پیش‌بینی آلاینده CO در یک محفظه احتراق توربین گاز به کمک مدل احتراقی نرخ محدود اضمحلال گردابه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد گروه محفظه احتراق، شرکت توربوکمپرسور تک خاورمیانه

2 مدیر دپارتمان تست و عملکرد، گروه محفظه احتراق، شرکت توربوکمپرسور تک خاورمیانه

3 مدیر دپارتمان شبیه سازی، گروه محفظه احتراق، شرکت توربوکمپرسور تک خاورمیانه

4 کارشناس ارشد واحد تست و عملکرد، دپارتمان محفظه، شرکت توربوکمپرسور تک خاورمیانه (توربوتک)، شهرک صنعتی شمس آباد، تهران، ایران

5 مدیر گروه محفظه احتراق، شرکت توربوکمپرسور تک خاورمیانه

چکیده

هدف اصلی مقاله حاضر، پیش‌بینی آلاینده CO در یک محفظه احتراق توربین گاز زمینی 25 مگاواتی است. محفظه احتراق این توربین گاز، متشکل از 18 مشعل EV نسل دوم می‌باشد. برای نیل به هدف فوق، در مقاله حاضر، از مدل دو معادله k-ε برای مدل‌سازی میدان جریان آشفته استفاده‌شده است. همچنین میدان احتراقی آشفته با استفاده از مدل احتراقی نرخ محدود اضمحلال ادی به کمک یک واکنش کلی دومرحله‌ای شبیه‌سازی‌شده است. با توجه به تحقیقات اولیه، واکنش شیمیایی کلی دومرحله‌ای توانایی پیش‌بینی آلاینده CO را ندارد. برای رفع این نقص، در مطالعه حاضر، مکانیزم شیمیایی به‌گونه‌ای بهینه‌شده است تا بتواند آلاینده CO را در محفظه احتراق به‌خوبی پیش‌بینی کند. بهینه‌سازی‌های مذکور بر روی توان ترم دما در نرخ واکنش‌ها انجام‌شده است. نتایج این بهینه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که مکانیزم بهینه‌سازی شده می‌تواند آلاینده CO را با دقت مناسب در شرایط کاری مختلف توربین گاز مزبور پیش‌بینی نماید. بررسی‌های حاضر نشان می‌دهد که تغییرات ایجادشده در واکنش دومرحله‌ای تأثیری در محل پایداری و شکل شعله در داخل محفظه ندارد و تنها اثر این مکانیزم تصحیح پیش‌بینی آلاینده CO می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

CO pollutant Prediction of a Stationary Gas Turbine Combustor Using Finite Rate Eddy Dissipation Combustion Model

نویسندگان [English]

  • mohammad shahsavari 1
  • mohammad ali Soroudi 2
  • Moosa Yazdani 3
  • Sara Montazerinejad 4
1 1- Aerospace Engineering, Combustion Chamber Department, Middle East Turbo Compressor Tech. Co (Turbotec)
4 Engineer
چکیده [English]

