燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維湍流流動(dòng)的數值模擬研究

第29卷第4期2009年4月Journal of Power Eno te動(dòng)力gineeringApr,2009文章編號:10006761(2009)04033005中圖分類(lèi)號:TK473.2文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:470.30燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內維湍流流動(dòng)的數值模擬研究趙曉燕,李祥晟,豐鎮平(西安交通大學(xué)葉輪機械研究所,西安71009)摘要:對GE-F101型工業(yè)燃氣輪杌環(huán)形燃燒室燃用甲烷和低熱值合成氣的燃燒性能進(jìn)行了數值研究,采用標準kε湍流模型和渦耗散湍流燃燒模型對燃燒室在不冏燃料條件下的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數值模擬,并對燃燒室內的流場(chǎng)結構、溫度分布、火焰結構及NO,分布進(jìn)行了分析與比較;在此基礎上對原燃燒室進(jìn)行了一些改造.結果粳明:隨著(zhù)燃料熱值的降低,燃料射流速度增大,燃料和空氣的混合程度減弱,燃燒穩定性降低,燃燒室內最高溫度降低,NO,排放量減少;通過(guò)增大燃料噴嘴口徑和增加旋流器的旋流數,可在一定程度上改善燃燒室內流動(dòng)結構,增強燃料和空氣的混合程度,因而提高了燃燒穩定性關(guān)鍵詞:燃氣輪機;燃燒室;改造;低熱值合成氣;燃燒穩定性;數值模擬Numerical Simulation Research on three Dimensional Turbulence Flowin a Gas turbine Combustor Burning Low Heat Value SyngasZHAO Xiaoyan, LI Xiang-sheng, FENG Zhen-ping(Institute of Turbomachinery, Xi'an Jiaotong University Xi'an 710049, China)Abstract: Combustion performance of an annular combustor of GE- F101 gas turbine burning and low heatalue synthetic gas was studied numerically. The standard ke turbulence model and the eddy-dispassionturbulence combustion model were applied to simulate numerically the flow characteristics in thecombustor burning different fuels. Combustor flow field, temperature contours, flame structure and NO,distribution were analyzed and compared. Based on above research, the original combustor was retrofittedin some way. Results show that with the reduction of heat value of the fuel, the injection velocity of thefuel increases, the mixing extent of fuel with air reduces, which lead to the reduction of the combustionstability, the decreasing of the highest temperature inside the combustor and the diminishing of the NOxemission. By increasing the diameter of fuel nozzles and the swirl number, the flow structure in thecombustor can be improved in some extent, thus the mixing extent of fuel with air enhances resulting inKey words: gas turbine; combustor; retrofitting; low heat value syngas; combustion