燃气轮机进气喷雾冷却下层流火焰的特性

高 飞，牛长军，朱家英，刘综绪，王 坤

（1.国电投周口燃气热电有限公司，河南 周口 466200；2.河南九域恩湃电力技术有限公司，郑州 450000；3.东北大学 冶金学院，沈阳110819 ）

燃气发电是电力、钢铁工业清洁、高效利用燃气、煤气资源的有力途径，燃气—蒸汽联合循环发电机组中燃气轮机发电效率与其配套的压气机空气进口温度密切相关［1］.当环境温度高时，将进口助燃空气温度降低是减小能耗的关键措施.燃气轮机进口空气冷却分直接冷却和间接冷却两种方式.分析比较现有冷却技术，水膜式冷却加大了进气的阻力，间接冷却装置具有设备复杂、成本高的缺点［2-3］；喷雾冷却系统相对简单，运维较为方便，投资小，冷却效率高，是目前被广泛采用的一种燃机进气冷却方法.300 MW 机组加装喷雾冷却装备后，可使空气进口温度降低6 K 左右，对应燃气轮机出力（输出功率）提高约4.8 MW［4］；涟钢对能源总厂1＃和3＃燃机空气进气进行喷雾冷却改造，冷却后助燃空气温度下降5～10 K，对应燃机出力提高超过2.8 MW［5-6］.

燃气轮机采用喷雾冷却技术势必会增加燃烧室进口压缩空气的湿度，而助燃空气中H2O 体积分数对火焰传播速度、火焰温度、燃烧尾气排放中NOx体积分数等有很大的影响.层流火焰传播速度能够呈现火焰特性，是表明燃烧进行程度的基础物理量，对此深入研究可以揭示高H2O 体积分数下燃气轮机燃烧室内的火焰传播机理及特征.Meng 等［7］进行了富氧H2O 氛围下CO 和H2混合可燃气体层流火焰传播速度的研究，发现随着H2O 体积分数升高，当可燃气中φ（H2）≥15%时，火焰温度和传播速度降低；Xu 等［8］采用实验和数值计算相结合的手段研究了H2O 和CO2稀释剂作用下合成气燃烧的火焰特性，H2O 的加入使得燃烧过程中火焰的温度及尺寸均出现不同程度的下降；Ren 等［9］探究了N2，CO2，H2O 稀释剂对CH4预混火焰特性的影响规律，发现添加不同类型稀释剂后CH4燃烧速度和绝热火焰温度均降低，并且CO2稀释剂的作用效果最明显.高温、高压下助燃空气与燃料在燃气轮机燃烧室中的燃烧方式以预混燃烧为主，当采用雾化冷却技术时，混合气中H2O 体积分数对火焰燃烧特性影响规律的基础数据相对匮乏.

本文中建立了高温、高压、湿空气条件下的预混燃烧模型，研究了在不同化学当量比、温度和压力下，H2O 体积分数对层流火焰传播速度、火焰温度、燃烧产物分布的影响，对燃气轮机进气雾化技术参数选择及燃料燃烧性能改进有重要的理论意义.

1 模型建立和验证

1.1 模型建立

本研究选用的燃料为燃气轮机广泛应用的气体燃料CH4，基于饱和湿空气性质，混合气中H2O体积分数为0～8%，混合气温度为520～610 K，压力为1.7～2.5 MPa.图1 给出了研究采用的基于Chemkin 软件包中的PREMIX 计算模型，其中计算区域为0～10 cm，在燃烧区中发生强烈燃烧反应，燃烧反应物快速转变为燃烧产物，计算网格数为400 个，梯度为0.01，弯曲为0.02.

图1 层流预混燃烧模型Fig.1 Laminar premixed flame of model

数学模型控制方程如下所示［10］.

边界条件如下所示.

式中：qm为质量流量，kg／s；ρ为密度，kg／m3；A为通道面积，m2；v为速度，m／s；T为温度，K；Tu为未燃温度，K；l为长度，m；k为组分个数；cp为定压比热容，kJ／（kg·K）；wk为第k 种组分的质量分数，%；w0为初始质量分数，%；vk为第k种组分的扩散速度，m／s；ν·k为第k种组分的反应速率，mol／（L·s）；λ为导热系数，W／（m·K）；Mk为第k种组分的摩尔质量，g／mol；Hk为第k种组分的比焓，J／mol；为混合气体平均摩尔质量，g／mol；p为压力，Pa；R为通用气体常数，取值8.314 J／（mol·K）.

1.2 模型验证

模型结果和文献［11］中测量的实验结果对比，如图2 所示.其中工况1 初始参数为混合气温度473 K，压力0.1 MPa，O2体积分数21%；工况2 初始参数为混合气温度373 K，压力0.1 MPa，O2体积分数50%.图中纵坐标为有H2O 时火焰传播速度与无H2O 时火焰传播速度的比值.当H2O 体积分数升高时，模型计算结果和文献中实验结果得到的火焰传播速度的变化趋势相同，均出现降低现象.本文中使用的GRI-Mech 3.0模型计算出的结果很好地切合了文献中给出的实验结果，且误差范围在±5%之内.

