Мороз не помеха
Казанские ученые помогут турбинам для перекачки газа работать экологичнее
В КНИТУ-КАИ разработали математическую модель, позволяющую точно прогнозировать выбросы вредных веществ при работе газотурбинных установок в условиях низких температур. Новый метод расчета поможет оптимизировать работу оборудования при перекачке природного газа в северных регионах, снизить количество вредных выбросов и повысить эффективность использования топлива.
Сотрудники ООО «Газпром трансгаз Москва» во время работы на территории станции
Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ
Сотрудники ООО «Газпром трансгаз Москва» во время работы на территории станции
Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ
Разработка имеет особое значение для России, где сосредоточена треть мировых запасов природного газа и 86% газоперекачивающих агрегатов оснащены газотурбинным приводом. Газотурбинные установки активно используются на электростанциях и компрессорных станциях газопроводов, расположенных в отдаленных районах с суровым климатом.
По оценкам специалистов, комплексная оптимизация работы газотурбинной установки на основе новой модели может сократить расход топлива на 2–3% и увеличить межремонтный интервал оборудования.
Исследование провели сотрудники Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева — КАИ: старший преподаватель кафедры «Реактивные двигатели и энергетические установки» Олег Тихонов и доцент кафедры Андрей Сабирзянов совместно с Андреем Баклановым из АО «КМПО». Результаты работы опубликованы в «Вестнике МГТУ им. Н. Э. Баумана» в серии «Машиностроение» в 2024 году.
Проблема контроля выбросов угарного газа становится особенно острой при эксплуатации газотурбинных установок в регионах с суровым климатом. При отрицательных температурах окружающей среды объем вредных выбросов может значительно увеличиваться из-за неполного сгорания топлива, а существующие методы расчета не позволяют точно прогнозировать эмиссию в таких условиях.
«Мы использовали модель FiniteRate с кинетическим механизмом GRI-Mesh 3.0, которая позволяет максимально точно рассчитать процессы горения в камере сгорания. При низких температурах погрешность расчетов не превышает 4%, в то время как стандартные методы дают погрешность до 92% при отрицательных температурах. Это принципиально важно для оптимизации работы двигателей в суровых климатических условиях»,— объясняет Олег Тихонов.
В своей работе исследователи применили программный комплекс Ansys Fluent для моделирования течения газов и жидкостей. Используя модель горения FiniteRate, учитывающую скорость химических реакций, они создали адекватную математическую модель физико-химических процессов в камере сгорания газотурбинного двигателя.
Ученые проанализировали несколько подходов к расчету процессов горения. Наиболее точные результаты показал механизм GRI-Mesh 3.0, учитывающий 53 вещества и 325 химических реакций. Другие упрощенные модели демонстрировали значительные погрешности — более 27%.
Новую модель применили для оптимизации работы газотурбинного двигателя НК-38СТ мощностью до 25 МВт. Этот двигатель широко используется на электростанциях и компрессорных станциях газопроводов в регионах с экстремальными температурами. Точное моделирование процессов горения позволяет настроить режимы работы для достижения более полного сгорания топлива, что улучшает КПД установки и снижает расход топлива.
Важным элементом исследования стал анализ температурных полей в камере сгорания. Правильный расчет распределения температуры предотвращает перегрев компонентов двигателя, напрямую влияя на срок службы деталей и затраты на техническое обслуживание.
На основе полученных результатов ученые предложили в дальнейшем разрабатывать новые упрощенные механизмы расчета, ориентированные на узкие диапазоны температур окружающей среды. Это позволит быстрее и точнее прогнозировать выбросы угарного газа.
Численное моделирование процессов горения существенно сокращает затраты на разработку и тестирование двигателей по сравнению с проведением физических экспериментов. Результаты исследования могут применяться при проектировании новых газотурбинных двигателей и оптимизации работы существующих установок.
Подготовлено при поддержке Казанского университета