stability numericalsimulation中國煤化工收稿日期:200807-16修訂日期:2008-1014基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973計劃資助項目(2007CB210107CNMHG電話(huà)(TeL):0298263195,13572924384; E-mail: xyzhao@stu, xjtu, eou e模擬方面的研究作者簡(jiǎn)介:趙曉燕(1983-),女,山西平遙人碩士研究生,主要從事燃氣輪機燃燒室數值趙曉燕,等:然氣輪機低熱值合威氣燃燒室內三維湍流流動(dòng)的數值模擬研究釆用低熱值合成煤氣作為燃氣輪機燃料的研究中期開(kāi)始對超低熱值燃料利用技術(shù)進(jìn)行研究,并且具有很重要的意義,國外在低熱值燃料的研究和應已將相關(guān)研究成果應用到實(shí)際中;日本等國家在超用方面開(kāi)展較早,從20世紀90年代開(kāi)始,作為產(chǎn)煤低熱值氣體燃料利用技術(shù)的研究方面也獲得了很大大國的美國和澳大利亞,就已開(kāi)始了對低熱值氣體的進(jìn)展2.筆者采用 Fluent軟件,對GEF101型工燃料應用的研究工作.美國西北燃料公司在1995年業(yè)燃氣輪機環(huán)形燃燒室在燃燒室出口溫度一定的條前后研制了采用煤礦通風(fēng)瓦斯作為燃氣進(jìn)行發(fā)電的件下燃用甲烷和低熱值合成煤氣的燃燒性能進(jìn)行了小型(250kW)燃氣輪機;澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院數值研究和對比分析,并對流場(chǎng)結構、溫度分布、火CISRO已經(jīng)成功研制了1臺應用于A(yíng)ppn煤礦現焰結構及NO,分布等進(jìn)行了比較,在此基礎上對燃場(chǎng)的低濃度甲烷燃氣輪機;瑞典 Gothenberg燒室進(jìn)行了一定程度的改造.筆者所采用的甲烷和OLvO電廠(chǎng)和加拿大 Nova Scotia煤礦在90年代低熱值合成煤氣的成分和熱值示于表表1合成氣的成分和熱值Tab. 1 Components and heat value of syngas燃氣成分/%原料低位熱值N2 CnH甲烷35.906混合發(fā)生爐煤氣2.3531.66.22高爐煤氣29.142.11甘蔗莖氣化氣0.017.60.01計算模型與數值模擬方法式中:P為氣體密度;為通用變量,分別代表速度a、v、t,湍動(dòng)能k、e,焓H及混合分數Y;F,為湍流1.1計算模型及網(wǎng)格劃分輸運系數;S。為源項考慮到計算形體的復雜性及結構的相似性,按1.2.2燃燒模型整個(gè)環(huán)形燃燒室的1/20比例進(jìn)行建模網(wǎng)格劃分應燃氣輪機燃燒室內的燃燒過(guò)程基本都處于湍流用 Fluent前處理器 Gambit進(jìn)行,采用分塊結構化燃燒狀態(tài)在湍流燃燒中,湍流流動(dòng)過(guò)程和化學(xué)反應網(wǎng)格,在徑向和軸向均為非均勻網(wǎng)格,所采用的計算過(guò)程有著(zhù)強烈的相互關(guān)聯(lián)和相互影響,湍流通過(guò)強形體及其網(wǎng)格示于圖1.化混合影響著(zhù)時(shí)均化學(xué)反應速率,同時(shí)化學(xué)反應放熱過(guò)程又影響著(zhù)湍流6.通常的化學(xué)反應機理包含了幾十種組分和幾百個(gè)基元反應,而且這些組分之間的反應時(shí)間尺度相差很大,雖然直接模擬(DNS)可以揭示燃燒場(chǎng)的瞬態(tài)過(guò)程,但其巨大的存儲和求解過(guò)程中的計算量是現有計算機難以承受的,且離工程應用尚有一定距離.因此采用合理、經(jīng)圖1燃燒室幾何結構及其網(wǎng)格劃分濟且適用于工程應用的旋流燃燒模型是數值模擬的Fg1 Combustor geometric structure and its grid generation關(guān)鍵.本文燃燒模擬方法釆用紊流燃燒關(guān)聯(lián)矩模1.2數值模擬方法型,其計算量能夠適合當前的計算條件,計算分析能1.2.1基本控制方程夠滿(mǎn)足工業(yè)分析及研究的要求本文中采用的關(guān)聯(lián)所研究的燃氣輪機燃燒室三維熱態(tài)數值模擬為矩模型為 Magnussen提出的渦團耗散模型(Edy柱坐標系下的三維湍流流動(dòng)問(wèn)題其基本方程可用 Dissipation Model,),模型認為反應速率由湍流控如下的柱坐標系非線(xiàn)性偏微分守恒型方程表示:制避開(kāi)了代價(jià)高昂的 Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)計算(rpa)+】此時(shí),組的應湎面始昕有K個(gè)反應中組分i的凈中國煤化工(rb"a2)+133+CNMHG(2)R.