一种天然气火炬式点火器及其补氧助燃分析

王宝瑞，王 岩，郭定坤，艾育华，赵玮杰，于宗明，王 岳

(1.中国科学院轻型动力创新研究院,北京 100190；2.中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所)，北京 100190；3.中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室,北京 100190；4.中国科学院大学,北京 100049)

燃气轮机启动点火的稳定性是影响燃气轮机运行的重要因素，点火不成功会导致燃气轮机流通部件内发生燃料累积，可能会出现爆燃或者涡轮及其他部件内着火等问题，从而降低燃气轮机的安全性和可靠性[1-2]。

火炬式点火器相当于一个微型的燃烧器，一般由电嘴点燃小流量的燃料，产生稳定的高温燃气火炬，由火炬点燃主燃烧室的燃料，具有点火能量大、可靠性高、快速启动的特点，在燃气轮机和航空发动机中得到了广泛使用[3-5]。本文的某航改燃气轮机采用了火炬式点火器，使用天然气作为点火燃料。为了提高点火稳定性，该点火器使用了等离子体电嘴代替普通电嘴，等离子体技术使可燃混合物温度升高到着火点以上，并产生大量活性粒子来改善燃料的燃烧特性，从而提高点火器的可靠性和燃烧稳定性[6-7]，但是等离子体电嘴产生的射流与燃料和空气流场存在流场匹配性问题[8]。另外点火器内部结构影响点火性能，良好的内部结构会使燃料分布更加均匀，拓宽点火极限。补氧能够改善点火性能，金如山研究了补氧对油气混合点火器的火焰熄火边界的影响，结果表明补氧降低了最小点火能量，拓宽了熄火边界[9]。燃料类型也会影响点火性能[10]，本文点火器使用天然气燃料，对于天然气燃料的点火器，其与油燃料点火器的不同以及补氧对点火性能的影响，相关文献较少。

天然气火炬式点火器在试验初期未能点火成功，经分析原因是点火器自身没有着火，从而导致点火失败。通过数值仿真研究点火器内部的冷态流场，并搭建实验台进一步分析外界条件对点火的影响，得到点火特性及稳定的点火条件。同时为了适应机组多燃料点火以及机组试验期间更高的点火稳定性要求，研究了补氧点火的特性。

1 点火器结构及特点

某航改燃气轮机的点火器整体为Y型结构。如图1所示，顶部两侧为等离子体电嘴和天然气喷嘴，空气从正前方和两侧的气孔通入，正前方通入的空气有挡板进行导流，这样有利于形成环流防止点火器预燃室的外壁过热，同时避免射流影响火焰稳定，从两侧切向通入的空气能够使预燃室内的天然气和空气均匀混合。

图1 点火器整体结构

等离子体点火电嘴的工作方式为短时间重复式高能等离子体脉冲点火，电弧的脉冲频率为2～3 Hz，每次点火持续时间为30 s，点火能量大于2 J。点火器利用等离子体将预燃室内的天然气和空气点燃形成火炬，产生的火炬进一步点燃燃烧室的燃料。这种点火方式的好处有：(1) 等离子电嘴较常规电嘴有更大的点火范围且点火更加稳定[11]；(2) 在预燃室内更易产生稳定的火炬，火炬有较大的点火能量，能够点燃较难着火的混合气流。

火炬式点火器的工作点最好在偏富燃的状态，其主要作用是在火炬自身携带热能的同时，过量燃料能够继续助燃，从而强化点火性能。点火器的流场组织应使等离子体与燃料、空气流动形成最佳的流场匹配，避免因整体过富造成点火区局部当量比过高以及燃料、空气扰动等离子体射流而出现流场匹配性问题。

