Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование режимов горения природного газа и разработка научно-технического решения и способов управления камерой сгорания газотурбинных установок для повышения их энергоэффективности и экологической безопасности.

Докладчик: Ольховский Гурген Гургенович

Должность: Генеральный директор

Цель проекта:
1. Задача ПНИЭР: Разработка критериев и корреляционных зависимостей между характеристиками процессов гидродинамики, горения и акустики, способствующих разработке новых технических решений, позволяющих повысить энергоэффективность и экологическую безопасность отечественных газотурбинных установок за счет внедрения малоэмиссионных камер сгорания. 2. Цель ПНИЭР: • Разработка эффективных методов и средств исследования неустойчивости горения в камерах сгорания газотурбинных установок; • Расширение диапазона устойчивой и экономичной работы камеры сгорания газотурбинной установки (КС ГТУ); • Разработка технических решений, обеспечивающих устойчивое горение природного газа в газотурбинных камерах сгорания; • Разработка научно-технического решения и способов управления КС ГТУ.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные результаты ПНИЭР:
• Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИЭР.
• Отчет о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96.
• Программа и методики, протоколы предварительных исследовательских испытаний режимов пульсационного горения в экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания.
• Программа и методики, протоколы исследовательских испытаний режимов пульсационного горения в доработанном экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания.
• Программа и методики, протоколы исследовательских испытаний процессов горения в доработанном экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания во всем диапазоне эксплуатационных режимов.
• Эскизная конструкторская документация на доработку экспериментального образца малоэмиссионной камеры сгорания в составе:
- чертёж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.102-68;
- пояснительная записка в соответствии с ГОСТ 2.102-68.
• Техническое задание на проведение ОКР по теме: «Разработка малоэмиссионной камеры сгорания для газотурбинной установки мощностью до 120 МВт».

2. Разработка технических решений и алгоритма управления, обеспечивающих устойчивое горение природного газа в малоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок.
Получение, в результате ПНИЭР, научно-технического решения, позволяющего достичь следующие характеристики:
- амплитуды пульсаций давления не более 0,4% от полного давления на входе в камеру сгорания;
- сжигание природного газа с эмиссией оксидов азота (NOx) ≤ 50 мг/м3 во всем рабочем диапазоне малоэмиссионного сжигания предварительно перемешанной топливовоздушной смеси;
- полнота выгорания топлива (ηсг) ≥ 98..99,95 % во всем рабочем диапазоне малоэмиссионного сжигания предварительно перемешанной топливовоздушной смеси;
- неравномерность температурного поля газов на выходе из камеры сгорания относительный параметр радиальной неравномерности (θ) ≤ 1.05;
- температура стенки жаровой трубы (tст) ≤ 900 С;
- потери давления в камере сгорания (ΔPкс) ≤ 5,5 %.

3. Опыт российских разработчиков малоэмиссионных камер сгорания газовых турбин на сегодняшний день недостаточен. Разработка комплексных подходов к исследованию процессов в камерах сгорания будет базироваться на фундаментальных знаниях о протекании химических реакций горения, акустике и возбуждении собственных колебаний и на комплексных расчетно-экспериментальных исследованиях с использованием собственного уникального опыта их проведения. Создание собственной малоэмиссионной камеры сгорания явится новым научно-техническим решением в отечественной инженерии.

4. Управление малоэмиссионной камерой сгорания требует организации рабочего процесса горения с рядом противоречий, таких как: снижение выбросов оксидов азота (основная цель), полнота сгорания топлива (минимальные выбросов оксидов углерода), пульсации давления в камере сгорания, устойчивое горение на низких режимах работы газовой турбины (граница бедного срыва), распределение температуры стенки жаровой трубы и элементов камеры сгорания (ресурс камеры), поле температур на выходе (ресурс соплового аппарата турбины), зажигание камеры сгорания и надежная ее работа при развороте газовой турбины (набор оборотов от зажигания камеры сгорания до холостого хода).
Развитие технологии малоэмиссионного сжигания топлива лидеров в производстве энергетических ГТУ (GE, Siemens, MHI и др.) на протяжении последних двадцати пяти лет позволили получить снижение оксидов азота менее 9 ppm при обеспечении требуемых остальных параметрах камеры сгорания. Для преодоления проблем связанных с неустойчивостью горения и сложностями организации рабочего процесса в камерах сгорания с особенностями конструкций, разработчики внедрили различные способы управления малоэмиссионными камерами сгорания, основанные на контроле коэффициента избытка воздуха в зоне(-ах) горения (либо температуры горения), распределении состава смеси в зависимости от нагрузки газовой турбины и соответствующего переключения режимов горения. Иностранные разработчики малоэмиссионных камер сгорания газовых турбин не раскрывают информацию об особенностях своих конструкций и деталях методов разработки, доводки и управления камер сгорания.


