同热值不同成分低热值燃料燃烧特性试验研究

何敏，冯大强，杨灵，吉洪湖

(1.南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

同热值不同成分低热值燃料燃烧特性试验研究

何敏1，2，冯大强2，杨灵2，吉洪湖1

(1.南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

针对低热值气体燃料，在保证热值相同的前提下，采用天然气掺混氮气和一氧化碳气体两种不同组分的燃料进行燃烧特性试验研究。结果表明：一氧化碳的燃烧效率比天然气掺混氮气的燃烧效率高；减小或增大燃料量，天然气掺混氮气的燃烧效率有明显变化，而一氧化碳所得的燃烧效率基本保持不变；在试验件、测试方法及燃烧室进口参数都相同时，燃烧室出口温度分布趋势相同。本研究结果可为低热值燃料燃烧室试验提供技术参考。

低热值燃料；双燃料喷嘴；双燃料燃烧室；燃烧特性；试验研究

experimental study

1 引言

随着国民经济的发展，能源需求不断增加，使得能源供给日益紧张。各国在积极开发新能源的同时，也在努力开展能源的再利用工作，最大限度地节约能源。燃烧低热值燃料的燃气轮机，将钢厂排放的高炉煤气、化工厂排放的低热值尾气等作为燃料，不仅提高了能源的利用率，而且降低了对原生能源的需求，减小了大气污染，越来越受到人们的广泛重视。

国内外对低热值燃料的燃烧特性作了一定研究，但主要采用数值计算[1，2]，通过试验进行的研究不多[3～6]。如徐纲等[1]对燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧低热值煤气进行了比较，发现原本燃烧天然气的燃烧室直接改烧低热值煤气，会产生燃料射流速度太快的问题，使阻燃孔失效，火焰太长，高温燃气直接冲击下筒壁出口；Yamamoto[3]曾对低热值燃料的燃烧进行过数值模拟和试验验证，但对同热值不同成分低热值燃烧特性的差异没有提及；南京汽轮电机(集团)有限责任公司与美国通用电气公司合作研制的PG6561B-L型高炉煤气燃气轮机，采用多管燃烧室，在无助燃条件下，实现了含氢量为10.38%、热值为5 577 kJ/m3的低热值气体的稳定燃烧[6]。

本文在保证热值相同的前提下，采用天然气掺混氮气和一氧化碳气体两种不同的方法，对低热值气体燃料的燃烧特性进行试验研究。

2 试验件及试验装置

2.1 试验件

试验件为某型发动机的单管燃烧室。原型燃烧室以航空煤油为燃料，其燃烧机理与燃烧气体燃料时有很大不同，尤其是燃烧低热值气体燃料时，要求燃料喷射速度低、燃料在燃烧区停留时间长。降低燃料喷射速度，可通过增大喷嘴供应管道流通面积及喷口面积(比燃油喷嘴大近百倍)来实现；延长燃烧时间，可通过加大主燃区长度、增大主燃区高度以降低参考速度来达到。因此燃烧室改烧低热值气体燃料后，为保证扣除燃机及燃料压缩系统功率消耗后仍具有足够的功率输出，在对原型火焰筒结构不做大改动的基础上，改进如下：适当增加主燃区长度，延长燃气在火焰筒内的停留时间，以提高燃烧效率；将原燃料喷嘴重新设计为双燃料喷嘴(按负荷情况切换)，以解决低负荷状态下可能发生的火焰吹熄现象和满足所需的流量，并可靠点火、稳定燃烧，保障机组安全运行。改进后的燃烧室及双燃料喷嘴如图1、图2所示。

图1 改进后的单管燃烧室示意图Fig.1 Schematic drawing of improved single-tubular combustor

图2 双燃料喷嘴示意图Fig.2 Schematic drawing of dual fuel nozzle

2.2 试验装置

整个试验装置如图3所示，主要由空气系统、电加热系统、燃料系统、冷却水系统、测试系统及燃烧室试验件等组成。燃烧室试验件由前后测量转接段、燃烧室机匣、燃烧室、双燃料喷嘴、高能点火系统等主要部件构成。前测量转接段上设置了进口气流总压、静压和总温测点；后测量转接段上设置了位移机构，测量燃烧室出口温度。

