Розробка ефективних паливо-спалювальних пристроїв камер згорання ГТУ з використанням принципу мікрофакельного горіння

Abstract

Кісіль М.М., Римар Т.І. (керівник). Розробка ефективних паливо-спалювальних пристроїв камер згорання ГТУ з використанням принципу мікрофакельного горіння. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2024. Розширена анотація Як відомо, серед негативних впливів енергетичних об’єктів на навколишнє середовище одними з найбільш шкідливих є викиди оксидів азоту, токсичність яких значно перевищує токсичність оксидів вуглецю та сірки. Основними технологічними факторами, що впливають на рівень викидів азоту, є: коефіцієнт надлишку повітря, навантаження на вогнетехнічний об’єкт, рециркуляція димових газів, подача води або пари в зону горіння, перерозподіл палива та повітря в пальнику, розподіл палива і повітря по ярусах пальників, відключення окремих пальників, зміна інтенсивності закручування окисника, застосування каталітичних технологій спалювання та використання мікрофакельного механізму горіння (багатопальникові пристрої в енергетичних котлах і камерах згоряння ГТУ). Потреби у вдосконаленні технологій спалювання палива вимагають проведення поглиблених досліджень процесів горіння в енергетичних установках. Серед різноманітних методів організації спалювання палива в таких установках виділяється мікрофакельне горіння, яке досягається подрібненням факелу на окремі вогнища. Це спалювання можна реалізувати, зокрема, за допомогою системи стабілізаторів полум'я для формування факела. Мікрофакельні пальникові пристрої мають низку переваг, таких як високий рівень гомогенізації зони горіння, покращені стабілізаційні характеристики, низький рівень втрат тиску на пальнику тощо [1, 2]. З появою нових перспективних модифікацій мікрофакельних пальникових пристроїв постає необхідність проведення досліджень процесів горіння в цих пальниках. Об?єкт дослідження – робочі процеси в пальникових пристроях у камерах згорання ГТУ на газоподібному паливі. Предмет дослідження – характеристики процесів тепломасо-перенесення в пальникових пристроях у камерах згорання ГТУ на газоподібному паливі. Мета дослідження: дослідження мікрофакельних пристроїв в камері згорання, методів горіння з метою зменшення викидів шкідливих речовин у газових турбінах, зокрема оксидів азоту, та модернізація ГТУ для забезпечення хороших технічних і екологічних показників турбіни при використання газоподібного палива. У магістерській кваліфікаційній роботі проведено дослідження різних методів та принципів горіння в мікрофакельних пристроях і багатоядерних камерах згорання, що виявило особливості мікрофакельного горіння, які можуть відповідати вимогам до камер згорання газотурбінних двигунів. Аналіз основних причин утворення оксидів азоту в різних пристроях і перспектив розвитку енергетики показав, що традиційні методи спалювання палива не здатні забезпечити необхідний рівень токсичності. Для підвищення теплового напруження робочого об'єму та ефективності спалювання палива пропонується використання мікрофакела як методу горіння. Цей підхід дає можливість зменшити викиди токсичних речовин, знизити розміри конструкції та витрату металу, а також забезпечити повне згорання палива. Досліджено принципи горіння в мікрофакельних пристроях у камерах згорання, а також методи зменшення викидів шкідливих речовин, зокрема оксидів азоту, у газових турбінах. Результати можуть бути використані для модернізації газотурбінних установок, щоб досягти високих технічних та екологічних показників при використанні газоподібного палива. За схемою конструкції були вивчені декілька способів і методів спалювання палива. Також йде мова про основні типи камери згорання і пальникового пристрою. Виходячи з розрахунків і основних показників було обґрунтовано перспективність застосування мікрофакельних пристроїв для камер згорання ГТУ на газоподібному паливі. Виконано розрахунок чисельного моделювання за способами спалювання палива в камері згорання, змішування паливо-повітряної суміші, а також утворення оксидів азоту. Показаний вплив конструктивних форм, типу, конструкцій і розташування пристроїв за температурою, емісію оксидів азоту та процесу змішування палива з повітрям. За отриманими результатами можна більш детально пояснити процес горіння газоподібного палива. Мікрофакельні пристрої і спалювання палива у світі використовуються на багатьох ГТУ. За теорією горіння газоподібної суміші за нормальних умов надлишку повітря при витраті палива і повітря, горіння відбувається повністю, що приводить до великої концентрації оксиду азоту і інших токсичних речовин. Завдання використання мікрофакельного горіння в тому щоб запобігти появі шкідливих речовин в димових газах. Проаналізовано та описано систему контролю та керування газотурбінною установкою, яка представляє собою децентралізовану багаторівневу цифрову систему, що працює в режимі технологічного процесу та має декілька ієрархічних рівнів.Kisil M.M., Rymar T.I. (supervisor). Developing the effective fuel-burning devices of gas turbine combustion chambers using the principle of microflare burning. Master's thesis. – Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2024.

