某重型燃气轮机氮氧化物排放研究

杨海峰，王力军

(沈阳航空航天大学 a.航空航天工程学部;b.能源与环境学院，沈阳 110136)

重型燃气轮机是我国重点研究的重要课题。随着能源紧缺的加剧和严格的环保要求，国际上越来重视氮氧化物等污染物的排放[1-2]。对于重型燃气轮机而言，在保证燃烧效率的基础上，必须尽可能降低污染物排放，降低NOx和CO排放是节能减排的重要目标。尽管我国加大了对燃气轮机核心技术自主研发的支持力度并取得了一些成果，但我国的燃气轮机与国际先进水平相比差距还很大，其中NOx排放每年还是增加约12.5%，迫切需要在原有的基础上进一步降低[3-6]。

本文对某重型燃气轮机燃烧室燃烧柴油液体燃料的燃烧特性进行了三维数值计算，用UG进行三维几何建模，利用FLUENT6.3软件对该燃烧室进行了三维两相流燃烧反应、污染物NOx、CO进行了数值计算。分析了燃烧室在不同的工况下的燃烧室的性能，预测其流场、温度场以及NOx污染物的排放，将计算结果与实验结果对比，对燃烧室的结构改进提供了参考依据。

1 燃烧室三维几何模型

图1为燃烧室的三维UG几何模型，该燃烧室是环管式燃烧室，燃烧的头部有8个喷嘴组成一个环形的副油路，中间有一个主喷嘴起到主油路的作用。该燃烧有两种燃烧的状态：一种是环形区域供油中心区不供油，第二种供油的方式为环形区域和中心区域都供油。

图1 燃烧室几何模型

由于燃烧室的复杂几何结构，采用Gambit软件进行26个分体结构的非结构混合网格剖分。总网格数在210多万，如图2所示。

图2 燃烧室计算网格

2 数值方法简介与计算条件

2.1 控制方程组

燃烧室中的湍流燃烧反应流数学模型主要包括湍流模型、湍流燃烧模型和辐射模型[6]。描述湍流燃烧反应流封闭微分方程组的通用张量表达式为：

(1)

控制方程组采用湍流Realizablek-ε湍流模型封闭，近壁处采用标准的壁面函数。控制方程组用有限体积法离散。用C16H34代表柴油。为了模拟燃油燃烧中湍流与化学反应之间的相互作用，燃油燃烧反应采用了多步有限化学反应速率和EDC涡耗散的联合模型，其反应速率受湍流涡耗散速率EDC概念模型和有限化学反应速率模型中较小的速率控制。

2.2 NOx生成机理模型

NOx生成机理模型共分为热力型(Thermal-NOx和快速型NOx(Prompt-NOx)两种。热力型是燃料在以空气中氧气作为氧化剂进行燃烧，在燃烧的过程中氮气会在高温中跟氧气反应产生NOx：

(2)

在热力型NOx主要包括几个平衡反应：

(3)

(4)

(5)

热力型NOx的形成是由一组被称为广义的Zeldovich机理的高度依赖于温度的化学反应决定的。从氮分子形成的热力型NOx。其中方程(5)是特别在近当量条件和富油条件下要考虑这个反应。

快速型NOx在富燃火焰中最为普遍。实际的形成过程包括一系列复杂的反应和许多可能的中间组份。这个形成过程如下反应式所示：

(6)

快速型NOx在一些燃烧环境中能够形成大量的瞬时型NOx，如低温、富油并且停滞时间很短的情况下反应。快速型NOx与单位体积里碳原子的数量成比例而与碳氢化合物本身无关。随着相对功率的增加而增加。当相对功率增加时，快速型NOx产量先增加，会达到一个高峰值，最后由于氧的不足而降低。

2.3 计算工况的操作条件

图3表示的是某重型燃机的燃油分配图，其中Gf为总燃油量。在数值模拟的过程中分别取工况Ne为0.0、0.30、1.0。

图3 燃烧室供油特性

在不同的工况下燃油和空气量试验分配量由表1所示。Ne=0和Ne=0.3时由环形区域的8个油喷嘴组成的副油路供油；Ne=1时中心主油路和副油路同时供油，其中环形喷嘴每一个喷嘴的供油量为环形区油量的1/8。

