Газотурбинная установка малой мощности на метано-водородном топливе

  • Дакка [Dakkah] Баидаа [Baydaa] Бу [Bo]
  • Ильдар [I′ldar] Айдарович [A.] Султангузин [Sultanguzin]
  • Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Яворовский [Yavorovsky]
  • Михаил [Mikhail] Григорьевич [G.] Жумагулов [
  • Нурлан [Nurlan] Режепбаевич [R.] Картжанов [Kartzhanov]
Ключевые слова: водород, система подачи топлива, микрогазотурбинная установка

Аннотация

В настоящее время экологическая проблема актуальна для многих мировых ученых. Это связано с климатическими изменениями из-за парниковых газов (на промышленный сектор приходится около 50%). Необходимы срочные меры для их значительного сокращения.

В связи с этим наблюдается мировая тенденция к преобладанию использования возобновляемых источников энергии, наиболее значимым из которых является водородная энергетика.

Изучено влияние величины добавки водорода к метану на тепловые характеристики микрогазотурбинной установки, рассчитанной на мощность 100 кВт, а также на геометрические размеры устройства для подачи топлива при постоянных значениях объемных расходов поступающего воздуха и газообразных продуктов сгорания, образующихся в той же установке.

Исследование проходило с использованием программы EPSILON. Установлено, что добавление водорода к метану увеличивает объемный расход топлива и, следовательно, площадь сечения устройства для подачи топлива. Рост процентного содержания водорода ведет к снижению температур перед турбиной не более чем на 12 оС. При полной замене метана кислородом КПД установки падает всего на 1%. Таким образом, тепловые характеристики исследуемой микрогазотурбинной установки существенно не меняются, но необходимо изменение конструкции устройства впрыска топлива.

Сведения об авторах

Дакка [Dakkah] Баидаа [Baydaa] Бу [Bo]

аспирантка кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail:eng.baydaabod@gmail.com

Ильдар [I′ldar] Айдарович [A.] Султангузин [Sultanguzin]

доктор технических наук, профессор кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: SultanguzinIA@mpei.ru

Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Яворовский [Yavorovsky]

кандидат технических наук, заведующий кафедрой промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: YavorovskyYV@mpei.ru

Михаил [Mikhail] Григорьевич [G.] Жумагулов [

ассоциированный профессор, доцент кафедры теплоэнергетики Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева, г. Нур-Султан, Казахстан, e-mail: mikelike2000@yandex.ru

Нурлан [Nurlan] Режепбаевич [R.] Картжанов [Kartzhanov]

докторант кафедры теплоэнергетики Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева, г. Нур-Султан, Казахстан, e-mail: nurlanke16@gmail.com

