 26) подключается к двум раздельным гомогенным коллекторам, которые позволяют выполнять ступенчатую подачу топлива в зависимости от режима для образования гомогенной обедненной смеси, таким образом расширяя диапазон малоэмиссионного горения в основной камере сгорания. Топливо в гомогенный контур подается на всех режимах работы ГТД - от запуска до номинального. При необходимости возможно подключение горелок в КС группами.

Для исследований с водородосодержащим топливом использовалась модифицированная горелка EV с утопленным вглубь смесителя пилотным насадком, что позволяет обеспечить работу горелки на пониженных режимах в режиме предсмешения (рис. 26).

В традиционных сухих МЭКС изменение реагирующей способности топлива может приводить к изменению местоположения фронта пламени. Так, при подаче топлива с большей скоростью протекания реакции фронт пламени сдвигается вверх по потоку, что может приводить к увеличению эмиссии КОх и локальным перегревам горелки, и наоборот - при подаче топлива со сниженной (относительно базового топлива) реакционной способностью фронт сдвигается вниз по потоку, что может привести к увеличению эмиссии СО и несгоревших углеводородов. Данный недостаток нивелируется за счет стадийного сжигания топлива в двух раздельных камерах сгорания за счет подстройки температуры пламени в основной камере сгорания и сжигания остального топлива, необходимого для поддержания требуемой величины Тг, во второй КС. В первой КС подача водорода позволяет сжигать более бедные смеси и поддерживать местопо-

ложение фронта пламени обедненной топливно-воздушной смеси (ТВС), далее горячие газы с пониженной температурой (так как в первой КС сжигали более бедную смесь) поступают во вторую КС, обеспечивают воспламенение ТВС [37].

Испытания КС образца 2011 г. по дроссельной характеристике GT26 [36] при высоких давлениях показали возможность работы основной камеры сгорания (с предварительной подготовкой смеси) с содержанием водорода до 45 % без проскока пламени на номинальном режиме (на режимах частичной загрузки доля водорода достигала 60 %). При этом эмиссионная характеристика при 15 % водорода практически аналогична случаю с использованием в качестве топлива обычного природного газа (рис. 27).

Рис. 26. Исходное горелочное устройство EV и его модификация для работы на водородосодержащем топливе [3, 35] (ВСТ - водородосодержащее топливо)

ТАТ1 [°С]

Рис. 27. Эмиссия КОх основной КС при различных составах топлива в зависимости от Тг [3]

Испытания подтвердили работоспособность ГТД GT26 на метановодородных смесях с концентрацией Н2 до 30 % с обеспечением низкого уровня эмиссии без каких-либо доработок материальной части и влияния на характеристики ГТД за счет перераспределения топлива от первой ко второй КС, которое позволяет компенсировать высокую реактивную способность водорода в обеих КС.

Заявляется, что при проведении дополнительных работ по валидации можно достичь возможности использования смеси с содержанием водорода до 45 % в метановодородной смеси (МВС).

Технология FlameSheet

Вторым, наряду с двухстадийным сжиганием ТВС, ключевым направлением разработки перспективных сухих МЭКС в компании АшаШо стала кросс-платформенная горелочная система, обладающая широкой возможностью использовать в качестве топлива смеси различных

составов (технология захвата вихря - FlameSheet). По заявлению разработчика - компании PSM (дочерней компании Ansaldo Energía, США, Флорида), КС с технологией Flame Sheet уже сейчас применима для ГТД компаний General Electric (классы B, E, F), Siemens (501F/G), MHPS (501F/G, 701F/G).

Технология FlameSheet изобретена в 2002 г., в 2014 г. был создан серийный образец для ГТД GE 7FA [38]. Цель разработки:

- обеспечить возможность работы КС на природном газе и топливах с различными свойствами и составами (сжиженный природный газ, низкоуглеродные синтез-газы, синтез-газ с высоким содержанием водорода, попутные газы и т.п.) с вариацией числа Воббе до 30 %;

- эмиссия NOx и CO не более 9 ppm на всех режимах работы (от 20 % номинала до номинала) без впрыска воды, пара или азота;

- долговечность конструкции, обеспечивающей эксплуатацию без осмотров в течение 24 000 ч или 900 стартов;

- возможность легкого дооборудования ГТД E- и F-классов данной КС.

Камера сгорания спроектирована по модульному принципу, и в различных версиях может быть встроена в ГТД одного класса разных производителей.

КС имеет две концентрически расположенные аэродинамические зоны/ступени: пилотную и основную. В каждой из ступеней реализован свой механизм стабилизации пламени, который позволяет осуществлять процесс сжигания топлива независимо в каждой из них (так называемая горелка внутри горелки), обеспечивая большую операционную гибкость. Пилотная ступень находится вдоль оси камеры сгорания, ее окружает основная. Для обеспечения работы КС используется четыре коллектора для подачи топлива (два для пилотной ступени, два для основной). На рис. 28 показаны общий вид и схема работы камеры сгорания FlameSheet. Воздух в пилотную ступень поступает из-за компрессора через наружный кольцевой канал в корпусе головки ЖТ и далее проходит через радиальный завихритель. Топливо подмешивается к воздуху через ряд отверстий, находящихся в лопатках завихрителя. Поступающая в объем ЖТ закрученная топливовоздушная смесь стабилизируется за плохообтекаемым телом. Угол закрутки потока и аэродинамика течения оптимизированы для обеспечения низких уровней эмиссии на режимах неполной мощности.

Рис. 28. Общий вид и схема работы камеры сгорания FlameSheet [39-41]

Воздух в основную ступень КС поступает через внутренний кольцевой канал, обдувая ЖТ, где смешивается с топливом, после чего поток ТВС разворачивается на 180° и поступает в КС. После поступления ТВС в камеру сгорания, ее поток отделяется от кромки жаровой трубы и формирует мощную зону рециркуляции (аэродинамически захваченный вихрь), которая обеспечивает стабилизацию пламени в основной ступени. Преимуществом технологии захваченного вихря является то, что температура в наружной зоне рециркуляции всегда достаточно

высокая, что позволяет обеспечивать низкие уровни эмиссии СО и стабильное горение даже на очень низких режимах [42].

Камера сгорания подтвердила эмиссионные характеристики в ходе множества испытаний на отсеке высокого давления [38, 41, 43]. В ходе испытаний достигались режимные параметры 100 % от номинального для F-класса ГТД: Рк = 24 бар, Тк = 920 К, вв = 27 кг/с, Тг = 2200 К.

Исследования на автономных стендах по оценке влияния топливных смесей различного состава на основные эмиссионные характеристики КС подтвердили хорошую топливную гибкость КС [38, 43]. Во всех случаях используемых топливных смесей КС обеспечила эмиссию не более 6 ррт (рис. 29).

Рис. 29. Эмиссия ВВ в КС Flamesheet: а - для различных составов топлива [43]; б - в зависимости от содержания водорода в топливе [38]

По состоянию на 2019 г. в ходе испытаний на отсеке подтверждена возможность работы данной КС при работе на топливах с содержанием водорода до 80 %. В том же году объявлен проект High Hydrogen Retrofit Project по созданию КС, позволяющей сжигать до 100 % водорода. В рамках проекта заявлена цель создания МЭКС с технологией FlameSheet, которая позволит использовать в качестве топлива как чистый метан, так и чистый водород или их смесь при обеспечении уровня эмиссии 9 ppm для двигателей мощностью от 1 до 300 МВт. Работу планируется выполнять поэтапно - начиная с подтверждения характеристик МЭКС при подаче от 0 до 100 % водорода на полноразмерном демонстраторе мощностью 1,6 МВт (OPRA), с последующим подтверждением характерстик на КС для ГТД мощностью от 20 до 40 МВТ и для ГТД мощностью более 200 МВт [44].

