ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СФЕРЕ РАЗРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ГОРЕЛОК EMMA-C МОЩНОСТЬЮ ОТ 0.6 ДО 12 МВТ ДЛЯ ТЭК

Разработка конструкций серии газовых горелок затрагивает сразу несколько отдельных фундаментальных научных направлений и осложнено проблемой сохранения широкого спектра безразмерных комплексов подобия гидродинамических и химических процессов. На примере горелок серии EMMA-C ООО НПП «ПРОМА» в статье проанализированы основные преимущества и недостатки использование современных методов моделирования процессов течения и горения смеси сплошных сред в цифровом двойнике изделия при инженерном проектировании от эскиза до запуска изделия в серию.

Ключевые слова: газовая горелка, численное моделирование, EMMA, водогрейный котел, горение, центробежный насос, ПРОМА

Сжигание природного газа является одним из наиболее распространенных видов получения тепловой и электрической энергии для ТЭК. С точки зрения химии, процесс горения метана достаточно тривиален и хорошо изучен. Однако помимо обеспечения необходимого соотношения компонентов стехиометрической горючей смеси важную роль играет процесс смесеобразования и газодинамическая картина течения многофазной смеси, которые происходят в факеле горелочного устройства. Неполное сжигание метана приводит сразу к нескольким негативным последствиям, например, превышению содержания оксидов углерода (CO, CO2) и азота (NOx) в продуктах сгорания. Экспериментальное измерение полей химических соединений, для которого используется метод лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF, PLIF) [1] или комбинированные PIV/PLIF измерения, требует дорогостоящего лабораторного оборудования, сложных ресурсозатратных алгоритмом сбора и обработки данных. Не менее сложными являются измерения полей высоких температур сажи (метод двухцветной пирометрии [1]),полей скорости внутри факела (метод PIV [1]) и интенсивность его закрутки [2]. Поэтому подобные измерения используются лишь в фундаментальных лабораторных исследованиях процесса горения и их сложно реализовать при натурном испытании крупногабаритных промышленных горелок большой мощности. На практике используют более простые методы радиометрии, пирометрии и термоанемометрии [3-5]. Помимо расчета процессов смешивания и горения компонентов смеси в проектировании горелки возникают проблемы обеспечения расчетного расхода воздуха, который обеспечивается работой центробежного насоса с фиксированными напорными характеристиками. При этом величина создаваемого динамического напора сильно зависит от гидравлического сопротивления проточного тракта горелки и противодавления камеры сгорания котла. Отдельной научной проблемой является масштабирование горелки на другую мощность. В отличии, например, от трубного течения, где гидродинамическое подобие течения обеспечивается сохранением величины числа Рейнольдса, в случае течения, смешивания и горения сплошных сред в горелки количество безразмерных комплексов составляет более 10. Поэтому при переходе от одного масштаба к другому невозможно обеспечить полное подобие всех процессов. Линейный ряд серии газовых горелок является набором разных изделий, каждое из которых требует отдельного проектирования.

Таким образом, проектирование газовой горелки с низким содержанием вредных веществ, заданными габаритами факела, тепловой мощности и другими параметрами требует тщательного и продолжительного исследования на этапе разработки.

По примеру ведущих мировых производителей промышленных горелок в ООО «ПРОМА» для разработки новой серии газовых горелок EMMA-C с мощностью от 0.6 до 12 МВт и более были использованы методы численного моделирования цифровых двойников изделия (рис. 1).

Процесс проектирования горелки начинается с гидродинамического расчета методами RANS и URANS работы центробежного вентилятора воздуха, по результатам которого оптимизируется рабочее колесо вентилятора и проточная часть горелки с целью уменьшения гидравлических потерь, влияющих на энергопотребление двигателя. На основе результатов этих расчетов (рис. 2) составляются карты режимов допустимого противодавления в камере сгорания котла и выходной мощности горелки.

Рис. 1. Слева: блочная газовая горелка серии EMMA; справа: цифровой двойник

Рис. 2. Слева: поле давления, создаваемое вращением колеса центробежного вентилятора; справа: линии тока

После обеспечения необходимых расходов и стехиометрических пропорций компонентов реакции горения смеси на втором этапе проектирования приводятся расчеты эффективности смешивания компонентов смеси (рис. 3), теплового состояния элементов горелки, полей концентраций компонентов реакции горения (СН4, О2) и продуктов сгорания (СО2, Н2О, СО, NOx). По результатам этих расчетов оптимизируются элементы горелочного устройства, выбираются участки подачи топлива в поток окислителя. При необходимости проводятся расчеты горелочного устройства в составе котла заказчика горелки, в том числе рассчитывается, например, процесс нагрева воды или парообразования. На рис. 4 показано сопоставление расчетного факела цифрового двойника изделия и фотографии реального горения в горелке EMMA-C.

Рис. 3. Слева: поле давления, создаваемое вращением колеса центробежного вентилятора; справа: линии тока

Рис. 4. Сопоставление расчетного факела цифрового двойника изделия и фотографии реального горения в горелке EMMA-C

Представленный краткий обзор потенциала использования методов численного моделирования наглядно показывает преимущества использования инновационных технологий при проектировании промышленных горелочных устройств. В процессе расчета выявляются и исправляются все недостатки конструкции и открывается доступ к полям характеристик, которые почти невозможно измерить экспериментально. К недостаткам численных методов относятся высокая вычислительная затратность подобного расчета (количество расчетных доменов составляет порядка 10 млн.) и модельный поход к расчету турбулентности и реакции горения. Однако совокупный анализ результатов расчета с результатами натурных испытаний горелочного устройства позволяет достичь решения задачи создания надежного, эффективного и экологически безопасного горелочного устройства.

Работа выполнена при финансовой поддержке ООО НПП «ПРОМА» и ФИЦ Казанский научный центр РАН (проект № FMEG-2021-0001).