2 预燃室冷态流场分析

对冷态流场进行分析可以更好了解点火器的流场以及组分分布特性，并为实验提供参考。火炬式点火器模型如图2(a)所示，其空气的正向进口直径为7 mm，切向进口直径为4 mm，天然气进口直径为7 mm。由于研究冷态流场特性未涉及点火过程，简化了等离子体电嘴。使用ICEM CFD对它进行网格划分，本算例主流区结构简单，且为冷态计算，采用网格数为40万、88万和192万的模型进行试验，通过计算发现当网格数高于88万时，计算域流场不再随网格数的增加而变化。在考虑网格质量和计算资源的前提下，确定网格划分尺度，如图2(b)所示，计算网格节点数在88万。算例使用的湍流模型为k-epsilon模型，采用定常计算。冷态流场仿真分析的边界条件为：正向进入的空气流量为20 L/min,切向进入的空气流量为20 L/min,天然气流量为2.5 L/min、5 L/min、12 L/min和40 L/min,当量比为0.58、1.16、5.82、9.31，分别对应不同的点火工况。一般燃气轮机点火状态下接近常压，因此进气压力取1个大气压。

(a) 前视图

图3为空气正向入口方向的天然气浓度场截面，从预燃室正向进入的空气由于挡板的作用形成了环流，最外侧的环流主要为空气，能够起到冷却预燃室外壁的作用，同时也为燃料点火提供氧气，这种结构的设计可以拓宽点火区间，同时延长点火器的寿命。正向进入的空气流量过大会使后方流场出现天然气浓度分层现象，与进口同侧的天然气浓度明显高于另一侧的浓度，这样会引起壁温不均，影响点火器的寿命。

图3 空气正向入口的天然气浓度场截面

为了使点火器产生较长的火炬，通常通入过量天然气使预燃室处于富燃状态，但天然气过量可能会造成点火失败。图4为天然气入口方向的浓度场截面，当天然气流量为2.5 L/min时，预燃室未处于富燃状态且电嘴处的天然气浓度较小，没有达到可点燃的当量比，不具备点火条件。天然气流量为5 L/min和12 L/min时，预燃室内处于富燃状态，因而联焰管内存在天然气，这部分天然气在点火成功后会形成较长的火炬进一步点燃火焰筒的燃料，同时电嘴局部处于合适的当量比区间以实现点火。天然气流量为40 L/min时，当量比过高导致电嘴难以点火成功，这也是ET20燃气轮机点火失败的原因。因此在点火过程中既要确保整体处于富燃状态，又要防止等离子体电嘴处当量比过高造成点火失败。

图4 天然气入口截面的天然气浓度场

3 点火实验及分析

3.1 点火实验装置

为了分析点火器的点火规律并得到稳定点火的工况点，搭建一个如图5所示的小型实验台。实验台通过改变天然气、空气和氧气流量来观察燃烧状态并得出点火区间。实验使用控制变量法，研究保持其他变量不变一个变量对点火的影响。在实验过程中，为了观测火炬的高度和稳定程度，点火器未连接联焰管。

图5 小型点火实验台

实验的工况范围如表1所示。燃气轮机实际运行中气体流量是通过压力表来控制的。由于启动状态下压差很小，现场不易准确测量且无法获得实际进入点火器的流量，所以对流量进行标定得到压力和流量的准确关系。标定过程使用U形管压力计，图6(a)至6(c)为在小型实验台进行的标定实验，R2为曲线的拟合程度。按照伯努利定律，压差和流量成二次关系，图中可以看出标定曲线都符合二次关系，且相关系数全部高于0.999，因此标定方法准确可行。实验及现场都是通过控制阀门来调节压力表示数以控制气体流量。