В КС двигателя GT36 подход со стадийным сжиганием получил дальнейшее развитие. Так как в данном двигателе между основной и дополнительной КС отсутствует ТВД, то вся го-релочная система получила название Constant Pressure Sequental Combustion (CPSC) [45]. При этом в качестве основной камеры сгорания уже используется КС с реализацией технологии FlameSheet (рис. 30).

На испытаниях при высоких давлениях в Национальном центре аэрокосмических, энергетических и транспортных исследований Германии (DLR) (подразделение в г. Кёльне) камера сгорания продемонстрировала возможность работы на топливе с содержанием водорода до 50 % без каких-либо модификаций в конструкции КС GT36. На данный момент GT36 предлагается потребителям именно с такой опцией.

Топливо Топливо Вторая КС

Воздух из основных отверстий у/

(для формирования равномерного

профиля Т на входе во вторую КС) Жаровая труба второй КС

Рис. 30. Камера сгорания двигателя GT36 [45]

Выполняются исследования по обеспечению дальнейшего расширения возможности работы КС GT36 на топливе, содержащем водород. Продемонстрирована возможность работы на метановодородных смесях без каких-либо изменений в материальной части с содержанием водорода до 70 % об. д.

Газотурбинные двигатели Kawasaki Heavy Industries

Компания Kawasaki предлагает различные типы ГТУ мощностью от 1 до 30 МВт. В рамках реализации стратегии, рассчитанной до 2030 г., по расширению возможностей своих ГТД в части сжигания водородосодержащих топлив и водорода компания KHI выполняет разработки КС по трем разным направлениям [46]:

- диффузионное сжигание водорода с подавлением эмиссии NOx за счет впрыска воды;

- стадийное сжигание топлива в КС (supplemental burner);

- создание камеры сгорания нового поколения Micro-Mix (MMX).

Камеры сгорания с подавлением эмиссии NOx за счет впрыска воды

Диффузионная КС может работать как на 100 % водороде, так и на 100 % метане и метановодородных смесях. Для подавления эмиссии NOx используется впрыск воды (рис. 31). Успешные испытания демонстратора КС состоялись в составе ГТД мощностью 1,7 МВт весной 2018 г. в г. Коба [47].

Водород/коммунально-бытовой газ

Рис. 31. Диффузионная камера сгорания для сжигания водорода или природного газа (а) и форсунка с подачей воды для подавления эмиссии КОх (б) [48]

Уровень эмиссии КОх при сжигании 100 % водорода составляет 50 ррт (приведение к 15 % О2). На рис. 32 показана визуализация пламени при работе горелки на топливе с различным содержанием водорода.

а

б

Рис. 32. Фотографии пламени при испытаниях диффузионной КС с различным содержанием (об.) водорода в смеси с природным газом [49]: а - 80 % природный газ, 20 % Н2; б - 5 % природный газ, 95 % Н2

Технология стадийного сжигания топлива в камере сгорания

Сухая МЭКС со стадийным сжиганием ТВС устанавливается на ГТУ L20A (18,42 МВт и КПД 34,2 %) и L30A (30,12 МВт и КПД 40,1 %) и обеспечивает эмиссию Шх меньше 15 ррт при работе на природном газе [50]. МЭКС выполнена по схеме, представленной на рис. 33. Предварительно перемешанная бедная топливовоздушная смесь сжигается в двух зонах для расширения диапазона работы с низкой эмиссией NOx, кроме того, предусмотрена подача пилотного топлива для поддержания устойчивого горения основного топлива.

Для обеспечения работы МЭКС на водородосодержащих смесях топливо распределяется между основной и дополнительной горелками. В компании заявляют, что для обеспечения работы данной КС на МВС потребуется лишь доработка вспомогательных систем, саму КС менять не потребуется.

По состоянию на 2021 г. в данной КС реализована возможность сжигания до 60 % об. д. Н2 с обеспечением эмиссии в пределах 25 ррт (для 100 % природного газа - 15 ррт). На данный момент камера сгорания со стадийным сжиганием метано-водородной смеси предлагается как опция в составе двигателя М7а-03 (8 МВт), запланирована коммерциализация данной технологии на двигателе L30A (30 МВт).

Принципиальная схема малоэмиссионного сжигания водорода в микропламенах (MicroMix) разработана в институте прикладных наук Ахена (Aachen Universitu of Applied Sciences -AcUAS). В 2011 г. Kawaswki присоединилась к разработкам с целью исследования возможности применения КС Micro-Mix в промышленных ГТД [47]. Целью разработки являлось созда-

Основная (водород/при

Пилотн (прирс

Разработана для обеспечения равномерного сжигания топлива

Рис. 33. Схема работы DLE камеры сгорания Kawasaki

Технология Micro-Mix

ние КС, обеспечивающей низкий уровень выбросов оксидов азота и сниженный риск проскока пламени при сжигании водорода (рис. 34).

Рис. 34. Конструкция КС Micro-Mix [51]

Горелка Micro-Mix работает по принципу прямого впрыска топлива (Lean Direct Injection -LDI). В КС Micro-Mix газообразное топливо впрыскивается через большое количество маленьких отверстий перпендикулярно воздушному потоку.

Снижение выбросов оксидов азота в КС типа Micro-Mix осуществляется за счёт интенсификации процесса смешивания реагентов и минимизации времени пребывания - быстрого сжигания смеси в миниатюрных диффузионных пламенах (5-10 мм в длину). Принцип смесеобразования и стабилизации пламени показан на рис. 35. Процесс разработки включал в себя экспериментальные и численные исследования горелочных устройств [52-54], направленных на определение оптимального сочетания ключевых параметров горелки, влияющих на формирование NOx [55].

На рис. 36 показаны микропламена, полученные в результате испытания тестовой горелки с подачей водорода, численного эксперимента, а также геометрия фронтовой плиты, использованной при испытаниях. Испытания образцов горелки выполнялись при Тк = 560 К и атмосферном давлении. Эмиссия оксидов азота при испытании различных образцов составляла не более 2-3 ppm на расчетном режиме.

а б

Рис. 35. Принцип смесеобразования и стабилизации пламени в КС Micro-Mix: а - схема стабилизации пламени; б - задание глубины впрыска струи водорода [53]

В ходе расчетно-экспериментальной доводки характеристик ФУ в составе испытательного стенда были определены оптимальные диапазоны параметров горелки, с помощью которых удалось достаточно быстро выполнить масштабирование модельного горелочного устройства при создании прототипа ФУ для ГТД малой мощности. Прототип КС Micro-Mix для ГТД M1A-17 (мощность 1,7 МВт) был успешно протестирован на водороде при Тк = 620 К, Рк = 0,2 МПа. На рис. 37 представлен уровень эмиссии NOx (приведённый к 15 % О2). Ось абсцисс показывает

тепловую нагрузку; нагрузка 100 % означает полную нагрузку (расчетная точка), а 0 % - холостой ход. Для минимизации эмиссии оксидов азота выполнялась поэтапная подача топлива в коллекторы ФУ. От холостого хода до 30 % нагрузки использовались две внутренних кольца горелки, а от 30 % нагрузки до полной нагрузки использовались все три кольца. Уровень эмиссии оксидов азота не превысил 20 ррт [57]. В составе ГТД М1А-17 камера сгорания прошла опытную эксплуатацию (наработка около 500 ч) на электростанции г. Коба.

