CC BY
7
Universal Combustion Chamber for Utilization of Petroleum Gases of Different Composition and Heat Output
Shilova A.A., Bachev N.L., Matyunin O.O.
Perm National Research Polytechnic University Perm, Russia
Abstract. When developing micro-gas turbine power plants, it is necessary to have universal two-zone combustion chambers for utilizing petroleum gases of different composition and heat output at different oil deposits. In the combustion zone, the excess air ratio is selected from the interval between the lower and upper concentration limits of combustion. In the dilution zone by supplying secondary air, the working fluid with specified parameters is prepared for supply to the turbine. The excess air coefficient at the exit from the combustion chamber is determined from the energy balance equation and depends on the air and fuel gas parameters at the entrance to the combustion chamber and on the temperature of the working fluid at the entrance to the turbine. The purpose of this work is to develop recommendations for creating a universal combustion chamber for combustion of fuel gases of different composition and heat output. This goal is achieved by selecting the diameter of the chamber in order to ensure the required ratios between the average flow rate of the combustible air mixture and the rate of turbulent combustion, at which a stable position of the flame front is observed. The most noticeable result of the research conducted is substantiation of the possibility of using a universal combustion chamber with constant dimensions in utilization gas turbine installations designed for burning nonstandard fuel gases with ballasting components content up to 70%, which will reduce the time and cost of development and implementation of these installations.
Keywords: ballasted petroleum gas, diameter of the universal combustion chamber, flame front stable
position, power range of power plants.
DOI: https://doi.org/10.52254/1857-0070.2021.1-49.12
UDC: 665.612.2
Camera de ardere universala pentru utilizarea gazelor petroliere cu diferite compozitii si putere termica
Silova A.A., Bacev N.L., Matiunin O.O.
Universitatea Nationala Politehnica de cercetare din Perm Perm, Federatia Rusa
Rezumat. in proces de elaborare a centralelor electrice de utilizare a instalatiillor de microturbine cu recuperare cu gaze, este necesar sa se aiba in componenta lor camere de ardere universale cu doua zone lor pentru utilizarea gazelor petroliere cu compozitie diferita si putere termica din diferite zacamante. in zona de ardere, arderea stabila a gazului de petrol cu balast are loc la temperaturi ridicate. Debitele de aer si gaz combustibil din aceasta zona sunt selectate in asa fel incat sa se asigure excesul de raport de aer in intervalul dintre limitele de concentratie inferioara si superioara de ardere. Studiile preliminare au aratat ca pentru gazele petroliere cu un continut de component de balastare de pana la 80%, excesul de coeficient de aer din zona de ardere poate fi luat egal cu 1.5. in zona de diluare prin furnizarea de aer secundar, fluidul de lucru este preparat cu parametrii specificati pentru alimentarea turbinei. Scopul acestei lucrari este de a elabora recomandari pentru crearea unei camere de ardere universale pentru arderea gazelor combustibile cu diferite compozitii si putere termica. Acest obiectiv este atins prin selectarea diametrului camerei pentru a asigura raporturile necesare intre debitul mediu al amestecului de aer combustibil si rata de ardere turbulenta, la care se respecta o pozitie stabila a frontului flacarii. Rezultatul cel mai semnificativ al cercetarii este confirmarea posibilitatii de utilizare a unei camere de ardere universale cu dimensiuni constante in instalatiile de utilizare a turbinei cu gaz concepute pentru arderea gazelor combustibile nestandardizate cu componente de balastare pana la 70%, ceea ce va reduce timpul si costul a implementarii lor.
Cuvinte-cheie: gaz petrolier balastat, diametrul camerei de ardere universale, pozitia stabila a frontului flacarii, gama de putere a centralelor electrice.
