Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 3, стр. 437-444

ВВЕДЕНИЕ

Использование водорода как энергоносителя в энергетике в первую очередь сопряжено с возможностью значительного перегрева рабочего тела электрических станций высокотемпературным паром, образующимся в результате окисления водорода кислородом, что приводит к повышению их мощности и КПД. В связи с этим в настоящее время имеются некоторые разработки различных горелочных устройств для окисления водорода кислородом.

Теоретические исследования полноты окисления водорода в кислороде необходимо подтверждать проведением экспериментальных исследований ввиду сложности протекания процесса. Анализ выполненных в этом направлении работ [1–12] позволяет выделить ряд наиболее важных факторов, оказывающих влияние на полноту окисления водорода:

– скорость охлаждения высокотемпературного пара и скорость смешения высокотемпературного пара с охлаждающим телом (так называемый эффект закалки);

– тип смешивающего элемента и связанная с этим интенсивность перемешивания;

– давление в камере сгорания.

Следует отметить, что работ по экспериментальному изучению горения водорода в кислороде при стехиометрическом соотношении компонентов без добавления охлаждающей воды не обнаружено. В основном рассматривается разбавление полученного высокотемпературного пара охлаждающей водой или паром. Скорость охлаждения высокотемпературного пара зависит от охлаждающего агента (вода или водяной пар), а также способа его смешения с продуктами сгорания.

Первые результаты таких исследований при разбавлении высокотемпературного пара водой получены в Германии [1–4]. Камера сгорания водород-кислородного парогенератора имеет несколько специальных вставок в виде колец с форсунками для впрыска воды.

В России ряд работ [10–16] посвящен экспериментальному изучению горения водорода с кислородом. Рассмотрены различные устройства водород-кислородных парогенераторов с целью выработки водяного пара заданных параметров для использования в паротурбинном цикле теплоэнергетических установок. Главной особенностью этих парогенераторов является наличие организации охлаждения камер сгорания балластировочной водой, которая, смешиваясь с высокотемпературными продуктами сгорания водорода в кислороде, обеспечивает нужный температурный уровень рабочего тела.

В работах [5, 6, 8] отмечается, что увеличение расхода балластировочного компонента (пара или воды), впрыскиваемого в камеру сгорания, приводит к увеличению неполноты сгорания водород-кислородной смеси. Так, в работе [5] при увеличении массовой доли впрыскиваемой воды по отношению к массовому расходу получаемого пара от 0.7 до 0.8 для охлаждения продуктов сгорания водорода в кислороде эффективность генерации пара (совершенство сжигания водорода) снижается с 0.95 до 0.9, т.е. содержание неконденсируемых непрореагировавших газов увеличивается с 5 до 10 об. % при соотношении кислорода к водороду 7.35–11.8. При этом в [6] отмечается, что достижение эффективности генерации пара, близкой к единице, возможно при минимальной массовой доле охлаждающей воды, равной ~0.6. Также в [6] показано влияние различных типов смесительных элементов на содержание неконденсируемых непрореагировавших газов, которое составило менее 2 об. % при коэффициенте избытка окислителя 0.93–1.05 и относительной массовой доле охлаждающей воды ≈0.7. При этом объемное содержание водорода следующее:

– 0.27 об. % при коэффициенте избытка окислителя 0.93 со струйными форсунками при пересекающихся струях водорода и кислорода под углом 15° в смесительном элементе;

– 0.37 об. % при коэффициенте избытка окислителя 0.91 со струйными форсунками при пересекающихся струях водорода и кислорода под углом 15° в смесительном элементе и с дополнительными форсунками водорода;

– 3.17 об. % при коэффициенте избытка окислителя 0.95 с соосноструйными форсунками.

