شبیه‌سازی یک بعدی احتراق ترکیب‌های مختلف گاز طبیعی غنی شده با هیدروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 شهید چمران اهواز-مهندسی- گروه مهندسی مکانیک

چکیده

توربین‌های گازی زمینی یکی از پرکاربردترین توربین‌ها می‌باشند که سوخت اصلی آن‌ها گاز طبیعی است. به دلیل تغییر ترکیب گاز طبیعی تولید شده در پالایشگاه‌ها در زمان‌ها و مکان‌های مختلف، و هم‌چنین تغییر ترکیب سوخت در خطوط گازرسانی به نیروگاه‌ها، خواص احتراقی ترکیب‌های مختلف، تغییر کرده و در بعضی اوقات، تاثیرات مضری را برجای می‌گذارد. به همین دلیل، روش‌هایی پیشنهاد شده است که تاثیرات منفی احتراق نامطلوب ایجاد شده در سوخت‌های هیدروکربنی به حداقل برسد که یکی از این روش‌ها، تزریق هیدروژن است. هیدروژن به دلیل دارا بودن خواصی همچون انرژی اشتعال پایین، واکنش‌پذیری بالا، قدرت نفوذ بالا و سرعت سوزش بالا، یک افزودنی خوب برای بهبود احتراق سوخت‌های هیدروکربنی به شمار می‌رود. در این پژوهش نیز سعی شده است که تأثیر دو سینتیک شیمیایی مختلف، تأثیر تغییر ترکیب سوخت گاز طبیعی و هم‌چنین افزودن هیدروژن به منظور بهبود احتراق ترکیب‌های مختلف سوخت و تأثیر فشار بر مشخصه‌های احتراقی بررسی شود. مشاهده شده است که در شرایط کاری درنظر گرفته شده در این پژوهش، سینتیک جی‌آرآی3 عملکرد بهتری نسبت به سینتیک آرامکومِک3/1 دارد. هم‌چنین افزودن 10 درصد هیدروژن، باعث بهبود خواص احتراقی مورد بررسی از جمله بازه پایداری احتراق، شده است. با افزایش فشار نیز می‌توان به مقادیر بالاتری از دما و سرعت سوزش آرام دست پیدا کرد و بازه پایداری احتراق را گسترش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

One-dimensional Combustion Simulation for Different Hydrogen-enriched Natural Gas Blends

نویسندگان [English]

  • Ehsan Bahmani 1
  • Kiumars Mazaheri 1
  • Alireza Alipour 2
1 Department of Mechanical Engineering, Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 شهید چمران اهواز-مهندسی- گروه مهندسی مکانیک
چکیده [English]

Land-based gas turbines are one of the most practical turbines that use natural gas as the main fuel. Since natural gas is produced with different compositions in the refinery process, it can lead to change widely the combustion characteristics. In order to avoid this undesirable variation on combustion characteristics, different methods are suggested. One of these methods is the injection of Hydrogen into the main fuel (i.e. Natural gas). Hydrogen fuel has some desirable properties such as low activation energy, high reaction rate and high burning velocity which makes hydrogen as a suitable additive for modification of combustion characteristics of hydrocarbon fuels. The main purpose of the present study is studying the effects of Hydrogen addition into the different compositions of natural gas to achieve better combustion characteristics. It is observed that the addition of Hydrogen in a specific volumetric percentage into main fuel causes to modify combustion properties, for instance increasing flammability limits.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Land-based gas turbines
  • natural gas
  • Hydrogen injection
  • chemical kinetics
  • numerical simulation
[1] S.B. Shrestha, G.A. Karim, Hydrogen as an additive to methane for spark ignition engine applications, in:  IECEC-97 Proceedings of the Thirty-Second Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (Cat. No. 97CH6203), IEEE, 1997, pp. 910-915.
[2] J. Wang, Z. Huang, J. Zheng, H. Miao, Effect of partially premixed and hydrogen addition on natural gas direct-injection lean combustion, international journal of hydrogen energy, 34(22) (2009) 9239-9247.
[3] S. Turns, An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, McGraw-Hill, Boston, (2000).
[4] S.R. Bell, M. Gupta, Extension of the lean operating limit for natural gas fueling of a spark ignited engine using hydrogen blending, Combustion Science and Technology, 123(1-6) (1997) 23-48.
[5] G.A. Karim, Hydrogen as a spark ignition engine fuel, International Journal of Hydrogen Energy, 28(5) (2003) 569-577.
[6] N. Donohoe, A. Heufer, W.K. Metcalfe, H.J. Curran, M.L. Davis, O. Mathieu, D. Plichta, A. Morones, E.L. Petersen, F. Güthe, Ignition delay times, laminar flame speeds, and mechanism validation for natural gas/hydrogen blends at elevated pressures, Combustion and Flame, 161(6) (2014) 1432-1443.
[7] L. Pillier, A. El Bakali, X. Mercier, A. Rida, J.-F. Pauwels, P. Desgroux, Influence of C2 and C3 compounds of natural gas on NO formation: an experimental study based on LIF/CRDS coupling, Proceedings of the Combustion Institute, 30(1) (2005) 1183-1191.
[8] J. Wang, Z. Huang, C. Tang, J. Zheng, Effect of hydrogen addition on early flame growth of lean burn natural gas–air mixtures, international journal of hydrogen energy, 35(13) (2010) 7246-7252.
[9] A. Gharehghani, R. Hosseini, M. Mirsalim, T.F. Yusaf, A computational study of operating range extension in a natural gas SI engine with the use of hydrogen, International Journal of Hydrogen Energy, 40(17) (2015) 5966-5975.
[10] Packman­Company, Iranian refineries different natural gas compositions in, Packman company official website, 2018.