Рис. 36. Тестовая КС типа Micro-Mix [56]

40

р- 30 ю

20

О Ю

Ш: 1 1 1 --\--L-t 1 1 1 ' __!__L_1 1 1 1 1 1 1 __L_L_J_ 1 1 1 1 1 1

т 1 I * - tnne^2-rings+-- 1 1 1 --4--4--А!--, ▲ ® О 1 1 1 __J___1___1__ 1 1 1 1 1 1 i i i i i -1 --h -АИ-3-riegs.H - -1--\--- 1 1 1 1 1 О: О --I---I---i---1--1--J--- Ol 1 LI 1 1 1 1 1 1 1 __1__J___L__1__1__J___ 1 1 1 1 1 1 ......

20 40 60 80 Режим работы, % от ном.

100

Рис. 37. Эмиссия NOx в водородной КС двигателя M1A-17 [57]

Выполняются исследования возможностей камеры сгорания по обеспечению работы на синтез-газе (смесь водорода и СО), проведены испытания КС на синтез-газе с содержанием 90 % водорода и 10 % монооксида углерода с обеспечением эмиссии не более 2 ррт [54]. Также выполняются исследования по сжиганию в данной КС метановодородных смесей. В планах компании обеспечить возможность работы всех двигателей в линейке мощностей от 1,7 до 30 МВт КС, работающих на 100 % водорода.

В марте 2023 г. компания объявила о своей готовности поставлять все свои ГТУ с МЭКС, обеспечивающими возможность работы на МВС с содержанием водорода до 30 % [58].

Газотурбинные установки компании Mitsubishi Hitachi Power Systems

Компания выпускает промышленные ГТД для ГТУ большой мощности F, G и J классов (185,4-470,0 МВт, КПД 37-41 %). На данный момент в MHPI работы по снижению углеродного следа за счет организации сжигания водорода в КС ГТД сфокусированы на параллельном развитии трех основных технологиях сжигания топлива:

- диффузионное сжигание водорода с подавлением эмиссии оксидов азота за счет впрыска воды, пара или азота;

- сжигание водородосодержащих смесей в сухих МЭКС (DLE multi-nozzle);

- сжигание водорода в микропламенах (технология Multicluster).

Так, технология сжигания чистого водорода в диффузионном режиме с разбавлением азотом или водой/паром считается достаточно проработанной для внедрения на всех ГТД, в планах компании модернизация крупной электростанции Magnum (Голландия) к 2027 г. с двигателями M701F для работы на водороде. Также выполнен цикл опытно-конструкторских работ по обеспечению возможности работы уже созданных КС с технологией сухого малоэмиссионного сжигания топлива (Multi-nozzle DLE) на метановодородной смеси с содержанием метана до 30 % об. д. Переход к сжиганию чистого водорода запланирован к 2030 г. за счет реализации технологии мультикластер. На данный момент выполняются испытания в составе отсеков КС для ГТД разных размерностей. Отработка данной технологии выполняется поэтапно, начиная от ГТД малой мощности и заканчивая ГТД большой мощности (завершение испытаний в составе отсека - март 2025 г.) [59].

Камера сгорания Multi-nozzle

Камера сгорания Multi-nozzle разрабатывалась на базе уже имеющейся сухой МЭКС с учетом необходимости снижения риска проскока пламени при сжигании водородосодержащий смесей [60]. Премиксеры КС были модернизированы путем подачи воздуха через центральное тело смесителя, чтобы увеличить осевую скорость в центре вихревого ядра, возникающего в результате закрутки потока в смесителе (рис. 38).

Рис. 38. Модернизация девятимодульной КС МН1 для обеспечения возможности работы

на водородосодержащем топливе [60]

Испытания в 2018 г. модифицированной КС на режиме работы ГТД серии J показали возможность работы на метановодородной смеси с содержанием водорода до 30 % об. д., что позволяет снизить углеродные выбросы примерно на 10 % [1]. Необходимо отметить, что в рамках проекта предполагается работа двигателя на смеси с содержанием водорода до 20 % об. д.

Мультикластерная камера сгорания

На данный момент МНР1 работает над возможностью сжигания в своих КС водородосо-держащих топлив с различными составами. Стратегия компании направлена на создание технологии сжигания богатых водородом топлив в мультикластерной камере сгорания [61-63], что, согласно планам компании, позволит обеспечить возможность малоэмиссионного сжигания различных видов топлива (жидкое, синтез-газы и т.п.), включая 100 % водорода. Работы по созданию данной КС ведутся с 2000 г., и разработано уже несколько поколений данной камеры сгорания, первые экземпляры которой были созданы для сжигания синтез-газа с содержанием водорода до 40 % об. д.

Концепция камеры сгорания подразумевает организацию горения с помощью группы (кластера) из множества миниатюрных горелок, в которых происходит быстрое смешение топлива и воздуха. В результате подобной организации горения получается множество маленьких диффузионных или частично перемешанных пламен (для сжигания водорода предполагается подготовка перемешанной смеси), устойчивых к проскоку пламени, а за счет быстрого смешения и сжигания топлива - обеспечивающих снижение эмиссии оксидов азота [5]. Мини-горелки представляют собой короткий воздушный канал, в центр которого подается топливо (рис. 39).

Форсунка подачи жидкого топлива а б

Рис. 39. Конфигурация мультикластерной камеры сгорания: а - кластер мини-горелок; б - мультикластерная КС [64]

Каждый из таких каналов подает топливовоздушную сметь в выбранном направлении, чтобы группа каналов формировала на удалении от всего кластера зону обратных токов, таким образом обеспечивая сжигание топливовоздушной смеси в отсоединенном пламени (lifted flame, см. рис. 40).

Рис. 40. Иллюстрация аэродинамики одной кластерной горелки [64]

Камера сгорания имеет три основных ступени для подачи топлива, которые включат в себя подачу жидкого топлива, пилотную горелку F1 и шесть основных кластерных горелок. В каждой основной кластерной горелке топливо распределяется в две стадии: по внутреннему радиусу подачи топлива и наружному радиусу подачи топлива. Основные горелки разделены на две отдельные группы по три горелки в каждой: F2 и F3 (рис. 41). Такая конструкция позволяет распределять топливо в основные кластеры в различных режимах.

За счет очень гибкой возможности подключать топливные контуры мультикластерная камера сгорания позволяет добиться низких уровней эмиссии и устойчивой работы во всем диапазоне работы двигателя. Для этого экспериментальным путем подбирают комбинацию подключаемых горелок, обеспечивающих наиболее оптимальную работу КС с точки зрения стабильности горения, уровня эмиссии, отсутствия пульсаций и теплового состояния деталей КС. Данный метод получил название «радиальное подключение горелок», так как топливные контуры в камере сгорания начинают подключаться от центра КС. Помимо экспериментальны исследований, данная горелочная система активно доводилась с использованием численного

моделирования, которое позволило выполнить валидацию конструкции КС и подтвердить формирование предварительно подготовленной смеси в каналах горелки [65].

