Flash-GT – Investigation of H2-flame flashback at gas turbine relevant conditions

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501821

Schlüsselwörter (Englisch)

Flame flashback, high-speed laser diagnostics, Large Eddy Simulation (LES) modelling, high- pressure experiments, hydrogen combustion, lean-premixed gas turbine combustion

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Flammenrückschlag zu verhindern ist eine wesentliche Herausforderung in der Entwicklung von mager vorgemischten Brennern für wasserstoffreiche Brennstoffe. Mittels Experiment und Modellierung wird der Rückschlag in der Grenzschicht eines Drallbrenners untersucht. Dafür werden Lasermessmethoden bei Hochdruck-bedingungen angewendet und mit Verbrennungsmodellierung basierend auf der Large Eddy Simulation (LES) Methode kombiniert. Ziel ist ein verbessertes Verständnis und eine genauere Vorhersage von Flammenrückschlag.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Preventing flame flashback is a major challenge in the development of lean-premixed combustors for hydrogen-rich fuels. Flashback in the boundary layer of a swirl burner is investigated in a joint experimental and computational effort by employing high-speed laser diagnostics at gas turbine relevant conditions and combustion modeling based on the Large Eddy Simulation (LES) technique. The goal is to gain a better understanding of the fundamental physics facilitating flashback and to improve the prediction of flashback limite by a validated model.

Schlussbericht (Deutsch)

Gasturbinen bieten eine hohe Zuverlässigkeit in Verbindung mit einer hervorragenden Last­folge­fähigkeit - Eigenschaften, die in zukünftigen Energiesystemen immer wichtiger werden. Da­rüber hinaus erlaubt die magere Vormischverbrennung in Gasturbinen im Vergleich zur Ver­brennung flüssiger oder fester Brennstoffe bemerkenswert niedrige Emissionen. Die derzeitige Generation von Brennern wurde aber hauptsächlich für den Betrieb mit Erdgas entwickelt und ist in Bezug auf das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf enge Betriebsfenster beschränkt. Diese Brenner stehen nun vor der Herausforderung, in Gasturbinen mit alternativen, erneuerbaren Brenngasen betrieben zu werden, die in der Regel größere Anteile an Wasserstoff enthalten. Ein zentrales technisches Problem bei der Ver­brennung von Brenngasen mit hohem Wasserstoffanteil ist die Vermeidung eines Flammen­rück­schlags in den Vormischbereich. Der Vormischbereich von Gasturbinenbrennern ist nicht für hohe Temperaturen ausgelegt - ein Flammenrückschlag kann daher zu einer schweren Schädigung der Brennerhardware führen.

Im Projekt "Flash-GT" wurde der Flammenrückschlag von Wasserstoff-Methan-Luft-Flammen in der Wandgrenzschicht von verdrallten Strömungen durch Experiment und Modellierung untersucht. Für die experimentellen Arbeiten wurde der Hochdruckprüfstand am PSI mit einem optisch zugänglichen Drallbrenner ausgerüstet. Zur numerischen Untersuchung der Flashback-Ereignisse wird eine auf Large-Eddy-Simulation (LES) basierende CFD-Modellierung angewendet.

Die Rückschlaggrenzen wurden systematisch für einen weiten Bereich von bis zu 7,5 bar Brenn­kammer­druck und 300°C Vorwärmtemperatur untersucht. Der Einfluss von Druck, Verbrennungsluft­temperatur, Wasserstoffgehalt, Vormischstrategie, Drall und Strömungs­geschwin­dig­keit auf die Flashback-Grenze wurde für gut kontrollierte Randbedingungen quantifiziert. Die erstellte Datenbank dient als Vali­die­rungs­datenbasis für die Flashback-Modellierung.

Da keines der in der Literatur beschriebenen Modelle zur Flammenrückschlagsvorhersage in der Lage ist, die Flammenrückschlagsgrenzen der gegenwärtig untersuchten Konfiguration genau zu erfassen, wurde ein neuartiges Modell entwickelt und geprüft, das tatsächlich zu solchen Vorhersagen in der Lage ist. Ein solches Modell ist ein wichtiges Werkzeug für die Industrie und wird weiterentwickelt.