© fflHTOBa A.A., EaneB H..H., MaTMHHH O.O., 2021
Универсальная камера сгорания для утилизации разнородных по составу и теплопроизводительности нефтяных газов Шилова А.А., Бачев Н.Л., Матюнин О.О.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет Пермь, Российская Федерация Аннотация. При разработке отечественных микрогазотурбинных утилизационных энергоустановок необходимо иметь в их составе универсальные двухзонные камеры сгорания для утилизации разнородных по составу и теплопроизводительности нефтяных газов на разных месторождениях. В зоне горения происходит устойчивое горение забалластированного нефтяного газа при высоких температурах. Расходы воздуха и топливного газа в эту зону выбираются таким образом, чтобы обеспечить коэффициент избытка воздуха в интервале между нижним и верхним концентрационными пределами горения. Предварительные исследования показали, что для нефтяных газов с содержанием балластирующих компонентов до 80 % коэффициент избытка воздуха в зоне горения может быть принят равным 1.5. В зоне разбавления подводом вторичного воздуха происходит подготовка рабочего тела с заданными параметрами для подачи на турбину. Коэффициент избытка воздуха на выходе из камеры сгорания определяется из уравнения энергетического баланса и зависит от температуры воздуха, состава, теплопроизводительности и температуры топливного газа на входе в камеру сгорания, от температуры рабочего тела на входе в турбину и от режимных параметров применяемых турбокомпрессоров в составе газотурбинной установки. Целью настоящей работы является выработка рекомендаций по созданию универсальной камеры сгорания для сжигания разнородных по составу и теплопроизводительности топливных газов. Указанная цель достигается подбором диаметра камеры, с целью обеспечения потребных соотношений между среднерасходной скоростью горюче-воздушной смеси и скоростью турбулентного горения, при которых наблюдается стабильное положение фронта пламени. Наиболее значимым результатом проведенных исследований является обоснование возможности использования универсальной камеры сгорания с постоянными размерами в утилизационных газотурбинных установках, предназначенных для сжигания нестандартных топливных газов с содержанием балластирующих компонентов до 70%, что позволит сократить время и стоимость их внедрения. Ключевые слова: забалластированный нефтяной газ, диаметр универсальной камеры сгорания, устойчивое положение фронта пламени, мощностной ряд энергоустановок.
ВВЕДЕНИЕ
Разработки отечественного утилизационного микротурбинного энергоагрегата требуют создания универсальной двухзонной камеры сгорания (КС) для сжигания разнородных по составу и теплопроизводительности топливных газов. В соответствии с результатами исследований по концентрационным пределам горения нефтяных газов (НГ) с различным содержанием балластирующих компонентов [1, 2, 3, 4, 5] предложено выбирать в первичной зоне двухзонной КС коэффициент избытка воздуха равный 1,5. Значение коэффициента избытка воздуха в зоне разбавления на выходе из двухзонной КС зависит от параметров подачи воздуха и топливного газа в камеру сгорания, от теплопроизводительно-сти и состава топливного газа и от параметров подачи рабочего тела в сопловой аппарат турбины. Кроме того, для стабильного положения фронта пламени при сжигании разнородных по составу и теплопроизводительно-сти топливных газов необходимо соблюдать определенное соотношение между средне-расходной скоростью горюче-воздушной
смеси (ГВС) и скоростью турбулентного горения.
Сегодня имеется большое количество экспериментальных исследований, посвященных вопросам стабилизации пламени [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. В работах [8, 13, 14] получены экспериментальные данные по влиянию добавки газообразного водорода в состав топливных композиций на стабилизацию фронта горения. Имеются также экспериментальные данные по влиянию закрутки потока в завихрителе на устойчивость горения [11]. Влияние геометрических размеров узлов подачи на устойчивость диффузионного горения исследовано в [12]. Расчетно-экспериментальные исследования [15] показывают влияние давления и температуры подачи ГВС на положение фронта пламени.
Численное моделирование диффузионного или гомогенного горения [16, 17, 18, 19, 20, 21, 22] проводилось с целью исследования положения пламени при влиянии различных факторов на входе в КС. В работе [17] рассмотрено влияние условий в зоне обратных токов на характеристики горения. В [19] рассмотрены вопросы термоакустической неста-
бильности в КС газотурбинных установок (ГТУ) при использовании газообразного водорода в качестве топлива. Прогнозированию пределов срыва диффузионных пламен посвящена работа [20]. Численное моделирование [21, 22] посвящено вопросам динамики поведения пламени в КС ГТУ.
Информационно-аналитический показал, что расчетно-экспериментальные исследования в основном были направлены на выяснения влияния отдельных факторов на стабильное положение фронта пламени. Только в отдельных работах [12, 20, 21, 22] делается попытка выработать критерии стабильности пламени.
Отличительной особенностью данной работы является рассмотрение стабильного положения фронта пламени с использованием соотношения между среднерасходной скоростью ГВС и скоростью турбулентного горения, которое комплексно учитывает влияние различных факторов. Предлагается определение геометрических размеров камеры для обеспечения устойчивого горения с использованием обобщенного параметра относительная расходонапряженность.