表1 在不同工况下主副油路的供油量

3 计算结果及分析果

3.1 热态温度场分析

在Ne=0、0.3负荷下热态燃烧温度图中，环形区域8个喷嘴供油，火焰温度能达到2 200 K，火焰的向中心靠拢由于中心没有供油所以中心温度不高，但由于辐射效果使得中心的温度升高，二者不同在于Ne=0.3情况下环形8个喷嘴加大了供油量使得温度比前者高火焰形状变长，在靠近冷却孔温度梯度更小，冷却效果更加明显，气流更加均匀。Ne=1的工况环形区域持续供油中心区域也开始供油，中心火焰燃烧在中心火焰能达到最高温度2 400 K左右，出现大面积的高温区域。但高温气体通过冷却孔的时候温度急剧下降，过了冷却孔温度升高到1 400 K左右。3种状态的火焰都是呈现先内后外的扇形结构特性，如图4所示。

图4 中央纵截面燃烧温度图

3.2 热态出口径向温度分析

图5是Ne=0、0.3、1.0三种状况的出口径向温度图。三种工况下的出口径向温度趋势一致很平缓。在Ne=0的时候由于供油量少所以温度比较低。Ne=1和Ne=0.3这二种情况下的出口温度非常接近，说明环形区供油达到一定的情况下中心供油对出口温度的影响不是很大，却靠近底端温度越低，温度梯度变化大。

图5 出口径向温度分布图

3.4 燃烧温场计算结果与试验结果[11]

图6为Ne=1满载负荷情况温度与试验温度的对比。计算出来的温度曲线图跟试验数据非常接近，燃烧温度场计算是合理正确的。出口温度分布线型符合涡轮的进气要求。

图6 满负荷下出口温度径向分布曲线

图6为燃烧室出口平均温度分布系数OTDF和燃烧效率随Ne的变化规律，来分析出口温度好坏。OTDF定义如下：

(5)

如果忽略燃烧室的壁面散热损失，由燃油的燃料燃烧效率定义式：

(6)

式中，EICO和EIHC分别为CO和碳氢的排放指数g/kg，△HCO和△HC16H34分别为CO和C16H34的低位热值。

图7 燃烧效率和OTDF随Ne的变化

由图7可见，燃烧室的燃烧效率都在98.5%以上随着Ne的增大燃烧效率逐渐增大的说明了功率越大燃烧效率越好气相流动越好。OTDF随着Ne的增大逐渐减少。图8可以看出燃烧室在满负荷的情况下与试验的数据形状几乎一样，但小功率的时候，由于图形的简化和燃料的选取的因素导致了计算与试验的数据有所差距，但都在合理的范围之内。

图8 不同Ne的OTDF计算值与试验值

3.5 氮氧化物生成特性分析

图9右坐标是CO生成浓度变化规律，左坐标轴是NOx排放浓度的变化规律。随着Ne的增大，NOx排放随着温度的升高而逐渐增加，受控于燃烧室内温度、氧浓度和燃烧区平均停留时间以及燃料与空气的局部混合速率[7-10]。CO的浓度恰恰相反，随着供油量的增大而逐渐减少，反映了燃油的燃烧效率。但由于结构的简化和燃烧条件简化使实际燃烧效率没有达到99%以上，所以CO还有一小部分存在。

图9 NOx排放(ppm@O215%)

图中的Ne=0.3[h]代表中心区域开始供少量油时的转换状态。图10可以看出NOx排放浓度出现了短暂下降，由于中心区区域的刚开始供油空气系数比较大，所以NOx的出现了下降，但随着中心区域供油加大NOx排放浓度也随之增大。

图10 NOx排放(ppm@O215%)

4 结论

本文通过某重型燃气轮机的燃烧计算和与试验数据对比，得出以下结论：

(1) 在Ne=0、0.3、1.0工况下产生的高温区都很长，燃烧充分；在冷却孔温度下降明显，有短暂的回升，温度梯度较大；

(2)燃烧室的高温主要产生在喷嘴附近位置，温度的急剧变化也主要在喷嘴的位置；

(3)NOx排放浓度与平均温度有关，当中心区和环形区域一起供油的时候，NOx排放浓度增大；

(4) CO的排放浓度在Ne=0和0.3时，CO浓度随着相对负荷的增大而减小，燃烧较为充分；当Ne=0.3到1.0时，CO浓度几乎不变；

(5) 通过计算可知，要想进一步降低NOx，必须改变燃烧模式，减少主油路的燃油量、增大副油路的供油量，加大燃料与空气的预混时间。

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