Buồng đốt kiểu mới dùng cho tuabin khí với mức phát thải thấp kỷ lục

Động cơ m⁷A-03D 8 MW của hãng Kawasaki, được thiết kế để cắt giảm phát thải NO_X

Kawasaki cắt giảm được tỉ lệ phát thải NO_X xuống một mức thấp mới. Mức phát thải NO_X tối đa đảm bảo của hệ thống đốt khô phát thải thấp (Dry Low Emissions - DLE) sử dụng cùng với tuabin khí m7A-03, công suất 8 MW của công ty này đã giảm từ 15 ppm (phần triệu) xuống còn 9 ppm (qui đổi về 15% O₂). Theo công ty Kawasaki, đây là lần đầu tiên trên thế giới đạt được mức phát thải NO_X tối đa đảm bảo ở mức một con số trong hệ thống đốt DLE ở cấp công suất này.

Buồng đốt DLE sử dụng phương pháp đốt trộn trước để tạo ra khói ở nhiệt độ cao cần thiết để tuabin chạy ở tốc độ cao. NO_X được tạo ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu tuabin khí, tuy nhiên lượng phát thải này chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ cháy. Kỹ thuật đốt trộn trước giảm được nhiệt độ cháy, không cần phải phun nước hoặc phun hơi nước vào. Bằng cách trộn trước nhiên liệu với không khí, phát thải NO_X giảm xuống đáng kể. Nhờ đặc điểm này, buồng đốt DLE được sử dụng hết sức rộng rãi trong các hệ thống đốt dùng trong tuabin khí.

Tuy nhiên, vấn đề lớn đối với đốt trộn trước xưa nay vẫn là độ ổn định, đặc biệt là khi sử dụng để giảm phát thải NO_X. Kawasaki vượt qua được trở ngại công nghệ vấp phải lâu nay để giảm phát thải NO_X từ buồng đốt DLE. Động lực thúc đẩy phát triển thành công hệ thống DLE mới này, với độ ổn định đốt đáng kính nể, đó là cơ chế đốt cải tiến thuộc sở hữu độc quyền của công ty.

Điểm đặc biệt của cơ chế đốt của công ty Kawasaki là quá trình đốt nhiều tầng sử dụng vòi đốt mồi, cũng như các vòi đốt chính và bổ sung. Đột phá công nghệ mới nhất này trong việc giảm phát thải NO_X được xây dựng trên nền tảng vững chắc của công trình nghiên cứu và phát triển buồng đốt DLE đang được tiến hành. Kawasaki đã phát huy trình độ công nghệ cao đạt được trong những năm qua để thay thế tất cả các buồng đốt của họ bằng các buồng đốt trộn trước phát thải thấp.

Do phát thải khí NO_X có thể gây ra sương mù quang hóa (photochemical smog) và mưa axit, nên tuabin khí tĩnh tại phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt ở khắp nơi trên thế giới. Các tiêu chuẩn phát thải NO_X đã được thiết lập ở mức 25 ppm (hoặc thấp hơn) ở hầu hết các quốc gia, tuy nhiên ngày càng nhiều chính quyền địa phương ở Mỹ và châu Âu, những nơi người dân có nhận thức cao về chất lượng không khí, thậm chí còn đang thực hiện các tiêu chuẩn phát thải NO_X chặt chẽ hơn, yêu cầu mức độ phát thải tối đa là 15 ppm, một số vùng còn áp dụng mức 10 ppm.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải NO_X ngày càng ngặt nghèo này, Kawasaki đang tiến hành nâng cao hiệu suất tổng của tuabin khí và phát triển các công nghệ đốt mới cho phép giảm lượng phát thải từ tuabin khí. Kawasaki đang tìm phương cách công nghệ mới phục vụ lợi ích môi trường toàn cầu, với các sản phẩm có hiệu suất cao hơn, ít ảnh hưởng đến môi trường hơn.

Đạt tỉ lệ phát thải ở mức một con số

Trước yêu cầu phát thải NO_X thấp hơn 15 ppm ở nhiều nơi trên thế giới, Kawasaki đã thiết lập hệ thống đốt DLE đảm bảo mức phát thải NO_X <15 ppm (ở 15% oxy) cho tuabin khí m7A-03 (cấp 8 MW) từ năm 2009 và cho tuabin khí L20A (cấp 18 MW) từ năm 2010.

Để đáp ứng nhu cầu mới của khách hàng, Kawasaki đã hoàn tất phát triển hệ thống đốt DLE thải NO_X ở mức một con số. Tiêu chí của họ là phát thải NO_X <9 ppm và CO <25 ppm (ở 15% oxy). Kawasaki đã áp dụng hệ thống đốt DLE thải NO_X ở mức một con số cho tuabin khí m7A-03, một trong các động cơ bán chạy nhất của Kawasaki.

Buồng đốt DLE thải NO_X một con số này được phát triển bằng cách cải tiến buồng đốt DLE thải NO_X 15 ppm thế hệ thứ ba. Hệ thống vòi đốt của buồng đốt 15 ppm bao gồm các vòi đốt mồi nhiên liệu, vòi đốt nhiên liệu chính và vòi đốt nhiên liệu bổ sung (xem Hình 1).