Wichtigste Ergebnisse (Take-Away Messages)

• Beim Flammenrückschlag in Wandgrenzschichten von Drallbrennern gibt es zwei Flammen­ausbreitungswege, wobei die Drallzahl der wichtigste Unter­scheidungs­parameter ist.
• Die experimentellen Messungen bei unterschiedlichen Druck-/Temperatur- und Brenngas­gemischbedingungen haben (erneut) bestätigt, dass die Wandtemperatur eine äußerst wichtige Rolle bei der Kontrolle von Flammenrückschlag in Wandgrenzschichten spielt.
• Eine Kontrolle der Wandtemperatur (zumindest in bestimmten kritischen Zonen der Brenner-/Mischerkonfiguration) kann als sehr wirksam für die Unterdrückung des Rückschlagrisikos bei Brenngasgemischen mit zunehmenden Wasserstoffanteilen angesehen werden.
• Bei einer Anpassung von Gasturbinenbrennern (Neukonstruktion oder Nachrüstung) sollte eine aktive Kühlung (durch Luft oder Wasser) bestimmter kritischer Teile des Brenners in Betracht gezogen werden.
• Keines der in der Literatur beschriebenen Modelle zur Vorhersage des Flammenrückschlags ist derzeit in der Lage, die Grenzen des Flammenrückschlags bei der untersuchten generi­schen Drallbrennerkonfiguration genau zu erfassen.
• Ein in diesem Projekt entwickeltes neues Modell (auf der Grundlage eines Kriteriums für die kritische Dehnungsrate, die zu Flammenlöschen führt) ist in der Lage, hochpräzise Vorher­sagen über die Rückschlaggrenze bei nicht verdrallten Strömungen (validiert mit Literatur­daten) sowie bei verdrallten Strömungen (validiert mit experimentellen Daten aus dieser Studie) zu treffen.
• Das neue Modell kann mit einer einzigen experimentellen Messung für eine bestimmte Brenner­geometrie kalibriert werden und kann dann zur Vorhersage der Rückschlaggrenzen für eine Vielzahl von thermochemischen und Strömungsbedingungen verwendet werden.
• Das Modell kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Brennergeometrien und Strömungs­bedingungen verwendet werden und kann den Brennerauslegungsprozess in Richtung von Brennergeometrien lenken, die Rückschlagereignisse wirksam verhindern.

Schlussbericht (Englisch)

Gas turbines offer high reliability combined with an excellent load following capability, attributes which become ever more important in the future energy supply infrastructure. Furthermore, lean-premixed combustion in gas turbines achieves remarkably low emissions compared to burning liquid or solid fuels. However, the current generation of burners was mainly developed to operate on natural gas and is limited to narrow operational windows in terms of fuel/air ratio to prevent operability issues. These burners are challenged by the desire to run gas turbines on alternative, renewable fuels, which typically contain large amounts of hydrogen. A key technical issue when burning fuels containing large amounts of hydrogen is to prevent flame flashback into the premix section. The premix section of gas turbine combustors is not designed to handle high temperatures; hence, flashback can lead to a severe failure of the burner hardware.

In the project “Flash-GT” flame flashback of hydrogen-methane air flames in the boundary layer of swirling flows has been investigated through experiment and modelling. For the experimental work, the high-pressure test rig at PSI has been equipped with an optically accessible swirl burner. Large-eddy simulation based CFD is applied to investigate the flashback events numerically.

Flashback limits have been investigated systematically for a wide range of conditions up to 7.5bar and 300°C preheat temperature. The effect of pressure, preheat temperature, hydrogen content, premix strategy, swirl and bulk flow velocity on the flashback limit has been quantified for well-controlled boundary conditions. The compiled database serves as validation data for flashback modelling.

As none of the flashback prediction models reported in literature is capable of accurately capturing the flashback limits of the presently studied configuration, a new type of model is developed and presented that is actually capable of such predictions. Such a model remains an important tool for industry and will be further developed in this direction.

Main findings (take-away messages)

