燃料分级比例对双燃料燃烧室燃烧性能的影响

刘爱虢， 陈炫任， 杨宇东， 陈 雷， 王成军

(沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室， 沈阳 110136)

双燃料燃气轮机是利用双燃料燃烧技术，在同一台机组中同时使用两种及以上燃料的燃气轮机机组，其核心是双燃料燃烧室，研发的目的是满足燃气轮机的燃料多样性要求，拓宽燃气轮机的应用领域[1].由于双燃料燃气轮机具有燃料多样性、用水量少、安装周期短等优点，在海上平台、车载移动电站、联合循环、舰船动力、LNG船等领域具有广泛的应用[2].

在中小型燃气轮机领域，美国的GE公司、Solar公司和德国的Siemens公司生产的中小型双燃料燃气轮机代表了当今国际双燃料燃气轮机的最高水平.Solar公司生产的1～23 MW共11个型号燃气轮机有10个型号可提供双燃料系统，美国GE公司的40 MW以下双燃料燃气轮机包括已发展到第四代的LM2500+G4和由LM2500+为原型机的车载式移动电站TM2500，其中LM2500+G4被公认为最成功的30 MW级燃气轮机.德国Siemens公司为双燃料燃气轮机发展了4代燃烧室，目前最新的第四代干式低排放双燃料燃烧室已在SGT750型燃气轮机上得到了应用[3].

国内在双燃料燃烧室的研制和应用方面也开展了大量的工作.中国航发沈阳发动机研究所对燃用天然气的QD128燃气轮机燃烧室进行了改进，重新设计了能使用焦炉煤气和液体燃料的双燃料喷嘴[4].我国自主研制的首台重型燃气轮机R0110也采用了双燃料燃烧室，可使用天然气和柴油两种燃料进行工作，燃烧室采用了贫燃预混的干式低排放燃烧技术[5].中船重工七〇三所自主研制的海上平台25 MW级双燃料燃气轮机解决了双燃料燃烧室设计、双燃料切换、双燃料机组控制等关键技术，成为我国首套海上平台用双燃料燃气轮机[6-7].国内在双燃料燃烧室的基础研究方面也做了大量的工作.西北工业大学对多种贫燃预混的双燃料-空气模进行了设计研究，并进行了燃烧试验，结果表明所设计的双燃料燃烧室在50%～100%工况范围内都能满足低污染排放要求，所研发的低污染燃烧技术以及过渡工况的设计都切实可行[8].哈尔滨工程大学为化学回热循环燃气轮机设计了1种双燃料燃烧室，采用了部分预混、多点分布等低排放燃烧技术，对燃烧室的流动和燃烧特性进行了数值计算，结果表明在双燃料状态或注蒸汽状态下，燃烧室都具有较低的燃烧区火焰最高温度、较好的出口温度均匀性和很好的低排放性能[9].北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司公开了1种燃气轮机燃烧室中心体供油双燃料喷嘴，通过调节燃油喷射孔孔径、燃油环形直通道径向高度以及燃油喷射孔与中心椎体中心轴线的夹角等参数，能满足不同负荷条件下对燃料种类和燃料分布的要求，实现双燃料供应，保证了稳定的燃烧场和良好的出口温度分布[10].

由双燃料燃烧的研究现状可以看出，国内在双燃料燃烧室的研制方面开展的工作还比较少，主要以数值计算为主，低排放双燃料燃烧室燃烧性能试验的研究很少.在对双燃料燃烧室的研制中，还需要在喷嘴设计、双燃料混烧技术、低排放燃烧技术等方面开展深入的研究，尤其是双燃料的混烧技术，处理不当会导致燃烧室的回火及NOx排放升高等问题[11-12].本文对所设计的1种使用双燃料的低排放燃烧室的结构特征及工作原理进行了介绍，采用数值模拟的方法对燃烧室内的流场特性进行了分析，对双燃料混烧时的燃烧效率、污染物排放等性能指标进行了试验测试.