The main objective of the present paper is to predict CO emission in a stationary gas turbine combustor. The gas turbine combustor comprises 18 EV burners. To such aim, k-ϵ turbulent model along with finite rate eddy dissipation combustion model and a global two step kinetic mechanism are used to simulate the combustor flow field. Primary investigations show that the global two step mechanism underestimates CO pollutant at the combustor outlet by several orders of magnitude. Therefore, the global mechanism is tuned to capture CO pollutant. To such aim, temperature exponent of the Arrhenius form of reaction rate is tuned as a function of equivalence ratio. Investigations show that the tuned global mechanism using the present methodology accurately predicts CO emission in the stationary gas turbine at various operating conditions. The obtained results show that modifications of the global mechanism have no effect on the overall flame shape and flame lift-off distance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CO Pollutant
  • k-ε Model
  • Finite Rate Eddy Dissipation Combustion Model
  • EV burner
  1. T. C. Lieuwen and V. Yang, Gas Turbine Emissions, Cambridge University Press, New York, 2013. 
  2. P. Jansohn, Modern Gas Turbine Systems: High Efficiency, Low Emission, Fuel Flexible Power Generation, Woodhead Publishing Limited, Sawston, 2013.
  3. A. H. Epstein, “Aircraft Engines’ Needs from Combustion Science and Engineering,” Combustion and Flame, 159, 2012, pp. 1791-1792.
  4. A. B. Lebedev, A. N. Secundov, A. M. Starik, N. S. Titova, and A. M. Schepin, “Modeling Study of Gas-turbine Combustor Emission”, Proceedings of Combustion Institute, 32, 2009, pp. 2941-2947.
  5. J. Park, T. H. Nguyen, D. Joung, K. Y. Huh, and M. Ch. Lee, “Prediction of NOx and CO Emissions from an Industrial Lean-Premixed Gas Turbine Combustor Using a Chemical Reactor Network Model,” Energy Fuels, 27, 2013, pp. 1643-1651.
  6. V. Fichet, M. Kanniche, P. Pilon, and O. Gicquel, “A Reactor Model for Predicting NOx Emissions in Gas Turbines,” Fuel, 89, 2010, pp. 2202-2210.
  7. R. F. D. Monaghan, R. Tahir, G. Bourque, R. L. Gordon, A. Cuoci, T. Faravelli, A. Frassoldati, and H. J. Curran, “Detailed Emissions Prediction for a Turbulent Swirling Non-premixed Flame,” Energy Fuels, 28, 2014, pp. 1470-1488.
  8. E. M. M. Orbegoso, C. D. Romeiro, S. B. Frreira, and L. F. F. da Silva, “Emissions and Thermodynamic Performance Simulation of an Industrial Gas Turbine,” Journal of Propulsion and Power, 27, 2011, pp. 78-93.
  9. S. Goke, M. Furi, G. Bourque, B. Bobusch, K. Gockeler, O. Kruger, S. Schimek, S. Terhaar, and C.O. Paschereit, “Influence of Stream Dilution on the Combustion of Natural Gas and Hydrogen in Premixed and Rich-quench-lean Combustors,” Fuel Process Technology, 107, 2013, pp. 14-22.
  10. S. A. Drennan, C. Chou, A. F. Shelburn, D. W. Hodgson, C. Wang, C. V. Naik, E. Meeks, and H. Karim, “Flow Field Driven Equivalent Reactor Networks for Accurate Chemistry Simulation in Gas Turbine Combustors,” ASME Paper 2009-59861, Orlando, USA, 2009.
  11. F. Biagioli and F. Guthe, “Effect of Pressure and Fuel-air Unmixedness on NOx Emissions from Industrial Gas Turbine Burners,” Combustion and Flame, 151, 2007, pp. 274-288.
  12. V. D. Vasil’ev, L. A. Bulysova, and A. L. Berne, “Effect of the Air-fuel Mixing on the NOx Yield in a Low-emission Gas-turbine Plant Combustor,” Thermal Engineering, 63, 2016, pp. 246-252.
  13. A. Bhargava, D. W. Kendrick, M. B. Colket, W. A. Sowa, K. H. Casleton, and D. J. Maloney, “Pressure Effect on NOX and CO Emissions in Industrial Gas Turbines,” ASME Paper 2000-GT-0097, Munich, Germany, 2000.
  14. M. A. Soroudi, S. Montazerinejad, M. Shahsavari, E. Mollahasanzadeh, M. Yazdani, and Y. Bagheri, “Modeling of Pollutant Emissions in an Industrial Gas Turbine Combustor,” 8th European Combustion Meeting, Dubrovnik, (Accepted), 2017.
  15. D. L. Allaire, I. A. Waitz, and K. E. Wilcox, “A Comparison of Two Methods for Predicting Emissions from Aircraft Gas Turbine Combustors,” ASME Paper GT2007-28346, Montreal, Canada, 2007.
  16. A. M. Elkady, J. Herbon, D. M. Kalitan, G. Leonard, R. Akula, H. Karim, and M. Hadley, “Gas Turbine Emission Characteristics in Perfectly Premixed Combustion,” Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 134, No. 061501, 2012, pp. 1-7.
  17. P. Gokulakrishnan, C. C. Fuller, R. G. Joklik, and M. S. Klassen, “Chemical Kinetics Modeling of Ignition and Emissions from Natural Gas and LNG Fueled Gas Turbines,” ASME Paper GT2012-69902, Copenhagen, Denmark, 2012.
  18. F. Xu, V. Nori, and J. Basani, “CO Prediction for Aircraft Gas Turbine Combustors,” ASME Paper GT2013-94282, Texas, USA, 2013.
  19. T. Poinsot and D. Veynante, “Theoretical and Numerical Combustion,” 3rd Ed., R.T. Edwards, Flourtown, 2012.
  20. A. Y. Klimenko and R. W. Bilger, “Conditional Moment Closure for Turbulent Combustion,” Progress in Energy and Combustion Science, 25, 1999, pp. 595-687.
  21. D. Joung and K. Y. Huh, “3D RANS Simulation of Turbulent Flow and Combustion in a 5MW Reverse-flow Type Gas turbine Combustor,” Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 132, No. 111504, 2010, pp, 1-9.
  22. A. Ketelheun, K. Aschmoneit, and J. Janicka, “CO Prediction in LES of Turbulent Flames with Additional Modeling of the Chemical Source Term,” ASME Paper GT2012-69001, Copenhagen, Denmark, 2012.
  23. H. C. Mongia, “Recent Progress in Comprehensive Modeling of Gas Turbine Combustor,” 46th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit, Nevada, No. 1445, pp. 1-33, 2008.
  24. W. Polifke, W. Dobbeling, T. Sattelmayer, D. G. Nicol, “A NOx Prediction Scheme for Lean-premixed Gas Turbine Based on Detailed Chemical Kinetics,” Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 118, 1996, pp. 775-776.
  25. W. P. Jones and R. P. Lindstedt, “Global Reaction Schemes for Hydrocarbon Combustion,” Combustion and Flame, 73, 1988, pp. 233-249.
  26. Ch. K. WestBrook and F. L. Dryer, “Chemical Kinetic Modeling of Hydrocarbon Combustion,” Progress in Energy and Combustion Science, 10, 1984, pp. 1-57.
  27. F. L, Dryer and I. Glassman, “High-temperature Oxidation of CO and CH4,” Proceeding of Combustion Institute, 14, 1973, pp. 987-1003.
  28. M. Shahsavari, M. Farshchi, and M. H. Arabnejad, “Large Eddy Simulations of Unconfined Non-reacting and Reacting Turbulent Low Swirl Jets,” Flow Turbulence and Combustion, 98, 2017, pp. 817-840.
  29. M. Blomstedt, V. Navrotsky, and O. Lindman, Field Experience from SGT-600 2ND Generation of Low Emission Combustion Chamber, Siemens Industrial Turbomachinery AB report, SE-61283, 2007.