بررسی عددی تاثیر تزریق آب بر کاهش آلاینده NOx توربین گاز MGT-40

ژاله‌رفعتی, میلاد; جوادی, آیدین; طاهری‌نژاد, مریم; چینی, سیدفرشید

بررسی عددی تاثیر تزریق آب بر کاهش آلاینده NOx توربین گاز MGT-40

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

میلاد ژاله‌رفعتی ¹

آیدین جوادی ²

مریم طاهری‌نژاد ³

سیدفرشید چینی ⁴

¹ گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

² گروه مهندسی خودرو، دانشکده مکانیک، دانشکده فنی شهید منتظری مشهد، مشهد، ایران

³ شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا (توگا)، تهران، ایران

⁴ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

برای کاهش آلاینده‌های خروجی توربین گاز تولیدکنندگان این توربین‌ها همواره به‌دنبال تکنولوژی‌های جدید هستند. یکی از آلاینده‌های مهم توربین‌های گاز در حالتی که گاز طبیعی می‌سوزانند، اکسیدهای نیتروژن است. در دماهای بالا NOx حرارتی اصلی‌ترین علت تشکیل NOx در توربین گاز است؛ در نتیجه تزریق آب در دماهای بالا منجر به کاهش NOx می‌شود. ولی باید توجه کرد که تزریق آب منجر به افزایش آلاینده مونواکسید کربن و همچنین صدمه به محفظه احتراق می‌شود. در نتیجه مقدار بهینه دبی آب تزریق‌شده به داخل محفظه احتراق مقداری است که NOx را به حد مورد قبول استاندارد محیط زیست برساند. برای پی‌بردن به مقدار بهینه دبی آب، احتراق داخل محفظه را برای حالت‌های تمام‌بار و بارجزیی، ابتدا بدون تزریق آب و سپس با تزریق آب به روش عددی مورد بررسی قرار دادیم. تزریق آب با دبی و دماهای مختلف انجام شد تا مقدار بهینه دبی و دمای آب به دست آید. نتایج نشان داد که در حالت تمام‌بار دبی بهینه برای تزریق آب برابر با ۱۰۰% مقدار سوخت تزریق‌شده و فشار لازم برای تزریق آب نیز در حالت تمام‌بار برابر با ۲۴/۴۵ بار است. در حالت بار جزیی (دبی سوخت برابر ۷۵% دبی سوخت تمام‌بار) مقدار بهینه تزریق آب برابر با ۸۰% مقدار سوخت تزریق شده است. در این حالت فشار لازم برای تزریق آب حدود ۱۶/۵ بار است. همچنین نتایج نشان می‌دهند که تغییر دمای آب در محدوده ˚C۸۰-۱۰ تاثیر قابل توجهی بر تولید آلاینده NOx ندارد و می‌توان آب را با همان دمای محیط برای تزریق ارسال کرد.

کلیدواژه‌ها

توربین گاز

اکسید نیتروژن (NOx)

کنترل آلاینده‌های محیط زیستی

ترزیق آب

دمای محفظه احتراق

20.1001.1.10275940.1397.19.2.15.7

موضوعات

احتراق

عنوان مقاله English

Numerical Analysis of Water Injection Effect on NOx Reduction of MGT-40 Gas Turbine

نویسندگان English

M. Zhaleh Rafati ¹

A. Javadi ²

M. Taherinezhad ³

S.F. Chini ⁴

¹ Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, University of Zanjan, Zanjan, Iran

² Automotive Engineering Department, Mechanical Engineering Faculty, Shahid Montazeri Technical College of Mashhad, Mashhad, Iran

³ MAPNA Turbine Engineering and Manufacturing Company (TUGA), Tehran, Iran

⁴ Mechanical Engineering Faculty, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده English

Controlling the gas turbine emissions has led the manufacturers to use new technologies. Nitrogen oxides (NOx) are one of the major pollutants of gas turbines with natural gas as fuel. Thermal NOx is the main cause of NOx formation in gas turbines at high temperatures. So, water injection can be useful in reducing the NOx emission. In addition to NOx reduction, water injection causes an increase in carbon monoxide emission and damage to combustion chamber. Therefore, it is desirable to find the optimum amount of water injected to the combustion chamber to meet the regulations. To find the optimal water mass flow rate, we numerically investigated the combustion inside the chamber for full load and part load before and after water injection. Then, the effect of water injection at different flow rates was studied to obtain optimal water flow rate. The results showed that for the full load, the optimal water flow rate was 100% of the fuel flow rate and the upstream pressure of the feed water system was 24.45 bar. For the part load (fuel flow rate equals to 75% of the full load), the optimum water injection rate is 80% of the fuel flow rate. In this case, the pressure required for water injection is about 16.5 bar. Results also show that the change in water temperature in the range of 10-80˚C has no significant effect on NOx formation and water can be injected at the ambient temperature.