Рис. 41. Пример схемы контуров подачи топлива КС мультикластер [62]

На рис. 42 показан пример работы диффузионной КС multicluster, работающей на синтез-газе для различных сочетаний подключаемых горелок. Видно, что благодаря подбору оптимальной последовательности подключения горелок, удалось снизить пиковые значения эмиссии оксидов азота на низких режимах с 77 до 44 ppm [63].

Мультикластерная КС была установлена на пилотную станцию газификации угля EAGLE в Исследовательском институте электрической энергии, где при работе на синтез-газе (50 % СО, 20 % Н2, 20 % N2) продемонстрировала эмиссии оксидов азота 10,9 ppm (при 15 % О2) [62].

10 20 30 40 50 60 70 Режим работы ГТД, %

Рис. 42. Эмиссия оксидов азота в КС multicluster в зависимости от различных способов подключения горелок (пример) [63]

Газотурбинные двигатели компании Solar Turines

Компания занимается водородной энергетикой с 1986 г. и на данный момент Solar Turbines имеет опыт установки 51 агрегата (Titan 130 и Taurus 60), 46 из которых работают на смесях с содержанием водорода от 40 до 60 %. Лидером по использованию таких ГТУ является Китай, где работает более 40 агрегатов. Во всех применениях оно нишевое, где водород является побочным

продуктом какого-то другого процесса (коксовый газ, состоящий из смеси метана, водорода, азота и углекислого газа). На данный момент суммарная наработка агрегатов боле 1,4 млн ч [1], при этом на данных ГТУ установлена обычная диффузионная кольцевая КС с 21 горелкой [66].

По имеющейся информации, разработка модификации сухой МЭКС SoLoNOx, работающей на водородосодержащем топливе (коксовом газе), в компании велась в период с 2009 по 2013 гг. [67]. В ходе разработки определялась возможность сжигания различных топливных смесей в МЭКС ГТД Titan 130 (разработана для сжигания природного газа), исследовалось влияние содержания водорода на местоположение фронта пламени, отрабатывались режимы подачи топлива различных составов. Определена оптимальная модификация топливного смесителя без изменения аэродинамики (изменены диаметры топливных отверстий и распределение топлива по отверстиям). На рис. 43 показан уровень эмиссии оксидов азота для различных составов топлива в приведении величине эмиссии в зависимости от температуры пламени.

Рис. 43. Эмиссия КОх для выбранной конфигурации смесителя при испытаниях на различных составах топлива [67]

На заключительном этапе работы изготовлен комплект горелок для испытаний в составе установки перспективной камеры сгорания (ПКС) в атмосферных условиях. Для снижения рисков возникновения пульсаций при испытании ПКС на водородосодержащем топливе использовалось последнее поколение жаровой трубы с акустическими поглотителями (рис. 44).

а б

Рис. 44. Препарированная ЖТ с акустическими поглотителями (а) и препарированные топливные смесители (б) [67]

Перед испытаниями в составе установки ПКС смесители прошли экспериментальные проверки характеристик в составе одногорелочного отсека высокого давления на дополнительных составах топливных смесей и подтвердили уровень эмиссии на режиме 50 % и номинальном (рис. 45). Испытания также показали расширение рабочего диапазона гомогенного контура горелки при увеличении доли водорода в топливе.

Рис. 45. Результаты испытаний финального варианта смесителя в составе одногорелочного отсека (номинальный режим ГТД Titan 130) [67]

Испытания полноразмерной камеры сгорания в составе установки выполнялись при атмосферных условиях на топливных смесях из природного газа и СО2 (водород в топливе отсутствовал). В ходе испытаний исследовалось тепловое состояние ЖТ, пределы бедного срыва и неравномерность поля температуры на выходе из КС.

В результате работы в период с 2009 по 2013 гг. создана модификация горелки SoLoNOx, обеспечивающая сжигание до 65 % водорода (об. д.) при параметрах ГТД Titan 130. МЭКС способна обеспечивать уровень эмиссии NOx в 15 ppm на режимах от 50 до 100 % мощности в условиях одногорелочного отсека высокого давления [2]. Разработанная модификация горелки SoLoNOx позволяет обеспечить работу двигателя на дизельном топливе, природном газе или водородосодержащих топливах. В компании был разработан план коммерциализации модифицированной КС, но отмечают, что для выхода на коммерческий продукт потребуется большое количество испытаний полноразмерной КС при натурных параметрах, а также в составе двигателя.

На данный момент практический опыт компании по сжиганию водородосодержащих смесей в МЭКС SoLoNOx заключается в эксплуатации установки Titan 130S, работающей на смеси природного газа и 9 % водорода с обеспечением эмиссии NOx в 15 ppm [1]. Также в процессе реализации находятся проекты, где планируется сжигать от 10 (Италия) до 20 % (Германия) водорода в топливных смесях экспериментального состава.

По оценкам компании, реализация сжигания смесей трубопроводного газа с водорода в диапазоне от 5 до 20 % Н2 в последних поколениях малоэмиссионной горелки SoLoNOx не потребует существенной модернизации горелки (для более ранних поколений горелки вопрос находится на этапе исследований).

Заключение

На основе анализа конструкций и опыта зарубежных производителей ГТД в части разработки КС, обеспечивающих малоэмиссионное сжигание топлива, содержащего водород, можно сделать следующие выводы:

- абсолютное большинство реализованных на данный момент проектов по сжиганию во-дородосодержащего топлива в камерах сгорания ГТД разрабатывалось с целью обеспечения сжигания синтез-газов, коксовых газов, нефтезаводских газов в традиционных диффузионных камерах сгорания. Экологические характеристики ГТД при этом обеспечиваются за счет подавления эмиссии оксидов азота путем впрыска воды/пара или азота в КС;

- все ведущие мировые производители выполняют значительный объем ОКР по созданию «сухих» МЭКС, работающих на метановодородной смеси, при этом усилия направлены как на обеспечение возможности малоэмиссионного горения максимальных объемов водорода в топливных смесях в уже разработанных конструкциях «сухих» МЭКС, так и на создание новых конструкций КС, которые позволят сжигать до 100 % водорода в малоэмиссионном режиме;

- отработка технологии сжигания МВС требует большого объема расчетных и экспериментальных исследований и занимает от 10 до 20 лет;

- на данный момент ни один из производителей ГТД не обладает серийной конструкцией «сухой» МЭКС, работающей на топливных смесях с содержанием водорода до 100 %, при этом существуют единичные примеры успешно реализованных проектов, проходящих опытную эксплуатацию, где в составе ГТД работаю «сухие» МЭКС, сжигающие водородосодержащие смеси (вплоть до 100 %);

- планы компаний по коммерциализации разрабатываемых технологий находятся на горизонте 2025-2030 гг.

Библиографический список

1. Hydrogen gas turbines. The path towards a zero-carbon gas turbine. - ETN Global, 2020.

2. Davison J. A review of gas turbines and their ability to use hydrogen-containing fuel gas. Report for energy technologies institute, 2016.

3. Wind T., Guthe F., Syed K. Co-firing of hydrogen and natural gases in lean premixed conventional and reheat burners (Alstom GT26) / Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2014, June 16-20, Dusseldorf, Germany. - Paper № GT2014-25813.

4. Fuel flexibility influences on premixed combustor blowout / T. Lieuwen, V. McDonnell, E. Petersen,

D. Santavicca // ASME paper. - 2006. - No. GT2006-90770.

5. Assesment of current capabilities and near-term availability of hydrogen-fired gas turbines considering low-carbon future / D. Noble, D. Wu, B. Emerson, S. Sheppard, T. Lieuwen, N. Angello // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - April 2021. - Vol. 143.