表1 实验工况表

(a) 空气压力流量曲线

从标定结果来看，在不加节流措施的情况下氧气和天然气在低压力下已达到较高流量，由于存在背压波动，非常不便于控制。根据此试验结果提出了流路节流要求。

3.2 点火边界及燃烧现象

燃料对点火过程有重要的影响，对油燃料来说，燃油的物理性质影响到燃油的雾化和蒸发，其最小点火能量一般随燃油挥发性的变差、表面张力增加和粘性的增大而增大。使用天然气作为点火燃料不存在雾化和蒸发的问题，燃料与空气易于掺混，理论上有利于实现点火。实验观察了点火器的不同火炬的典型形态，本文分别命名为内火、稳定火焰和外火。如图7所示，图7(a)为预燃室内形成内火，出现的原因为天然气流量过低，点火器处于贫燃状态，虽然成功点火，但是未形成较长火炬，点火能量不足；图7(b)为火炬的正常状态，点火器处于富燃状态，此时火炬稳定，不易受外界影响且有较高的总能量；图7(c)相对于图7(b)状态的当量比更高，天然气流量过大导致内部当量比高难以点火，初始状态的火焰蔓延到预燃室外，与外部空气接触后形成火炬，沿喷嘴呈环形分布且抖动剧烈，在实验时外部的扰动如吹气即可使火炬熄灭。因此设计点火工况须要避免内火和外火两种工况。

图7 不同火炬形态

图8为使用燃油和天然气的点火边界，控制其他因素保持一致，使当量比为主要变量。典型的油燃料火炬式点火器，其燃油边界极限由金如山[9]所得，作为对照和参考。天然气点火边界由本文搭建的实验台所得，由于试验条件限制以及实际点火中空气速度不会过高,未进行速度高于25 m/s的实验。为了能够与燃油方式的点火边界对比，用假想虚线闭合曲线。

图8 不同燃料的点火边界极限

随着空气流速的增加，点火区间变化趋势是逐渐变窄，其原因是空气流速增大使点火区对流散热增加，因此需要更大的能量来补偿这部分损失[12]，同时流速高意味着火焰停留时间变短，这不利于点火成功。在确保能够稳定点火的前提下使空气流速降低可以拓宽点火区间。

空气流速在4～10 m/s时，两种方式的点火区间的当量比宽度大体一致，但油燃料整体当量比偏高，其原因是燃油由于存在雾化和蒸发过程，因此有效当量比低，所以对应的点火边界高于天然气的点火边界。油燃料在富燃状态下存在积油等安全性问题，因此低速区选用天然气点火更有优势。如图8中竖直虚线所示，富燃侧存在一个12 m/s左右的特征速度，天然气燃料点火器在低于该速度下点火边界较低，高于该速度则点火边界较高。随着速度增加，燃油的点火边界降低的速率更快，点火区间明显变窄，此时工况的不稳定极有可能引起点火失败。流速高于20 m/s时，使用燃油已经不能实现点火，而天然气仍然有较大的点火区间。总体来看，ET20燃气轮机使用天然气作为点火燃料具有较大的优势。

研究空气和天然气流量对火炬的影响有利于指导实际过程中工况的调节。图9为固定空气流量，火炬随天然气流量的变化。当天然气流量为5 L/min时，燃烧过程大部分都发生在点火器内，仅在点火器外有很小的火苗，不能满足形成火炬的需求。流量增大时，点火器内的天然气未完全燃烧，火苗逐渐增大形成火炬。当天然气流量增大到11 L/min时，预燃室外产生了稳定且较长的火炬，此时能够满足火焰筒内燃料的点火需求。天然气流量继续增大时，火炬发生剧烈抖动且易吹熄，所以此时的流量增大是不必要的。当固定天然气流量时，随着空气流量的增加，火炬高度降低。同时空气增多使预燃室内的反应更加充分，火焰温度升高使火炬有更高的点火能量，但是空气流速过快会使点火区间变窄，同时气体燃料的燃烧温度已经很高，不必要求更高温度，因此在实际点火过程中，空气流速一般控制在较低的水平。空气和天然气流量对火炬的影响是当量比越高，火炬越高。

图9 火炬随天然气流量的变化

3.3 补氧助燃分析

通过上述实验得到了不补氧状态下点火器的点火边界和点火规律，在实际的燃气轮机运行中，工况点的变化(空气和天然气流量不稳定、外部空气状态随环境变化等)会影响点火，尤其在机组试验和调试过程中，存在更多的不确定因素。为了提高安全性和稳定性，本文增加了补氧燃烧的助燃方式，进一步提高点火器的可靠性。