Целью данной работы является выработка рекомендаций по созданию универсальной КС для сжигания разнородных по составу и теплопроизводительности топливных газов. Для универсальной КС принципиальным является вопрос о стабильном положении фронта пламени при сжигании различных композиций нестандартных топливных газов разного состава с воздухом. Устойчивое положение фронта пламени зависит от соотношения между среднерасходной скоростью и скоростью турбулентного горения ГВС. В результате расчетов газодинамических характеристик турбулентного горения получены возможные диапазоны диаметров универсальной КС для мощностного ряда энергоустановок, при которых наблюдается стабильное положение фронта пламени.
ТЕРМОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗНОРОДНЫХ ПО СОСТАВУ И ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗАБАЛЛАСТИРОВАННЫХ ТОПЛИВНЫХ ГАЗОВ
Для определения режимных и геометрических параметров универсальной утилизационной КС требуется информация об основных термохимических характеристиках не-
стандартных топливных газов. В данной работе в качестве топливных газов рассматриваются метан и реальные НГ различных месторождений РФ. Составы рассматриваемых топливных газов приведены в таблице 1.
Условная химическая формула топливного газа, заданного компонентным составом, имеет следующий вид CzcHzнSzsOzoNzN.
Количество атомов /-го элемента (/—С, И, Б, О, К):
2 = ЕаУ^,
где аУ) — объемная доля у-го компонента в
составе топливного газа; ^ — количество
атомов /-го элемента в молекуле '-ого компонента.
Массовый элементный состав топливного газа:
А2
аш, =
Е АЛ,'
где А — атомная масса /-го элемента.
Массовое стехиометрическое соотношение между топливным газом и воздухом:
8
• аш^ор + 8 • аш™р + аш™1' - аш™*
Кшо =-
аш°к - ^ • аш°к - 8 • аш°к - аш°к
Плотность нестандартного топливного газа:
р = Еау. р.,
где р. — плотность у-го компонента в
составе топливного газа.
Массовая доля у-го компонента:
Р1 v
аш = — аУ:.
1 Р 1
Теплопроизводительность, удельные изобарная и изохорная теплоемкости топливного газа вычисляются по формулам:
Ни = ,
ср =еаш1ср1, С =еаш1су1,
где Ни , с , с — теплопроизводитель-ность, удельные изобарная и изохорная теп-
3
PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE 1 (49) 2021 лоемкости у-го компонента в составе топлив- ного газа.
Таблица 11.
Составы нефтяных газов2.
Топливные газы (Fuel gases)
Компонент, об. %, (Component, % vol.) 1 2 3 4 5 6
CH4 100 58.0 18.7 5.1 8.4 4.2
C2H6 0 7.2 15.2 3.1 5.1 2.0
C3H8 0 8.5 15.9 5.5 4.2 2.3
C4H10 0 7.0 7.4 9.8 1.7 1.5
C5H12 0 5.8 1.3 5.2 1.2 0.7
C6H14 0 0 0.3 0 0.4 0.2
H2S 0 0 0.3 0 0 0
CO2 0 3.0 0.9 4.7 0.3 0
N2 0 10.5 40.3 66.6 78.7 89.0
aV6 0 13.5 41.2 71.3 79 89
Термохимические характеристики исследуемых топливных газов, рассчитанные по
приведенному выше алгоритму, приведены в таблице 2.
Таблица 23.
Термохимические ха
эактеристики нефтяных газов4.
vV6, Hu, c,, R,
№ об. % Km0 МДж/кг Дж/кгК Дж/кгК Дж/кгК k
(% vol.) (MJ/kg) (J/kgK) (J/kgK) (J/kgK)
1 0 15.544 50.1 2448 1928 520 1.27
2 13.5 12.383 40.7 1970 1730 240 1.15
3 41.2 9.008 30.4 1722 1464 258 1.18
4 71.3 5.544 19.2 1448 1219 229 1.21
5 79 3.394 11.9 1310 1025 285 1.28
6 89 1.792 6.6 1190 900 290 1.32
На рисунке 1 приведены графические за- нефтяных газов с содержанием балластиру-висимости Кт0 = /(аУ6) и Ни = /(аУ6) для ющих компонентов до 90 %.