6. Hydrogen power with Siemens gas turbines. Reliable carbon-free power with flexibility / K. Bohan,

E.V. Klapdor [et al.] // Siemens Gas and power GmbH&Co. KG., 2020.

7. Verification of single digit emission performance of a 24 MW gas turbine - SGT-600 3rd generation DLE / A.M. Carrera, P. Geipel, A. Larsson, R. Magnusson // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2017. - June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-63089.

8. Lyckstrom A. Hydrogen Combustion in Siemens Gas Turbines. - Siemens Energy, 2020.

9. Bonaldo A., Andersson M., Larsson A. Engine testing using highly reactive fuels on Siemens industrial Gas turbines // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2014. - June 16-20. - Dusseldorf, Germany. - Paper № GT2014-26023.

10. Additive Manufacture and the gas turbine combustor: Challenges and opportunities to enable low-carbon fuel flexibility / J. Runyon, I. Psomoglou, R. Kahraman, A. Jones // 10-th international Gas turbine conference, 11-15 October. - Brussels, Belgium. - 2021.

11. Moell D. Modelling of methane and hydrogen enriched methane flames in industrial gas turbine burners. Thesis for the degree of Doctor in Philosophy. - Lund University, Department of energy sciences, 2018.

12. Siemens energy: сайт [Электронный ресурс]. - URL: https://www.siemens-energy.com/global/en/news/ magazine/2022/tackling-petrochemicals-energy-transition-with-hydrogen.html (дата обращения: 12.04.2023).

13. Carrera A.M., Andersson M., Nasval H. Experimental investigation of the 4th generation DLE burner concept: emissions and fuel flexibility performance at atmospheric conditions // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2011, June 6-10, Vancouver. - Paper № GT2011-46387.

14. Hellberg A. SGT-750-37 MW Gas Turbine // 19-th Symposium on industrial application of gas turbines (IAGT). - Banff, Canada, 17-19 October 2011.

15. Fuel Flexibility of a multi-staged prototype gas turbine burner / A. Kundu, J. Klingmann, A.A. Subash, R. Collin // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64782.

16. Flame stabilization and emission characteristics of a prototype gas turbine burner at atmospheric conditions / A. Kundu, J. Klingmann, A.A. Subash, R. Collin // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-57336.

17. SGT-750 fuel flexibility: engine and rig tests / O. Lindman, M. Andersson, A. Bonaldo [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-63412.

18. Intelligent operation of Siemens (SGT-300) DLE gas turbine combustion system over an extended fuel range with low emissions / G. Bulat, K. Liu, G. Brickwood, V. Sanderson // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2011, June 6-10, Vancouver, Canada. - Paper № GT2011-46103.

19. Intelligent operation of Siemens (SGT-300) DLE gas turbine combustion system over an extended fuel range with low emissions / G. Bulat, K. Liu, G. Brickwood, V. Sanderson, B. Igoe // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2013, June 6-10, Vancouver. - Paper № GT2013-46103.

20. Extension of fuel flexibility in the Siemens dry low emissions SGT-300-1S to cover a Wobbe Index range of 15 to 49 Mj/m3 / K. Liu, V. Alexander, V. Sanderson, G. Bulat // Proceedings of ASME Turbo Expo,

2012, June 11-15, Copenhagen, Denmark. - Paper № GT2012-68838.

21. Lam K.-K., Parsania N. Hydrogen enriched combustion testing of Siemens SGT-400 at high pressure conditions // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-57470.

22. Wilis J.D., Moran J.A. Industrial RB211 DLE gas turbine combustion update // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2000, May 8-11, Munich. - Paper № 2000-GT-109.

23. Rolls-Royce Industrial Trent: combustion and other technologies / C. Barkey, S. Richards, N. Har-rop, P. Kotsiopriftis, R. Mastroberardino, D. Squires, T. Scarinci // Proceedings of International Symposium of Air Breathing Engines, 1999. - Paper № ISABE99-7285.

24. Technology update on gas turbine dual fuel, dry low emission combustion systems / P. Rokke, J. Hustad [et al.] // Proceedings of ASME Tuibo Expo, Atlanta, USA, 16-19 June 2003. - Paper № GT 2003-38112.

25. Becker B., Thien V. High-efficiency gas turbine operating in intermediate duty // Proceedings of the international Gas Turbine Congress, 2003, November 2-7, Tokyo, Japan. - Paper № IGTC2003Tokyo TS-098.

26. Siemens gas turbine SGT5-4000F. - Siemens AG, 2008.

27. Ultra low NOx combustion Technology / С. Johnson, B. Pepperman [et al.] // Power-Gen International, 2008.

28. Goldmeer J., Catillaz J. Hydrogen for Power Generation. Experience, requirements, and implications for use in gas turbines, GEA34805 (03/22), 2022.

29. Hydrogen Capable Gas Turbines for Deep Decarbonization. Report from Electric Power Research Institute, 2019.

30. In mediaprod: сайт [Электронный ресурс]. - URL: http://www.in-mediaprod.com/en/http-vimeopro.com-inmediaprod-selection-site-internet-video-55364725-324.htm (дата обращения:).

31. Extended range of fuel capability for GT13E2 AEV burner with liquid and gaseous fuels / M. Za-jadatz, F. Guthe [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2018, June 11-15, Oslo, Norway. - Paper № GT2018-76374.

32. York W.D., Ziminsky W.S. Development and testing of a low NOx Hydrogen combustion system for heavy duty gas turbines // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2012, June 11-15, Copenhagen, Denmark. -Paper № GT2012-69913.

33. Hughes M.J., Berry J.D. Advanced Multi-tube mixer combustion for 65 % efficiency. DoE 2019 UTSR Workshop, November 5 th, Orlando.

34. Ansaldo Energia. Sustainability report. Forward-thinking energy. - 2020.

35. Lieuwen T., Yang V. Gas turbine emissions. - Cambridge University, 2013.

36. Development of GT24 and GT26 (upgrades 2011) reheat combustors, achieving reduced emissions and increased flexibility / K.M. Dusling, A. Ciani, U. Benz, K. Knapp // Proceedings of ASME Turbo Expo-

2013, June 6-10, Vancouver. - Paper № GT2013-95437.

37. Superior fuel and operational flexibility of sequential combustion in Ansaldo Energia gas turbines / A. Ciani, M. Bothien [et al.] // Proceeding of Global and Propulsion Society Technical Conference 2019. 16-17 January, 2019. - Paper № GPPS-TC-2019-032.

38. Flamesheet combustor engine and rig validation for operational and fuel flexibility with low emissions / P. Stuttaford, H. Rizkalla, K. Oumejjong [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-56696.

39. FlameSheet. A Revolution in combustion technology for power generation [Электронный ресурс]. -URL: https://www.psm.com/wp-content/uploads/2021/07/PSM_Hanwha_FlameSheet_2021-1.pdf (дата обращения: 04.08.2023).

40. Sttuttaford P. Low/zero carbon emission for gas turbine power generation (1 MW to 500 MW [Электронный ресурс]. - URL: https://thomassen.energy/wp-content/uploads/2020/11/Low-Zero-Carbon-Solutions-for-GT-Power-Generation.pdf (дата обращения: 04.08.2023).