首先观测了不同氧气流量下的火炬状态。固定空气流量为51.45 L/min，天然气流量为8 L/min，随氧气流量的变化如图10所示。氧气流量从4 L/min到14 L/min的过程中，火炬的高度没有发生明显变化，但氧气流量较低时，火炬稍微有些抖动，流量增大后，火炬喷射速度增大且抖动明显减小，因此在补氧过程中，氧气流量可以在最小补氧量的基础上适当增加。

图10 火炬随氧气流量的变化

实验研究了在不同补氧比下的点火边界。图11为不同补氧量的点火边界曲线。图11中，Q为补氧量，纵坐标为当量比，横坐标为空气流速，速度大于25 m/s的工况点未进行实验，同时补氧助燃时天然气流量过低，设备读数精度不够，因此图中使用虚线使其闭合，虚线为假想趋势线，作为定性参考。补氧下的富燃边界线显著的扩展，补氧量越大，拓宽效果越明显。富燃点火边界比贫燃点火边界扩展要多，这是因为贫燃状态下，氧气已经过量，其主要起助燃作用，而在富燃状态下，氧气不仅可以降低最小点火能量，而且可以充当反应物使更多天然气燃烧，因此其富燃边界扩展更多。为了与燃油补氧的点火方式作比较[9]，将纵坐标改为当量比的倒数，对比如图12所示。图12中，Q为补氧量，纵坐标φ-1为当量比的倒数，横坐标为空气流速，使用补氧的燃油点火区间明显宽于不补氧的燃油点火区间，最高点火速度也有所增加，但点火火团内燃油的蒸发程度对成功点火及点火边界的宽窄有重大影响，其点火性能依然比天然气的差，天然气在气流的扰动下可以在短时间内均匀地扩散，补氧能够进一步提高其点火稳定性，因此ET20燃气轮机的点火方式有很大的优势。

图11 不同补氧量的点火边界线

图12 不同点火方式的点火边界线

研究最小补氧量既能节省助燃成本，又能保证点火器的安全性。如图13所示，在实验区间内最小补氧量与空气流量近似线性关系，保持天然气流量QCH4不变，空气流量增大的过程中，预燃室内气流扰动增大，最小点火能量增加使点火困难，此时需要更多的氧气降低点火能量。在固定空气流量下，在天然气流量增大过程中，最小补氧量的曲线日趋平缓，说明天然气流量增加不需要相应比例的补氧量增加，这也证明了氧气主要作用是助燃，而不是参与反应。通过以上分析可得，在调节空气或天然气流量的过程中，须要改变补氧量，否则可能导致点火失败。值得注意的是，以上结论仅适用于实验所做的工况范围，当空气或者天然气流量过大时，最小点火能量急剧增加，此时即使增加补氧量，也难以点火成功。

(a) 固定天然气流量的最小补氧量

点火器处于富燃状态时，主要分析氧气对富燃边界的拓宽能力。图14为点火区间随补氧比的变化，其中纵坐标补氧比为通入氧气量与空气中的氧气之比，横坐标为当量比，为了与未采取补氧措施的点火器进行对比，图中当量比未计入氧气项。传统上按照点火边界来分区，本文对富燃着火极限进行了更深入的研究，将富燃着火极限进行了更细致的分区，点火区间总共为5个区间：贫油未燃区、稳定点火区、吹熄区、不稳定着火区和富油未燃区。其中吹熄区为前文所述的外火状态，点火器能着火但易吹熄；不稳定着火区为低于点火概率80%，但仍可能着火的区域，该区域在富燃边界外具有明显的宽度；不稳定着火区外是完全意义的富油未燃区。从贫燃极限的变化趋势可得，补氧略微拓宽了贫燃边界，但是拓宽效果不明显，本文不对贫燃边界做深入研究。补氧比为0时即为不加助燃措施的燃烧状况。从富燃极限曲线可得，补氧比越大，富燃边界拓宽越明显，证明补氧可用于拓宽点火区间。吹熄区间随着补氧比增加而减小，当补氧比达到约0.15时，不再出现吹熄现象，说明补氧可以有效防止外界因素对点火造成干扰，使点火更稳定。虽然加入更多的氧气可以使最小点火能量减少，但是如果氧气过多会使实际总当量比过小，这样又会使最小点火能量增大，同时补氧燃烧可能造成局部温度过高，影响点火器寿命，因此要适当控制好补氧量。在燃气轮机上补氧后一般控制在总含氧量在50%以下，补氧是改善点火的。