В работе [8] при сжигании стехиометрических расходов водорода с кислородом в среде водяного пара получено снижение объемной доли несгоревшей горючей смеси с 8–10 до 2% по мере увеличения доли водород-кислородной смеси в общем потоке водяного пара и горючей смеси с 2 до 30%. Таким образом, отмечается, что при работе с низкой концентрацией горючей смеси происходит самопроизвольный срыв факела и прекращение горения, о чем свидетельствует большее значение доли несгоревшей горючей смеси. К этому явлению может привести возмущение потока пара, вызванное кратковременным изменением его расхода. Особенно это связано с наличием в паре капель жидкой фазы, взрывное вскипание которых приводит к пульсациям и прекращению горения.

В работе [9] приведены результаты сжигания водорода со стехиометрическим расходом с кислородом при использовании охлаждения камеры сгорания балластировочной водой, которая затем смешивается с продуктами сгорания в специальной секции смешения, находящейся следом за камерой сгорания. По результатам химического анализа объемное содержание непрореагировавшего водорода составило 0.26–1.21 об. % в зависимости от температуры и давления в водородно-кислородном парогенераторе.

В рассмотренных выше работах изучается состав водяного пара, получаемого в результате сжигания водорода с кислородом с принудительным охлаждением продуктов сгорания за счет смешения с паром или водой. В данном случае смешение с паром или водой – неизбежный шаг не только для регулирования температуры получаемого пара, но и для обеспечения надежности работы установки и ее сохранности. В то же время очевидно, что смешение определяет эффект закалки и тем самым не позволяет в большей мере прореагировать водороду, что приводит к его повышенному содержанию в составе получаемого пара.

В этой связи целью данной работы является экспериментальное определение непрореагировавшего водорода при его сжигании в кислороде без смешения с паром или водой. Следует отметить, что данная постановка эксперимента представлена и исследована впервые и является продолжением работы [16].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Совместно с ОИВТ РАН разработана экспериментальная установка, содержащая блок зажигания и жаровую трубу в виде последовательно соединенных четырех секций с внешним охлаждением каждой без смешения охлаждающей воды с получаемым паром (рис. 1).

Общая длина четырех секций жаровой трубы с блоком зажигания и промежуточными вставками составляет 980 мм. Внутренний диаметр – 27 мм.

Охлаждающая вода после охлаждения каждой секции отводится в сливную магистраль. Температура пара внутри жаровой трубы измеряется в четырех местах датчиками температуры (ДТ1–ДТ4) согласно рис. 1. Температура охлаждающей воды замеряется на выходе из каждой секции, а также определяются расход воды, расход водорода и кислорода. Установленные датчики давления позволяют измерять давление внутри жаровой трубы между второй и третьей секциями (ДД6) и в линии отбора пара перед электроклапаном подачи в приемный бак (ДД7).

Охлаждающая вода подается из специального бака насосом и циркулирует по контуру охлаждения. Водород и кислород подаются из баллонов с давлением 15 МПа. В экспериментальной установке предусмотрены регуляторы расхода водорода и кислорода.

На первоначальном этапе экспериментального исследования отбор пара на химический анализ производился на выходе из последней секции (рис. 1). По мере прохождения отборной пробы к баку-приемнику она отдает тепло окружающей среде. При этом непрореагировавший водород будет стремиться взаимодействовать с кислородом в сторону образования водяных паров, т.е. рекомбинировать, что в момент отбора снизит первоначальное его содержание в паре и не позволит достоверно определить недожог. С целью не допустить рекомбинации или существенно ее снизить следом за отбором пара в отборную трубку предусмотрена подача балластирующего газа – аргона – преимущественно по магистрали 8 (рис. 1). Магистраль 9 не использовалась. В этом случае для отборной пробы создается резкое охлаждение и разбавление состава смеси, сопровождаемое эффектом закалки. После этого смесь водяного пара с непрореагировавшим водородом, кислородом и аргоном поступала в приемный бак объемом 3 л. Определение содержания водорода в смеси проводилось ее пропусканием через хроматограф после конденсации водяных паров (связано с особенностью его работы).