41. Appleyard D. Hitting 100 % Hydrogen // Gas Turbine World May-June 2019.

42. Stuttaford P., Rizkalla H., Chen Y. Extended turndown, fuel flexible gas turbine combustion system // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2010, June 14-18, Glasgow, UK. - Paper № GT2010-22585.

43. Flamesheet combustor extended engine validation for operational flexibility and low emissions / H. Rizkalla, F. Hernandez, R. KeshavaBhattu, P. Stuttaford // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2018, June 11-15, Oslo, Norway. - Paper № GT2018-75764.

44. Lieve R. Flexibility Upgrades For Future Energy. - Ansaldo Thomassen, October 2019.

45. An introduction to the Ansaldo GT36 constant pressure sequential combustor / D.A. Pennel, M.R. Bothien [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64790.

46. Toward the realization of a hydrogen society - trustworthy solutions for the future. - Kawasaki Heavy Industries Ltd, 2021.

47. Enhancement of fuel flexibility of industrial gas turbines by development of innovative hydrogen combustion systems / N. Tekin, M. Ashikaga, A. Horikawa, H. Funke // Reports, Gas Turbine. - Gas for energy. -2018. - Issue 2.

48. Toward the Realization of a Hydrogen Society - Introduction of Kawasaki Gas Turbines and Gas Engines [Электронный ресурс]. - 2022. - URL: https://global.kawasaki.com/en/energy/pdf/20220915_hydrogen-introduction_e.pdf (дата обращения: 04.08.2023).

49. Horikawa A., Okada K., Ashikada M. Hydrogen Utilization - Development of Hydrogen Fueled Power Generation Technologies // Kawasaki Technical review № 182 [Электронный ресурс]. - 2021. - URL: https://global.kawasaki.com/en/corp/rd/magazine/182/pdf/n182en08.pdf (дата обращения: 04.08.2023).

50. Kawasaki gas turbine generator sets. -Kawasaki Heavy Industries Ltd.

51. Enchancement of fuel flexibility of industrial gas turbines by development of innovative hydrogen combustion systems [Электронный ресурс] / N. Tekin, M. Ashikaga [et al.] // Gas for energy. - 2018. - № 2. -URL: https://www.kawasaki- gasturbine.de/files/gfe2_18_fb_Tekin.pdf (дата обращения: 04.08.2023).

52. Comparison of numerical combustion models for hydrogen and hydrogen-rich syngas applied for dry-low-NOx-Micromix-combustion / H.H.-W. Funke, N. Beckmann, J. Keinz, S. Abanteriba // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-56430.

53. Numerical combustion and heat transfer simulations and validation for a hydrogen fueled "Micromix" test combustor in industrial gas turbine application / C. Striegan, A. Haj Ayed, K. Kusterer [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64719.

54. Numerical and experimental evaluation of a dual-fuel Dry-low-NOx Micromix combustor for industrial gas turbine applications / H.H.-W. Funke, N. Beckmann, J. Keinz, S. Abanteriba // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64795.

55. Experimental and Numerical characterization of the Dry low NOx Micromix hydrogen combustion principle at increased energy density for industrial hydrogen gas turbine applications / H.H.-W. Funke, Haj Ayed A., K. Kusterer [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2013, June 3-7, San Antonio, Texas, USA. -Paper № GT2013-94771.

56. Experimental and Numerical Study of the Micromix Combustion Principle Applied for Hydrogen and HydrogenRich Syngas as Fuel with Increased Energy Density for Industrial Gas Turbine Applications / H.H.-W. Funke [et al.] // Energy Procedia. - 2014. - Vol. 61. - P. 1736-1739

57. Anis Haj Ayed. Numerical Characterization and development of the Dry Low NOx High Hydrogen Content Fuel Micromix Combustion for Gas Turbine Applications. Summary of PhD Thesis, March, 2017.

58. Global.kawasaki: сайт [Электронный ресурс]. - URL: https://global.kawasaki.com/en/corp/new-sroom/news/detail/? f = 20221205_1528 (дата обращения: 04.04.2023).

59. Karakas E. Current picture of co-firing and future prospects for hydrogen-rich fuels // Berlin Energy Transition Dialogue, 2021. - March 18.

60. Hydrogen-fired Gas Turbine targeting realization of CO2-free society / M. Nose, T. Kawakami, H. Araki [et al.] // Mitsubishi Heavy industries Technical Review. - December 2018. - Vol. 55, № 4.

61. Applicability of a multiple-injection burner to dry Low-NOx combustion of hydrogen-rich fuels / T. Asai, H. Koizumi, S. Dodo [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2010, June 14-18, Glasgow, UK. -Paper № GT 2010-22286.

62. Performance of multiple-injection dry Low-NOx combustor of hydrogen-rich syngas in an IGCC pilot plant / T. Asai, S. Dodo, M. Karishuku [et al.] // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2014, June 16-20, Dusseldorf, Germany. - Paper № GT2014-25298.

63. Part load operation of a multiple-injection dry low NOx combustor on hydrogen-rich syngas fuel in an IGCC pilot plant GT2015-42312 / T. Asai, S. Dodo, M. Karishuku [et al.].

64. Development of gas turbine combustors for fuel flexibility. The future of Gas Turbine Technology / T. Asai, K. Miura, Y. Matsubara [et al.] // 8-th International Gas Turbine Conference, 2016, 12-13 October, Brussels, Belgium. - Paper ID Number 76-IGTC16.

65. Large eddy simulation of a multiple-injection dry low NOx combustor for hydrogen-rich syngas fuel at high pressure / K. Yunoki, T. Murota, T. Asai, T. Okazaki // Proceedings of ASME Turbo Expo. - 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-58119.

66. Hydrogen in natural gas - combustion and compression / R. Kurz, L. Cowell, T. Tarver, A. Singh // Gas Turbines for Energy Network Symposium. BANNF, Alberta, Canada, October 2019. - Paper № 19-GTEN-302.

67. Solar turbines, 2013. Development of low NOx, medium sized industrial gas turbine operating on hydrogen rich and opportunity fuels. Final technical report covering period 1/21/09 thru 7/31/13. DE-FC26-09NT05873, Oct 2013.

References

1. Hydrogen gas turbines. The path towards a zero-carbon gas turbine, ETN Global, 2020.

2. J.Davison, A review of gas turbines and their ability to use hydrogen-containing fuel gas. Report for energy technologies institute, 2016.

3. Wind T., Guthe F., Syed K Co-firing of hydrogen and natural gases in lean premixed conventional and reheat burners (Alstom GT26) Proceedings of ASME Turbo Expo, 2014, June 16-20, Dusseldorf, Germany. -Paper № GT2014-25813.

4. Lieuwen, T., McDonnell, V., Petersen, E., and Santavicca, D., 2006, "Fuel flexibility influences on premixed combustor blowout", ASME paper No. GT2006-90770.

5. Noble D., Wu, D., Emerson, B., Sheppard, S., Lieuwen, T., Angello, N., Assesment of current capabilities and near-term availability of hydrogen-fired gas turbines considering low-carbon future. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, April 2021, vol. 143.

6. Bohan K., Klapdor E.V. et al. Hydrogen power with Siemens gas turbines. Reliable carbon-free power with flexibility. Siemens Gas and power GmbH&Co. KG., 2020.

7. Carrera A.M., Geipel P., Larsson A., Magnusson R. Verification of single digit emission performance of a 24 MW gas turbine - SGT-600 3rd generation DLE // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-63089.