کلیدواژه‌ها English

Gas Turbine

Nitrogen oxide (NOx)

Controlling environmental pollutants

Water injection

Temperature of combustion chamber

Lefebvre AH, Ballal DR. Gas turbine combustion: Alternative fuels and emissions. Boca Raton: CRC Press; 2010. [Link] [DOI:10.1201/9781420086058]

Schorr MM, Chalfin J. Gas turbine NOx emissions approaching zero – is it worth the price?. General Electric Power Systems. 1999;GER 4172. [Link]

Skalska K, Miller JS, Ledakowicz S. Trends in NOx abatement: A review. Science of The Total Environment. 2010;408(19):3976-3989. [Link] [DOI:10.1016/j.scitotenv.2010.06.001]

Claeys JP, Elward KM, Mick WJ, Symonds RA. Combustion system performance and field test results of the MS7001F gas turbine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1993;115(3):537-546. [Link] [DOI:10.1115/1.2906741]

White DJ, Batakis A, LeCren RT, Yacobucci HG. Low NOx combustion systems for burning heavy residual fuels and high-fuel-bound nitrogen fuels. Journal of Engineering for Power. 1982;104(2):377-385. [Link] [DOI:10.1115/1.3227289]

Guo H, Neill SW, Smallwood GJ. A numerical study on the effect of water addition on NO formation in counterflow CH4/air premixed flames. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2008;130(5):054502 [Link] [DOI:10.1115/1.2432890]

Bhargava A, Colket M, Sowa W, Casleton K, Maloney D. An experimental and modeling study of humid air premixed flames. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2000;122(3):405-411. [Link] [DOI:10.1115/1.1286921]

Lellek S, Barfuß C, Sattelmayer T. Experimental study of the interaction of water spray with swirling remixed natural gas flames. ASME Proceedings. 2016;4A:V04AT04A008. [Link]

Göke S, Schimek S, Terhaar S, Reichel T, Göckeler K, Krüger O, et al. Influence of pressure and steam dilution on NOX and CO emissions in a premixed natural gas flame. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2014;136(9):091508. [Link] [DOI:10.1115/1.4026942]

Pavri R, Moore GD. Gas turbine emissions and control. Atlanta: GE Energy Services; 2001. [Link]

Farokhipour A, Hamidpour E, Amani E. A numerical study of NOx reduction by water spray injection in gas turbine combustion chambers. Fuel. 2018;212:173-186. [Link] [DOI:10.1016/j.fuel.2017.10.033]

Lupandin VV, Romanov VI, Krivutsa VA, Lupandin VV. Design, development and testing of a gas turbine steam injection and water recovery system. ASME Proceedings. 2001;3:V003T02A005. [Link] [DOI:10.1115/2001-GT-0111]

Touchton GL. Influence of gas turbine combustor design and operating parameters on effectiveness of NOX suppression by injected steam or water. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1985;107(3):706-713. [Link] [DOI:10.1115/1.3239792]

14- Göke S, Göckeler K, Krüger O, Paschereit CO. Computational and experimental study of premixed combustion at ultra wet conditions. ASME Proceedings | Combustion, Fuels and Emissions. 2010;2:1125-1135. [Link]

Furuhata T, Kawata T, Mizukoshi N, Arai M. Effect of steam addition pathways on NO reduction characteristics in a can-type spray combustor. Fuel. 2010;89(10):3119-3126. [Link] [DOI:10.1016/j.fuel.2010.05.018]

Cappelletti A, Insinna M, Martelli F. Numerical simulation of wet combustion to control NOx emission of a heavy-duty gas turbine combustor. 22nd International Symposium on Air Breathing Engines, ISABE 2015, Phoenix, USA. Bedfordshire: International Symposium on Air Breathing Engines; 2015. [Link]

Fluent Inc. FLUENT 6.3 getting started guide, documentation [Internet]. Ontario: Sharcnet; 2007 [cited 2017 July 6]. Available from: https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent6/pdf/gs/flgs.pdf. [Link]

Cho CH, Baek MG, Sohn HC, Cho JH, Kim SH. A numerical approach to reduction of NOx emission from swirl premix burner in a gas turbine combustor. Applied Thermal Engineering. 2013;59(1-2):454-463. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2013.06.004]

Cui G, Li Z, Yang C. Experimental study of flammability limits of methane/air mixtures at low temperatures and elevated pressures. Fuel. 2016;181:1074-1080. [Link] [DOI:10.1016/j.fuel.2016.04.116]

Lefebvref AH, Suyari M. Film thickness measurements in a simplex swirl atomizer. 1986;2(6):528-533. [Link]

Fluent Inc. FLUENT 6.3 User's Guide - 22.8.2 The Pressure-Swirl Atomizer Model [Internet]. Ontario: Sharcnet; 2007 [cited 2017 September 13]. Available from: https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent6/html/ug/node825.htm [Link]

Bafekr SH, Shams M, Ebrahimi R, Shadaram A. numerical simulation of pressure-swirl spray dispersion by using eulerian-lagrangian method. Journal of Dispersion Science and Technology. 2010;32(1):47-55. [Link] [DOI:10.1080/01932690903543436]

Couto HS, Carvalho JA, Bastos-Netto D. Theoretical formulation for sauter mean diameter of pressure-swirl atomizers. Journal of Propulsion and Power. 1997;13(5):691-696. [Link] [DOI:10.2514/2.5221]

Ganji HB, Ebrahimi R. Numerical estimation of blowout, flashback, and flame position in MIT micro gas-turbine chamber. Chemical Engineering Science. 2013;104:857-867. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2013.09.056]