1 低排放双燃料燃烧室结构特征

1.1 结构特征及低排放原理

所设计的双燃料低排放燃烧室的结构如图1所示，可单独和同时使用柴油和天然气两种燃料.其特点是：燃烧室头部采用了中心分级贫燃预混燃烧技术，值班级位于中间，主燃级位于值班级的外围，且与值班级同轴布置.主燃级由一级径向旋流器、多点燃料直接喷射孔与空腔等构成.空气由径向旋流器流入空腔，径向旋流器共有36个叶片，叶片安装角为20°.主燃级为气体燃料和液体燃料共用级，燃料由直射式喷孔射流进入空腔，在空腔内完成燃料与空气的预混，其中直射式喷孔直径为1 mm，共30个，喷孔方向与燃烧室轴线方向相同.值班级由离心喷嘴、两级径向反向旋流器、文氏管、套筒组成，值班级使用液体燃料.液体燃料由值班级喷嘴喷出，在文氏管表面形成油膜，在内旋流器和中旋流器气流剪切作用下实现燃油的雾化，在值班旋流器出口形成扩散燃烧，提供不同工况条件下的稳定点火源.其中，值班级第一级旋流器的内外直径分别为32 mm和60 mm，叶片数为8，叶片的安装角为45°；值班级第二级旋流器的内外直径分别为40 mm和60 mm，叶片数为8，叶片安装角为45°.

图1 双燃料燃烧室整体结构和燃烧室头部结构Fig.1 Overall structure and combustion chamber head structure of dual fuel combustor

为降低污染物的排放，尤其是热力型NOx的生成与排放，先进低排放燃烧室需要大幅度提高用于参加燃烧的空气分配比例，这会导致用于冷却的空气量减少，使火焰筒的结构形式和冷却方式与传统火焰筒明显不同[13].为增加从头部进入燃烧室的空气量，降低主燃区当量比，实现贫燃预混燃烧，燃烧室内外壁采用了多斜孔冷却方式，在燃烧室壁的内侧形成全覆盖气膜冷却，不再开主燃孔.

燃烧室在使用液体燃料时采用了值班级的中心预膜式空气雾化喷嘴与主燃级的多点喷射式预混预蒸发模式相结合.使用气体燃料时，值班级采用液体燃料，主燃级采用气体燃料，值班级将主燃级点燃后逐渐熄火，只有主燃级工作.双燃料混烧时，值班级使用液体燃料，主燃级使用气体燃料.

燃烧室单头部设计点参数及污染物排放目标参数(体积浓度)如表1所示.

表1 燃烧室单头部设计点参数及污染物排放目标参数Tab.1 Single head design point parameters and pollutant emission target of combuster

1.2 流动特性

利用Gambit软件对所建立的三维几何模型进行网格划分，由于火焰筒壁面采用全覆盖气膜冷却小孔，冷却孔孔径小、数量多，采用区域法和非结构化网格系统对燃烧室头部以及气膜孔附近网格进行加密，燃烧室进口部分则用比较大的网格，这样可以很好地划分网格，合理控制网格数目，减少计算工作量[14].图2所示为双燃料燃烧室计算网格.利用Fluent软件对低污染双燃料燃烧室的三维两相喷雾流场进行了计算，研究了冷态及热态时燃烧室内的流场特性.使用流体体积(VOF)函数多相流模型，该模型在整个计算域内对互不相容的流体求解同一个动量方程组并追踪每种流体的体积分数来模拟多相流.模型中设置第一相为空气，第二相为煤油，第三相为甲烷.各相的体积分数求解的离散格式为隐式时间离散格式，即使用迭代的方式求解体积分数方程.按热力和瞬发NOx计算污染物排放.本文数值模拟中以流量相对误差小于5%、全部残差小于10-3时的迭代结果作为收敛结果.

图2 双燃料燃烧室计算网格Fig.2 Calculation grids of dual fuel combustor

为与试验结果进行对比，计算与试验的进口条件相同，均为模化到常压后的参数.冷态流场进口气流参数如下：温度300 K，压力111.458 kPa，空气流量 0.2 kg/s.图3为通过旋流器中心纵截面(Z=0)的速度v的云图.其中，坐标原点位于燃烧室轴线上旋流器进口处，沿气流的轴向流动方向为X轴正向，同一平面内垂直于X轴的为Y轴，与X-Y平面垂直的为Z轴.从图中可以看到，从入口段进来的气流分别从值班级和主燃级的旋流器进入燃烧室，空气流经值班级的两级旋流器后形成值班级旋流并与从主燃级旋流器流出的主级旋流相互作用，形成一个稳定的中心回流区，该回流区在燃烧过程中可提供稳定点火源，以保证火焰稳定，在燃烧室进口角落处形成角回流区.在值班旋流器套筒出口和主混合器出口之间的唇口区域，在压差作用下形成唇口回流区(LRZ)，唇口回流区的存在有利于值班级和主级之间的火焰传播.