8. Lyckstrom A. Hydrogen Combustion in Siemens Gas Turbines, Siemens Energy, 2020.

9. Bonaldo A., Andersson M., Larsson A. Engine testing using highly reactive fuels on Siemens industrial Gas turbines. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2014, June 16-20, Dusseldorf, Germany. - Paper № GT2014-26023.

10. Runyon J., Psomoglou I., Kahraman R., Jones A. Additive Manufacture and the gas turbine combustor: Challenges and opportunities to enable low-carbon fuel flexibility. 10-th international Gas turbine conference, October 11-15, 2021 Brussels, Belgium.

11. Moell D. Modelling of methane and hydrogen enriched methane flames in industrial gas turbine burners. Thesis for the degree of Doctor in Philosophy. Lund University, Department of energy sciences, 2018

12. Siemens energy, available at. - URL: https://www.siemens-energy.com/global/en/news/magazine/ 2022/tackling-petrochemicals-energy-transition-with-hydrogen.html (accessed 04.12.2023)

13. Carrera A.M., Andersson M., Nasval H. Experimental investigation of the 4th generation DLE burner concept: emissions and fuel flexibility performance at atmospheric conditions // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2011, June 6-10, Vancouver. - Paper № GT2011-46387.

14. Hellberg A. SGT-750- 37 MW Gas Turbine // 19-th Symposium on industrial application of gas turbines (IAGT). Banff, Canada, 17-19 October 2011r.

15. Kundu A., Klingmann J., Subash A.A., Collin R., Fuel Flexibility of a multi-staged prototype gas turbine burner. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64782.

16. Kundu A., Klingmann J., Subash A.A., Collin R. Flame stabilization and emission characteristics of a prototype gas turbine burner at atmospheric conditions. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-57336.

17. Lindman O., Andersson M., Bonaldo A. et al. SGT-750 fuel flexibility: engine and rig tests. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-63412.

18. Bulat G., Liu K., Brickwood G., Sanderson V. Intelligent operation of Siemens (SGT-300) DLE gas turbine combustion system over an extended fuel range with low emissions. Proceedings of ASME Turbo Expo,

2011, June 6-10, Vancouver, Canada. - Paper № GT2011-46103.

19. Bulat G., Liu K., Brickwood G., Sanderson V., Igoe B. Intelligent operation of Siemens (SGT-300) DLE gas turbine combustion system over an extended fuel range with low emissions // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2013, June 6-10, Vancouver. - Paper № GT2013-46103.

20. Liu K., Alexander V., Sanderson V., Bulat G. Extension of fuel flexibility in the Siemens dry low emissions SGT-300-1S to cover a Wobbe Index range of 15 to 49 Mj/m3. Proceedings of ASME Turbo Expo,

2012, June 11-15, Copenhagen, Denmark. - Paper № GT2012-68838.

21. Lam K.-K., Parsania N., Hydrogen enriched combustion testing of Siemens SGT-400 at high pressure conditions. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-57470.

22. Wilis J.D., Moran J.A. Industrial RB211 DLE gas turbine combustion update // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2000, May 8-11, Munich. - Paper № 2000-GT-109.

23. Barkey C., Richards S., Harrop N., Kotsiopriftis P., Mastroberardino R., Squires D., Scarinci T. Rolls-Royce Industrial Trent: combustion and other technologies. Proceedings of International Symposium of Air Breathing Engines, 1999. - Paper № ISABE99-7285.

24. Rokke P., Hustad J. et al. Technology update on gas turbine dual fuel, dry low emission combustion systems // Proceedings of ASME Turbo Expo, Atlanta, USA, 16-19 June 2003.- Paper № GT 2003-38112

25. Becker B., Thien V. High-efficiency gas turbine operating in intermediate duty. Proceedings of the international Gas Turbine Congress, 2003, November 2-7, Tokyo, Japan, Paper № IGTC2003Tokyo TS-098

26. Siemens gas turbine SGT5-4000F. Siemens AG, 2008.

27. Johnson C., Pepperman B. et. al. Ultra low NOx combustion Technology. Power-Gen International, 2008

28. Goldmeer J., Catillaz J. Hydrogen for Power Generation. Experience, requirements, and implications for use in gas turbines, GEA34805 (03/22) ge.com/gas-power /future-of-energy, 2022.

29. Hydrogen Capable Gas Turbines for Deep Decarbonization. Report from Electric Power Research Institute, 2019.

30. In mediaprod, available at. - URL: http://www.in-mediaprod.com/en/http-vimeopro.com-inmediaprod-selection-site-internet-video-55364725-324.htm (accessed 03.20.2023)

31. Zajadatz M., Guthe F., et al. Extended range of fuel capability for GT13E2 AEV burner with liquid and gaseous fuels. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2018, June 11-15, Oslo, Norway. Paper № GT2018-76374.

32. York W.D., Ziminsky W.S., Development and testing of a low NOx Hydrogen combustion system for heavy duty gas turbines. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2012, June 11-15, Copenhagen, Denmark. -Paper № GT2012-69913.

33. Hughes M.J., Berry J.D. Advanced Multi-tube mixer combustion for 65 % efficiency. DoE 2019 UTSR Workshop, November 5 th, Orlando.

34. Ansaldo Energia. Sustainability report. Forward-thinking energy. 2020.

35. T.Lieuwen, V.Yang. Gas turbine emissions. Cambridge University, 2013.

36. Dusling K.M., Ciani A., Benz U., Knapp K Development of GT24 and GT26 (upgrades 2011) reheat combustors, achieving reduced emissions and increased flexibility Proceedings of ASME Turbo Expo, 2013, June 6-10, Vancouver. - Paper № GT2013-95437.

37. Ciani A., Bothien M. et al. Superior fuel and operational flexibility of sequential combustion in Ansaldo Energia gas turbines. Proceeding of Global and Propulsion Society Technical Conference 2019. 16-17 January, 2019. Paper № GPPS-TC-2019-032.

38. Stuttaford P., Rizkalla H., Oumejjong K. et al. Flamesheet combustor engine and rig validation for operational and fuel flexibility with low emissions Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-56696.

39. FlameSheet. A Revolution in combustion technology for power generation, available at: URL: https://www.psm.com/wp-content/uploads/2021/07/PSM_Hanwha_FlameSheet_2021-1.pdf (accessed 04.08.23)

40. P.Sttuttaford. Low/zero carbon emission for gas turbine power generation (1 MW to 500 MW), available at: URL: https://thomassen.energy/wp-content/uploads/2020/11/Low-Zero-Carbon-Solutions-for-GT-Power-Generation.pdf (accessed 04.12.23)

41. David Appleyard. Hitting 100 % Hydrogen. Gas Turbine World May-June 2019.

42. Stuttaford P., Rizkalla H., Chen Y. Extended turndown, fuel flexible gas turbine combustion system. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2010, June 14-18, Glasgow, UK. - Paper № GT2010-22585.

43. Rizkalla H., Hernandez F., KeshavaBhattu R., Stuttaford P. Flamesheet combustor extended engine validation for operational flexibility and low emissions. Proceedings of ASME Tu!bo Expo, 2018, June 11-15, Oslo, Norway. Paper № GT2018-75764.

44. Lieve R. Flexibility Upgrades For Future Energy. Ansaldo Thomassen, October 2019.

45. Pennel D.A., Bothien M.R. et al. An introduction to the Ansaldo GT36 constant pressure sequential combustor. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64790.

46. Toward the realization of a hydrogen society - trustworthy solutions for the future, Kawasaki Heavy Industries Ltd, 2021.

