Пиролизная жидкость в газотурбинной установке: топливная система и границы испытаний

Назначение и функциональная схема

Пирожидкость надо не просто подать в газотурбинную установку, а подготовить так, чтобы её можно было распылить и сжечь без неприемлемых последствий для горячих деталей. Здесь сразу встречаются несколько задач: вязкость, теплота сгорания, зола и образование отложений. Исторические испытания из обзора 2005 года полезны именно тем, что показывают эти задачи на конкретных установках. Удачный результат одного испытания ещё не обещает, что другая пирожидкость подойдёт другой турбине.

Для одной из установок путь топлива описан последовательно. Пирожидкость подготавливали и предварительно подогревали, подавали через приспособленную для неё форсунку и сжигали в двух выносных цилиндрических камерах. Сам агрегат включал компрессор, турбину и передачу к электрогенератору.

В нём была система для двух топлив: запуск на дизельном топливе, затем переход на пирожидкость. Это объясняет назначение второй топливной линии, но пока не даёт инструкции по переключению. Как устроена арматура и в какой подробной последовательности её переключали, обзор не описывает.

Что именно было изменено

У ГТ 2500 форсунку приспосабливали к вязкому топливу с низкой теплотой сгорания. Кроме двухтопливной системы, упомянуты защитные покрытия горячих элементов. Так изменения затрагивали и подачу топлива, и детали, которые встречаются с продуктами его сгорания.

Для T216 в Ростоке описаны свои изменения: модифицированная камера и две топливные системы. Название топлива общее, но из него не следует одинаковое устройство агрегатов. Например, покрытие, указанное для ГТ 2500, нельзя по этой причине автоматически приписать T216.

Про устройство ГТ 2500 известно следующее: у компрессора девять осевых ступеней и одна центробежная, турбина трёхступенчатая осевая, между валом и генератором стоит планетарный редуктор. Это уже позволяет представить состав агрегата. Размеров каналов, чертежа форсунки, схемы охлаждения и геометрии лопаток в обзоре нет. Одно название модели недостающие размеры не заменяет.

Исторические серии испытаний

В начале 1980-х Teledyne испытывала на стенде с J69-T-29 жидкость медленного пиролиза отходов лесного и сельскохозяйственного происхождения. Авторы считали её близкой к жидкости быстрого пиролиза, но отмечали больше углерода и более высокую вязкость. Поэтому происхождение топлива здесь лучше не сокращать до «быстрого пиролиза».

По сравнению с традиционным лёгким топливом сообщены более высокий CO и примерно те же уровни углеводородов и NOx. При этом выхлопная секция зашлаковывалась золой. Вот конкретное последствие состава топлива: возможность сжечь жидкость ещё не отвечает на вопрос, что будет накапливаться в установке во время работы.

В серии Orenda 2003 года использовали три вида пирожидкости разных производителей. Через газотурбинный двигатель прошло более 13 тысяч литров, ещё 8 тысяч литров использовали на испытательном стенде. Это показывает объём проведённой работы, но по литрам нельзя восстановить её длительность, ресурс или одинаковую нагрузку всех испытаний.

Обзор сообщает NOx примерно вдвое ниже, чем при сравнении с дизельным топливом, практически отсутствующий SO2 и несколько повышенные CO и твёрдые частицы. Получилась разная картина по разным выбросам. И «практически отсутствующий» SO2 надо читать именно так: аналитически доказанного нуля эта фраза не устанавливает.

В Ростоке T216 имела номинальную электрическую мощность 75 кВт. На пирожидкости CO и углеводороды оказались существенно выше дизельного сравнения, NOx ниже. В камере и на лопатках нашли отложения. Поэтому выбрать одну удачную строку по NOx и объявить общее экологическое преимущество было бы слишком просто: остальные выбросы и состояние деталей из оценки не исчезают.

Неоднозначности чисел и обозначений источника

Когда переходим от результатов испытаний к масштабу установки Orenda, встречается неоднозначность. В таблице 5 стоят 2500 кВт электрических, а в основном тексте написано «мощность на валу 2,85 МВт» с электрическим индексом. Как соотносятся эти обозначения, статья не объясняет. Считать их одним измерением или незаметно исправить индекс означало бы добавить отсутствующее пояснение.

Ещё осторожнее надо обращаться с приведённым расходом «топлива» 15 кг/с. Если соединить его с КПД 28,5% и мощностью 2,85 МВт в обычном энергетическом балансе, получится теплота сгорания около 0,667 МДж/кг. Она резко отличается от значений для пирожидкости в самом обзоре.

Этот расчёт обнаруживает несогласованность, но не восстанавливает истинный расход. Возможно, речь о другом потоке, другой единице или опечатке. Без первичного источника выбрать исправление нельзя. Поэтому 15 кг/с здесь остаётся предметом проверки, а не расходом для проектирования топливной системы.

В обзоре есть сообщение о соответствии ISO 2314. Область и редакция стандарта, сама процедура испытаний и документ соответствия здесь не проверены. Историческая ссылка полезна для дальнейшего поиска, но не выдаёт современного допуска установке, не подтверждает безопасность любой конфигурации и не определяет качество любого топлива.

Сопоставление с внешним подводом тепла

Для сравнения в обзоре приведён другой способ использования той же группы топлив: когенерационная установка ZSW с двигателем Стирлинга. Она обозначена как 25 кВт, без ясного в этом фрагменте разделения электрической и тепловой мощности. Упомянута модифицированная горелка FLOX с воздушной форсункой.

Здесь тепло подводится снаружи: горелка сжигает топливо, а нагрев двигателя является отдельным функциональным узлом. Это важно для понимания пути жидкости. Оснований вести её через рабочую полость двигателя Стирлинга описание не даёт.

Для этого опыта указан суммарный тепловой и электрический КПД 50–60%. В него сложены два полезных выхода. Считать, что 50–60% энергии топлива превратились именно в электричество, было бы ошибкой.

Авторы предполагают влияние геометрии камеры и отсутствия подогрева воздуха, но это остаётся их гипотезой для данного опыта. Есть и историческое сообщение о соблюдении германских норм выбросов. Без названия конкретных норм и измерительного протокола перенести его на действующий допуск нельзя.

Этого описания хватает, чтобы увидеть отличие внешнего подвода тепла от рассмотренной газотурбинной схемы. Для восстановления двигателя Стирлинга или горелки FLOX нужны уже другие сведения: точная геометрия и внутренние механизмы здесь не раскрыты.

Связанные материалы

Продолжить сравнение помогают материалы о свойствах пирожидкости, доводке топлива, котельной горелке с вращающимся конусом, дизельном потребителе и энергетических потоках. Полезный вопрос при таком чтении: что именно требует от топлива выбранный потребитель и чем это подтверждено? Один КПД, особенно без разделения тепла и электричества, установки по пригодности не расставит.