Đang tải...

CLB Máy bay - Không quân phun nước vào buồng đốt

Thảo luận trong 'Câu lạc bộ các ngành kỹ thuật' bắt đầu bởi camelR1, 4/11/09.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. camelR1
    Offline

    <font color="red">HỘI TRƯỞNG ĐỘC THÂN HỘI</font><i
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    16/9/09
    Số km:
    596
    Được đổ xăng:
    11
    Mã lực:
    31
    Xăng dự trữ:
    135 lít xăng
    Trải qua hơn 50 năm, buồng đốt tuabin khí đã tiến triển rõ nét để có được sự ổn định cao và cường độ cháy mạnh nhờ áp dụng nguyên lý ngọn lửa khuếch tán xoáy ổn định (swirl -stability diffusion flame). Ngoài yêu cầu về tính ổn định và cường độ cháy cao này, buồng đốt tuabin khí ngày nay phải thải ra càng ít càng tốt oxit cacbon (CO), hyđro cacbon, oxit nitơ (NOx) và muội than.
    [​IMG] Các yếu tố chính ảnh hưởng đến phát thải của buồng đốt tuabin khí sử dụng nhiên liệu dầu DO và khí thiên nhiên bao gồm: (1) nhiệt độ vùng cháy sơ cấp (primary zone) với tỉ số cân bằng, (2) mức độ trộn (degree of mixing) ở vùng sơ cấp, (3) thời gian cháy tức thời và cuối cùng là đặc điểm của buồng đốt có dập tắt.
    Trong thực tế trước đây, để giữ vùng cháy sơ cấp ở tỉ số F = 0,7 - 0,9 (gần tiệm cận). Đối với hỗn hợp cháy thấp, nồng độ khí CO là cao bởi vì tỉ lệ oxy hóa chậm và thời gian cháy ngắn.
    [​IMG]
    Hình 1. Phân bố vùng trong buồng đốt


    Hyđro cacbon sinh ra do sự hóa hơi không hoàn toàn của nhiên liệu phun.
    Cả hai loại khí thải CO và hyđro cacbon có thể giảm xuống bằng cách tán nhỏ nhiên liệu phun vào, chẳng hạn như dùng các vòi phun có thiết kế dạng luồng khí. Luồng khí chạy qua vách lót của vùng cháy trung gian (intermediate zone) sẽ làm cháy hoàn toàn hyđro cacbon và CO, đồng thời làm mát vỏ buồng đốt. Do sự trộn lẫn không đồng đều, ở vùng lạnh, hyđro cacbon và CO không cháy kiệt, còn ở vùng nóng sẽ tạo ra khí NOx.
    [​IMG]
    Hình 2. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/nhiên liệu đến lượng phát thải Nox.

