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Autore: L.A. Catalano, A. Dadone, D. Manodoro

Collana: FM - 2004 Sorrento - Third International Symposium - Energy and Environment

Note:
This paper deals with the thermo-fluid-dynamic design of high-performing duct-burners for combined-cycle plants. Using a widely employed commercial code, a new enhanced-mixing geometry has been devised, which yields a better temperature distribution control than standard after-burners and lowers the thermal NOx formation. Then, a general progressive optimization strategy for the thermo-fluid-dynamic design optimization of after-burners has been developed: its efficiency relies on the simultaneous convergence of the flow solution and of the optimization process, as well as on the use of nested grid levels. Its first application deals with the minimization of the outlet temperature gradient. The difference between the maximum and the minimum temperatures has been reduced to 24% of its initial value. The second application aims at reducing the near-wall temperatures and shortening the flame, subject to a very low production of unburnt fuel. The optimized geometry is characterized by a lower formation of unburnt fuel. Nevertheless, thanks to an improved mixing, the extension of the high-temperature region has been significantly reduced. In both cases, the optimization process has required a computational time corresponding to about 15 flow analyses.




L’articolo riguarda lo sviluppo di tecniche di ottimizzazione termo-fluidodinamica per la progettazione automatica di post-bruciatori ad alte prestazioni, per impianti combinati. Il primo passo della ricerca, condotto con l’ausilio di un ben noto software termo-fluidodinamico, è consistito nello sviluppo di una nuova geometria a miscelamento rafforzato, che consente un migliore controllo della distribuzione di temperatura rispetto alle configurazioni standard, e, conseguentemente, una riduzione degli NOx termici. Successivamente, è stata sviluppata una tecnica di ottimizzazione progressiva, di tipo gradient-based, per l’ottimizzazione del progetto dei post-bruciatori: la sua efficienza si basa sulla simultanea convergenza della soluzione del flusso e dello stesso processo di ottimizzazione, nonché sull’uso di griglie a risoluzione crescente. La prima applicazione proposta mira ad ottimizzare il miscelamento, minimizzando la variazione trasversale di temperatura all’uscita: la differenza tra i valori massimo e minimo di temperatura è stata ridotta fino al 24% del valore iniziale. La seconda applicazione mira a ridurre le temperature in prossimità del bruciatore e ad accorciare la fiamma, senza però aumentare il livello di incombusti. La geometria ottimizzata è caratterizzata da una più bassa produzione di incombusti rispetto a quella iniziale; ciò nonostante, grazie al miglior miscelamento, l’estensione delle regioni ad alta temperatura è stata significativamente ridotta. In entrambe le applicazioni il processo di ottimizzazione ha richiesto un tempo di calcolo corrispondente a quello richiesto da circa 15 analisi di flusso sulla stessa griglia fine.