基于化學反應網絡模型法的低排放燃燒室NOx模擬及預測

馬存祥，邢 力，徐華勝

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

低排放燃燒室研制中，為初步獲得燃燒室的污染排放特性，必須開展污染排放性能的預測。目前，污染排放預測有經驗關系式法(零維)、化學反應網絡(CRN)模型法(一維)和數值仿真分析法(三維)三種方法。其中，經驗關系式法非常簡單，不考慮流動和化學反應，僅適用于特定燃燒室，且需要該類型燃燒室的大量試驗數據進行統計分析。數值仿真分析法接近實際情況，既考慮了流動，也考慮了化學反應。但其計算中需要大量的高質量網格，對硬件資源要求較高，且在加載詳細化學反應機理進行計算時耗時更多，不利于在燃燒室初步設計中對NOx進行快速預測，而忽略詳細化學反應機理又會導致計算準確性不高。近年來國際上發展起來的CRN模型法，在采用詳細化學反應機理的同時還簡單考慮了流動特征參數(停留時間)，對污染排放預測的準確性大大提高，且在計算時間上遠少于數值仿真分析法[1-4]。

目前，國內外學者利用CRN模型法對燃燒室污染排放性能進行了相關預測研究。劉富強等[5]針對一種燃油徑向分級多點噴射單頭部燃燒室方案建立了簡單的CRN模型，研究了值班級當量比、燃油分配比例和進口空氣溫度對NOx排放的影響。李朋玉[6]采用自編程序建立CRN模型，研究了燃油流量分配、進口溫度對一種貧油預混預蒸發(LPP)燃燒室NOx排放的影響。Nicol等[7]利用由一個均勻攪拌反應器(PSR)和一系列柱塞流反應器(PFR)串聯組成的基準化學反應器模型，研究了不同NOx生成機理(熱力型、氧化亞氮型和快速型)對貧油預混甲烷-空氣燃燒NOx生成的重要作用，尤其是氧化亞氮型機理在貧油預混燃燒中對NOx生成的重要性。Falcitelli等[8]依據由CFD計算出的燃燒室內流場、溫度場的分布特性，構建了一個RNA(反應器網絡分析)模型來預測燃燒室出口NOx等污染物的排放。Russo等[1]針對一種微型燃氣輪機ARI100的單管燃燒室，采用CFD與網絡模型相結合的方法構建了CRN模型，并用該模型對燒天然氣和合成氣的NOx、CO排放進行了預測，與試驗測量結果相比，在大氣壓下燒天然氣時的誤差在8%以內，但燒合成氣時與試驗有很大差異。

本文針對一種貧油預混預蒸發燃燒室[9]，根據CFD數值計算結果，利用CHEMKIN-PRO軟件建立了CRN模型，對該燃燒室不同進口壓力和溫度下的NOx排放進行了模擬，并對其在不同工況下的通用性進行了驗證，建立了適合該型低排放燃燒室的排放預測模型和預估關系式。

2 研究對象

研究對象為一種貧油預混預蒸發燃燒室(圖1)，采用中心分級的貧/富油直接噴射和貧油部分預混預蒸發(DIPME)的混合燃燒模式。即小狀態時預燃級(或值班級)采用富油直接噴射燃燒模式(擴散燃燒)；大狀態時預燃級采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級采用貧油(部分)預混預蒸發燃燒模式。

3 計算工況

文獻[9]研究了該型燃燒室進口溫度和壓力對污染排放的影響，其中試驗研究的工況有15個，包含3個不同的進口溫度(600、700、800 K)點、5個不同的進口壓力(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 MPa)點，同時保持各工況的油氣比、副油百分數、燃燒室壓降等參數不變。本文擬對15個工況中的9個工況(進口空氣壓力分別為 1.0、1.4、1.8 MPa，溫度分別為 600、700、800 K)進行CFD計算，根據計算得出的結果建立CRN模型預測NOx的排放，并與試驗數據進行對比驗證，再以此CRN預測模型對另外6個工況進行模型預測精度驗證。

4 基于化學反應網絡模型的計算

4.1 CFD計算結果

采用商業軟件FLUENT對燃燒室的9個工況進行三維數值計算，保持油氣比、燃油分配比例不變。計算得到的各工況下的流場、溫度場非常相似。圖2所示為進口溫度600 K、壓力1.4 MPa時的噴嘴中心截面溫度場。

4.2 區域劃分處理方法

CRN模型計算燃燒室污染排放，是根據燃燒室內流場(或溫度場、濃度場)分布特點對燃燒室進行區域劃分，每個小區域根據自身特點采用不同的反應器模塊進行模擬，然后將各個反應模塊根據流場特點連接起來，完成燃燒室性能計算。不同區域采用PSR還是PFR，一般由燃燒室內不同區域的化學反應時間τchem及流動混合時間τflow決定，即用Da數來決定。