图3 Z=0截面冷态速度云图Fig.3 Velocity contour of the Z=0 cold flow field

图4为加入燃料并反应后的热态流场速度云图，与冷态流场相比较，同样存在中心回流区、角回流区和唇口回流区.不同的是回流区长度较冷态时有所减小，主要是由于燃料燃烧产生的热量使燃烧室内气流膨胀速度增加，回流区内负速度增大.

图4 燃烧室热态流场速度云图Fig.4 Velocity contour of hot flow field in combustor

图5和6分别为在进口温度为770 K、燃料空气比为 0.013 6 时燃烧室内Z=0平面的温度和NOx分布，此时主燃级燃料能量占总能量的90%，图中T为温度，φNOx为NOx的体积含量.由图可见，由于值班级的燃烧属于扩散燃烧，燃油浓度较高，形成了中间的高温燃烧区，燃烧区的形状与流场相符合.主燃级径向流进的空气与经单点直射式喷嘴喷射的气体燃料在空腔内相混合形成均匀的燃料与空气混合物，在值班级所形成的中心燃烧区的外围进行燃烧反应.结合图5和6可以看出，NOx生成速率与温度分布是紧密关联的，在温度超过 1 950 K区域，NOx的浓度最大.在该区域内，由于燃烧温度高，空气中的N2被氧化生成NOx，即热力型NOx是燃烧室中NOx生成的主要因素.随着轴向距离增加，大量冷却空气从火焰筒壁面气膜冷却孔进入火焰筒内，并与燃气掺混，一方面由于冷空气的加入会降低燃气温度使热力型NOx的生成量降低；另一方面,新鲜空气量的增加也会导致NOx的浓度下降，最终导致由主燃区向后NOx浓度逐渐下降.

图5 Z=0平面温度场Fig.5 Plane temperature field at Z=0

图6 Z=0平面NOx浓度云图Fig.6 NOx concentration cloud map at Z=0

由计算结果可以看出，所设计的双燃料燃烧室流场符合中心分级燃烧室的流场特征，具有明显的中心回流区、角回流区和唇口回流区[15].从燃烧特性的计算结果也可以看出，值班级的扩散燃烧温度较高，NOx主要在扩散燃烧区产生.燃烧室出口平均温度为 1 500 K，NOx体积浓度平均值为1.8×10-5，CO体积浓度平均值为3.8×10-5，达到了燃烧室设计要求，也满足低排放燃烧室的要求.

2 试验研究对象及试验系统

为掌握双燃料燃烧室的燃烧特性，采用图7所示的试验测试系统对燃烧室进行了试验测试，该试验测试系统包括燃料供应系统、空气供应系统、燃烧室测试系统及尾气处理系统.其中，燃料供应系统包括燃油供应系统和天然气供应系统，燃油采用涡轮流量计计量流量，天然气采用质量流量计计量流量.空气供应系统包括风机、储罐、调节阀和电加热器，采用电动调节阀和孔板流量计控制空气流量.燃烧室测试系统包括前测试段、需要测试的燃烧室和后测试段，燃烧室进出口布置压力传感器，用于测量燃烧室进出口压力，进出口温度采用K型热电偶，燃烧室出口尾气采用Testo 350烟气分析仪进行测量，燃烧室出口温度场采用12点热电耦靶进行测量.关于该测试系统的详细介绍可参考文献[16].各参数的测量误差如表2所示，表中UHC为未燃碳氢化合物.

图7 试验系统构造图Fig.7 Construction diagram of test system

表2 参数测量误差Tab.2 Parameter measurement error

根据燃烧室的设计，来源于压气机总空气量的23%气体用于火焰筒掺混、冷却，2%用于头部冷却，剩余75%的气流由三级旋流器进入燃烧室.在对三级旋流器进行流量分配时，值班级第一级、第二级旋流器进入的空气作为值班级空气流量，为16.5%；第三级径向旋流器进入的空气作为主燃级空气流量，为57%.按设计点参数，可以做出值班级和主燃级当量比Ф随主燃级能量占比r的变化曲线，如图8所示.其中值班级使用热值为 42 705 kJ/kg的0#柴油，主燃级使用热值为 56 452 kJ/kg的辽3#天然气.考虑到NOx和CO排放的要求，希望主燃级的当量比处于0.6～0.8的贫油熄火区间，而从保证值班级燃烧稳定性的角度考虑，则希望值班级的当量比在1附近[17].由计算可知，在主燃级能量占比为0.9时，主燃级当量比为0.71，值班级当量比为1.13，符合分级燃烧室燃料分配的要求.按照主燃级当量比在0.6～0.8，主燃级燃料能量占比应在 0.75～1变化， 此时值班级的当量范围为0～2.8.

