Ефективність камери згоряння газотурбінного агрегату контактного типу, що працює на водні

Abstract

Шмарков О. А. Ефективність камери згоряння газотурбінного агрегату контактного типу, що працює на водні.  Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 142 “Енергетичне машинобудування”.  Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2026.

Необхідність виконання вимог законодавчих актів міжнародних організацій, в тому числі Міжнародної морської організації (IMO) щодо зниження впливу енергетики на навколишнє середовище визначає запит практики, спрямований на розробку та адаптацію енергоефективних технологій в стаціонарну та суднову енергетику шляхом комплексного впровадження новітніх установок, визначення діапазонів їх досяжних параметрів з розробкою науково обґрунтованих перспективних схемних рішень, які забезпечують підвищення ефективності використання паливних ресурсів, мінімізацію викидів діоксиду вуглецю та інших шкідливих речовин в навколишнє середовище. На початку 2020 р. Європейський Союз прийняв Європейський зелений договір. Це - стратегія, яка повинна зробити Європу кліматично нейтральною до 2050 року, це - план досягнення практично нульового викиду парникових газів і нульового сумарного забруднення навколишнього середовища. В якості одного з ключових партнерів для реалізації цих планів розглядається Україна. Запропонована концепція застосування водню в газотурбінних агрегатах контактного типу відповідає основним тенденціям розвитку сучасних енергетичних систем і є актуальною. Її слід вважати одним з перспективних напрямків підвищення ефективності декарбонізованих енергетичних модулів. На теперішній час існують дуже обмежені дані про можливість безпосереднього використання чистого водню в газотурбінних установках контактного типу (з впорскуванням водяної пари до камери згоряння). Відомо, що в світовій практиці існує практично тільки один приклад промислового використання в Україні так званої технології “Водолій” (газотурбінна установка з конденсацією водяної пари в контактному конденсаторі) для перекачування природного газу. Новизна даної роботи полягає в тому, що принципи використання газотурбінної енергетичної системи поєднуються з можливостями ефективного та екологічно чистого спалювання водню в дифузійних камерах згоряння зі ступінчастим впорскуванням водяної пари по довжині жарової труби. Закономірності робочого процесу таких камер згоряння при роботі на водні до теперішнього часу практично невідомі. Це дасть змогу розширити уявлення про фізико-хімічні процеси в камерах згоряння (КЗ) газотурбінних агрегатів контактного типу, що працюють на чистому водні, а також забезпечити ефективну роботу паливоспалюючих пристроїв на чистому водні. Тому робота є значимою для отримання нових знань про: 1) особливості ефективного застосування водню в контактних газотурбінних установках; 2) закономірності та параметри процесів фізико-хімічних перетворень водню в камерах згоряння зі ступінчастим впорскуванням водяної пари; 3) утворення і розкладання токсичних компонентів в високофорсованих камерах згоряння. Ці нові знання можуть бути використані на практиці при створенні новітніх вітчизняних контактних газотурбінних установках, що працюють на водні. На основі запропонованих математичних моделей робочого процесу в може бути проведена оптимізація геометричних і режимних параметрів камер згоряння новітніх декарбонізованих енергетичних установок. Це дозволить прискорити перебудову економіки та енергетичних систем України з метою зменшення викидів парникових газів і інших шкідливих компонентів, що в перспективі забезпечить зниження навантаження на навколишнє середовище. Метою роботи є підвищення ефективності та екологічної чистоти камер згоряння газотурбінних агрегатів контактного типу, що працюють на чистому водні, за рахунок вибору їх раціональних режимних і геометричних параметрів. Новизна отриманих результатів дослідження полягає у наступному: 1. Вперше обґрунтовано ефективність спалювання чистого водню в газотурбінних агрегатах контактного типу вітчизняного виробництва з впорскуванням перегрітої пари в камеру згоряння на основі вдосконаленої тривимірної математичної моделі процесів турбулентного горіння, яка відрізняється від відомих наявністю детального кінетичного механізму окиснення водню з урахуванням ступінчастого підведення пари по довжині жарової труби. 2. Вперше отримано фізико-хімічні закономірності реагування водню в високофорсованій камері згоряння ГТД при підведенні екологічної і енергетичної пари відповідно в первинну зону камери та зону розбавлення для зменшення викидів оксидів азоту і підвищення питомої потужності енергетичної системи. 3. Вперше теоретичним шляхом отримано, що в камері згоряння газотурбінного агрегату контактного типу зі ступінчастим впорскуванням пари раціональні значення відношення масових витрат первинного та вторинного повітря при сталій їх сумарній витраті становлять 0.8-0,9, а відношення масових витрат екологічної та енергетичної пари при сталій їх сумарній витраті становлять 1,0-1,1, що забезпечує емісію оксидів азоту менше 25 ppmvd у перерахунку на суху суміш з 15 % вмістом кисню та відповідає Європейським нормам на викиди токсичних компонентів газотурбінними двигунами. 