автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Закономерности образования окислов азота при сжигании предварительно подготовленной смеси в камерах сгорания наземных установок на базе авиационных ГТД

. л /

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Максимов Дмитрий Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕНННОЙ СМЕСИ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ НАЗЕМНЫХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ

АВИАЦИОННЫХ ГТД

Специальность 05.07.05 - "Тепловые двигатели летательных аппаратов"

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук P.C. Кашапов

Уфа - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕНДЕНЦИЙ И ПРОБЛЕМ СОЗДАНИЯ МАЛОТОКСИЧНЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ

И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 15

2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА

ПРИ ГОРЕНИИ УГЛЕВОДОРОДОВ 36

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА ПРИ ГОРЕНИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННЫХ СМЕСЕЙ 60

3.1. Математическая модель образования окислов азота

при горении молекулярно-однородной смеси 62

3.2. Экспериментальное исследование образования МОх

при горении молекулярно-однородной смеси 70

3.2Л. Режимные параметры 72

3.2.2. Экспериментальное оборудование 73

3.2.3. Методика измерения состава продуктов сгорания

и режимных параметров 78

3.2.4. Оценка погрешности результатов измерений 83

3.2.5. Анализ результатов исследования образования 1\ЮХ

при горении молекулярно-однородной смеси 88

3.3. Полу эмпирическая методика расчета концентрации окислов азота в устройствах с предварительным

смешением топлива 96

'X

3.4. Экспериментальное исследование образования NO, в реагирующем потоке с пульсациями концентрации 108

3.5. Основные результаты модельных исследований 117 4. ВНЕДРЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ СЖИГАНИЯ

XJ ______о

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННОЙ "БЕДНОЙ" СМЕСИ В РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ПРОМЫШЛЕННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ 119

4.1. Выбор принципиальной схемы организации рабочего процесса камеры сгорания с предварительным

смешением топлива 122

4.2. Методика доводки и стендовых испытаний горелочного устройства в изотермических условиях 128

4.3. Методика огневого моделирования рабочего процесса горелочного устройства с предварительным

смешением топлива 142

4.4. Анализ результатов опытно-промышленных испытаний и итогов промышленной эксплуатации камер сгорания, оборудованных горелочными устройствами с предварительным смешением топлива 150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 169

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 172

ВВЕДЕНИЕ

Одно из актуальных направлений конверсии авиационного двигате-лестроения - создание работающих на природном газе компактных и экономичных газотурбинных установок на базе авиационных ГТД для нужд энергетики и газовой промышленности. Газовые турбины наземного применения должны удовлетворять строгим нормативам по выбросам загрязняющих веществ. При сжигании природного газа основными компонентами вредных выбросов являются окислы азота N0 и N02, реальная опасность которых связана с их активностью в фотохимических реакциях, оказывающих прямое негативное влияние на человека и растительность. ГОСТ 29328-92, распространяющийся на газовые турбины, применяемые на электростанциях, устанавливает для вновь создаваемых установок предельный уровень концентрации 1чЮх (N0 и N02 суммарно), равный 50 мг/нм3 для условного режима с концентрацией кислорода 15% в сухой пробе продуктов сгорания. Для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом ГОСТ 28775-90 предписывает менее жесткие ограничения: 150 мг/нм3 для ГПА с простым циклом и 200 мг/нм3 для ГПА с регенеративным циклом.

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

способствует углублению наметившегося отставания отечественных дви-гателестроительных фирм от ведущих зарубежных фирм.

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

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

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

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

Тем не менее, при инженерных расчетах концентрации КЮХ чаще всего применяется простейшая аппроксимация Зельдовича, справедливая для послепламенной зоны [17, 45], игнорируется влияние термодинамической неравновесности и пульсаций концентрации топлива. Такой подход применяется и в исследовательских работах (см. например [5]). Слабо изучено влияние конструктивных параметров устройств для предварительной подготовки смеси на качество смешения и осредненную скорость окисления азота. В современной литературе отсутствуют рекомендации по выбору конструктивных параметров смесительных устройств,

недостаточно разработаны вопросы доводки и испытаний камер сгорания с предварительным смешением топлива в стендовых и промышленных условиях. Несовершенство методологии создания камер сгорания с предварительным смешением топлива обусловливает трудности практического внедрения этой концепции организации рабочего процесса камер сгорания. Известные конструкции ведущих зарубежных и отечественных фирм "Сименс" [60], "Solar"[52], "ABB" [70], "Дженерал Электрик" [51], ОАО "А. Люлька - Сатурн" [29], СНТК им. Н.Д. Кузнецова [31] отличаются высокой сложностью и низкой надежностью. Процесс доводки этих камер сгорания чрезвычайно дорог, а экологические характеристики во многих случаях далеки от ожидаемых.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Практическая значимость работы состоит в следующем:

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

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

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

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

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

На защиту выносятся:

1) результаты комплексного экспериментального и теоретического исследования влияния условий смешения и горения на образование Ж)х в пламени "бедной" предварительно подготовленной смеси природного газа с воздухом;

и

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

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

Основная часть диссертации состоит из четырех глав.

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

Во второй главе приводится обзор теоретических и экспериментальных работ по кинетике образования окислов азота и влиянию условий смешения и горения на скорость окисления азота в пламени газообразных углеродных топлив. Рассмотрены механизм Зельдовича, механизм образования "быстрой" N0 и механизм образования N0 с участием N20. Проанализированы возможные причины расхождений между опытными данными и расчетными значениями концентрации Ж)х, выявлен-

пых в ряде экспериментальных работ. Исследована возможность теоретического описания процесса �