47. Tekin N., Ashikaga M., Horikawa A., Funke H. Enhancement of fuel flexibility of industrial gas turbines by development of innovative hydrogen combustion systems // Reports, Gas Turbine. - Gas for energy. -Issue 2. - 2018.

48. Toward the Realization of a Hydrogen Society -Introduction of Kawasaki Gas Turbines and Gas Engines, 2022, available at: URL: https://global.kawasaki.com/en/energy/pdf/20220915_hydrogen-introduction_e.pdf (accessed 04.08.23)

49. Horikawa A., Okada K., Ashikada M. Hydrogen Utilization - Development of Hydrogen Fueled Power Generation Technologies // Kawasaki Technical review № 182, 2021, available at: URL: https://global.kawa-saki.com/en/corp/rd/magazine/182/pdf/n182en08.pdf (accessed 04.21.23)

50. Kawasaki gas turbine generator sets, Kawasaki Heavy Industries Ltd.

51. Tekin N., Ashikaga M. et al. Enchancement of fuel flexibility of industrial gas turbines by development of innovative hydrogen combustion systems [электронный ресурс] // Gas for energy. - 2018. - № 2, available at: https://www.kawasaki- gasturbine.de/files/gfe2_18_fb_Tekin.pdf (accessed 04.19.23)

52. Funke H.H.-W., Beckmann N., Keinz J., Abanteriba S. Comparison of numerical combustion models for hydrogen and hydrogen-rich syngas applied for dry-low-NOx-Micromix-combustion. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-56430.

53. Striegan C., Haj Ayed A., Kusterer K. et al. Numerical combustion and heat transfer simulations and validation for a hydrogen fueled "Micromix" test combustor in industrial gas turbine application. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64719.

54. Funke H.H.-W., Beckmann N., Keinz J., Abanteriba S. Numerical and experimental evaluation of a dual-fuel Dry-low-NOx Micromix combustor for industrial gas turbine applications. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2017, June 26-30, Charlotte. - Paper № GT2017-64795.

55. Funke H.H.-W., Haj Ayed A., Kusterer K. et al. Experimental and Numerical characterization of the Dry low NOx Micromix hydrogen combustion principle at increased energy density for industrial hydrogen gas turbine applications. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2013, June 3-7, San Antonio, Texas, USA. - Paper № GT2013-94771.

56. Funke H.H.-W et al. Experimental and Numerical Study of the Micromix Combustion Principle Applied for Hydrogen and HydrogenRich Syngas as Fuel with Increased Energy Density for Industrial Gas Turbine Applications // Energy Procedia - 2014 - Vol. 61 - Pp. 1736-1739

57. Anis Haj Ayed. Numerical Characterization and development of the Dry Low NOx High Hydrogen Content Fuel Micromix Combustion for Gas Turbine Applications. Summary of PhD Thesis, March, 2017.

58. Global.kawasaki, available at URL: https://global.kawasaki.com/en/corp/newsroom/news/detail/? f = 20221205_1528 (accessed 04.04.2023).

59. Karakas E. Current picture of co-firing and future prospects for hydrogen-rich fuels. Berlin Energy Transition Dialogue, March 18, 2021.

60. Nose M., Kawakami T., Araki H. et al. Hydrogen-fired Gas Turbine targeting realization of CO2-free society. Mitsubishi Heavy industries Technical Review, Vol. 55, № 4, December 2018.

61. Asai T., Koizumi H., Dodo S. et al. Applicability of a multiple-injection burner to dry Low-NOx combustion of hydrogen-rich fuels. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2010, June 14-18, Glasgow, UK - Paper № GT 2010-22286.

62. Asai T., Dodo S., Karishuku M. et al. Performance of multiple-injection dry Low-NOx combustor of hydrogen-rich syngas in an IGCC pilot plant. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2014, June 16-20, Dusseldorf, Germany. - Paper № GT2014-25298.

63. Asai T., Dodo S., Karishuku M. et al. Part load operation of a multiple-injection dry low NOx combustor on hydrogen-rich syngas fuel in an IGCC pilot plantGT2015-42312.

64. Asai T., Miura K., Matsubara Y. et al. Development of gas turbine combustors for fuel flexibility. The future of Gas Turbine Technology. 8-th International Gas Turbine Conference, 12-13 October, 2016, Brussels, Belgium. Paper ID Number 76-IGTC16.

65. Yunoki K., Murota T., Asai T., Okazaki T. Large eddy simulation of a multiple-injection dry low NOx combustor for hydrogen-rich syngas fuel at high pressure. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2016, June 13-17, Seoul, South Korea. - Paper № GT2016-58119.

66. Kurz R., Cowell L., Tarver T., Singh A. Hydrogen in natural gas - combustion and compression. Gas Turbines for Energy Network Symposium. BANNF, Alberta, Canada, October 2019. Paper № 19-GTEN-302.

67. Solar turbines, 2013. Development of low NOx, medium sized industrial gas turbine operating on hydrogen rich and opportunity fuels, Final technical report covering period 1/21/09 thru 7/31/13. DE-FC26-09NT05873, Oct 2013.

Об авторах

Снитко Максим Александрович (Пермь, Российская Федерация) - заместитель генерального конструктора - главный конструктор приводных газотурбинных установок, ОДК-Авиадвигатель (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 93, e-mail: [email protected]).

Сипатов Алексей Матвеевич (Пермь, Российская Федерация) - начальник отделения камер сгорания, ОДК-Авиадвигатель (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 93, e-mail: [email protected]).

Абрамчук Тарас Викторович (Пермь, Российская Федерация) - заместитель начальника отдела по расчетным работам по камерам сгорания, ОДК-Авиадвигатель (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 93, e-mail: [email protected]).

Митрофанова Юлия Александровна (Пермь, Российская Федерация) - инженер-конструктор-расчетчик отдела по расчетным работам по камерам сгорания, ОДК-Авиадвигатель (Пермь, 614990, Ком-сосмольский пр., 93, e-mail: [email protected]).

About the authors

Maksim A. Snitko (Perm, Russian Federation) - Deputy General Designer - Chief Designer of Mechanical Drive Gas Turbines, UEC-Aviadvigatel (93, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: [email protected]).

Aleksey M. Sipatov (Perm, Russian Federation) - Head of Combustor Division, UEC-Aviadvigatel (93, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: [email protected]).

Taras V. Abramchuk (Perm, Russian Federation) - Deputy Head of Combustor Analysis Department, UEC-Aviadvigatel (93, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: [email protected]).

Julia A. Mitrofanova (Perm, Russian Federation) - CFD Engineer of Combustor Department, UEC-Aviadvigatel (93, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: [email protected]).

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.

Поступила: 03.11.2023

Одобрена: 03.11.2023

Принята к публикации: 11.12.2023

Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Технологии сжигания ме-тановодородных видов топлива и конструкций камер сгорания для промышленных газотурбинных установок, работающих на метановодородной смеси / М.А. Снитко, А.М. Сипатов, Т.В. Абрамчук, Ю.А. Митрофанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2023. -№ 75. - С. 69-102. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.08

Please cite this article in English as: Snitko M.A., Sipatov A.M., Abramchuk T.V., Mitrofanova Yu.A. Technologies of combustion of methane-hydrogen fuels and cs structures for industrial gas turbine engines operating on a methane-hydrogen mixture. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2023, no. 75, pp. 69-102. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.08