Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Повышение экологической безопасности в производстве электрической энергии на тепловых электростанциях представляет собой актуальную научную задачу. Одним из перспективных направлений, способствующих снижению вредных выбросов в атмосферу, является переход к кислородно-топливным энергетическим комплексам (КТЭК), в которых в качестве рабочего тела используется сверхкритический диоксид углерода (CO2). Ключевым компонентом КТЭК является камера сгорания, где природный газ сжигается в среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, при сверхкритическом давлении. Углекислый газ, выступая в роли ингибитора химических реакций, снижает скорость распространения пламени метана с кислородом в среде CO2 в 3-4 раза по сравнению с атмосферным азотом при прочих равных условиях. Эти различия подчеркивают необходимость пересмотра существующих рекомендаций по проектированию фронтовых устройств камер сгорания газотурбинных установок и подходов к численному моделированию процессов горения для их адекватного применения в разработке горелочных устройств кислородно-топливных камер сгорания. Настоящий проект направлен на исследование процессов горения топлива с кислородом в среде углекислого газа при повышенном давлении с использованием методов математического и физического моделирования, а также формирование методических подходов к проектированию горелочных устройств камер сгорания кислородно-топливных энергетических комплексов. Второй этап проекта посвящен экспериментальным исследования модели горелочного углекислотной камеры сгорания, разработанной в рамках первого этапа с целью верификации математических моделей и кинетических механизмов процессов горения, что необходимо для разработки экспериментальной модели углекислотной камеры сгорания. В ходе второго этапа были проведены как расчетные, так и экспериментальные исследования. В обеспечение проведения экспериментальных исследований был проведен комплекс работ, включающих в себя проектирование, поверочные расчеты и изготовление экспериментального стенда, обеспечивающего испытание модельных горелочных устройств кислородно-топливных камер сгорания. Были проведены экспериментальные исследования модели горелочного устройства углекислотной камеры сгорания, разработанной в ходе предыдущего этапа проекта. Исследования проводились при давлении, близком к атмосферному, в диапазоне коэффициентов избытка кислорода α = 1-1,75 и степени разбавления γ = 0-0,7. По результатам проведенных экспериментальных исследований было установлено, что при α = 1 наблюдается стабильное горение при γ в диапазоне 0-0,69, при дальнейшем повышении расхода углекислоты пламя гаснет. С увеличением коэффициента избытка окислителя предельная степень разбавления снижается до 0,57-0,59. Угасание пламени обусловлено как ингибирующими свойствами диоксида углерода, так и повышением скорости течения газов при повышении расхода рабочего тела. Полученные в ходе эксперимента значения, при которых гаснет пламя, несколько отличаются от полученных в ходе численного моделирования на предыдущих этапах, что обусловлено ингибирующим влиянием диоксида углерода, которое не в полной мере учитывается математическими моделями, используемыми при расчете в дополнение к учитываемым при моделировании эффектам повышения скорости истечения газов. В целях верификации используемых математических моделей и кинетических механизмов было проведено численное моделирование процессов горения при условиях, близких к эксперименту по литературным данным и при условиях проведенного эксперимента. При сравнении с литературными данными было получено хорошее согласие по скорости задержки воспламенения и ламинарной скорости пламени. По результатам верификации результатов численного моделирования с проведенным экспериментом было установлено, что используемые кинетические механизмы имеют приемлемую точность, однако при пространственном моделировании наблюдаются достаточно высокие отклонения по концентрациям монооксида углерода. Данный факт свидетельствует о необходимости корректировки используемых моделей на следующем этапе проекта. С целью создания задела для модернизации на следующем этапе проекта экспериментального стенда и получения данных по процессам, происходящим в углекислотных камерах сгорания, была разработана экспериментальная модель охлаждаемой углекислотной камеры сгорания тепловой мощностью 50 кВт. Для данной модели было проведено численное моделирование, с помощью которого было оценено тепловое состояние стенок камеры сгорания. С применением полученных результатов сформированы требования к модернизации существующего водоохлаждаемого туннельного стенда для испытаний горелочных устройств большой мощности (до 1 МВт) с целью его использования при испытаниях камер сгорания. Представленные результаты научно-исследовательской работы свидетельствуют о успешном выполнении поставленных задач и позволяют перейти к следующему этапу исследований, посвященному проведению экспериментальных исследований модельного образца охлаждаемой кислородно-топливной камеры сгорания, верификации результатов численного моделирования процесса кислородно-топливного горения с полученными экспериментальными данными, а также разработке методических подходов к моделированию процессов горения в углекислотных камерах сгорания и их конструированию применительно к кислородно-топливным энергетическим комплексам.