Nový přístup k návrhu spalovacích zařízení pro energetické systémy

Abstract

Transformace energetiky směrem k nízkouhlíkovým a udržitelným zdrojům vyžaduje nejen vývoj nových technologií, ale také posouzení možnosti adaptace stávajících spalovacích zařízení na nové druhy paliv a změněné provozní podmínky. Dizertační práce se zabývá formulací a ověřením uceleného přístupu, který umožní systematické hodnocení technických změn a adaptaci energetických zařízení na nové podmínky spalování, především při využívání vodíkových směsí a palivových mixů tuhých paliv. Na základě termodynamického rozboru spalovacího zařízení byly vymezeny čtyři hlavní oblasti hodnocení: příprava a doprava palivové směsi, proces spalování, sdílení tepla v radiační komoře a sdílení tepla v konvekční sekci. Vlastní výzkumná část práce je zaměřena především na využití směsí zemního plynu a vodíku. V rešeršní části byly představeny vodíkové strategie EU a vybraných zemí, možné vodíkové degradační mechanismy, možnosti transportu a skladování vodíku a představeny rozdíly ve vlastnostech spalin při spalování vodíkových směsí. Výpočet přírubového spoje podle ČSN EN 1591-1 prokázal, že zpřísnění požadavku na těsnost může významně zvýšit zatížení šroubů a přírub, a při adaptaci stávajících potrubních systémů je proto nezbytné současně posoudit těsnost i pevnost spojů. Na základě experimentálního měření spalování zemního plynu a směsi se 77 obj.% vodíku byla ověřena použitelnost existujícího modelu stupně vyhoření paliva a modelu pro kontrolní tepelný výpočet procesních trubkových pecí. Výsledky ukázaly, že změna paliva ovlivňuje rozdělení tepelného výkonu mezi jednotlivé části zařízení v závislosti na jeho konstrukčním uspořádání. Dalším výstupem práce je výpočtový nástroj vytvořený v jazyce Python, který propojuje model spalování založený na knihovně Cantera, globální a detailní model přenosu tepla, výpočet napětí a hodnocení creepové životnosti. Detailní neiterativní model založený na metodě konečných objemů umožňuje určit lokální rozložení teploty stěny trubek při podstatně nižší výpočetní náročnosti než komplexní numerické simulace. Výpočet referenčního přehříváku ukázal, že creep není za posuzovaných provozních podmínek určujícím degradačním mechanismem. Citlivostní analýza současně prokázala dominantní vliv správné extrapolace materiálových creepových charakteristik a teploty stěny na výslednou predikci životnosti. Výsledky potvrzují praktickou využitelnost formulovaného přístupu při hodnocení bezpečnosti, spolehlivosti a životnosti spalovacích zařízení provozovaných s nízkouhlíkovými palivy.The transformation of the energy sector towards low-carbon and sustainable energy sources requires not only the development of new technologies but also an assessment of the possibility of adapting existing combustion equipment to new fuels and altered operating conditions. This doctoral thesis deals with the formulation and verification of a comprehensive approach enabling the systematic assessment of technical changes and the adaptation of energy equipment to new combustion conditions, particularly those associated with hydrogen blends and solid-fuel mixtures. Based on a thermodynamic analysis of combustion equipment, four main assessment areas were identified: fuel-mixture preparation and transport, the combustion process, heat transfer in the radiant chamber, and heat transfer in the convection section. The original research presented in the doctoral thesis focuses primarily on natural gas–hydrogen blends. The literature review discusses the hydrogen strategies of the European Union and selected countries, potential hydrogen degradation mechanisms, hydrogen transport and storage options, and differences in flue-gas properties resulting from the combustion of hydrogen blends. A flange joint calculation performed in accordance with EN 1591-1 demonstrated that stricter tightness requirements may significantly increase the loading of bolts and flanges. Therefore, when adapting existing pipeline systems, both the tightness and structural integrity of the joints must be assessed simultaneously. Experimental measurements of natural gas combustion and the combustion of a blend containing 77 vol.% hydrogen were used to verify the applicability of an existing fuel-burnout model and a model for the verification thermal calculation of process fired heaters. The results showed that a change in fuel composition affects the distribution of heat duty among the individual sections of the equipment, depending on its specific design configuration. Another outcome of the doctoral thesis is a computational tool developed in Python that integrates a Cantera-based combustion model, global and detailed heat-transfer models, stress calculations, and creep-life assessment. The detailed non-iterative model, based on the finite volume method, enables the local distribution of tube-wall temperature to be determined at a substantially lower computational cost than comprehensive numerical simulations. The analysis of the reference steam superheater showed that creep is not the governing degradation mechanism under the assessed operating conditions. The sensitivity analysis further demonstrated the dominant influence of the correct extrapolation of material creep characteristics and tube-wall temperature on the resulting service-life prediction. The results confirm the practical applicability of the proposed approach to assess the safety, reliability, and service life of combustion equipment operated with low-carbon fuels.