同熱值不同成分低熱值燃料燃燒特性試驗研究

何敏，馮大強，楊靈，吉洪湖

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

同熱值不同成分低熱值燃料燃燒特性試驗研究

何敏1，2，馮大強2，楊靈2，吉洪湖1

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

針對低熱值氣體燃料，在保證熱值相同的前提下，采用天然氣摻混氮氣和一氧化碳氣體兩種不同組分的燃料進行燃燒特性試驗研究。結果表明：一氧化碳的燃燒效率比天然氣摻混氮氣的燃燒效率高；減小或增大燃料量，天然氣摻混氮氣的燃燒效率有明顯變化，而一氧化碳所得的燃燒效率基本保持不變；在試驗件、測試方法及燃燒室進口參數都相同時，燃燒室出口溫度分布趨勢相同。本研究結果可為低熱值燃料燃燒室試驗提供技術參考。

低熱值燃料；雙燃料噴嘴；雙燃料燃燒室；燃燒特性；試驗研究

experimental study

1 引言

隨著國民經濟的發展，能源需求不斷增加，使得能源供給日益緊張。各國在積極開發新能源的同時，也在努力開展能源的再利用工作，最大限度地節約能源。燃燒低熱值燃料的燃氣輪機，將鋼廠排放的高爐煤氣、化工廠排放的低熱值尾氣等作為燃料，不僅提高了能源的利用率，而且降低了對原生能源的需求，減小了大氣污染，越來越受到人們的廣泛重視。

國內外對低熱值燃料的燃燒特性作了一定研究，但主要采用數值計算[1，2]，通過試驗進行的研究不多[3～6]。如徐綱等[1]對燃氣輪機燃燒室燃燒天然氣和燃燒低熱值煤氣進行了比較，發現原本燃燒天然氣的燃燒室直接改燒低熱值煤氣，會產生燃料射流速度太快的問題，使阻燃孔失效，火焰太長，高溫燃氣直接沖擊下筒壁出口；Yamamoto[3]曾對低熱值燃料的燃燒進行過數值模擬和試驗驗證，但對同熱值不同成分低熱值燃燒特性的差異沒有提及；南京汽輪電機(集團)有限責任公司與美國通用電氣公司合作研制的PG6561B-L型高爐煤氣燃氣輪機，采用多管燃燒室，在無助燃條件下，實現了含氫量為10.38%、熱值為5 577 kJ/m3的低熱值氣體的穩定燃燒[6]。

本文在保證熱值相同的前提下，采用天然氣摻混氮氣和一氧化碳氣體兩種不同的方法，對低熱值氣體燃料的燃燒特性進行試驗研究。

2 試驗件及試驗裝置

2.1 試驗件

試驗件為某型發動機的單管燃燒室。原型燃燒室以航空煤油為燃料，其燃燒機理與燃燒氣體燃料時有很大不同，尤其是燃燒低熱值氣體燃料時，要求燃料噴射速度低、燃料在燃燒區停留時間長。降低燃料噴射速度，可通過增大噴嘴供應管道流通面積及噴口面積(比燃油噴嘴大近百倍)來實現；延長燃燒時間，可通過加大主燃區長度、增大主燃區高度以降低參考速度來達到。因此燃燒室改燒低熱值氣體燃料后，為保證扣除燃機及燃料壓縮系統功率消耗后仍具有足夠的功率輸出，在對原型火焰筒結構不做大改動的基礎上，改進如下：適當增加主燃區長度，延長燃氣在火焰筒內的停留時間，以提高燃燒效率；將原燃料噴嘴重新設計為雙燃料噴嘴(按負荷情況切換)，以解決低負荷狀態下可能發生的火焰吹熄現象和滿足所需的流量，并可靠點火、穩定燃燒，保障機組安全運行。改進后的燃燒室及雙燃料噴嘴如圖1、圖2所示。