取下列兩式中的最小值:第29卷Ri,=4v Mw.p k minYR(4)式中:R,為反應r中i的凈生成率;M為組分i的相對分子質(zhì)量;v…為反應物的化學(xué)當量系數;v為生成物的化學(xué)當量系數;N為生成物總個(gè)數;Y為(a)文獻[9]組分質(zhì)量分數1.2.3NO,生成模型NO4主要由 NO(nitric oxide)組成,此外還包括少量的NO2和N2O.本次計算考慮了熱力型NO,生成機理( Thermal No, Zeldovich機理)和快速型NO,生成機理( Prompt NO, Fenimore機理)1.3邊界條件(b)本文1.3.1入口邊界條件圖2燃料為甲烷時(shí),燃燒室縱截面的溫度分布給定燃料噴嘴進(jìn)口處的壓力、燃料和空氣的進(jìn)Fig 2 Temperature contours in the longitudinal cross-section of口溫度;給定燃料的流量和空氣在各主燃孔、稀釋the combustor with fuel of methane孔、冷卻孔等的流量.釆用不同熱值的燃料時(shí),空氣的流量和燃燒室出口平均溫度恒定,而燃料的流量1.3.2出口邊界條件出口邊界為自由出流邊界( outflow),除滿(mǎn)足流量連續的條件外,無(wú)任何附加限制條件1.3.3壁面條件圖3燃料為甲烷時(shí)燃燒室混孔的進(jìn)氣流線(xiàn)圖燃燒室壁面采用標準壁面函數,為無(wú)滑移、不滲Fig 3 Flow streamlines from dilution air inlets in透的固體壁面,在壁面處,徑向和法向速度為零,湍combustor with fuel of methane流參數也為零;濃度和濃度脈動(dòng)均方值的法向梯度圖4(a)為燃用甲烷時(shí)燃燒室縱截面的流線(xiàn)分也為零布,甲烷與從旋流器和主燃孔進(jìn)來(lái)的空氣相互作用,1.3.4周期性邊界條件在火焰筒頭部產(chǎn)生回流區,使燃料和空氣充分混合;在計算區域周向方向的2個(gè)邊界是周期性邊而由于合成氣的熱值比較低,為獲得相同燃燒室界,對任意變量∮作如下處理口溫度,需要更大的燃料流量,采用與燃燒甲烷相同5=中,=5+1(5)的幾何結構,在相同的空氣流量條件下,燃燒室內的2計算結果分析與比較流動(dòng)結構將會(huì )發(fā)生很大變化.如圖4(b)和圖4(c)所示,隨著(zhù)燃料熱值的降低,所需燃料流量增大,燃料圖2分別給出了文獻[9]和本文中燃料為甲烷時(shí)燃燒室縱截面的溫度分布情況.比較兩圖可以看到燃燒均主要集中在一次進(jìn)氣區,第1個(gè)位于上筒壁的主燃孔成功地將火焰阻斷,下筒壁的阻燃孔和下游的摻混孔也均起到了作用;而兩圖中所表現出的摻混程度的不同是由于進(jìn)氣速度不同造成的.通(a)燃用甲烷過(guò)對比可知,本文數值模擬的計算結果可信2.I不同熱值的燃料對流場(chǎng)的影響中國煤化工e圖3給出了燃用甲烷時(shí)燃燒室主燃孔、摻混孔CNMHG的進(jìn)氣流線(xiàn)分布,從圖可以看出:通過(guò)主燃孔、摻混孔的進(jìn)氣有很大的穿透深度,具有很強的摻混作用(b)燃用混合發(fā)生爐煤氣第4期趙曉燕,等:燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維湍流流動(dòng)的數值模擬研究333濕度K(c)燃用高爐煤氣圖4燃燒室縱截面的流線(xiàn)分布ection入口速度也顯著(zhù)增大,通過(guò)主燃孔、摻混孔的進(jìn)氣的(b)燃用混合發(fā)生爐煤氣摻混作用越來(lái)越不明顯溫度K2.2不同熱值的燃料對溫度場(chǎng)的影響圖5給出了燃用甲烷時(shí)燃燒室橫截面上的溫度分布,其在主燃區和高溫區的分布非常規則,火焰為中心溫度低而外圍溫度高,由于上筒璧中心射流的影響,火焰被阻斷,高溫氣體向兩側變形,在燃燒室出口處的溫度分布已趨于均勻(c)燃用高爐煤氣圖6燃用不同燃料時(shí)燃燒室縱截面上的溫度分布g 6 Temperature contours in the longitudinal cross-sectionof combustor with different kinds of fuels表2燃用不同燃料時(shí)燃燒室內最高溫度及出口的NO4排Tab. 2 The highest temperature and NO, emission content in圖5燃用甲烷時(shí)燃燒室橫截面上的溫度分布exit of combustor with different kinds of fuelsig. 