Система автоматического управления и измерений позволяет:

– обеспечивать возможность автоматического и ручного управления;

– обеспечивать аварийное отключение при возникновении внештатных ситуаций;

– проводить запись измеряемых параметров с частотой до 0.1 с;

– проводить многорежимные испытания.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕДОЖОГА ВОДОРОДА. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведены испытания водород-кислородной камеры сгорания в режиме при стехиометрическом расходе водорода и кислорода, а также при избытке окислителя, равном 1.4. На рис. 2 и 3 приведены результаты измерений.

Определение недожога водорода основывалось на сопоставлении результатов измерений состава смеси на хроматографе для условий эксперимента и для контрольной смеси. Это объясняется особенностью работы хроматографа. Результаты измерений в нем представляются не в виде массового или объемного содержания, а в виде последовательности графических зависимостей напряжения от времени в форме пиков по каждому компоненту смеси. Здесь напряжение, измеряемое в мВ, соответствует количественному содержанию каждого компонента смеси, а время каждого пикового значения – моменту попадания и прохождения через детектор каждого компонента смеси отдельными малыми порциями. Для пересчета результатов измерений на массовое и объемное содержания водорода отдельно подготавливалась контрольная смесь при известном давлении, объеме и температуре с содержанием водорода и аргона. Относительно этой смеси определялось содержание водорода в составе экспериментальной смеси сопоставлением результатов измерений на хроматографе и пересчетом на массовое и объемное содержания.

Методика пересчета основывалась на уравнении Клапейрона

где p – давление, Па; V – объем, м³; G – масса, кг; R – газовая постоянная, Дж/моль К; T – температура, К.

Первоначально определялась контрольная масса смеси с учетом конденсации водяных паров (сухие газы):

где $G_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}}}^{{{\text{контр}}}},$ $G_{{{\text{Ar}}}}^{{{\text{контр}}}}$ – масса водорода и аргона соответственно, кг; $G_{{{\text{Ar\_ост}}}}^{{{\text{контр}}}}$ – масса остаточного аргона в приемном баке после вакуумирования, кг.

С учетом (1) определены массы газов контрольной смеси. Соответствующее массовое содержание водорода (в %) определялось по выражению

Массовое содержание водорода в экспериментальной смеси рассчитывалось относительно его массового содержания в контрольной смеси по известному соотношению показаний хроматографа

где S_контр, S_экспер – содержание водорода в контрольной смеси и в экспериментальной смеси соответственно по результатам показаний хроматографа, мВ.

Следует отметить, что в (4) содержание водорода в экспериментальной смеси по показаниям хроматографа определено с учетом возможного остаточного содержания водяных паров, а также непрореагировавшего кислорода.

Масса (в кг) непрореагировавшего водорода в экспериментальной смеси определялась относительно контрольной массы смеси следующим образом:

Соответствующая масса аргона в экспериментальной смеси рассчитывалась как

С учетом массового содержания водяных паров экспериментальная масса смеси составит

где $G_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}^{{{\text{экспер}}}}$ – масса водяных паров в экспериментальной смеси, кг.

Поскольку давление вакуумирования приемного бака как при подготовке контрольной смеси, так и для экспериментальной смеси при отборе пробы одинаково и равно 2 кПа, то остаточное содержание аргона принято одинаковым, т.е. $G_{{{\text{Ar\_ост}}}}^{{{\text{экспер}}}}$ = $G_{{{\text{Ar\_ост}}}}^{{{\text{контр}}}}.$

На основании закона Дальтона парциальное давление водяных паров в экспериментальной смеси составит

где $р_{{{\text{парц}}}}^{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}}},$ $р_{{{\text{парц}}}}^{{{\text{Ar}}}}$ – парциальные давления водорода и аргона, в том числе остаточного аргона в приемном баке, ати; р_см – давление смеси газов, ати.

В проведенных экспериментах установившееся давление смеси в приемном баке после закрытия электроклапана определено по результатам экспериментов (рис. 2е и рис. 3д) и составило 7.1 и 6.05 ати соответственно.

Парциальные давления (в Па) водорода и аргона находятся согласно выражению

где Т_см, V_см – температура (К) и объем смеси (м³) соответственно.