图8 设计工况下Ф随r的变化Fig.8 Ф versus r under design condition

采用所建立的数学模型，对双燃料燃烧室在设计点工作时不同主燃级能量占比时通过旋流器的空气流量进行了计算.图9为通过主燃级空气流量m随r的变化关系.可以看出，随着主燃级能量的增加，主燃级空气流量下降，能量比例达到50%后，变化趋势变缓，变化值在3%以内.说明在旋流器结构参数不变的情况下，随着主燃级燃料流量的增加，通过主燃级的空气流速下降，通过值班级的空气流速增加，产生这一现象的原因是由于阻力会随燃烧释放热量的增加而增加.根据图8和9的计算结果，最终确定试验测试时对主燃级能量占总能量的70%、80%、90%及100% 4个测试点进行了试验测试，其中70%时主燃级和值班级的当量比分别为0.57和3.29.采用降压试验，按照模化准则压力降低至常压后，空气流量为0.2 kg/s，在此条件下值班级和主燃级的燃料流量如表3所示.

图9 m随r的变化Fig.9 Change of m with r

表3 值班级和主燃级燃料流量Tab.3 Fuel flow for pilot and main stage

3 试验结果及分析

3.1 点火及熄火特性分析

对燃烧室的点火特性和慢车贫油熄火特性进行了试验测试.点火特性测试中空气流量q范围为0.05～0.15 kg/s，温度为常温，压力为常压.在开启点火器8 s内，出口温度明显升高，关闭点火器后出口温度不下降且可以观察到火焰，则该燃空比下点火成功.固定空气流量不变，降低燃料流量，最终获得最低点火燃空比即为该空气流量下的点火燃空比f.将最小能够点着火的点火燃空比连成一条曲线，即为点火边界.

慢车贫油熄火特性测试中空气流量范围为 0.2～0.4 kg/s，温度为770 K，压力为常压.在设定好的空气流量下稳定燃烧后，通过缓慢降低燃料流量，观察燃烧室内燃烧情况直至燃烧室内熄火，对熄火状态时的空气流量和燃料流量进行记录.将最小熄火点的燃空比连成一条曲线，即为贫油熄火边界.

图10所示为常压点火试验测试结果.可以看出，在所测试空气流量范围内燃烧室点火空燃比的变化符合常规燃烧室的变化规律，即随着空气流量的增大，点火空燃比呈现出降低的趋势.图11所示为慢车贫油熄火极限的测试结果，贫油熄火极限在所研究的空气流量范围内变化不大，但随着空气流量的增加出现了降低的趋势.随着空气流量的增加，点火和熄火空燃比都呈现出了降低的趋势，这是由于较高的气流速度会改善燃油雾化蒸发效果，燃油雾化后的索特尔平均直径变小，有利于燃烧的稳定[18].

图10 燃烧室常压点火试验测试结果Fig.10 Test results of combustor ignition at atmospheric pressure

图11 燃烧室慢车贫油熄火极限测试结果Fig.11 Test results of combustor idle lean flameout limit

3.2 燃烧室出口温度分布

燃烧室出口温度分布一方面会影响到涡轮导向器的寿命，另一方面通过调整出口温度分布来尽量提高涡轮进口温度，使燃烧室出口温度呈现出两端低中间高的分布[19].通常用热点指标(或称为出口温度周向分布系数OTDF)δ4来表征出口温度场，定义如式(1)所示，对于工业燃气轮机，热点在0.2左右，对低压比烧天然气的热点应在0.15左右[20].

(1)

式中：T4max为出口温度场中的燃气最高温度；T4av为出口平均温度；T3av为进口平均温度.