图14 点火区间随补氧比的变化

富燃极限细分点火区间的研究结果，在以往文献中未见报道，该研究有助于深化对点火问题的理解。

4 实际运行成果

依据实验获取的点火器特性进行了燃气轮机现场试验。实际安装两个点火器，安装照片如图15所示。根据前期试验结果，现场的气体管路(燃料喷嘴和供氧管路)采用节流措施使压力升高，以防止外界的小压力波动使流量不稳定，节流后在现场进行了重新的流量标定。图16为在燃气轮机运行现场对天然气和氧气的标定的结果。点火器通入的空气流量核算为51.45 L/min(对应流速为10 m/s)。工况点选取原则是确保位于富燃区且距点火边界一定距离。氧气流量选择稍高于最小补氧量，在起到确定助燃作用的同时，兼顾安全性。选取的工况点如表2所示，补氧工况点相对不补氧工况点，当量比提高了约一倍，即使考虑了氧气项的总当量比也大大高于不补氧的当量比。

图15 点火器现场安装图

(a) 天然气-压力流量曲线

表2 设计工况点

本文的点火器首先在燃气发生器上进行了试验，试验阶段燃气发生器主燃料为天然气燃料。图17为燃气发生器首次成功点火照片，工况点采用了补氧设计点2。其他工况点经试验均能点火成功。此次点火成功为后续燃气轮机试验打下了坚实基础。

图17 燃气发生器首次成功点火

燃气轮机整机试验中，因试验需要采用了轻柴油燃料，仍使用本文的天然气燃料点火器。改用新燃料后点火器分别经历了燃气发生器试验和燃气轮机整机实验。图18为燃气发生器的点火启动特性曲线，启动过程平稳。图19为燃气轮机整机试验现场。通过本文补氧改造后的点火器在设计工况点下先后在燃气发生器和整机试验中分别成功点燃。

图19 燃气轮机整机试验现场

5 结论

本文研究了带有等离子体电嘴的天然气火炬式点火器及其补氧条件下的点火性能，根据研究结果对点火器提出了流路节流改进要求，设计了点火条件并最终解决了燃气轮机的点火问题。其主要结论如下：

(1) 研究了天然气燃料点火与早期油燃料点火的不同。天然气作为点火燃料可以极大改善点火性能，相对于油燃料，使用天然气能在更高流速下点火。天然气拥有更低当量比的贫燃点火极限，在富燃侧存在一个特征速度，天然气燃料点火器在低于该速度下点火边界较低，高于该速度则点火边界较高。

(2) 研究了空气和天然气流量对点火的影响及选取准则。点火器火炬高度随空气流量增加而降低，随天然气流量增加而升高。在保证点火器稳定燃烧的前提下，采用较低的空气流量能够拥有更大的点火区间，采用更高的当量比能够使富燃状态的点火器形成较长的火炬并有利于点火。

(3) 研究了补氧对点火条件的拓宽。定量给出了最小补氧量与空气和天然气流量的关系，并给出了富氧侧点火区间的细分特性。通过补氧可以提高燃烧稳定性，拓宽点火边界，防止其他因素使火炬熄灭,设计的补氧工况点相对不补氧工况点当量比提高了约一倍，点火效果良好。

本文使用数值计算对此类型点火器的点火规律及冷态流场分布进行研究，在此基础上通过实验研究点火器的点火特性，并通过补氧进一步提高点火稳定性，最终解决了点火器的问题。