图2 模型计算值和实验值对比Fig.2 Comparison between the calculated and experimental values

2 结果分析和讨论

2.1 火焰传播速度

图3 为不同化学当量比下混合气的H2O 体积分数、温度及压力对火焰传播速度的影响.由图3（a）可知，火焰传播速度随混合气中H2O 体积分数升高而减小，且近似为线性减小规律.当化学当量比为1.0 时，层流火焰传播速度由H2O 体积分数为0 时的31.09 cm／s 减小到H2O 体积分数为8%时的22.04cm／s，减少率为29.11%；当化学当量比为0.8 和0.6 时，火焰传播速度减少率分别为31.27%和33.44%，说明空气过量时，H2O 的影响作用减弱.混合气中H2O 影响H2O＋O⇌OH＋OH 基元反应，会消耗O 自由基，使得基元反应CH4＋O⇌CH3＋OH 降低了对可燃物的消耗［9，12］.此外，H2O 可作为燃烧过程中的稀释剂，具有较强的吸热作用，当H2O 体积分数过高时，火焰稳定性减弱，易出现熄火现象.由图3（b）可知，混合气的温度升高，火焰传播速度随之加快.这是因为一方面混合气温度升高，带入燃烧室的物理热增大，理论燃烧温度得以提高；另一方面，火焰温度升高将产生更多的活性自由基，激起链式燃烧的发生.混合气温度升高对提高燃烧效率及火焰温度均有积极的作用.由图3（c）可知，混合气的压力增大，火焰传播速度随之减小，这是因为压力会影响燃烧反应的级数及活化能的数值，随着压力的升高，CH4燃烧的活化能增大.以上结果表明，当采用进气雾化冷却技术时，可适当提高燃烧室中扩散燃烧所占比例，从而稳定燃烧工况.

图3 初始状态对火焰传播速度的影响Fig.3 Laminar flame speeds at different initial states of mixture gas

2.2 火焰温度

图4 展示了化学当量比为1 时预混火焰温度及产物中NOx体积分数随H2O 体积分数的变化.随着H2O 体积分数的升高，火焰温度出现明显降低，且当φ（H2O）≥2%时，对火焰温度的影响作用加大，火焰温度由H2O体积分数为0时的2398.89K降至H2O体积分数为8%时的1848.09K，下降率为22.96%.H2O 对火焰温度的影响作用分为化学反应作用、稀释作用、辐射作用和热力学作用，其中化学反应作用促进CO 转变为CO2，反应放热使火焰温度升高，但是其余三个作用均会导致火焰温度下降，且作用效果由大到小为稀释、辐射、化学反应和热力学［13］.火焰温度的降低导致尾气排放中NOx体积分数的降低，由H2O 体积分数为0 时的0.225%减小到H2O 体积分数为8%时的0.000 005%.这是因为燃气轮机采用CH4作为燃料时，氮氧化物生成的类型仅为热力型，当温度降低时其生成量随之急剧减小.

图4 火焰温度和尾气排放中NOx 随H2O体积分数的变化Fig.4 Changes of flame temperature and NOx mole ratio with H2O volume fraction

2.3 产物分布和敏感性分析

图5 展示了化学当量比为1 时不同H2O 体积分数下燃烧产物中O，H，OH 自由基体积分数沿火焰长度（l）方向的变化.燃烧区活性自由基对可燃物分子的撞击是决定燃烧的关键［14］.随着H2O 体积分数的升高，O，H，OH 自由基的体积分数均出现明显下降.当H2O 体积分数为8%时，O，H，OH 自由基体积分数最大值相比于H2O 体积分数为0 时的最大值下降率分别为51.39%，39.45%和26.08%.高体积分数的H2O 会严重抑制O，H，OH 自由基的生成，降低燃烧速率；但是随着H2O 体积分数的升高，OH 自由基在三种自由基中所占的比例升高.当l＝5 cm 时，H2O 体积分数为8%时的OH 自由基相比于H2O 体积分数为0 时所占比例由54.21%上升至57.50%，这会强化OH 自由基参与的基元反应，影响可燃物燃烧的路径和历程.

图5 H，O，OH 自由基体积分数沿火焰长度方向的变化Fig.5 Changes of-H，-O and-OH along the length of flame

为了确定自由基体积分数变化对火焰传播速度影响的程度，在H2O 体积分数分别为0，3%和8%时进行传播速度的敏感性测算（见图6），揭示H2O 对燃烧反应过程中的中间产物、自由基及基元反应等参数的作用规律，分析式如下：

图6 敏感性系数计算结果Fig.6 The results of sensitivity coefficient

式中：cj为第j种组分的摩尔浓度，mol／L；为一阶敏感性系数；l为长度，m；t为时间，s.

H2O 存在时对火焰传播速度影响大的基元反应依次包括H＋O2⇌O＋OH（R38），H＋CH3＋M⇌CH4＋M（R52），HO2＋CH3⇌OH ＋CH3O（R119），OH＋HO2⇌O2＋H2O（R287）和OH＋CO⇌H＋CO2（R99），其中R38 基元反应对火焰传播速度作用效果最明显，可促进自由基生成和链式反应的发生，但高H2O 体积分数下促进效果减弱，且随着H2O 体积分数的升高，OH 自由基体积分数急剧降低，导致其参与基元反应的燃烧速率降低；在所有基元反应中R52 对抑制燃烧反应的效果最佳，且H2O 体积分数越高，其作用效果越明显.

3 结论

（1）采用燃气轮机进气雾化冷却后燃烧室中预混火焰传播速度会降低，当化学当量比为1.0时，火焰传播速度由H2O 体积分数为0 时的31.09 cm／s 减小到H2O 体积分数为8%时的22.04 cm／s，减少率为29.11%；采用进气雾化冷却技术时，可适当提高燃烧室中扩散燃烧所占比例，从而稳定燃烧工况.

（2）当φ（H2O）≥2%时，其对火焰温度有明显降低效果，火焰温度由H2O 体积分数为0时的2398.89K降至H2O体积分数为8%时的1848.09K.

（3）高体积分数的H2O 严重制约O，H，OH自由基的生成，R38 基元反应在高H2O 体积分数下对增进自由基生成和链式反应发生的作用减弱，降低了层流火焰传播速度.