图3 某型发动机燃烧室低热值气体燃料试验原理图Fig.3 Schematic diagram of low calorific value gas fuel experiment system in an aero-engine combustor

采用同一试验件对两种燃料进行燃料特性试验。第一种是天然气和氮气的混合燃料。天然气从天然气管道封头引出，经DI15质量流量计测量流量后进入混合器。氮气由储液氮罐流出，经蒸发器变为压力约1.6 MPa的常温氮气，通过缓冲罐稳压后进入DI25质量流量计测量流量，再进入混合器。天然气与氮气在混合器中充分混合，并由混合器自带的丝网除沫器过滤杂质，混合后的天然气与氮气经电动阀11进入试验件。第二种是一氧化碳气体。一氧化碳气体从储气钢瓶引出，通过汇流排汇集到一起后，经减压阀2、手动阀3进入DI25质量流量计测量流量，再经电动阀7进入混合器，最后经电动阀11供入试验件。为防止空气混入一氧化碳进入试验件引发危险，试验前用氮气通过电动阀11排出管道内空气。

3 试验方法

天然气掺混氮气试验时，首先将空气加温至设计状态，然后直接对天然气进行点火，待天然气稳定燃烧后再向试验件供氮气，并按天然气和氮气掺混比例调节到试验状态(天然气与氮气的掺混比例为1.00：3.87，对应的热值约10 000 kJ/kg)。一氧化碳试验时，先向试验件供煤油在常压下点火，着火后调节试验件进口空气状态至试验状态，向试验件内供一氧化碳进行燃烧(一氧化碳气体纯度大于99.5%，热值约10 000 kJ/kg)，同时降低燃油供应直至停止供油，再次进行试验状态调节。试验过程中，测试方法及燃烧室进口参数相同。

4 试验结果及分析

4.1 燃烧效率

对两种燃料进行试验研究，在热值相同条件下，其燃烧效率η与余气系数α的关系如图4所示。燃烧效率可根据温升法计算，即实际温升与理论温升的比值，其表达式为：

式中：Tt4为实际燃烧室出口平均温度；Tt3为燃烧室入口平均温度；Tt4th为理论计算(完全燃烧时)的燃烧室出口平均温度，利用燃烧过程前后焓值守恒计算得到[7]。

从图中可见，虽热值相同，但其燃烧效率相差很大。当余气系数约为7.0时，天然气掺混氮气试验的燃烧效率约0.72，一氧化碳试验的燃烧效率约0.96。减小或增大燃料量，天然气掺混氮气试验的燃烧效率有明显变化，而一氧化碳试验的燃烧效率基本保持不变。

图4 燃烧效率随余气系数的变化Fig.4 Variation of combustion efficiency with excess air coefficient

原因为，利用天然气掺混氮气的方法虽能保证混合物热值降低，等同于一氧化碳气体的热值，但同时带入了氮气，降低了反应物浓度，使得反应速度下降[8，9]。另外，掺混氮气(惰性物质)后，一方面直接影响燃烧温度，进而影响燃烧速度；另一方面，将通过影响混气的物理性质来影响火焰传播速度[10]。因此，天然气掺混氮气后，其火焰传播速度受到了影响，燃烧效率降低。由于一氧化碳气体未掺混惰性物质，因此仍然保持着很高的化学反应速率。

当混气中掺混惰性组分时，虽然化学反应速度受到了影响，但最大反应速度仍发生在化学恰当比处。因此当余气系数5.0时，减小或增大燃料量，天然气掺混氮气试验方法所得的燃烧效率明显降低；当余气系数为8.5时，减小或增大燃料量，一氧化碳燃烧特性试验所得的燃烧效率变化不明显，这是由于当氧浓度大于一定值时，其燃料浓度对化学反应速率的影响不明显[11]。