5 Temperature contours in the lateral section in甲烷混合發(fā)生爐煤氣高爐煤氣combustor with fuel of methane室內最高溫度/K24292142圖6(a)給出了燃用甲烷時(shí)燃燒室縱截面的溫出口NO,質(zhì)量分數1.375e041.36045.644e06度分布,從圖中可以看到:燃燒主要集中在一次進(jìn)氣區,第1個(gè)位于上筒壁的主燃孔成功地將火焰阻斷NO分布.比較對應截面的溫度分布可知:在縱截下筒壁的阻燃孔和下游的摻混孔也起到了作用;圖面上NO富積區域與高溫區域相一致,表明了NO6(b)和圖6()分別為燃用混合發(fā)生爐煤氣和高爐生成與燃燒溫度的強烈依賴(lài)關(guān)系;并且通過(guò)比較燃煤氣時(shí)燃燒室縱截面的溫度分布,從圖中可以看到:用不同燃料時(shí)燃燒室出口處NO.的排放量(表2)隨著(zhù)熱值的降低,臺階縫射流的作用越來(lái)越不明顯,可知:隨著(zhù)熱值的降低,燃燒室的最高溫度降低,高溫燃氣在出口處直接沖到了下筒壁上.表2給出NO,排放量減少,這是因為燃燒室的NO,排放主了燃用不同燃料時(shí)燃燒室內最高溫度,由表2可知;要受熱力型NO.生成機理控制,其生成速度很大程隨著(zhù)燃料熱值的降低燃燒室內最高溫度也降低.度上依賴(lài)于溫度而非燃料的種類(lèi)0.2.3不同熱值的燃料對NO分布和排放量的影響圖7給出了燃用不同燃料時(shí)燃燒室縱截面上的溫度K烷中國煤化工CNMHG(a)燃用甲烷(b)混合發(fā)生爐煤氣334·動(dòng)力工程第29卷的混合程度增強,上筒壁阻燃起到了一定的作用,臺階縫的氣膜冷卻射流也將高溫區抬離了下筒壁,燃燒穩定性增強,燃燒情況有所改善,并且出口溫度不均勻系數也大幅度降低,但缺點(diǎn)是室內最高溫度升(c)高爐煤氣高,導致出口截面的NO,組分有所增加圖7燃用不同燃料時(shí)燃燒室縱截面上的NO4分布4結論Fig 7 NO, contours in the longitudinal cross-section ofbustor with different kinds of fuels筆者對燃氣輪機環(huán)形燃燒室采用不冋熱值燃料的燃燒性能進(jìn)行了數值研究,結果表明:隨著(zhù)燃料熱3低熱值燃燒室的改造研究值的降低,燃料射流速度增大,阻燃孔失效,火焰增綜上所述,對原燃燒甲烷的燃燒室改燒低熱值長(cháng),導致燃料和空氣的混合程度減弱高溫燃氣直接合成氣的關(guān)鍵問(wèn)題在于:燃料的流速太快,通過(guò)主燃沖擊下筒壁出口,燃燒穩定性降低.但隨著(zhù)燃料熱值孔、摻混孔的進(jìn)氣的摻混作用越來(lái)越不明顯,燃料和的降低,燃燒室內最高溫度降低,NO、排放量減少.空氣的混合程度減弱,不利于燃燒的充分進(jìn)行.對于同時(shí),筆者還對原燃燒室進(jìn)行了燃用低熱值合甘蔗莖氣化燃料由于其熱值過(guò)低,必須對燃燒室進(jìn)成氣的改造研究,結果表明:通過(guò)增大燃料噴嘴口徑行改造,才能達到額定的燃燒室出口平均溫度.為和增加旋流器的旋流數,可在一定程度上改善燃燒此,筆者對原燃燒室進(jìn)行了改造數值模擬研究,主要至內流動(dòng)結構增強燃料和空氣的混合程度,因而提措施是:通過(guò)增大燃料噴射孔的面積來(lái)降低燃料的高了燃燒穩定性速度,同時(shí)增加旋流器的旋流數,來(lái)增強燃料和空氣致謝:本文研究得到國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計的混合程度劃(973計劃)課題(編號:2007CB210107)的資助。圖8為改造前后燃用甘蔗莖時(shí)燃燒室縱截面的參考文獻:溫度分布圖比較圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現:改造后燃燒室內流態(tài)結構有了很大的改善,燃料和空氣[1]惠鑫.合成氣稀釋擴散火焰的實(shí)驗和數值研究[D」北京:中國科學(xué)院研究生院,2007:12-14度K[2] SUSHI Andrewbeath,翁一武,以礦井乏風(fēng)為燃料的催化燃燒燃氣輪機的開(kāi)發(fā)[C]//第三屆國際甲烷和}3氧化亞氨減排技術(shù)大會(huì ),北京:中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì ),3] SUS1% methane catalytic turbine system [C]//CISROExploration Mining. 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