圖1 改進后的單管燃燒室示意圖Fig.1 Schematic drawing of improved single-tubular combustor

圖2 雙燃料噴嘴示意圖Fig.2 Schematic drawing of dual fuel nozzle

2.2 試驗裝置

整個試驗裝置如圖3所示，主要由空氣系統、電加熱系統、燃料系統、冷卻水系統、測試系統及燃燒室試驗件等組成。燃燒室試驗件由前后測量轉接段、燃燒室機匣、燃燒室、雙燃料噴嘴、高能點火系統等主要部件構成。前測量轉接段上設置了進口氣流總壓、靜壓和總溫測點；后測量轉接段上設置了位移機構，測量燃燒室出口溫度。

圖3 某型發動機燃燒室低熱值氣體燃料試驗原理圖Fig.3 Schematic diagram of low calorific value gas fuel experiment system in an aero-engine combustor

采用同一試驗件對兩種燃料進行燃料特性試驗。第一種是天然氣和氮氣的混合燃料。天然氣從天然氣管道封頭引出，經DI15質量流量計測量流量后進入混合器。氮氣由儲液氮罐流出，經蒸發器變為壓力約1.6 MPa的常溫氮氣，通過緩沖罐穩壓后進入DI25質量流量計測量流量，再進入混合器。天然氣與氮氣在混合器中充分混合，并由混合器自帶的絲網除沫器過濾雜質，混合后的天然氣與氮氣經電動閥11進入試驗件。第二種是一氧化碳氣體。一氧化碳氣體從儲氣鋼瓶引出，通過匯流排匯集到一起后，經減壓閥2、手動閥3進入DI25質量流量計測量流量，再經電動閥7進入混合器，最后經電動閥11供入試驗件。為防止空氣混入一氧化碳進入試驗件引發危險，試驗前用氮氣通過電動閥11排出管道內空氣。

3 試驗方法

天然氣摻混氮氣試驗時，首先將空氣加溫至設計狀態，然后直接對天然氣進行點火，待天然氣穩定燃燒后再向試驗件供氮氣，并按天然氣和氮氣摻混比例調節到試驗狀態(天然氣與氮氣的摻混比例為1.00：3.87，對應的熱值約10 000 kJ/kg)。一氧化碳試驗時，先向試驗件供煤油在常壓下點火，著火后調節試驗件進口空氣狀態至試驗狀態，向試驗件內供一氧化碳進行燃燒(一氧化碳氣體純度大于99.5%，熱值約10 000 kJ/kg)，同時降低燃油供應直至停止供油，再次進行試驗狀態調節。試驗過程中，測試方法及燃燒室進口參數相同。

4 試驗結果及分析

4.1 燃燒效率

對兩種燃料進行試驗研究，在熱值相同條件下，其燃燒效率η與余氣系數α的關系如圖4所示。燃燒效率可根據溫升法計算，即實際溫升與理論溫升的比值，其表達式為：

式中：Tt4為實際燃燒室出口平均溫度；Tt3為燃燒室入口平均溫度；Tt4th為理論計算(完全燃燒時)的燃燒室出口平均溫度，利用燃燒過程前后焓值守恒計算得到[7]。

從圖中可見，雖熱值相同，但其燃燒效率相差很大。當余氣系數約為7.0時，天然氣摻混氮氣試驗的燃燒效率約0.72，一氧化碳試驗的燃燒效率約0.96。減小或增大燃料量，天然氣摻混氮氣試驗的燃燒效率有明顯變化，而一氧化碳試驗的燃燒效率基本保持不變。

圖4 燃燒效率隨余氣系數的變化Fig.4 Variation of combustion efficiency with excess air coefficient

原因為，利用天然氣摻混氮氣的方法雖能保證混合物熱值降低，等同于一氧化碳氣體的熱值，但同時帶入了氮氣，降低了反應物濃度，使得反應速度下降[8，9]。另外，摻混氮氣(惰性物質)后，一方面直接影響燃燒溫度，進而影響燃燒速度；另一方面，將通過影響混氣的物理性質來影響火焰傳播速度[10]。因此，天然氣摻混氮氣后，其火焰傳播速度受到了影響，燃燒效率降低。由于一氧化碳氣體未摻混惰性物質，因此仍然保持著很高的化學反應速率。