4.2 出口温度场

图5(a)为余气系数5.0时天然气掺混氮气试验的燃烧室出口温度分布云图，图5(b)为余气系数8.5时一氧化碳出口温度分布云图。可见，两种试验的燃烧室出口截面都存在三块高温区，不同余气系数下出口截面的温度场分布趋势相同。由此可得，试验件、测试方法及燃烧室进口参数都相同时，其燃烧室出口温度分布趋势相同。

图5 燃烧室出口温度场分布云图Fig.5 Exit temperature field contours of combustor

5 结束语

在保证热值相同的前提下，采用两种不同的方法进行低热值气体燃料的试验研究，一是天然气掺混氮气的方法，二是利用一氧化碳气体的方法。结果表明：燃料热值相同时，利用一氧化碳气体的方法比通过天然气掺混氮气的方法获得的燃烧效率高；减小或增大燃料量，天然气掺混氮气方法的燃烧效率有明显变化，而一氧化碳方法的燃烧效率基本保持不变；两种方法的燃烧室出口温度场分布趋势相同。

另外，研究结果还表明，燃烧室的燃烧速率与燃料的组分直接相关，在进行燃机燃烧室低热值性能试验时，不能通过模拟热值的方法开展燃烧性能试验，必须采用模拟成分的方法进行。

[1]徐纲，聂超群，黄伟光，等.燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧低热值煤气的比较[J].工程热物理学报，2003，24(1)：141—144.

[2]朱彤，张毅勐，刘敏飞，等.低热值煤气高温空气燃烧数值模拟[J].同济大学学报，2002，8(8)：932—937.

[3]Yamamoto T.Low Heating Value Fuel Combustion：Flame⁃let Combustion Model and NO Formation Model[J].Jour⁃nal of Propulsion and Power，2006，22(1)：136—144.

[4]Arai N，Yamamoto T.Numerical Simulation of Low Heat⁃ing Value Fuel Turbulent Diffusion Combustion[C]//.Inter⁃national Joint Power Generation Conference.2002.

[5]Novick A S，Troth D L.Low NOx Heavy Fuel Combustor Concept Program Addendum:Low/Mid Heating Value Gas⁃eous Fuel Evaluation[R].NASA CR-165615，1982.

[6]王松岭，董君，陈海平，等.高炉煤气燃气轮机联合循环的发展现状与前景[J].燃气轮机技术，2005，18(4)：22—24.

[7]金如山.航空燃气轮机燃烧室[M].北京：宇航出版社，1988：17.

[8]傅维标，卫景彬.燃烧物理学基础[M].北京：机械工业出版社，1981：23—24.

[9]岑可法，姚强，骆仲泱，等.高等燃烧学[M].杭州：浙江大学出版社，2002：18—21.

[10]张松寿.工程燃烧学[M].上海：上海交大学出版社，1988.

[11]许晋源，徐通模.燃烧学[M].北京：机械工业出版社，1980：7—8.

Experimental Investigation on Combustion Characteristics of Low Calorific Value Fuel

HE Min，FENG Da-qiang，YANG Ling，JI Hong-hu
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To study the combustion process of low calorific value gas fuel,two kinds of gas fuel’substitutes which have the same calorific values were researched in combustion experiment.One was the mixture of nat⁃ural gas and nitrogen,the other was carbon monoxide.Experimental results show that carbon monoxide's combustion efficiency is better than that of the mixture of natural gas and nitrogen which varies as fuel flow increases or decreases,while that of monoxide basically remains the same;but both of their exit gas temper⁃ature field distribution is similar when parameters of test specimen,method and combustor inlet conditions are same.The research results provide a valuable technological reference for the experiment of the combus⁃tor of low calorific value gas fuel.

low calorific value fuel；dual fuel nozzle；dual fuel combustor；combustion characteristic；

V231.2

A

1672-2620(2013)01-0043-04

2012-06-12；

2013-01-24

何敏(1976-)，男，陕西山阳人，工程师，博士研究生，主要从事燃烧试验及零部件强度试验研究。