Объем смеси приравнивается к объему приемного бака, равному 0.003 м³, и, согласно закону Дальтона, каждый газ в смеси занимает этот объем.

В экспериментальной установке технически не предусмотрено измерение температуры смеси в приемном баке, поэтому она определялась расчетным путем. Определялось значение температуры насыщения водяных паров при парциальном давлении в приемном баке методом итераций с использованием таблиц свойств воды и водяного пара.

Таким образом, по уравнению Клапейрона рассчитывается масса водяных паров в экспериментальной смеси:

Массовое содержание водорода в экспериментальной смеси тогда равно

Объемное содержание водорода в экспериментальной смеси определялось по аналогичной методике. Первоначально содержание рассчитывалось для контрольной смеси с учетом конденсации водяных паров, а затем с учетом содержания паров воды в смеси на основании закона Амага, согласно которому сумма приведенных объемов газов в смеси равна объему смеси.

При учете конденсации водяных паров закон Амага для контрольной смеси примет вид

где $V_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}}}^{{{\text{экспер}}}},$ $V_{{{\text{Ar}}}}^{{{\text{экспер}}}},$ $V_{{{\text{Ar\_ост}}}}^{{{\text{экспер}}}}$ – приведенные объемы водорода, аргона и остаточного аргона в приемном баке в составе контрольной смеси после вакуумирования соответственно, м³; $V_{{{\text{см}}}}^{{{\text{контр}}}}$ – объем контрольной смеси газов (приравнивается к объему приемного бака), м³.

Приведенный объем i-го газа в контрольной смеси вычисляется по выражению

При этом масса каждого газа в смеси определяется на основании (2)–(6).

Отношение приведенных объемов газов к объему смеси есть объемная доля i-го газа в смеси:

Тогда с учетом (8) и (9) объемное содержание водорода в контрольной смеси определяется по выражению

а объемное содержание водорода в экспериментальной смеси:

Аналогично находилось объемное содержание для аргона.

Закон Амага для экспериментальной смеси газов с учетом содержания водяных паров:

При этом объемное содержание каждого газа в смеси определялось на основании (8), а при определении объемного содержания водяных паров учитывалось также соотношение (7).

Таким образом, объемное содержание водорода в экспериментальной смеси с учетом (9) составляет

В таблице приведены результаты определения массового и объемного содержаний водорода в проведенных экспериментах.

Очевидно, что избыток окислителя способствует уменьшению недожога водорода в получаемом паре. В то же время стехиометрические расходы водорода и окислителя определяют незначительный недожог водорода. Впервые полученные результаты представляют практическую важность по исследованию горения водорода в кислороде без смешения с охлаждающей водой либо паром.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сжигание водорода в среде кислорода представляет собой важнейшее научно-практическое направление в теплоэнергетике, поскольку при сжигании водорода образуется водяной пар – главное рабочее тело тепловых электростанций. Одним из необходимых условий при сжигании водорода, очевидно, является организация охлаждения пара с целью получения необходимой температуры, а также сохранения работоспособности и надежности водород-кислородной камеры сгорания. При этом охлаждающая вода после внешнего охлаждения камеры сгорания смешивается с получаемым паром. Такой подход создает повышенное содержание водорода в получаемом паре. Достигнутые результаты по недожогу водорода изменялись в диапазоне 0.26–3.17 об. %

В настоящей работе впервые проведены экспериментальные исследования по горению водорода в кислороде без смешения с охлаждающим агентом, только с внешним охлаждением. Полученные результаты по недожогу при стехиометрическом соотношении с кислородом составили 0.32 об. %. При коэффициенте избытка кислорода 1.4 недожог водорода снизился и достиг 0.27 об. %. При этом массовое содержание водорода составило 0.016 и 0.0138 об. % соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о снижении недожога водорода при отсутствии смешения пара с охлаждающим агентом, по данным, полученным экспериментально другими авторами.

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 15-19-10 027).