• Two distinct flame propagation pathways exist in boundary layer flashback of swirl burners, with swirl number being the dominant distinguishing parameter.
• It is (re-)confirmed by the experimental measurements at different pressure/temperature and fuel gas mixture conditions that the wall temperature plays an extremely important role in controlling boundary layer flashback events.
• A control of the wall temperature (at least in certain critical zones of the burner/mixer configuration) can be considered very effective for the suppression of the boundary layer flashback risk for fuel gas mixtures containing increasing amounts of hydrogen.
• A re-design of gas turbine burners (new design or retrofit) should consider active cooling (by air or water) of certain critical parts of the burner.
• None of the flashback prediction models reported in literature is currently capable of accurately capturing the flashback limits of the generic swirl burner configuration studied.
• A new model (based on a critical extinction strain rate criteria) developed in this project, is capable of highly accurate flashback limit predictions in non-swirling flows (validated with literature data), as well as for swirling flows (validated with experimental data from this study).
• The new model can be calibrated with a single experimental measurement for a given burner geometry, and can then be used to predict the flashback limits for a variety of thermo­chemical and flow conditions.
• The model can be used for a variety of different burner geometries and flow conditions, and can guide the burner design process in the direction of burner geometries which effectively prevent flashback events.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 3'171 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les turbines à gaz offrent une grande fiabilité associée à une excellente capacité de suivi de la charge, des attributs qui deviennent de plus en plus importants dans la future infrastructure d'approvisionne­ment en énergie. En outre, la combustion en mélange pauvre dans les turbines à gaz permet de réduire remarquablement les émissions par rapport à la combustion de combustibles liquides ou solides. Cependant, la génération actuelle de brûleurs a été principalement développée pour fonc­tionner au gaz naturel et est limitée à des fenêtres opérationnelles étroites en termes de ratio carburant/air pour éviter les problèmes d'opérabilité. Ces brûleurs sont mis au défi par le désir de faire fonctionner des turbines à gaz avec des combustibles alternatifs et renouvelables, qui contiennent généralement de grandes quantités d'hydrogène. Un problème technique clé lors de la combustion de combustibles contenant de grandes quantités d'hydrogène est d'empêcher le retour de flamme dans la section de prémélange. La section de prémélange des chambres de combustion des turbines à gaz n'est pas conçue pour supporter des températures élevées ; le retour de flamme peut donc entraîner une défaillance grave du matériel du brûleur.

Dans le cadre du projet "Flash-GT", le retour de flamme des flammes hydrogène-méthane-air dans la couche limite des écoulements tourbillonnaires a été étudié par l'expériments et la modélisation. Pour le travail expérimental, le banc d'essai haute pression du PSI a été équipé d'un brûleur à tourbillon optiquement accessible. La CFD basée sur la simulation des grands tourbillons est appliquée pour étudier numériquement les phénomènes de retour de flamme.

Les limites du retour de flamme ont été étudiées systématiquement pour une large gamme de conditions allant jusqu'à 7,5 bars et 300°C de température de préchauffage. L'effet de la pression, de la température de préchauffage, de la teneur en hydrogène, de la stratégie de prémélange, du tourbillon et de la vitesse d'écoulement globale sur la limite de retour de flamme a été quantifié pour des conditions limites bien contrôlées. La base de données compilée sert de données de validation pour la modélisation du retour de flamme.

Comme aucun des modèles de prédiction du retour de flamme rapportés dans la littérature n'est capable de capturer avec précision les limites du retour de flamme de la configuration actuellement étudiée, un nouveau type de modèle est développé et présenté qui est réellement capable de telles prédictions. Un tel modèle reste un outil important pour l'industrie et sera développé plus avant dans cette direction.

Principaux résultats (Take-Away Messages)

• Lors du retour de flamme dans les couches limites des parois des brûleurs à tourbillon, il existe deux voies de propagation de la flamme, le nombre de tourbillons étant le paramètre de distinction le plus important.
• Les mesures expérimentales effectuées dans différentes conditions de pression/température et de mélange de gaz combustible ont (à nouveau) confirmé que la température de paroi joue un rôle extrêmement important dans le contrôle du retour de flamme dans les couches limites de la paroi.
• Le contrôle de la température de paroi (au moins dans certaines zones critiques de la configuration du brûleur/mélangeur) peut être considéré comme très efficace pour supprimer le risque de retour de flamme dans les mélanges de gaz combustibles contenant des quantités croissantes d'hydrogène.
• Lors de l'adaptation des brûleurs de turbine à gaz (nouvelle conception ou mise à niveau), il con­vient d'envisager un refroidissement actif (par air ou par eau) de certaines parties critiques du brûleur.
• Aucun des modèles de prédiction du retour de flamme décrits dans la littérature n'est actuellement en mesure d'appréhender avec précision les limites du retour de flamme dans la configuration générique du brûleur à tourbillon étudiée.
• Un nouveau modèle développé dans le cadre de ce projet (basé sur un critère de taux de déformation critique conduisant à l'extinction de la flamme) est capable de prédire avec une grande précision la limite de retour de flamme pour des écoulements non torsadés (validés avec des données de la littérature) ainsi que pour des écoulements torsadés (validés avec des données expérimentales issues de cette étude).
• Le nouveau modèle peut être calibré à l'aide d'une seule mesure expérimentale pour une géométrie de brûleur donnée et peut ensuite être utilisé pour prédire les limites de rebond pour une variété de conditions thermochimiques et d'écoulement.
• Le modèle peut être utilisé pour une grande variété de géométries de brûleur et de conditions d'écoulement et peut orienter le processus de conception du brûleur vers des géométries de brûleur qui empêchent efficacement les événements de retour de flamme.