Vòi đốt mồi nhiên liệu của hệ thống này là loại khuếch tán, trong khi đó các vòi đốt nhiên liệu chính và bổ sung là loại trộn nhiên liệu trước. Vòi đốt nhiên liệu  bổ sung trộn trước được áp dụng lần đầu tiên cho bộ buồng đốt này. Vòi đốt này có các lỗ phun nhiên liệu giữa các khe, và chiều dài trộn dài hơn so với của vòi đốt nhiên liệu bổ sung loại khuếch tán. Bằng cách áp dụng các công nghệ này để tăng cường sự pha trộn giữa không khí và nhiên liệu cho vòi đốt nhiên liệu bổ sung, Kawasaki đã đảm bảo được phát thải NO_X dưới 15 ppm trong miền phụ tải từ 50% đến 100%.

Để phát triển buồng đốt DLE phát thải NO_X một con số, người ta áp dụng lần đầu tiên vòi đốt mồi nhiên liệu trộn trước. Mặc dù áp dụng đốt trộn trước cho vòi đốt mồi, nhưng tính năng đốt mồi và độ ổn định của ngọn lửa vẫn là rất quan trọng và phải tương đương với của vòi đốt khuếch tán. Vì vậy đã tiến hành khảo sát nồng độ nhiên liệu/không khí bằng cách sử dụng động lực học thủy khí trên máy tính (computational fluid dynamics - CFD), và tiến hành khảo sát tính năng phát thải, mồi cháy và độ ổn định ngọn lửa bằng các thử nghiệm trên dàn và động cơ.

Hình 2 thể hiện mặt cắt dọc vòi đốt mồi nhiên liệu kiểu khuếch tán của buồng đốt DLE NO_X 15 ppm, Hình 3 thể hiện nồng độ nhiên liệu/không khí tại mặt phẳng ra của vòi đốt mồi nhiên liệu nhận được theo phương pháp CFD.

Mục đích sử dụng đốt trộn trước cho vòi đốt mồi nhiên liệu là để giảm phát thải NO_X. Hình 4 thể hiện mặt cắt dọc vòi đốt mồi nhiên liệu của buồng đốt DLE thải NOX một con số. Vòi đốt mồi này có rất nhiều khe hở không khí và các lỗ phun nhiên liệu đặt giữa các khe.

Nhiên liệu được phun vuông góc với hướng dòng không khí. Lực xé của không khí làm tăng hiệu quả pha trộn giữa không khí và nhiên liệu. Hướng hỗn hợp khí bị đẩy lệch đi 90°, nên hỗn hợp khí được trộn kỹ do chuyển động rối hỗn loạn.

Hình 5 cho thấy nồng độ nhiên liệu/không khí tại mặt phẳng ra của vòi đốt mồi nhiên liệu nhận được bằng phương pháp CFD. Nồng độ nhiên liệu/không khí là đồng nhất ở bên trong vòi đốt này cũng như ở trên mặt phẳng ra của vòi đốt, ngoại trừ ở một khu vực rất nhỏ xung quanh tâm của vòi đốt.

Thử nghiệm trên dàn được thực hiện ở tỉ lệ không khí/nhiên liệu (air-to-fuel ratio - AFR) tương đương với miền phụ tải trong khoảng 50% đến 100% ở điều kiện động cơ thực tế. Hình 6 cho thấy tính năng phát thải NO_X ở thử nghiệm này. Ngoài vòi đốt mồi nhiên liệu và vòi đốt nhiên liệu chính, còn sử dụng thêm vòi đốt nhiên liệu bổ sung. Thử nghiệm này chứng minh được rằng mức phát thải NO_X được duy trì ở mức thấp tại tất cả các miền tỉ lệ không khí/nhiên liệu.

Hình 7 cho thấy tính năng phát thải ở thử nghiệm trên động cơ. Trong tất cả các thử nghiệm này, phát thải NO_X và CO đều đạt được mức đề ra (NO_X <9 ppm, CO <25 ppm) trong miền phụ tải 50% đến 100%. Khi đầy tải, mức NO_X là thấp nhất, khoảng 4 ppm. Đã xác nhận rằng ngọn lửa đạt độ ổn định cao trong các thử nghiệm sa thải phụ tải.

Kết luận

Kawasaki đã đạt được mức phát thải cực thấp (NO_X <9 ppm và CO <25 ppm trong miền phụ tải 50% đến 100%) trên động cơ tuabin khí m7A-03 và bắt đầu quảng cáo mặt hàng này. Kawasaki cũng đã thông báo rằng sau đó họ sẽ áp dụng công nghệ này cho các động cơ khác của họ trên một thị trường ngày một quan tâm nhiều hơn tới các sản phẩm thân thiện với môi trường và mong muốn giảm hơn nữa gánh nặng môi trường.

Theo: Thông tin KHCN Điện