Рис.1. Влияние балластирующих компонентов на массовое стехиометрическое соотношение и теплопроизводительность нефтяных газов.5
1,2,3,4,5 Appendix 1
Анализ показывает, что с увеличением содержания балластирующих компонентов массовое стехиометрическое соотношение уменьшается. Это объясняется необходимостью увеличенного подвода забалластированного топливного газа к единице объема топливо-воздушной смеси для получения заданных параметров горения. Теплопроизво-дительность топливного газа с увеличением содержания балластирующих компонентов уменыпается.
и О 10 20 30 40 50 60 70 Е0 90
сУб, %
Рис.2. Влияние балластирующих компонентов на концентрационные пределы горения.6
Коэффициенты избытка воздуха на верхнем и нижнем пределах горения определяются по методике, изложенной в работе [1]. Графические зависимости ан= / (аУ6) и
ае= / (аУ6) приведены на рисунке 2. Здесь
же показан способ выбора коэффициента избытка воздуха а в зоне горения двухзонной КС.
При содержании балластирующих компонентов до 70 % диапазон горения по концентрационным пределам находится при коэффициентах избытка воздуха а в среднем от 0.4 до 1.8. При содержании балластирующих компонентов более 70 % диапазон воспламеняемости забалластированных газов начинает резко сокращаться. Следовательно, целесообразно разрабатывать универсальную КС для утилизации НГ с содержанием балластирующих компонентов до 70 %.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УТИЛИЗАЦИОННОЙ МИКРОГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Камера сгорания является подсистемой микрогазотурбинной энергоустановки, поэтому при определении режимных и геометрических параметров КС необходима информация о режимных параметрах всей установки.
Принципиальная схема микрогазотурбинной энергоустановки для утилизации нестандартных топливных газов представлена на рисунке 3.
Предлагается следующий алгоритм определения режимных параметров энергоустановки.
• Удельная работа сжатия на компрессоре по магистрали окислителя (воздуха):
Н = с • Гк
к.ок р ок ок.вх
( м л
Е к -1
V
1 Чк
где с , к — удельная изобарная теплоемкость и показатель адиабаты окислителя; Т^вх — температура окислителя на входе в компрессор; е , ^ — степень сжатия и КПД компрессора.
• Давление воздуха на входе в камеру сгорания:
ркс =а • р • Е
± ок.вх ^ ВНА -'о с'
где стВНА — коэффициент полноты давления во входном направляющем аппарате; р — стандартное давление.
5 АррепШх 1
Рис.3. Принципиальные схемы микрогазотурбинной энергоустановки.7
• Температура воздуха на входе в камеру сгорания:
Н
г^кс _ Т -\__к.ок
ок.вх 0
где Т0 — стандартная температура.
• Удельная работа сжатия на компрессоре по магистрали горючего (топливного газа):
= с
• /
к.гор р гор гор.вх
( — ^ £ к -1
V у
1
Лк
Ркс =ст • РК ■£
-'гор.вх ВНА -'гор.вх
где Р^вх — давление топливного газа на входе в компрессор.
• Температура топливного газа на входе в камеру сгорания:
Т^кс _ Т^к . к.гор гор.вх гор.вх ,
где Ггорвх — температура топливного газа на входе в компрессор.
1 Т^кс . тт тт
1 С'р гор гор.вх и Л С'р газ газ.вх
К
с Т - с •Ткс
р газ газ.вх р ок ок.вх
где с , Тт
^ р газ > газ.вх
где с , к — удельная изобарная теплоемкость и показатель адиабаты турбине: горючего; Т^вх — температура горючего на входе в компрессор; £ , лк — степень сжатия и КПД компрессора.
• Давление топливного на входе в камеру сгорания:
— удельная изобарная
теплоемкость и температура рабочего тела на входе в турбину; л — полнота сгорания топливного газа.
• Степень расширения на турбине:
8 = Л£,
где коэффициент потерь по газовоздушному тракту (1 -Х) = 0,04... 0,07.
• Удельная работа расширения на
К = с
• /
т р газ газ.вх
1 -
к-1 8 к
•Лт
где лт — КПД турбины.
• Давление рабочего тела на выходе из турбины:
РР
Р1
>т _ газ.вх
газ .вых
8
где р^ — давление рабочего тела на входе в турбину.
• Температура рабочего тела на выходе из турбины:
ут _ ут
газ.вых газ.вх '
В традиционных микрогазотурбинных • Коэффициент ^ избытка вдзду^ на энергоустановках обычно используется
выходе из двухзонной КС, определяемый по параметрам ГТУ:
двухзонная КС. В первичной зоне (зоне
с
р ок
к
т
р гор
7 Appendix 1
66
горения) обеспечивается устойчивое горение при коэффициенте избытка воздуха а;, который выбирается из интервала между верхним и нижним концентрационными пределами горения топливного газа. Для организации устойчивого горения в первичной зоне предлагается выбирать коэффициент избытка воздуха а1 вблизи нижнего предела горения (см. рис. 2).
