Ученые Самарского национального исследовательского университета им. академика Королёва совместно с коллегами из Лундского университета (Швеция), активно участвующего в международных программах по применению водорода в качестве топлива ГТУ, провели экспериментальные исследования по использованию в перспективных ГТУ в качестве топлива метано-водородных смесей с повышенным содержанием водорода.

В ходе совместных работ разрабатывается универсальная кинетическая модель процессов горения метано-водородного топлива. Использование этой модели поможет создавать более эффективные и экологичные ГТУ, снизить затраты и время для проведения конструкторских работ.

В научно-образовательном центре газодинамических исследований университета проведена серия экспериментов по изучению процессов горения метано-водородных смесей с содержанием водорода до 50 %.

По их результатам разрабатывается детальный кинетический механизм процесса окисления метано-водородного топлива. Этот механизм поможет конструкторам более точно рассчитывать параметры разрабатываемых камер сгорания ГТУ, что ускорит экспериментальную доводку изделия. Исследования позволят рассчитывать объемы вредных выбросов, прежде всего оксидов азота, и принять меры к их сокращению.

Эксперименты с горением метано-водородных смесей различного состава проходили на созданной в университете установке HeatFlux.

С ее помощью можно измерять главный параметр процесса горения – скорость распространения пламени. Разрабатываемый кинетический механизм можно будет использовать для моделирования процесса горения в ГТУ различного типа, применяемых в энергетической отрасли, а именно – для КС с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, а также с диффузионной подачей топлива, в которых подавление NOx происходит за счет впрыска водяного пара. Исследования проводились для смесей метан-водород-воздух и метан-водород-водяной пар-воздух с различным составом смеси и разной начальной температурой.

Метано-водородные смеси рассматриваются как промежуточный тип топлива при постепенном переходе от природного газа к водороду.

В настоящее время в мире в качестве низкоуглеродного топлива начинают применять смеси с содержанием водорода от 5 до 20 %, при этом использование водорода в качестве топлива ГТУ не до конца изученный процесс. Так, тепловыделение в процессе горения зависит от теплоты сгорания топлива и его расхода, поэтому при увеличении тепловыделения в камере сгорания расход топливного газа должен быть уменьшен.

Важным фактором, требующим своего расчётного и экспериментального подтверждения, является меньшее количество теоретически необходимого воздуха при увеличении доли водорода в топливном газе. Поэтому при увеличении доли водорода при постоянной мощности ГТУ нет необходимости увеличивать расход воздуха в камере сгорания. Соответственно, мощность компрессора не будет увеличиваться совсем или с меньшей интенсивностью при увеличении нагрузки ГТУ в случае повышения доли водорода в топливном газе.

Вопросом, который пока не освещается в публикациях, является разработка КС ГТУ, которые могут работать как на природном газе, так и на водородно-метановой смеси в широком диапазоне изменения концентрации водорода. Создание КС с высоким, но постоянным содержанием водорода в топливном газе – это сложная, но решаемая задача. Гораздо сложнее разработать КС ГТУ, которая может работать в широком диапазоне изменения состава топливного газа. Разработка такой камеры сгорания позволит сжигать накопленный водород в часы пиковых нагрузок ПГУ или при резком повышении цены природного газа.