预混均匀度对E级燃机燃烧室NOx排放浓度的影响研究

杨国庆 潘明 刘柳

摘 要：采用数值仿真模拟了预混均匀度对E级燃机燃烧室NOx排放浓度的影响。二级喷嘴燃料喷射、吹扫空气喷射、一级燃烧区掺混空气流量均可以改变局部预混均匀度，影响局部燃烧温度，最终影响NOx排放浓度。增加二级喷嘴燃料喷射点，在E级燃机基本负荷下有更优异的NOx排放值，受制于燃料分配的影响，当一级喷嘴燃料占比偏离78 %～84 %区间时，NOx排放优势减小;一级燃烧区掺混射流流量占比高于一区总空气流量的46 %，燃料局部浓度峰值增加，峰值的位置也会移动，对下游火焰的温度与NOx排放浓度影响显著。

关键词：燃气轮机;预混均匀度;燃料喷射方式;吹扫空气;掺混射流;NOx 排放;

Abstract： Numerical simulation was used to simulate the effect of premix uniformity on the NOx emission concentration in the combustion chamber of E-Class gas turbine. secondary nozzle fuel injection， purge air injection， and mixed air flow in the primary combustion zone can change the local premix uniformity， affect the local combustion temperature， and ultimately affect the NOx emission concentration. Increasing the fuel injection point of secondary nozzle has a better NOx emission value under the basic load of the E-Class gas turbine. Subject to the influence of fuel distribution， when the fuel ratio of the primary nozzle deviates from the 78 % to 84 % range， the NOx emission advantage decreases small; The flow rate of the blended jet in the first combustion zone is higher than 46 % of the total air flow in the primary zone. The local fuel concentration peak increases and the peak position will move， which has a significant impact on the downstream flame temperature and NOx emission concentration.

Key words： gas turbine; premix uniformity; fuel injection method; Blending jet; NOx emission;

為降低燃气轮机NOx 排放，满足国家环保要求，现代燃气轮机普遍采用了干式低氮燃烧技术。在基本负荷工况为预混燃烧模式，降低燃烧温度，减少NOx 的产生[1-2]。

为了应对更加严格的排放，在DLN1.0服役之后，GE公司对DLN1.0燃烧系统进行了升级[3]，新的燃烧系统命名为DLN1.0+。文献[4]介绍了DLN1.0+实际使用性能，相比DLN1.0可以达到10 mg/m3以下的NOx排放。

除了GE公司之外，PSM公司也针对E级燃机研发了LEC-Ⅲ燃烧系统[4]，LEC-Ⅲ燃烧系统与DLN1.0尺寸基本一致，可以实现替换。之后研发了LEC-NextGen以达到低于10 mg/m3的水平，并且可以适应掺氢燃料。

对比两种燃烧系统的设计，可见提高燃料预混均匀度是实现低NOx排放的主要手段。

本文通过数值仿真对比DLN1.0与LEC-NEXTGEN的燃烧状态，研究新一代低氮燃烧系统在降低NOx排放的相关原理，剖析部分设计思路，为相关燃烧系统设计提供参考。

1 DLN1.0燃烧室简化模型及边界条件

图1是E级燃烧室DLN1.0结构示意图，该燃烧室采用分级燃烧技术，一级燃料喷嘴布置在二级燃料喷嘴外围，二级燃烧区预混进口外环还有旋流空气进口，用以强化旋流。

图2为简化后的燃烧室物理模型及其网格示意图。燃机输出功率为123.4 MW，压气机进气流量为403.7 kg/s，压比为12.3，流向燃烧室的空气流量为压气机进口空气流量的83 %。

燃烧室出口压力为1.23 Mpa。采用甲烷替代天然气计算，甲烷热值为50200 kJ/kg，根据燃机效率33.8 %计算，流入燃机总燃料流量为7.27 kg/s，流入单个燃烧室燃料流量为0.519 kg/s。计算域采用多面体网格，经过网格无关性验证数目为220万。

图3是DLN1.0原始结构（以下称“DLN”）与改进结构（LEC-nextgen燃烧系统，以下称为“LEC”）二级喷嘴与的对比图，可见LEC增加了燃料喷嘴的数量;取消了值班火焰，以吹扫空气替代。

2 数值计算方法及结果校核

采用Fluent软件求解湍流燃烧的基质量方程、动量方程、能量方程和组分守恒方程：

式中 ρ、ui 、p 、τij、h、ωT 和ωi 分别为密度、速度、压力、粘性应力、总焓、热释放率和组分i的反应速率。

本文计算模型采用总包反应机制，湍流模型采用realizable-k？模型[17] 采用FLUENT有限速率-涡耗散模型模型（Finite-rate/Eddy Dissipation）。

3 燃料喷射方式的影响

根据负荷不同，E级燃机有4种燃烧模式，本文计算基本负荷工况，处于预混燃烧模式，当燃机燃烧参考温度高于1076 ℃，一级燃烧区（以下简称“一区”）停止燃料供应，当一区火焰熄灭后一级燃烧喷嘴重新供应燃料，一级燃烧区变为空气和燃料混合区。在一区充分混合后，预混气体从文丘里管加速喷出，在文丘里管下游回流区中燃烧。二级燃烧区（以下简称“二区”）燃烧不中断。