• Полезная работа энергоустановки:
¿пол ^т Нк ок .
• Массовый расход рабочего тела через турбину для обеспечения эффективной мощности Жпол:
• Коэффициент полезного действия энергоустановки:
ЧГТУ
ттор-Ни
Суммарный расход в зоне горения:
щ = ток1 +ттор.
• Диаметр камеры сгорания, при котором обеспечивается устойчивое положение фронта пламени:
О =
4-щ
яgк • рк
Массовый расход топливного газа:
1 + ссТТУ ■ Кт0
• Суммарный массовый расход окислителя (воздуха):
• Массовый расход воздуха в первичную зону:
• Массовый расход воздуха во вторичную зону:
«ок2 = «ок "»VI-
• Мощность, турбиной:
вырабатываемая
N =т -Ь .
т газ т
• Потребная мощность на привод компрессора:
Коэффициент полезной мощности:
где р — давление в камере сгорания; по условиям устойчивости внутрикамерного рабочего процесса относительная расходонапряженность =(0.8...2.5)-10^ кг/с Н.
РЕЖИМНЫЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УНИВЕРСАЛЬНОЙ КС ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ НГ С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ БАЛЛАСТИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ Расходные характеристики воздуха и топливного газа для ГТУ заданной мощности будут зависеть от коэффициента избытка воздуха аГТУ в зоне разбавления на выходе из двухзонной КС. В таблице 3 приведены расчетные значения аГТУ при утилизации НГ разного состава (табл.1) для утилизационной энергоустановки с турбокомпрессорами разного типа при степенях сжатия е = 1.8 и £ = 3.0.
При расчетах ат учитывались температура воздуха на входе в КС с« = /(Е,ау), температура топливного
газа на входе в КС = / (е, сгУб),
теплопроизводительность Ни = / (аУб),
массовое стехиометрическое соотношение Кш0 = / (аУб) при заданной температуре рабочего тела на входе в неохлаждаемую турбину ттзвх = 1200 К.
Ф =
N
т =т —т .
ок газ гор
Таблица 38.
Расчетные значения коэффициента избытка воздуха игту 9.
аУб, об. % (% то1.) Ткс К гор.вх > 7"гкс тг Ток.вх , К Тт , К газ.вх > ^ГТУ
е = 1.8 е = 3.0 е = 1.8 е = 3.0 е = 1.8 е = 3.0
0 324.7 361.7 346.5 406.0 1200 3.13 3.34
13.5 310.1 331.5 346.5 406.0 1200 3.17 3.38
41.2 313.5 338.4 346.5 406.0 1200 3.23 3.44
71.3 318.1 347.8 346.5 406.0 1200 3.25 3.46
79 325.8 364.1 346.5 406.0 1200 3.18 3.40
89 330.7 374.5 346.5 406.0 1200 3.10 3.32
На рисунке 4 представлены графические зависимости температуры топливного газа на входе в КС от содержания балластирующих компонентов для газотурбинных энергоустановок с двумя типами турбокомпрессоров со степенями сжатия е = 1.8 и е = 3.0.
380
300 -I---------
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
гтУв, %
Рис.4. Влияние балластирующих компонентов на температуру топливного газа на входе КС.10
Сложный характер этих зависимостей объясняется тем, что теплофизические характеристики (к, Ср, Я) сильно зависят от состава реальных НГ (см. табл. 2).
На рисунке 5 представлены графические зависимости агту, определяемые по параметрам энергоустановки, от содержания балластирующих компонентов в составе НГ для газотурбинных энергоустановок с двумя типами турбокомпрессоров со степенями сжатия е = 1.8 и е = 3.0.
Анализ данных на рисунке 5 показывает, что нелинейная зависимость ТтК°рвк = / (аУб)
оказывает сильное влияние на потребные значения агту в зоне разбавления КС. Кроме того, сильное влияние оказывает состав топливного газа. При содержании балластирую-
щих компонентов более 70 % для обеспечения заданной температуры на входе в турбину 7^вх =1200 К потребное значение расхода топливного газа т возрастает так сильно, что это приводит к уменьшению агту. Исследование зависимостей на рисунке 5 также показывает, что на разных месторождениях (разные составы НГ) требуется подбором расходов воздуха ?иок и топливного газа т
устанавливать свои значения агту на выходе из КС для поддержания заданной температуры на входе в турбину ТГвх . При этом значе-
8910 Appendix 1
ние коэффициента избытка воздуха в зоне горения а\ остается неизменным.