4. Вдосконалено підхід до аналізу основних параметрів, які впливають на характеристики вигоряння сумішей водню з повітрям і перегрітою парою, який ґрунтується на використанні реакторної моделі камери згоряння ГТД, що являє собою сукупність реакторів ідеального змішування, проточних реакторів та адіабатичних змішувачів та враховує основні кінетичні фактори, які обумовлюють процеси згоряння палива. 5. Подальшого розвитку набув метод числового тривимірного прогнозування енергетичних і екологічних характеристик камер згоряння ГТД, що працюють на водні, на основі детальних хімічних механізмів реагування, які враховують утворення проміжних нестабільних з’єднань, а також утворення і розкладання оксидів азоту. Наукове значення роботи полягає у розширенні знань про фізико-хімічні процеси в камерах згоряння газотурбінних агрегатів контактного типу, що працюють на чистому водні з урахуванням ступінчастого підведення екологічної і енергетичної пари по довжині жарової труби. Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці практичних рекомендацій з використання водневого палива в газотурбінних агрегатах контактного типу, на підставі яких розроблено конструктивну схему камери згоряння КГТА потужністю 55,27 МВт зі ступінчастим підведенням перегрітої пари по довжині жарової труби. Запропоновані тривимірна математична модель робочого процесу в камері згоряння ГТД з впорскуванням пари і використанням водню в якості основного палива, та реакторна модель, яка враховує детальні кінетичні особливості вигоряння водню, здатні прогнозувати енергетичні і екологічні характеристики найсучасніших газотурбінних агрегатів. На їх основі може бути проведена оптимізація геометричних і режимних параметрів камер згоряння новітніх декарбонізованих енергетичних систем. За розташуванням матеріалу робота побудована наступним чином: Вступна частина присвячена обґрунтуванню тематики дослідження, її актуальності, відповідності світовим тенденціям, показано зв’язок з існуючими дослідженнями, визначено об’єкт та предмет дослідження, його мету і задачі, описано методи, висвітлено головні аспекти методології дослідження та верифікації отриманих даних, визначено наукову новизну й практичне значення роботи, представлено послідовність викладення результатів дослідження у публікаціях та ступінь апробації на конференціях. У першому розділі проаналізовано сучасний стан досліджень на тему використання чистого водню в якості палива контактних газотурбінних двигунів, досліджено підходи до створення високоефективних камер згоряння, розглянуто можливість застосування контактних газотурбінних двигунів на судах типу FPSO (Floating Production, Storage and Offloading) та обґрунтовано необхідність проведення дисертаційного дослідження з даної тематики. У другому розділі описана методологія дослідження робочих процесів в камерах згоряння газотурбінних двигунів контактного типу, що працюють на водні. За допомогою математичного апарату описано процеси горіння водневого палива, особливості турбулізації і теплообміну потоків, можливості числового розв’язання систем диференційних рівнянь за допомогою CFD-комплексів (Computational Fluid Dynamics). Третій розділ присвячено опису розробленої схеми гібридної газо-паротурбінної установки, яка складається з базового ГТД простої схеми з теплоутилізуючим контуром та контактного газотурбінного агрегату з впорскуванням водяної пари в камеру згоряння. Представлено розроблену математичну модель термодинамічних процесів в елементах цієї енергетичної системи та результати теоретичних досліджень закономірностей зміни параметрів гібридної газо-паротурбінної установки в залежності від потужності. У четвертому розділі детально розглядається методологія дослідження робочих процесів в камері згоряння контактного газотурбінного двигуна з двоступінчастим впорскуванням водяної пари і чистим воднем в якості основного палива, дано опис розробленої геометричної та кінцево-елементної тетраедральної моделей камери. Проведено тривимірні розрахунки робочого процесу камери згоряння з впорскуванням пари, що працює на водні, з використанням одноступінчастої схеми горіння, що дозволило виявити раціональні співвідношення витрат екологічної пари і повітря через компресор двигуна. У п’ятому розділі розроблено реакторну модель камери згоряння з впорскуванням пари, що працює на водні, проведено оптимізаційні розрахунки паливоспалюючого пристрою з метою покращення екологічних показників. Виявлено, що ефективним способом зниження викидів оксидів азоту є зменшення прохідного перерізу завихрювача, зменшення відношення витрат первинного та вторинного повітря та збільшення відношення витрат екологічної та енергетичної пари. Знайдено раціональні значення відношень витрат первинного та вторинного повітря, а також витрат екологічної та енергетичної пари через камеру для забезпечення Європейських норм на викиди токсичних компонентів газотурбінними двигунами. Розроблено рекомендації щодо вдосконалення конструктивної схеми камери згоряння для її роботи на водні в складі вітчизняного газотурбінного агрегату контактного типу. Ключові слова: газотурбінний двигун; двигун внутрішнього згоряння; судновий дизель; судновий двигун; судова електростанція; зелена енергія; паливо; водень; гібридні установки; рекуперація відхідної теплоти; камера згоряння; екологічні показники; альтернативні палива; теплопередача; поверхня теплообміну; робочий процес; відпрацьовані гази; ефективність; механічні втрати; термодинамічний аналіз; компресорний агрегат; викиди діоксиду вуглецю.