图4是两种不同的燃料喷射方式对燃烧室NOx排放浓度影响关系图。预混燃烧模式下，一区消耗燃料总流量的80 %。这个数值并非定值，当环境温度改变或天然气热值改变时，一区燃料流量会做出相应的调整，以保证NOx排放水平处于较低值。对于E级燃机，根据运行经验，最低的NOx排放相对应的一区燃料流量占比Rfule一般为80 %～82 %之间。由图所示，LEC在Rfule=78 %～84 %区间内，NOx排放水平相对于DLN有明显降低。在Rfule=80 %时降幅最大达到了25 %，一区流量占比偏离80 %～82 %越多，LEC相比DLN的NOx排放优势越小，在大幅偏离后LEC的NOx排放值甚至会超过DLN。

图5是二级喷嘴预混区局部当量比分布，其中a、b、c截面位于二级喷嘴燃料喷射点下游100 mm、180 mm、280 mm位置。由圖可知，由于喷射点较少，在a截面DLN二级喷嘴下游存在6个当量比局部高点，最高值接近2，燃料在向下游移动的过程中同时与空气发生扩散，局部当量比峰值降低，在b截面降到1.5左右，经过旋流器后，燃料在空气中掺混更加均匀，当量比局部最高值降到1.0左右。LEC二级喷嘴由于喷射点多于DLN，因此在各个截面燃料分布均匀度要好于DLN，在经过旋流器后c截面局部最高值为0.7。

图6、图7是两种燃烧室的温度分布和NOx局部浓度分布图，在常用的流量占比区间Rfule，相比DLN，LEC中心燃烧区的燃烧温度降低明显，相应的NOx生成也大幅度减小。

由于二区燃料量只占一区燃料量的25 %左右，因此当一区燃料占比改变1 %，二区燃料流量改变值为4 %～5 %，当一区燃料流量降低时，二区燃料流量大幅度增加，平均当量比也随之增加，Rfule=76 %时，二区出口平均当量比达到0.93，此时LEC燃料分布均匀的优势消失，燃烧室中心温度几乎与DLN相当，局部NOx排放甚至超过DLN。

当一区燃料流量增加，二区燃料流量大幅度减小，火焰温度降低，此时NOx局部产生的主要区域变为火焰筒外侧燃烧区，LEC由于二级喷嘴出口外侧局部当量比高于DLN，这部分燃料会被二区外环旋流器喷出的旋流卷吸进外侧燃烧区，增加外侧燃烧区的温度，因此排放浓度值略高于DLN。

4 一区掺混射流的影响

图8是一区掺混射流流量占比Rair对NOx排放浓度影响（一区掺混空气入口位置见图2），由图可知对于两种燃烧室，在保证一区总空气流量不变的情况下，一区掺混射流流量占比增加，NOx排放浓度相应增加，掺混射流占比超过46 %，NOx排放浓度增加剧烈。

图9是中截面局部当量比分布图，由图可知随着一区掺混射流流量占比增加，由于流速过高，来不及与一区燃烧区内气体掺混，更多的燃料被挤占到外侧区域，局部当量比高的区域面积增加，预混均匀度变差。

其原因是由于掺混射流流量过高，导致射流无法充分与横向来流有效掺混，直接穿透到一区内侧。受掺混射流占位影响，未与射流有效掺混的燃料流向外侧，造成外侧当量比过高。

图10是两种燃烧室在不同一区掺混射流流量占比下中截面的温度分布图，随着一区掺混射流流量增加，文丘里管高当量比区域移到了外侧，受影响最大的是外侧燃烧区域，燃烧温度明显增加至2200 K左右， 受此影响中心燃烧区靠外侧部分也出现局部高温点，局部最高温度造成NOx排放浓度含量明显增加。除此之外，燃烧区火焰长度也会增加。

4结论：

1）相比DLN，由于二级喷嘴有更好的燃料分布均匀度，LEC燃烧室在E级燃机基本负荷下有更优异的NOx排放值，受制于燃料分配的影响，当一级燃烧区燃料分配偏离78 %～84 %时，NOx排放优势减小。

2）一级燃烧区掺混射流流量同样对预混气体的均匀度有较大影响，射流流量占比超过一级燃烧区空气总流量的46 %，燃料局部浓度峰值增加，峰值的位置也会变化，对下游火焰的温度与NOx排放浓度影响显著。

参考文献：

[1] 周国兴，黄红艳，周晖. PG9171E燃气轮机低氮燃烧系统改造[J]. 发电设备，2013，27（05）：338-342.

Zhou Guoxing， Huang Hongyan， Zhou Hui. Retrofit on low-nitrogen combustion system of PG9171E gas turbines. Power Equipment. 2013，27（05）：338-342.

[2]李永扬，刘鹏飞，王毅刚，等. 9E燃气轮机干式低NOx燃烧系统改造[J]. 燃气轮机技术，2015，28（02）：64-67.

LI Yong-yang， LIU Peng-fei， WANG Yi-gang，et al. Retrofit on low-nox combustion system of E级 gas turbines， Gas Turbine Technology， 2015，28（02）：64-67.

[3]Larry L. Thomas， Derrick W. Simons， Predrag Popovic. et al. E-class DLN technology advancements， DLN1+[C]. Proceedings of ASME Turbo Expo 2011， Canada， GT2011-45944.

[4]殷华明. 9E级燃气轮机DLN1.0与LEC-Ⅲ低氮燃烧系统改造[J]. 技术与市场，2017，24（10）：13-16.2015，35（06）：1429-1435.

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