由图12所示为在不同的主燃级能量占比时的热点指标，可以看出，随着主燃级能量占比的增加，热点指标下降.在所研究的主燃级能量变化范围内，δ4的变化范围为0.14～0.12.燃烧室出口温度分布较均匀，这与主燃级采用预混燃烧有关.随着主燃级能量占比的提高，热点指标呈现出下降的趋势.较均匀的出口温度分布对于提高涡轮导向器的寿命有利，但未能充分利用涡轮导向器中间部分可以承受更高温度的特点，会导致涡轮入口温度较低.同时，由试验测试结果也发现，在全部燃料由主燃级供应的情况下，即燃烧室全部使用气体燃料时未出现文献[21]所提出的无法稳定燃烧的现象.这与燃烧室主燃级使用气体燃料及设计时主燃级旋流器采用了较大的旋流数有关.

图12 r对δ4影响Fig.12 Effect of r on δ4

3.3 燃烧效率及污染物排放

燃烧效率低一方面会造成燃料浪费，同时也会导致UHC、CO等排放物的增加，目前排放法规要求燃烧效率高于99%.根据所测试的污染物排放，采用燃气分析法对不同主燃级能量占比条件下的燃烧效率η进行了计算，结果如图13所示.

图13 r对燃烧效率影响Fig.13 Effect of r on combustion efficiency

由于试验测试中存在两种不同的燃料一起燃烧的问题，即气体燃料和液体燃料共同作用，所以根据文献[22]提供的燃烧效率公式进行计算：

η=1-

(2)

式中：V4为燃烧室燃烧产物的体积流量；VCO、VH2及VCH4分别为CO、H2和CH4在燃烧产物中的体积含量；Vm为气体燃料的供给量；Hug为主燃级气体燃料的低热值；qmf为液体燃料流量；Huf为值班级燃油的低热值.

可以看出，随着主燃级能量占比的增加，燃烧效率增加，在设计点(主燃级能量占比0.9)时燃烧效率达到最高值，为99.2%，而全部使用气体燃料时(主燃级能量占比1)燃烧效率略有下降，为99.1%.

为了对不同燃气轮机燃烧污染物成分进行比较，采用下式将燃气轮机的污染物排放换算到干基燃气的15%含氧量条件下：

(3)

式中：Ed为换算为15%氧之后的污染物浓度；Em为实际测量的各污染物的干基浓度；EO为实际测量的氧浓度.

不同主燃级能量占比下的污染物排放结果如图14所示.可以看出，燃料分级比例的变化对污染物排放的影响很大，在主燃级能量由0.7增加到1的范围内，CO体积浓度下降了60%，NOx体积浓度下降了48.5%.在设计点(主燃级能量占比0.9)CO和NOx排放分别为3.2×10-5和2×10-5，该结果与计算结果基本相符，也证明了计算结果的准确性.在全使用气体燃料(主燃级能量占比1)时，CO和NOx排放分别为2.3×10-5和1.8×10-5，使用双燃料和单独使用气体燃料均达到了燃烧室的设计要求.污染物排放随主燃级能量占比增加而产生变化，这主要与燃烧室的温度有关，主燃级能量占比的增加会导致高温区减小、温度场均匀，使污染物排放降低.在较低主燃级能量占比的情况下，由于主燃级冷空气射流至值班级燃烧区会导致值班级燃烧区内火焰的淬熄，导致CO排放增加.尤其是在燃烧室设计时，为增加火焰的稳定性，增加了主燃级的旋流数，这在主燃级能量占比较低的情况下导致CO的生成量增加.这一点从燃烧效率和CO的排放中都得到了证实.

图14 r对污染物排放影响Fig.14 Effect of r on pollutant emissions

4 结论

(1) 在双燃料燃烧室头部，可以明显看到值班级旋流器与主燃级旋流器出口的气流相互作用所形成的中心回流区、角回流区和唇口回流区.

(2) 燃烧室点火燃空比的变化符合常规燃烧室的变化规律，即随着空气流量的增大，点火燃空比呈现出降低的趋势，点火和熄火燃空比范围满足燃烧室稳定性要求.

(3) 在燃烧室进出口条件一定的情况下，两级燃料分配比例对双燃料燃烧室的出口温度分布、燃烧效率和污染物排放是一个关键参数.随主燃级能量比例的增加，热点指标下降，燃烧效率在设计点达到最大值，污染物排放下降.

(4) 使用双燃料时，NOx和CO排放量在设计点达到最低值，使用气态燃料时污染物排放会进一步降低.