對于某一特定化學反應，若Da＜1，表明化學反應時間大于流動混合時間，化學反應起主導作用，流體混合(湍流流動)非常快，該區域可以用PSR來模擬；若Da＞1，則流體的化學反應速率非常快，流體混合起主導作用，該區域用PFR進行模擬[10]。對于沒有化學反應僅有流體混合的區域，可以用MIX(無化學反應，僅僅是流體間的混合)反應器進行模擬。

4.3 化學反應網絡構建

如圖3所示，將燃燒室按照溫度場分布特點，結合Da數劃分為不同區域。為更好地模擬預燃級擴散燃燒模式，將其按燃油貧富分為PSR1、PSR2、PSR3和PSR4不同的4個區域。PSR5代表了主燃級快速反應區(主火焰)，其中一少部分燃氣回流到頭部角渦區PSR10，且停留時間較長；剩下的大部分進入主燃區PSR7，可以看到主燃級預混燃料進入燃燒室后呈錐形向四周擴展，增大了主燃區的容積，利于燃料充分、均勻燃燒。同時，一部分從主燃孔進來的空氣也進入了主燃區PSR7。經過主燃區后，一部分未燃盡的煙氣回流到中心回流區PSR6，在此經過進一步反應后進入PSR2、PSR3區域用來點燃剛噴進燃燒室的燃料，保持燃料燃燒的穩定性。PSR8用來模擬主燃孔和摻混孔之間溫度較主燃區低但混合更充分的貧油燃燒區域。PSR9用來模擬軸向上主燃孔之后、摻混孔之前的一個小渦區。因其溫度已達1 800 K以上，為更準確地計算排放數據，有必要單獨對其采用一個PSR。PFR1、PFR2分別用來模擬主燃孔之后和摻混孔之后到出口的區域。由于此區域進入了大量空氣，溫度已降低，基本不會產生污染物，而只令其在垂直軸向的方向上發生混合，這與燃燒室的湍流情況相吻合。最終，根據流場的溫度、速度、組分分布特點，采用PSR、PFR和MIX對燃燒室內部不同區域構建CRN模型，如圖4所示。表1為各個PSR的容積，據此可估算出各個PSR的燃氣停留時間。

5 計算結果分析

5.1 試驗驗證

采用氣相和表面化學反應燃燒軟件CHEM?KIN-PRO，對DIPME燃燒室污染排放進行模擬計算，計算過程中使用航空煤油替代燃料C12H23及其骨架反應機理(16組分23步基元反應)。通過從FLUENT中提取各個反應區域的溫度、壓力、容積、停留時間等數據，采用基于詳細化學反應機理的CRN模型法，計算1.0、1.4、1.8 MPa時3個溫度(600、700、800 K)下的 NOx排放，并與試驗結果[9]進行對比。從圖5中的對比結果可看出，相同進口溫度(或壓力)下，NOx的排放隨壓力(或溫度)的升高而增大；模擬計算得出的NOx排放量與試驗所得值趨勢一致，誤差在9%以內，具有較高的計算精度。

5.2 預測模型建立

根據上述9個工況建立CRN模型，通過改變進口溫度、壓力和空氣/燃油流量，對剩余6個工況的NOx排放進行預測，并采用最小二乘原理對15個工況計算得到的NOx排放數據進行擬合，構建EI(NOx)與DIPME燃燒室進口溫度、壓力之間的預估關系式。在參考文獻[9]和國外已有研究成果[11-15]的基礎上，選定擬合關系式的目標形式為：

表1 各個PSR的容積cm3Table 1 The volume of different PSRs

式中：EI(NOx)為NOx污染物排放發散指數；a0、a1、a2和b均為常數，由試驗數據擬合獲得；T3為燃燒室進口總溫；p3為燃燒室進口總壓。通過計算，最終得到的CRN模型預估NOx排放的公式為：

試驗數據擬合公式[11]為：

數值模擬分析獲得的EI(NOx)預測公式與試驗獲得的EI(NOx)預估公式非常接近。尤其是影響NOx排放的最重要的溫度因子的比例系數一致，且壓力項的指數因子也很接近。可見，采用CRN模型法對貧油預混預蒸發燃燒室NOx排放進行預測可以獲得較高的預測精度，具有一定的工程應用價值。

6 結論

對一種貧油預混預蒸發低排放燃燒室方案進行了CFD計算，在其溫度分布特點的基礎上根據Da數原則劃分了代表不同反應器模塊的區域，并建立了CRN模型對NOx排放特性進行了計算分析，研究結果表明：

(1)采用CRN模型計算得出的NOx排放量與試驗結果很接近，且NOx排放隨溫度、壓力的變化趨勢也一致；計算值略低于試驗值，但其差異在工程上可接受。

(2)CRN模型計算得到的NOx排放預估公式與試驗結果擬合出的預估公式采用相同的函數表達形式，各個系數量級很接近，表明本文建立的CRN模型有效，能利用該模型對DIPME燃燒室方案開展其他工況的NOx排放預測，且具有較高預測精度。

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