Современные газотурбинные установки, вырабатывающие электроэнергию и тепло, работают на ископаемом топливе, которое загрязняет атмосферу и постепенно исчерпывается. Вместо него можно использовать водород, который при сгорании не дает вредных выбросов. Но просто заменить одно топливо на другое невозможно, поскольку без перенастройки оборудование может выйти из строя всего через несколько часов работы. Проблема в том, что в большинстве исследований не учитываются сложные переходные процессы, происходящие внутри установки. Это не позволяет проводить точные расчеты и использовать экологически чистое топливо для получения электроэнергии. Ученые Пермского Политеха впервые смоделировали горение водорода в газотурбинных установках в условиях, максимально приближенных к реальным. Они получили диапазон значений, при которых пламя остается стабильным и не повреждает оборудование. Это позволит инженерам настраивать существующие турбины для работы на водороде без риска поломок и колоссальных затрат.

Статья опубликована в журнале «Problems of the Regional Energetics».

 

Фото: Бульбович Роман Васильевич. Профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.  Автор и источник: Пресс-служба ПНИПУ

 

Основу современной энергетики составляют уголь, нефть и природный газ. Именно эти ископаемые ресурсы обеспечивают большую часть энергии в мире, питая заводы, транспорт, системы отопления и электростанции. Однако из-за их повсеместного использования необратимо растет концентрация парниковых газов в атмосфере. По последним данным, энергетический сектор ответственен за более чем 60 % всех выбросов углекислого газа. Кроме того, запасы углеводородов ограничены, а их добыча с каждым годом требует все больших затрат и освоения труднодоступных месторождений.

Поэтому мировая энергетика активно ищет топливо, которое позволило бы сохранить привычную тепловую генерацию, но без пагубного воздействия на климат и здоровье людей. Наиболее перспективным вариантом сегодня считается водород. Единственный продукт его реакции с кислородом — это водяной пар. С экологической точки зрения это идеальный энергоноситель: никаких выбросов и вреда атмосфере.

Более того, водород дает очень много энергии — при сжигании он выделяет почти в три раза больше тепла, чем бензин, и в четыре раза больше, чем метан. Это значит, что для получения той же мощности нужно меньше топлива, а значит, снижаются затраты на его хранение и транспортировку. Сегодня крупнейшие мировые энергетические компании рассматривают водород как главное топливо будущего.

Однако его массовому внедрению мешает то, что существующие газотурбинные установки, которые вырабатывают электроэнергию и тепловую мощность, спроектированы именно под природный газ. Перевести их на водород без предварительной адаптации невозможно, поскольку физика горения у этих газов кардинально различается. Это чревато тем, что оборудование будет выходить из строя всего за несколько часов работы, что сделает эксплуатацию таких установок не только опасной, но и чрезмерно затратной. В результате основной способ решения проблемы — это разработка новых камер сгорания, что требует огромных вложений и многолетних испытаний.

При этом в большинстве существующих исследований не учитываются реальные условия работы промышленных турбин: высокое давление, сложное движение воздуха внутри камеры и его завихрения. Однако именно эти факторы определяют, как топливо смешивается с воздухом и насколько ровно протекает горение. Это важно, потому что от устойчивости пламени напрямую зависит, сможет ли турбина работать на водороде без перегрева, вибраций и разрушения. Текущие лабораторные условия не дают результатов, которые можно перенести на реальное оборудование.

Из-за этого инженеры не получают надежных данных о том, как водород ведет себя в настоящей камере сгорания. А значит, они не могут перейти на новое топливо без риска разрушить оборудование и вынуждены продолжать использовать природный газ, который не только наносит вред экологии, но и является исчерпаемым ресурсом.

Ученые Пермского Политеха смоделировали горение водорода в газотурбинной установке в условиях, максимально приближенных к реальным. Они впервые в России получили точные значения, при которых топливо стабильно сгорает и не повреждает оборудование. Это позволит инженерам перевести существующие турбины на экологически чистый водород. 

В большинстве существующих исследований горение топлива изучали на упрощенных моделях и лабораторных установках — плоских горелках или закрытых камерах без движения газа. В них можно быстро проводить расчеты, однако такие условия не соответствуют реальной работе турбины.

Пермские ученые пошли по другому пути и построили 3D-модель камеры сгорания со всеми ее элементами. Они учли все конструктивные особенности, чтобы приблизить модель к реальной турбине. Помимо этого, исследователи впервые соединили в модели все сложные процессы: как движется воздух, как он смешивается с топливом и как образуются вредные вещества. Все входные параметры — температуру, давление, расходы топлива и воздуха — задали такими же, как у реально работающей газотурбинной установки.

Также они сделали модель очень детальной — разбили камеру на множество мельчайших участков и просчитали, что происходит в каждом из них. Такой подход позволил отследить все процессы, происходящие внутри оборудования: как меняется температура, формируется пламя и как распределяются вредные вещества.

Чтобы понять, при каких условиях водород остается стабильным, в цифровой модели начали менять условия (расход топлива и воздуха). При этом ученые замеряли два параметра: скорость потока газов и движения пламени. Сравнивая их, можно определить, остается ли огонь на месте или начинает менять свое положение в камере сгорания. Это важно знать, потому что если он смещается, то повреждает оборудование или может погаснуть. Именно по этим параметрам можно понять, как правильно настроить подачу топлива и воздуха для безопасной работы установки.

— В результате мы нашли точные значения, при которых горение водорода остается стабильным. Мы проверили разные режимы подачи топлива и воздуха и увидели, что в оптимальных условиях положение пламени фиксированное, температура на выходе из камеры соответствует норме, а риск перегрева оборудования отсутствует. Это значит, что инженеры могут использовать полученные цифры для настройки существующих турбин, спроектированных под природный газ, — рассказал Станислав Архипов, аспирант кафедры «Энергетическое машиностроение» ПНИПУ.

Предложенные значения специалисты могут использовать в своих расчетах: взять геометрию камеры сгорания, расходы топлива и воздуха и посмотреть, попадают ли полученные ими значения в безопасную зону. Если нет — необходимо менять параметры работы установки до тех пор, пока условия не станут оптимальными для водорода. 

— В ходе тестирования мы также определили, сколько выбросов оксидов азота образуется в процессе горения. Эти вещества появляются при высоких температурах и в больших количествах очень опасны для здоровья. Расчеты показали, что в самой горячей зоне камеры их концентрация еще заметна, но уже на выходе она падает почти до нуля. То есть при правильной настройке водородная турбина практически не дает вредных выбросов, — отметил Роман Бульбович, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, доктор технических наук.

Решение пермских ученых впервые позволит спасти оборудование от перегрева и разрушения, а главное — даст возможность перевести существующие турбины с природного газа на водород без огромных затрат на разработку новых технических решений.

Фото заглавное. Описание: Проведение исследования.  Автор и источник: Пресс-служба ПНИПУ

Пресс-релиз