Литература

1. Alliche M., Chikh S. Study of Non-premixed Turbulent Flame of Hydrogen/air Downstream Co-current Iinjector // Hydrogen Energy. 2018. V. 43. No. 6. Pp. 3577—3585.
2. Minakawa K., Miyajima T., Yuasa S. Development of a Hydrogen-fueled Micro Gas Turbine with a Lean Premixed Combustor // Proc. 33rd Jt. Propuls. Conf. Exhib. 1997. Pp. 1—6.
3. Schefer R.W. Reduced Turbine Emissions Using Hydrogen-Enriched Fuels // Proc. Hydrog. Progr. Rev. 2002. Pp. 1—16.
4. Mostafaeipour A. e. a. Localization of Solar-hydrogen Power Plants in the Province of Kerman // Adv. Energy Res. 2017. V. 5. No. 2. Pp. 179—205.
5. Menia S. e. a. Hydrogen Production by Methanol Aqueous Electrolysis Using Photovoltaic Energy: Algerian Potential // Hydrogen Energy. 2017. V. 42. No. 13. Pp. 8661—8669.
6. Gökalp I., Lebas E. Alternative Fuels for Industrial Gas Turbines // Appl. Therm. Eng. 2004. V. 24. No. 11—12. Pp. 1655—1663.
7. Буров В.Д., Савитенко М.А., Рыбаков Б.А. Сжигание водородосодержащих газов в газотурбинных установках // Турбины и дизели. 2021. № 3—4. С. 16.—24.
8. Cappelletti A., Martelli F. Investigation of a Pure Hydrogen Fueled Gas Turbine Burner // Hydrogen Energy. 2017. V. 42. No. 15. Pp. 10513—10523.
9. Juste G.L. Hydrogen Injection as Additional Fuel in Gas Turbine Combustor. Evaluation of Effects // Hydrogen Energy. 2006. V. 31. No. 14. Pp. 2112—2121.
10. Schefer R.W., White C., Keller J. Lean Hydrogen Combustion // Lean Combustion. N.-Y.: Elsevier, 2008. Pp. 213—254.
11. Kim H.S., Arghode V.K., Gupta A.K. Flame Сharacteristics of Hydrogen-enriched Methane–air Premixed Swirling Flames // Hydrogen Energy. V. 34. No. 2. Pp. 1063—1073.
12. Chacartegui R. e. a. Analysis of Main Gaseous Emissions of Heavy Duty Gas Turbines Burning Several Syngas Fuels // Fuel Proc. Technol. 2011. V. 92. No. 2. Pp. 213—220.
13. De Robbio R. Innovative Combustion Analysis of a Micro-gas Turbine Burner Supplied with Hydrogen-natural Gas Mixtures // Energy Proc. 2017. V. 126. Pp. 858—866.
14. Reale F. e. a. A Micro-gas Turbine Fuelled by Methane-hydrogen Blends // Appl. Mech. Mater. 2012. V. 232. Pp. 792—796, 2012.
15. Tuccillo R. e. a. Methane-hydrogen Blends in Micro-gas Turbines: Comparison of Different Combustor Concepts. // Proc. Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2019. V. 8.
16. Reale F., Sannino R. Water and Steam Injection in Micro-gas Turbine Supplied by Hydrogen Enriched Fuels: Numerical Investigation and Performance Analysis // Hydrogen Energy. 2021. V. 46. No. 47. Pp. 24366—24381.
17. Frolov S.M., Medvedev S.N., Basevich V.Y., Frolov F.S. Self-ignition of Hydrocarbon–hydrogen–air mixtures // Hydrogen Energy. 2013. V. 38. No. 10. Pp. 4177—4184.
18. Rudy W., Dabkowski A., Teodorczyk A. Experimental and Numerical Study on Spontaneous Ignition of Hydrogen and Hydrogen-methane Jets in Air // Hydrogen Energy. 2014. V. 39. No. 35. Pp. 20388—20395.
19. Савитенко М.А., Рыбаков Б.А. Снижение выбросов парниковых газов в водогрейных и паровых котлах // Энергетика и промышленность России. 2021. № 17—18. С. 420—421.
20. Бу Дакка Б., Султангузин И.А., Яворовский Ю.В. Рекуперация тепла с использованием органического цикла Ренкина // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 51—57.
21. Bo Dakkah B. e. a Experimental Study of the Recovery of Low Heat Using the Organic Rankine Cycle // Proc. III Intern. Youth Conf. Radio Electronics and Electrical and Power Eng. 2021. Pp. 1—5.
22. Bo Dakkah B. e. a. Choosing the Suitable Working Fluid to Recover Heat from Low-temperature Sources // Ibid. Pp. 1—5.
23. Ilbas M., Yilmaz I. Experimental Analysis of the Effects of Hydrogen Addition on Methane Combustion // Energy Res. 2012. V. 36. No. 5. Pp. 643—647.
24. Momin E.A. e. a. Regenerative Gas Turbine Power Plant: Performance & Evaluation // Proc. 25th Intern. Compressor Eng. Conf. Purdue, 2021. Pp. 1—12.
25. Reale F., Iannotta V., Tuccillo R. Numerical Study of a Micro-gas Turbine Integrated with a Supercritical CO2 Brayton Cycle Turbine // Proc. Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2018
---
Для цитирования: Баидаа Бу Дакка, Султангузин И.А., Яворовский Ю.В., Жумагулов М.Г., Картжанов Н.Р. Газотурбинная установка малой мощности на метано-водородном топливе // Вестник МЭИ. 2022. № 5. С. 91—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-5-91-100