    Muội than được hình thành gần đầu vòi phun do cháy thừa nhiên liệu và hầu hết chúng được tạo ra trong vùng cháy sơ cấp sau đó bị oxy hóa ở vùng trung gian. Đối với tuabin, nhiệt độ vào buồng đốt (TIT) cao, muội than đồng thời bị phá hủy ở vùng loãng (dilution zone). Phun càng nhiều gió vào vùng cháy sẽ làm giảm muội than, nhưng lại làm tăng phát thải hyđro cacbon và CO. Ngoài ra, còn có thể giảm muội than bằng cách tăng cường trộn kết hợp phun nước và tăng thời gian cháy tức thời.
    Ý tưởng cơ bản về giảm phát thải NOx là giảm nhiệt độ đỉnh trong quá trình cháy và quãng thời gian ở nhiệt độ cao. Để giảm lượng nhỏ phát thải NOx, có thể thực hiện bằng ba cách: giảm thời gian cháy ở nhiệt độ cao, tăng cường trộn trong vách hướng gió và tăng áp suất phun nhiên liệu.
    Tuy nhiên, để giảm thiểu đáng kể phát thải NOx, phải thực hiện theo các phương pháp sau: (1) phun nước vào buồng đốt, (2) trộn trước hỗn hợp cháy, (3) và sử dụng buồng đốt hai tầng. Tuần hoàn khói thải cũng là phương pháp giảm lượng phát thải NOx, nhưng điều này đòi hỏi phải thay đổi thiết kế máy nén, do đó phương pháp này không được ưa chuộng hiện nay.
    Phương pháp phun nước, hơi nước (Water, Steam Injection)
    Đối với tuabin khí, phun nước trực tiếp ở mức từ 0,5 đến 1,5 lần lưu lượng nhiên liệu ở vùng cháy sơ cấp được xem là hiệu quả nhất trong việc giảm phát thải NOx, trong khi phát thải hyđro cacbon và CO chỉ tăng nhẹ cho đến khi tỉ lệ nước/nhiên liệu (W/F) này bằng 1 và sau đó tăng rất nhanh (xem hình 3). Phun nước sẽ làm tăng công suất tổ máy lên đến 16%, nhưng ngược lại, sẽ làm giảm hiệu suất tổ máy xuống 4% do nhiệt độ vào buồng đốt TIT bị giảm.
    Phun nước có thể làm giảm nồng độ phát thải NOx xuống còn 100 ppm (phần triệu), nhưng nó cũng đòi hỏi chi phí bổ sung cho việc khử khoáng (demineralization) để tránh làm bẩn tuabin. Ở một số nơi có tiêu chuẩn phát thải khắt khe (như ở California - 9 ppm), phương pháp trộn trước hỗn hợp cháy (premixed) là thật sự cần thiết.
    Phương pháp trộn trước nhiên liệu/gió (Fuel/ Air Premixed)
    Với phản ứng cháy gần tiệm cận (combustion lean), làm loãng chính là tăng lượng gió hơn nước. Giảm tỉ lệ nhiên liệu/gió (F/A) gần đường giới hạn tiệm cận sẽ làm giảm khí NOx bởi vì nhiệt độ ngọn lửa bị giảm xuống đáng kể, tuy nhiên nó đòi hỏi thiết kế phức tạp ở hai khía cạnh sau: thứ nhất là đảm bảo tính ổn định của phản ứng cháy và thứ hai là duy trì sự cháy do tuabin khí phải mồi lửa, gia tốc và vận hành trơn tru ở các mức tải.
    [​IMG]
    Hình 3. Buồng đốt giảm NOx (DLN-2)-GT MS7001FA

    Ví dụ buồng đốt giảm NOx cho tuabin khí công nghiệp loại 1 tầng (hình 4) có thể vận hành hai loại nhiên liệu là khí thiên nhiên và dầu DO. Khi chạy bằng khí thiên nhiên ở chế độ khuếch tán ngọn lửa (diffusion flame mode), tải thấp và trộn trước (premixed mode) ở tải cao thì nồng độ khí thải NOx sẽ giảm thấp ở chế độ trộn trước. Khi chạy bằng dầu DO, buồng đốt luôn vận hành theo chế độ khuếch tán ở các mức tải.
    [​IMG]
    Hình 4. Vòi đốt giảm NOx GT MS7001FA