Расходные характеристики воздуха и топливного газа для энергоустановки в целом и их распределение по зонам горения зависят 3,5
от заданной мощности ^пол, коэффициента избытка воздуха на выходе из камеры сгорания агту и коэффициента избытка воздуха в зоне горения а1.
1,45
3,4
3,35
3,25
3,15 ЗД 3,05
£ = 3.0
£= 18
10
20
40
50
60
70
80
90
аУг„ %
Рис.5. Влияние балластирующих компонентов на коэффициенты избытка воздуха «ГТу.11
На рисунке 6 приведены потребные массовые расходы: рабочего тела через турбину ттш, воздуха ток, первичного воздуха в зоне горения ток1, вторичного воздуха в зоне разбавления и горючего в зоне горения т
для газотурбинных энергоустановок с двумя типами турбокомпрессоров со степенями сжатия £ = 1.8 и £ = 3.0 и мощностного ряда ^ол = 100 кВт и Ыпол = 200 кВт при утилизации НГ с разным содержанием балластирующих компонентов.
Анализ зависимостей на рисунке 6 показывает, что на разных месторождениях (разнородные НГ с различным содержанием балластирующих компонентов) требуется настройка регуляторов суммарного расхода воздуха и топливного газа для заданных турбокомпрессора и электрогенератора для выработки НГ заданного состава. Распределение воздуха в первичную и вторичную зоны внутри КС осуществляется в соответствии с геометрическими размерами узлов подачи.
При утилизации разнородных забалластированных НГ особое внимание необходимо уделить вопросам устойчивого положения фронта пламени в универсальной КС. Исследования газодинамики горения нефтяных газов разного состава показали, что для устойчивого положения фронта пламени требуется определенное соотношение между средне-расходной скоростью горюче-воздушной
смеси и скоростью турбулентного горения. Для определения диаметра камеры, обеспечивающего устойчивое положение фронта пламени, предлагается использовать в качестве обобщенного параметра рабочего процесса относительную расходонапряженность, которая должна находиться в диапазоне
= (0.8...2.5)-10 4кг/с-Н.
На рисунке 7 приведены минимальные и максимальные значения диаметров камеры, обеспечивающие устойчивое положение фронта пламени, для газотурбинных энергоустановок с двумя типами турбокомпрессоров со степенями сжатия £ = 1.8 и £ = 3.0 и мощностного ряда .Мюл = 100 кВт и ^пол = 200 кВт при утилизации НГ с разным содержанием балластирующих компонентов.
Анализ данных на рисунке 7 показывает, что для газотурбинной энергоустановки с заданным турбокомпрессором и электрогенератором существует возможность использования универсальной камеры сгорания с постоянным диаметром при утилизации НГ с содержанием балластирующих компонентов до 70 %. Следовательно, при определении геометрического облика универсальной камеры сгорания необходимо учитывать концентрационные пределы и газодинамические условия горения для обеспечения стабильного положения фронта пламени при утилизации нестандартных топливных газов разного состава и теплопроизводительности.
Appendix 1
а) е = 1.8; ^л = 100 кВт
б) е = 3.0; М,ол= 100 кВт
в) е = 1.8; МПол = 200 кВт
г) е = 3.0; Мпол = 200 кВт
1 - массовый расход рабочего тела через турбину; 2 - суммарный массовый расход воздуха; 3 - массовый расход горючего в зоне горения; 4 - массовый расход первичного воздуха в зоне горения; 5 - массовый расход вторичного воздуха в зоне разбавления.
