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.

Номер контракта: 14.579.21.0085

Руководитель: Ольховский Гурген Гургенович

Должность руководителя: Генеральный директор ОАО "ВТИ"

Докладчик: Булысова Людмила Александровна, старший научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
камера сгорания, газотурбинная установка, малоэмиссионное сжигание топлива, горение, неустойчивость горения, предварительно перемешанная топливовоздушная смесь, концентрация смеси, граница устойчивого горения, закрутка потока, вычислительная гидродинамика

Цель проекта:
1) Задача ПНИЭР: Проведение исследований и 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 полученные результаты:
- на Этапе 1 определено, что эффективным является воздействие на устойчивость процесса горения эпюрой концентрации топливовоздушной смеси (ТВС);
- на Этапе 2 проекта: рассмотрены и проработаны 5 технических решений по обеспечению устойчивого процесса горения, основанных на регулировании эпюры концентрации ТВС, формируемой на выходе из зоны предварительного перемешивания; выбрано наилучшее техническое решение на основе многовариантных численных исследований; разработана эскизная конструкторская документация на лучшее техническое решение, основанного на организации дополнительного топливного коллектора основной горелки; проведена доработка ЭО МЭКС в соответствии с разработанной эскизно-конструкторской документацией; составлена программа-методика для проведения исследовательских испытаний; проведены экспериментальные исследования доработанного ЭО МЭКС на атмосферном давлении.
- на Этапе 3 проекта: проведены исследовательские испытания пульсационных режимов работы на повышенном давлении доработанного ЭО МЭКС. Получен беспульсационный переход камеры сгорания на малоэмиссионный режим работы, сняты границы устойчивой работы ЭО МЭКС при совместной работе пилотной горелки и дополнительного топливного канала основной горелки и между горелками (дополнительной и основной) основного канала. Проведены исследовательские доводочные испытания ЭО МЭКС при повышенном давлении, отработана система управления стендом, подтвержден беспульсационный переход на малоэмиссионый режим работы камеры сгорания.
2) Основные характеристики полученных результатов:
- на Этапе 1 проекта установлена возможность достижения всех характеристик, регламентируемых ТЗ при внедрении технического решения, регулирующего эпюру концентрации ТВС.
- на Этапе 2 определены технические решения. Проведена доработка ЭО МЭКС. Осуществлен беспульсационный переход на малоэмиссионный режим работы на атмосферном давлении. Получены низкие эмиссии NOx во всем диапазоне заданных режимов на атмосферном давлении.
- на Этапе 3 подтверждена работоспособность технического решения по беспульсационному переходу на повышенном давлении. Получен беспульсационный переход на малоэмиссионный режим работы доработанного ЭО МЭКС. Подтвержден беспульсационный переход на стенде при давлении 350 кПа.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1) Конечными продуктами данной ПНИЭР должны стать:
- ЭО МЭКС, удовлетворяющий всем техническим требованиям предъявляемым к камерам сгорания малоэмиссионных ГТУ, на базе которого возможно создание промышленного образца МЭКС с последующим его серийным производством;
- Отчеты о ПНИЭР;
- Отчет о патентных исследованиях;
- Программа и методика экспериментальных исследований устойчивости горения;
- Результаты обработки экспериментальных данных, полученных при экспериментальных исследованиях стационарных и динамических характеристик камеры сгорания;
- Комплекс мероприятий для реализации на промышленной камере сгорания и обоснование проверки их эффективности на промышленной ГТУ;
- Рекомендации по возможности использования результатов ПНИЭР с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера и в других реальных секторах экономики;
- Сформулированы требования к разрабатываемой отчетной научно-технической документации;
- Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка малоэмиссионной камеры сгорания для газотурбинной установки мощностью до 120 МВт»;
- Заявки на получение правоохранных документов объектов интеллектуальной собственности.
Полученные результаты позволят ликвидировать отставание отечественных машин от зарубежных аналогов, обеспечить замещение импорта ГТУ для использования в составе новых парогазовых установок, а также при замене отечественного парка газомазутных энергоблоков мощностью 150 - 300 МВт на парогазовые.

2) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений:
- новым в данной работе является: комплексный подход к исследованию и анализу процессов ЭО МЭКС, сочетающий численные и экспериментальные данные; расчетный критерий устойчивости; способ влияния на положение фронта пламени за счет регулирования эпюры ТВС; техническое решение обеспечившее беспульсационную работу ЭО МЭКС.

3) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:
ЭО МЭКС, доработанный техническим решением, обеспечит низкие эмиссии NOx и ее беспульсационную работу на всех режимах, что будет соответствовать мировому уровню.

4) Применение уникальной расчетно-экспериментальной методики по разработке и доводке камер сгорания, использование уникальной стендовой установки "Стенд исследования рабочих процессов камер сгорания ГТУ", имеющей необходимое технологическое и аналитическое оборудование являются залогом успешного достижения заявленных результатов:
- применение современных средств измерения, записи и обработки данных позволят быстро анализировать результаты испытаний и принимать обоснованные решения по дальнейшим работам;
- применение расчетно-вычислительного комплекса, настроенного на решение задач гидродинамики, теплообмена и горения и верифицированный по экспериментальным данным, полученным на уникальной стендовой установке, позволит лучше понять и проанализировать процессы, провести многовариантные расчеты оптимизации конструкции и выбрать оптимальный вариант для его реализации.
Ограничением является давление воздуха на стенде не более 450 кПа, что обусловлено возможностями компрессорной станции ВТИ. Определенные риски связаны с невозможностью проведения доводочных исследовательских испытаний на полных параметрах воздуха и газа, а лишь использование математического моделирования при прогнозировании работы ЭО МЭКС на них.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты ПНИЭР могут быть полезны инженерам и научным работникам, специализирующимся по ГТУ и ПГУ, работающих по направлениям создания, доработки, настройки и обслуживанию камер сгорания, как отечественных так и импортных наземных газовых турбин любого назначения.

2.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 доработку малоэмиссионных камер сгорания, обеспечение их надежности. Внедрение малоэмиссионных технологий сжигания природного газа позволит обеспечить надежную эксплуатацию газовых турбин с требуемыми экологическими показателями.

3. Результаты ПНИЭР будут способствовать повышению научно-технического уровня специалистов данного профиля, внедрение предложенных в работе технических решений при создании МЭКС выведет отечественных производителей ГТУ на мировой уровень по соблюдению эмиссионных ограничений и ресурсных показателей. Создание собственных МЭКС обеспечит конкурентоспособность новых и модернизированных отечественных энергетических ГТУ. Высокоэффективные МЭКС найдут широкое применение при переоборудовании действующих газотранспортных ГТУ.

4. Результаты ПНИЭР позволят ликвидировать отставание в исследованиях процессов малоэмиссионного горения топливовоздушных смесей в ограниченном объеме камер сгорания, лягут в основу дальнейших исследований и развития новых теорий, позволющих сделать качественный скачек в данном научно-техническом направлении и стать конкурентами западных технологий в данной отрасли.



Текущие результаты проекта:
1. Проведена доработка ЭО МЭКС техническим решением по беспульсационному переходу на малоэмиссионный режим горения: добавлен третий топливный канал, обеспечивающий эпюру беспульсационного перехода с пилотной на основную горелки.

2. Проведены исследовательские испытания доработанного образца ЭО МЭКС на атмосферном и повышенном давлении. Подтверждена эффективность технического решения при переходе на малоэмиссионный режим работы - осуществлен беспульсационный переход с пилотной на основную горелку.

3. Проведен анализ исследовательских испытаний. Построены границы устойчивой работы при совместном включении пилотного и дополнительного топливного каналов и совместного включения дополнительного и основного каналов. Снята граница бедного срыва при работе только на дополнительном топливном канале.

4. Проведены доводочные исследовательские испытания доработанного ЭО МЭКС на стенде при повышенном давлении 350 кПа. Проведена наладка стендового оборудования, отработана система автоматического управления, подтвержден беспульсационный переход на малоэмиссионный режим работы ЭО МЭКС.