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.

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 выделяет почти в три раза больше тепла, чем бензин, и в четыре раза больше, чем метан. Но заменить одно топливо на другое невозможно – существующие газотурбинные установки спроектированы именно под природный газ. Перевести их на водород без предварительной перенастройки невозможно, поскольку физика горения у этих газов различается. Это может привести к тому, что оборудование будет выходить из строя всего за несколько часов работы.

При этом в большинстве уже проведенных исследований не учитываются реальные условия работы промышленных турбин: высокое давление, сложное движение воздуха внутри камеры и его завихрения. Однако 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.

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, протекающие 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: скорости потока газов и движения пламени. Сравнивая их, можно определить, остается ли огонь на месте или начинает менять свое положение в камере сгорания. Смещение пламени может привести к повреждению оборудования или прекращению горения. Именно по этим параметрам можно узнать, 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 аспирант кафедры «Энергетическое машиностроение» ПНИПУ Станислав Архипов.

Предложенные значения специалисты могут использовать в своих расчетах: учесть геометрию камеры сгорания, расход 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 профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, доктор технических наук Роман Бульбович.

«Решение пермских ученых позволит перевести существующие турбины с природного газа на водород без огромных затрат на разработку новых технических решений», – подчеркнули в Политехе.