Рис.6. Массовые расходные характеристики рабочего тела турбины, воздуха и топливного газа.12
40 60
<Лге, %
а) е = 1.8; ЛЛ™ = 100 кВт
40 60
аУ„: %
в) е = 1.8; ^пол = 200 кВт
б) е = 3.0; М,ол= 100 кВт
1
20 40 60 «0
с\\. %
г) е = 3.0; ^пол = 200 кВт
Рис.7. Возможные диаметры универсальной камеры сгорания для утилизации разнородных НГ.13
12,13 Appendix 1
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При создании микрогазотурбинных энергоустановок нового поколения для утилизации нестандартных топливных газов требуется разработка двухзонных универсальных КС, которые обеспечивали бы устойчивое сгорание забалластированных топливных газов разного состава и теплопроизводительно-сти. Для утилизируемых забалластированных газов предложено организовывать рабочий процесс в зоне горения при коэффициенте избытка воздуха ai = 1.5, который находится в интервале между нижним и верхним концентрационными пределами горения. Коэффициент избытка воздуха на выходе из КС агту предложено определять по уравнению энергетического баланса. Представлены зависимости агту от содержания балластирующих компонентов для турбокомпрессоров со степенями сжатия s = 1.8 и s = 3.0. Получены массовые расходные характеристики рабочего тела через турбину, воздуха в зоны горения и разбавления, топливного газа в зону горения при утилизации НГ с содержанием балластирующих компонентов до 80 %. Получены возможные диаметры универсальных КС, при которых обеспечивается устойчивое положение фронта пламени при сжигании топливных газов разного состава и теплопро-изводительности. Расчеты проведены для семейства турбокомпрессоров со степенями сжатия s = 1.8 и s = 3.0 и мощностного ряда NiiOT = 100 кВт и NiiOT = 200 кВт. Показана возможность использования универсальной КС с постоянными геометрическими размерами в составе микрогазотурбинных энергоустановок для утилизации топливных газов с содержанием балластирующих компонентов до 70 %.
APPENDIX 1 (ПРИЛОЖЕНИЕ 1)
1,2Table 1. Compositions of petroleum gases. 3'4Table 2. Thermochemical characteristics of petroleum gases.
5Fig.1. Influence of ballasting components on the mass stoichiometric ratio and heat output of petroleum gases.
6Fig.2. Influence of ballasting components on the concentration limits of combustion. 7Fig.3. Schematic diagrams of a micro-gas turbine power plant.
8'9Table 3. Calculated values of the excess air factor
aGTP.
10Fig.4. Influence of ballasting components on the temperature of the fuel gas at the inlet of the combustion chamber.
11Fig.5. Influence of ballasting components on excess air coefficients «gtp.
12Fig.6. Mass flow characteristics of the working fluid of the turbine, air and fuel gas (1 - mass flow rate of the working fluid through the turbine; 2 - total mass air flow; 3 - mass consumption of fuel in the combustion zone; 4 - mass flow rate of primary air in the combustion zone; 5 - mass flow rate of secondary air). 13Fig.7. Possible diameters of the universal combustion chamber for utilizing dissimilar petroleum gases.
Литература (References)
[1] Andrés Z.M., Joao A. de C. Jr., Christian R.C. Method for determination of flammability limits of gaseous compounds diluted with N2 and CO2 in air. Fuel, 2018, vol. 226, pp. 65-80.
[2] Liao S.Y., Cheng Q., Jiang D.M., Gao J. Experimental study of flammability limits of natural gas-air mixture. Journal of Hazardous Materials, 2005, vol. 119(1-3), pp. 81-84.
[3] Gan C., Zili L., Chao Y. Experimental study of flammability limits of methane/air mixtures at low temperatures and elevated pressures. Fuel, 2016, vol. 181, pp. 1074-1080.
[4] Wang T., Luo Z., Wen H., Cheng F., Deng J., Zhao J., Guo Z., Lin J., Kang K., Wang W. Effects of flammable gases on the explosion characteristics of CH 4 in air. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2017, vol. 49, part B, pp. 183-190.
[5] Zamashchikov V.V. On the Flammability Limit. Combustion Explosion and Shock Waves, 2018, vol. 54(4), pp. 393-397.
[6] Zhen H.S., Leung C.W. Cheung C.S., Huang Z.H. Characterization of biogas-hydrogen premixed flames using Bunsen burner. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, vol. 39(25), pp. 13292-13299.
[7] Zhen H.S., Leung C.W., Cheung C.S. A comparison of the heat transfer behaviors of biogase-H2 diffusion and premixed flames. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, vol. 39(2), pp. 1137-1144.
[8] Fei Teng. The Effect of Hydrogen Concentration on the Flame Stability and Laminar Burning Velocity of Hydrogen-Hydrocarbon-Carbon Dioxide Mixtures. PhD thesis [A thesis submitted to the Department of Chemical and Biological Engineering of the University of Sheffield, UK for the degree of Doctor of Philosophy], Sheffield, 2014, 268 p.