#
1. Alliche M., Chikh S. Study of Non-premixed Turbulent Flame of Hydrogen/air Downstream Co-current Iinjector. Hydrogen Energy. 2018;43;6:3577—3585.
2. Minakawa K., Miyajima T., Yuasa S. Development of a Hydrogen-fueled Micro Gas Turbine with a Lean Premixed Combustor. Proc. 33rd Jt. Propuls. Conf. Exhib. 1997:1—6.
3. Schefer R.W. Reduced Turbine Emissions Using Hydrogen-Enriched Fuels. Proc. Hydrog. Progr. Rev. 2002:1—16.
4. Mostafaeipour A. e. a. Localization of Solar-hydrogen Power Plants in the Province of Kerman. Adv. Energy Res. 2017;5;2:179—205.
5. Menia S. e. a. Hydrogen Production by Methanol Aqueous Electrolysis Using Photovoltaic Energy: Algerian Potential. Hydrogen Energy. 2017;42;13:8661—8669.
6. Gökalp I., Lebas E. Alternative Fuels for Industrial Gas Turbines. Appl. Therm. Eng. 2004;24;11—12:1655—1663.
7. Burov V.D., Savitenko M.A., Rybakov B.A. Szhiganie Vodorodosoderzhashchikh Gazov v Gazoturbinnykh Ustanovkakh. Turbiny i Dizeli. 2021;3—4:16.—24. (in Russian).
8. Cappelletti A., Martelli F. Investigation of a Pure Hydrogen Fueled Gas Turbine Burner. Hydrogen Energy. 2017;42;15:10513—10523.
9. Juste G.L. Hydrogen Injection as Additional Fuel in Gas Turbine Combustor. Evaluation of Effects. Hydrogen Energy. 2006;31;14:2112—2121.
10. Schefer R.W., White C., Keller J. Lean Hydrogen Combustion. Lean Combustion. N.-Y.: Elsevier, 2008:213—254.
11. Kim H.S., Arghode V.K., Gupta A.K. Flame Сharacteristics of Hydrogen-enriched Methane–air Premixed Swirling Flames. Hydrogen Energy;34;2:1063—1073.
12. Chacartegui R. e. a. Analysis of Main Gaseous Emissions of Heavy Duty Gas Turbines Burning Several Syngas Fuels. Fuel Proc. Technol. 2011;92;2:213—220.
13. De Robbio R. Innovative Combustion Analysis of a Micro-gas Turbine Burner Supplied with Hydrogen-natural Gas Mixtures. Energy Proc. 2017;126:858—866.
14. Reale F. e. a. A Micro-gas Turbine Fuelled by Methane-hydrogen Blends. Appl. Mech. Mater. 2012;232:792—796, 2012.
15. Tuccillo R. e. a. Methane-hydrogen Blends in Micro-gas Turbines: Comparison of Different Combustor Concepts.. Proc. Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2019;8.
16. Reale F., Sannino R. Water and Steam Injection in Micro-gas Turbine Supplied by Hydrogen Enriched Fuels: Numerical Investigation and Performance Analysis. Hydrogen Energy. 2021;46;47:24366—24381.
17. Frolov S.M., Medvedev S.N., Basevich V.Y., Frolov F.S. Self-ignition of Hydrocarbon–hydrogen–air mixtures. Hydrogen Energy. 2013;38;10:4177—4184.
18. Rudy W., Dabkowski A., Teodorczyk A. Experimental and Numerical Study on Spontaneous Ignition of Hydrogen and Hydrogen-methane Jets in Air. Hydrogen Energy. 2014;39;35:20388—20395.
19. Savitenko M.A., Rybakov B.A. Snizhenie Vybrosov Parnikovykh Gazov v Vodogreynykh i Parovykh Kotlakh. Energetika i Promyshlennost' Rossii. 2021;17—18:420—421. (in Russian).
20. Bu Dakka B., Sultanguzin I.A., Yavorovskiy Yu.V. Rekuperatsiya Tepla s Ispol'zovaniem Organicheskogo Tsikla Renkina. Vestnik MEI. 2021;5:51—57. (in Russian).
21. B Bo Dakkah e. a. Experimental Study of the Recovery of Low Heat Using the Organic Rankine Cycle. Proc. III Intern. Youth Conf. Radio Electronics and Electrical and Power Eng. 2021:1—5.
22. Bo Dakkah B. e. a. Choosing the Suitable Working Fluid to Recover Heat from Low-temperature Sources. Ibid:1—5.
23. Ilbas M., Yilmaz I. Experimental Analysis of the Effects of Hydrogen Addition on Methane Combustion. Energy Res. 2012;36;5:643—647.
24. Momin E.A. e. a. Regenerative Gas Turbine Power Plant: Performance & Evaluation. Proc. 25th Intern. Compressor Eng. Conf. Purdue, 2021:1—12.
25. Reale F., Iannotta V., Tuccillo R. Numerical Study of a Micro-gas Turbine Integrated with a Supercritical CO2 Brayton Cycle Turbine. Proc. Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2018
---
For citation: Baydaa Bo Dakkah, Sultanguzin I.A., Yavorovsky Yu.V., Zhumagulov M.G., Kartzhanov N.R. A Small Capacity Methane-Hydrogen Blend Fueled Gas Turbine. Bulletin of MPEI. 2022;5:91—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-5-91-100
Опубликован
2022-03-24
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) 2.4.6