5. Для решения поставленных задач будут использованы методы трехмерного математического моделирования и экспериментальные исследования на стенде экспериментального образца малоэмиссионной камеры сгорания. В процессе исследования режимов горения будут определены границы возникновения пульсаций давления и выявлены основные режимные и конструктивные факторы, влияющие на эти границы. Режимные факторы – это термодинамические параметры камеры сгорания: расход, температура, давление воздуха и топлива, а также соотношения расходов топлива по каналам горелки; конструктивные факторы - способы подачи основного и пилотного топлива, конструкция элементов и узлов экспериментального образца малоэмиссионной камеры сгорания, влияющих на гидро- и аэродинамику (структуру течения), перемешивание топлива с воздухом и формирование полей температур. Полученные зависимости будут использованы при разработке технических решений по обеспечению устойчивого горения, которые будут расчетно и экспериментально проверены.
Расчётно-теоретическое исследование моделирования процессов, протекающих в экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания, будет проводиться с использованием отечественного программного комплекса FlowVision, который предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики.
Экспериментальные исследования в рамках ПНИЭР будут проводиться на экспериментальном участке УСУ ВТИ, предназначенной для изучения и оптимизации рабочих процессов в камерах сгорания ГТУ.
Ограничениями могут выступить стендовые условия для проведения испытаний экспериментального образца малоэмиссионной камеры сгорания. При переходе от стендовых испытаний к испытаниям на реальный двигатель газовой турбины может понадобиться дополнительная настройка алгоритма управления малоэмиссионной камерой сгорания.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Технологии и технические решения, в основу которых лягут полученные в результате работы данные, будут ориентированы на широкое применение и снижение затрат на разработку, совершенствование, и доводку малоэмиссионных камер сгорания и обеспечение их надежности. Внедрение малоэмиссионных технологий сжигания природного газа позволит обеспечить надежную эксплуатацию газовых турбин с требуемыми экологическими показателями.
2. Научно-практические результаты работы будут защищены патентами Российской Федерации и стран потенциальных потребителей.
3. Народно-хозяйственный эффект от внедрения результатов ПНИЭР для отечественных ГТУ заключается в повышении эксплуатационной надежности, энергоэффективности и снижении вредных выбросов в атмосферу, что позволит ликвидировать отставание отечественных машин от зарубежных аналогов, обеспечит замещение импорта ГТУ для использования в составе новых парогазовых установок, а также при замене отечественного парка газомазутных энергоблоков мощностью 150 - 300 МВт на парогазовые. Создание собственного оборудования позволит увеличить количество рабочих мест, как в производстве ГТУ, так и в их обслуживании, а также будет способствовать безопасности и энергонезависимости нашей страны. Новые энергоблоки будут конкурентноспособны на мировом рынке энергетического оборудования. Кроме того, высокоэффективные малоэмиссионные КС найдут широкое применение при разработке новых и переоборудовании действующих газотранспортных ГТУ.
Коммерциализация результатов ПНИЭР и их применение позволит получить значительный экономический эффект.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен Обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области исследований режимов горения природного газа и управления камерой сгорания газотурбинных установок.
2. Выполнено обоснование и выбор направления исследований.
3. Разработка программы и методики предварительных исследовательских испытаний режимов пульсационного горения в экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания.
4. Проведены предварительные исследовательские испытания режимов пульсационного горения в экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания.
5. Проведен анализ данных численных (расчетных) исследований и предварительных исследовательских испытаний.
6. Выполнена подготовка стендового оборудования для проведения исследовательских испытаний в том числе:
- подготовка воздушного турбокомпрессора ТЭЦ-ВТИ для подачи воздуха на экспериментальный стенд;
- подготовка газовой системы ТЭЦ-ВТИ для подачи природного газа на экспериментальный стенд;
- наладка экспериментального стенда для проведения исследовательских испытаний экспериментального образца малоэмиссионной камеры сгорания;
- тарировка, калибровка контрольно-измерительных приборов для метрологического обеспечения исследовательских испытаний режимов пульсационного горения в экспериментальном образце малоэмиссионной камеры сгорания.
7. Проведены численные (расчетные) исследования режимов пульсационного горения для разработки технических решений по беспульсационному горению.
8. Проведены патентные исследования.