[9] Janus M.C., Richards G.A., Yip M.J., Robey E.H. [Effects of ambient conditions and fuel composition on combustion stability]. Proceedings of the ASME 1997 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. Orlando, Florida, June 2-5, 1997, doi: 10.1115/97-GT-266.
[10] Straub D., Ferguson D., Casleton K., Richards G. [Effects of propane/natural gas blended fuels on gas turbine pollutant emissions]. 5 th US Combustion Meeting. San Diego. March 25-28, 2007.
[11] Rowhani A., Tabejamaat S. Experimental study of the effects of swirl and air dilution on biogas non-premixed flame stability. Thermal Science, 2015, vol. 19, no. 6, pp. 2161-2169, doi: 10.2298/TSCI130112157R.
[12] Meghdad Saediamiri, Meghdad Saediamiri, Madjid Birouk, Madjid Birouk, Kozinski J.A. Flame stability limits of low swirl burner - Effect of fuel composition and burner geometry. Fuel, 2017, vol. 208, pp. 410-422, doi: 10.1016/j.fuel.2017.07.028.
[13] Leung T., Wierzba I. The effect of hydrogen addition on biogas non-premixed jet flame stability in a co-flowing air stream. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, vol. 33(14), pp. 3856-3862, doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.04.030.
[14] Lorenzo Figura, Jong Guen Lee, Bryan D. Quay, Domenic A. Santavicca. [The effects of fuel composition on flame structure and combustion dynamics in a lean premixed combustor]. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. Volume 2: Turbo Expo 2007, Montreal, Canada, May 14-17, 2007, pp. 181-187, doi: 10.1115/GT2007-27298.
[15] Landry L., Halter F., Foucher F., Samson E., Mounaïm-Rousselle C. Effect of pressure and dilution on flame front displacement in boosted spark-ignition engine combustion. SAE Int. J. Fuels Lubr, 2009, vol. 1(1), pp. 984-992, doi: 10.4271/2008-01-1625.
Сведения об авторах.
Шилова Алена Алексеевна -
инженер кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ. Область научных интересов: рабочие процессы в КС ЭУ. E-mail: alvona1203@gmail.com
Матюнин Олег Олегович -
старший преподаватель кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ. Область научных интересов: численное моделирование рабочих процессов в ЭУ.
E-mail: matoleg@gmail.com
[16] Cala O.M., Mermo L., Kafarov V., Saavedra J. Effect of refinery gas composition on characteristics of combustion process. Revista Ingenierías Universidad de Medellín, 2013, vol. 12(23), pp. 101-111.
[17] Schulz O., Noiray N. Combustion regimes in sequential combustors: Flame propagation and autoignition at elevated temperature and pressure. Combustion and Flame, 2019, vol. 205, pp. 253268, doi: 10.1016/j.combustflame.2019.03.014.
[18] Rafal Slefarski. Study on the combustion process of premixed methane flames with CO2 dilution at elevated pressures. Energies, 2019, vol. 12(3), pp. 1-17, doi: 10.3390/en12030348.
[19] Jadeed Beita, Midhat Talibi, Suresh Sadasivuni, Ramanarayanan Balachandran. Thermoacoustic Instability Considerations for High Hydrogen Combustion in Lean Premixed Gas Turbine Combustors: A Review. Hydrogen, 2021, vol. 2(1), pp.33-57, doi: 10.3390/hydrogen2010003.
[20] Leung T., Wierzba I. Prediction of the blowout limits of turbulent non-premixed jet flames using the premixed combustion theory. Combustion Science and Technology, 2010, vol. 182(10), pp. 1528-1545, doi: 10.1080/00102200903462292.
[21] James C. Massey, Zhi X. Chen, Nedunchezhian Swaminathan. Lean Flame Root Dynamics in a Gas Turbine Model Combustor. Combustion Science and Technology, 2019, vol. 191, pp. 1019-1042, doi: 10.1080/00102202.2019.1584616.
[22] Inanc E., Proch F., Kempf A.M. Studying transient jet flames by high-resolution LES using premixed flamelet chemistry. Direct and Large-Eddy Simulation XI. ERCOFTAC Series, 2019, vol. 25, pp. 237-243, doi: 10.1007/978-3-03004915-7 32.
Бачев Николай Леонидович -
к.т.н., доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ. Область научных интересов: утилизационные газотурбинные установки.
E-mail: bnl54@vandex.ru
Él