    Thiết kế vòi đốt ở hình 5 gồm có 5 vòi phụ, mỗi vòi sẽ có bộ tạo gió xoáy, bên trong gồm có đường nhiên liệu dầu nằm ở trung tâm, xung quanh là đường cung cấp nước, gió bị tán nhuyễn trong ống nhỏ trong khi nước thì dùng để phun giảm NOx.
    Khi vận hành khí ở mức tải <50%, ngọn lửa khuếch tán sẽ giữ ổn định sự cháy và khi nhiệt độ buồng đốt lên đến 1200 oC, đường nhiên liệu khí sẽ đóng lại và buồng đốt sẽ chuyển sang vận hành ở chế độ trộn trước (premixed). Lúc này nhiệt độ buồng đốt sẽ giữ ở 1300 oC. Ở tải 50%, vận hành chế độ khuếch tán, phát thải NOx là 90 ppm với 15% O2 giảm xuống còn 25 ppm ở 15% O2 khi chạy chế độ trộn trước với cùng mức tải và giữ ổn định 25 ppm ở tải nền. Ở 50% tải khi chạy chế độ khuếch tán (diffusion), nồng độ CO là 75 ppm trong khi nồng độ này giảm xuống còn 15 ppm khi chạy chế độ trộn trước và giữ ở 15 ppm khi đầy tải.
    Với loại buồng đốt thông thường sẽ tạo ra khoảng 350 ppm NOx , 5 ppm CO khi vận hành dầu DO và 200 ppm NOx, 5 ppm CO khi vận hành khí ở đầy tải. Khi đó, nếu vận hành dầu DO có phun nước thì phát thải NOx giảm từ 150 ppm xuống còn 40 ppm ở 50% tải, và phát thải CO giảm từ 150 ppm xuống còn 20 ppm. Cũng vậy phát thải NOx và CO sẽ giữ tương ứng ở 40 ppm và 20 ppm khi đầy tải.
    Riêng với nhiên liệu dầu, thật khó khi thiết kế buồng đốt trộn trước bởi vì nhiên liệu này cần có quá trình tiền hóa hơi (prevaporized). Tương tự như đối với nhiên liệu khí, mục đích là cung cấp cho vùng cháy hỗn hợp cháy đồng đều hoàn hảo giữa nhiên liệu và gió, đồng thời để vận hành vùng cháy gần với đường giới hạn nổ bùng (lean blowout limit) và giữ cho nhiệt độ ngọn lửa càng thấp càng tốt. May thay nhiệt độ ngọn lửa gần đường giới hạn nổ bùng thì gần như lớn hơn nhiệt độ TIT mong muốn. Thêm vào đó sự trộn đồng nhất giữa nhiên liệu và gió cần phải đảm bảo tình trạng mồi lửa tự nhiên, chớp cháy (flashback) và nổ bùng.
    Phương pháp buồng đốt hai tầng
    Một phương pháp khác, đó là sử dụng buồng đốt hai tầng (Rich Quench Lean - RQL) như trình bày ở hình 6. Nhiên liệu cháy ở tầng thứ nhất, phần cháy thừa (rich), sản phẩm cháy sẽ được làm nguội ở vùng dập tắt (quench) bằng gió tán nhuyễn và gió thổi sơ cấp qua phần dập tắt trước khi bùng cháy ở tầng thứ 2 gần tiệm cận (lean). Trong tầng gần tiệm cận, gió được phun nhanh với tỉ số F = 0,5 đến 0,7. Nhiệt độ lúc này rất thấp đủ để kìm hãm sự hình thành NOx nhưng đủ để oxy hóa các khí HC, CO và muội than hình thành trong vùng cháy sơ cấp.
    [​IMG]
    Hình 5. Nguyên lý buồng đốt hai tầng RQL


    Từ những vấn đề bàn luận trên, có thể thấy rõ hiệu suất vận hành và vấn đề phát thải từ buồng đốt tuabin khí chịu ảnh hưởng rất lớn bởi thiết kế chi tiết bên trong buồng đốt và sự dẫn nạp gió trong các vùng cháy sơ cấp và vùng phát tán. Chẳng hạn, một thay đổi nhỏ ở đường phân phối gió có thể tạo ra nhiều biến đổi kích cỡ giới hạn nổ bùng, mồi lửa, phân bố nhiệt độ khói thoát và cả nồng độ khí thải. Để phát triển thiết kế buồng đốt cần phải có kiến thức vững chắc về tính toán lưu lượng trong buồng đốt, tiến trình phun nhiên liệu, sự ngưng hơi, trộn lẫn, phản ứng cháy, sự đối lưu và bức xạ trao đổi nhiệt.
     

Chia sẻ trang này