Extended abstract As is known, among the negative impacts of energy facilities on the environment, one of the most harmful is the emission of nitrogen oxides, the toxicity of which significantly exceeds that of carbon and sulfur oxides. The main technological factors that affect the level of nitrogen emissions include: the air excess coefficient, the load on the fire technical object, the recirculation of exhaust gases, the injection of water or steam into the combustion zone, the redistribution of fuel and air in the burner, the redistribution of fuel and air across the burner levels, the disconnection of individual burners, the change in the intensity of the oxidizer swirl, the use of catalytic combustion technologies, and the application of the microflame combustion mechanism (multi-burner devices in energy boilers and GTU combustion chambers). The need to improve fuel combustion technologies requires in-depth research on combustion processes in energy installations. Among the various methods of organizing fuel combustion in these installations, microflame combustion stands out, achieved by breaking up the flame into separate combustion centers. This combustion can be realized, in particular, through the formation of the flame using a system of flame stabilizers. Microflame burner devices have a number of advantages, such as a high degree of homogenization of the combustion zone, improved stabilization properties, and a low level of pressure drop at the burner, etc. [1, 2]. With the emergence of new promising modifications of microflame burner devices, there arises a need for research on combustion processes in these burners. Study object – the working processes in burner devices in the combustion chambers of gas turbines operating on gaseous fuel. Scope of research – the characteristics of heat and mass transfer processes in burner devices in the combustion chambers of gas turbines operating on gaseous fuel. Goal of research: the study of microflame devices in the combustion chamber, combustion methods aimed at reducing harmful emissions in gas turbines, particularly nitrogen oxides, and the modernization of gas turbine units (GTUs) to ensure good technical and environmental performance of the turbine when using gaseous fuel. This master's qualification thesis investigates various methods and principles of combustion in microflame devices and multi-core combustion chambers, which reveals the features of microflame combustion that can meet the requirements for combustion chambers of gas turbine engines. The analysis of the main causes of nitrogen oxide formation in different devices and the prospects for energy development has shown that traditional methods of fuel combustion cannot provide the required toxicity levels. To increase the thermal stress of the working volume and the efficiency of fuel combustion, the use of microflame as a combustion method is proposed. This approach allows reducing toxic emissions, reducing the size of the design, metal consumption, and ensuring complete fuel combustion. The principles of combustion in microflame devices in combustion chambers have been studied, as well as methods for reducing harmful emissions, including nitrogen oxides, in gas turbines. The results can be used for the modernization of gas turbine installations to achieve high technical and environmental performance when using gaseous fuel. Various fuel combustion methods were studied based on the construction scheme. The main types of combustion chambers and burner devices are also discussed. Based on calculations and main performance indicators, the potential application of microflame devices for GTU combustion chambers operating on gaseous fuel was substantiated. Numerical modeling calculations were performed for fuel combustion methods in the combustion chamber, fuel-air mixture mixing, and nitrogen oxide formation. The impact of design forms, types, constructions, and device arrangements on temperature, nitrogen oxide emissions, and the fuel-air mixing process was shown. The results obtained allow for a more detailed explanation of the combustion process of gaseous fuel. Microflame devices and fuel combustion are used worldwide in many GTUs. According to the theory of combustion of gaseous mixtures under normal excess air conditions, when fuel and air are consumed, combustion occurs completely, leading to a high concentration of nitrogen oxide and other toxic substances. The goal of using microflame combustion is to prevent the formation of harmful substances in the exhaust gases. The system for controlling and managing the gas turbine installation has been analyzed and described. It is a decentralized, multi-level digital system that operates in a technological process mode and has several hierarchical levels. Key words: combustion technology, microflame burner devices, gas turbine units, fuel-air mixture.

Reference: 1. Lyubchyk, H. M., Varlamov, H. B., Mikulin, H. O., Hovdiak, R. M., Chabanovych, L. B., & Shelkovskyi, B. I. (2005). Rozvytok system dopalyuvannya na vykhlopi utylyzatsiynykh HTU. Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu «KPI» – «Enerhetychni protsesy y ustatkuvannya», (6), 145 – 153. 2. Fialko, N. M., Sherenkovskyi, Yu. V., Merenova, N. O., & Alyoshko, S. O. (2020). Systema okholodzhennya mikrofakelnykh palnykovykh prystroyiv stablizatornoho typu. U 1st International scientific and practical conference “European scientific discussions” (28 – 30 lystopada 2020) (s. 242 – 249). Potere della ragione Editore.