當混氣中摻混惰性組分時，雖然化學反應速度受到了影響，但最大反應速度仍發生在化學恰當比處。因此當余氣系數5.0時，減小或增大燃料量，天然氣摻混氮氣試驗方法所得的燃燒效率明顯降低；當余氣系數為8.5時，減小或增大燃料量，一氧化碳燃燒特性試驗所得的燃燒效率變化不明顯，這是由于當氧濃度大于一定值時，其燃料濃度對化學反應速率的影響不明顯[11]。

4.2 出口溫度場

圖5(a)為余氣系數5.0時天然氣摻混氮氣試驗的燃燒室出口溫度分布云圖，圖5(b)為余氣系數8.5時一氧化碳出口溫度分布云圖。可見，兩種試驗的燃燒室出口截面都存在三塊高溫區，不同余氣系數下出口截面的溫度場分布趨勢相同。由此可得，試驗件、測試方法及燃燒室進口參數都相同時，其燃燒室出口溫度分布趨勢相同。

圖5 燃燒室出口溫度場分布云圖Fig.5 Exit temperature field contours of combustor

5 結束語

在保證熱值相同的前提下，采用兩種不同的方法進行低熱值氣體燃料的試驗研究，一是天然氣摻混氮氣的方法，二是利用一氧化碳氣體的方法。結果表明：燃料熱值相同時，利用一氧化碳氣體的方法比通過天然氣摻混氮氣的方法獲得的燃燒效率高；減小或增大燃料量，天然氣摻混氮氣方法的燃燒效率有明顯變化，而一氧化碳方法的燃燒效率基本保持不變；兩種方法的燃燒室出口溫度場分布趨勢相同。

另外，研究結果還表明，燃燒室的燃燒速率與燃料的組分直接相關，在進行燃機燃燒室低熱值性能試驗時，不能通過模擬熱值的方法開展燃燒性能試驗，必須采用模擬成分的方法進行。

[1]徐綱，聶超群，黃偉光，等.燃氣輪機燃燒室燃燒天然氣和燃燒低熱值煤氣的比較[J].工程熱物理學報，2003，24(1)：141—144.

[2]朱彤，張毅勐，劉敏飛，等.低熱值煤氣高溫空氣燃燒數值模擬[J].同濟大學學報，2002，8(8)：932—937.

[3]Yamamoto T.Low Heating Value Fuel Combustion：Flame?let Combustion Model and NO Formation Model[J].Jour?nal of Propulsion and Power，2006，22(1)：136—144.

[4]Arai N，Yamamoto T.Numerical Simulation of Low Heat?ing Value Fuel Turbulent Diffusion Combustion[C]//.Inter?national Joint Power Generation Conference.2002.

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[7]金如山.航空燃氣輪機燃燒室[M].北京：宇航出版社，1988：17.

[8]傅維標，衛景彬.燃燒物理學基礎[M].北京：機械工業出版社，1981：23—24.

[9]岑可法，姚強，駱仲泱，等.高等燃燒學[M].杭州：浙江大學出版社，2002：18—21.

[10]張松壽.工程燃燒學[M].上海：上海交大學出版社，1988.

[11]許晉源，徐通模.燃燒學[M].北京：機械工業出版社，1980：7—8.

Experimental Investigation on Combustion Characteristics of Low Calorific Value Fuel

HE Min，FENG Da-qiang，YANG Ling，JI Hong-hu
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To study the combustion process of low calorific value gas fuel,two kinds of gas fuel’substitutes which have the same calorific values were researched in combustion experiment.One was the mixture of nat?ural gas and nitrogen,the other was carbon monoxide.Experimental results show that carbon monoxide's combustion efficiency is better than that of the mixture of natural gas and nitrogen which varies as fuel flow increases or decreases,while that of monoxide basically remains the same;but both of their exit gas temper?ature field distribution is similar when parameters of test specimen,method and combustor inlet conditions are same.The research results provide a valuable technological reference for the experiment of the combus?tor of low calorific value gas fuel.

low calorific value fuel；dual fuel nozzle；dual fuel combustor；combustion characteristic；

V231.2

A

1672-2620(2013)01-0043-04

2012-06-12；

2013-01-24

何敏(1976-)，男，陜西山陽人，工程師，博士研究生，主要從事燃燒試驗及零部件強度試驗研究。