預(yù)混均勻度對(duì)E級(jí)燃機(jī)燃燒室NOx排放濃度的影響研究

楊國(guó)慶 潘明 劉柳

摘 要：采用數(shù)值仿真模擬了預(yù)混均勻度對(duì)E級(jí)燃機(jī)燃燒室NOx排放濃度的影響。二級(jí)噴嘴燃料噴射、吹掃空氣噴射、一級(jí)燃燒區(qū)摻混空氣流量均可以改變局部預(yù)混均勻度，影響局部燃燒溫度，最終影響NOx排放濃度。增加二級(jí)噴嘴燃料噴射點(diǎn)，在E級(jí)燃機(jī)基本負(fù)荷下有更優(yōu)異的NOx排放值，受制于燃料分配的影響，當(dāng)一級(jí)噴嘴燃料占比偏離78 %～84 %區(qū)間時(shí)，NOx排放優(yōu)勢(shì)減小;一級(jí)燃燒區(qū)摻混射流流量占比高于一區(qū)總空氣流量的46 %，燃料局部濃度峰值增加，峰值的位置也會(huì)移動(dòng)，對(duì)下游火焰的溫度與NOx排放濃度影響顯著。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);預(yù)混均勻度;燃料噴射方式;吹掃空氣;摻混射流;NOx 排放;

Abstract： Numerical simulation was used to simulate the effect of premix uniformity on the NOx emission concentration in the combustion chamber of E-Class gas turbine. secondary nozzle fuel injection， purge air injection， and mixed air flow in the primary combustion zone can change the local premix uniformity， affect the local combustion temperature， and ultimately affect the NOx emission concentration. Increasing the fuel injection point of secondary nozzle has a better NOx emission value under the basic load of the E-Class gas turbine. Subject to the influence of fuel distribution， when the fuel ratio of the primary nozzle deviates from the 78 % to 84 % range， the NOx emission advantage decreases small; The flow rate of the blended jet in the first combustion zone is higher than 46 % of the total air flow in the primary zone. The local fuel concentration peak increases and the peak position will move， which has a significant impact on the downstream flame temperature and NOx emission concentration.

Key words： gas turbine; premix uniformity; fuel injection method; Blending jet; NOx emission;

為降低燃?xì)廨啓C(jī)NOx 排放，滿足國(guó)家環(huán)保要求，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)普遍采用了干式低氮燃燒技術(shù)。在基本負(fù)荷工況為預(yù)混燃燒模式，降低燃燒溫度，減少NOx 的產(chǎn)生[1-2]。

為了應(yīng)對(duì)更加嚴(yán)格的排放，在DLN1.0服役之后，GE公司對(duì)DLN1.0燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)[3]，新的燃燒系統(tǒng)命名為DLN1.0+。文獻(xiàn)[4]介紹了DLN1.0+實(shí)際使用性能，相比DLN1.0可以達(dá)到10 mg/m3以下的NOx排放。

除了GE公司之外，PSM公司也針對(duì)E級(jí)燃機(jī)研發(fā)了LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)[4]，LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)與DLN1.0尺寸基本一致，可以實(shí)現(xiàn)替換。之后研發(fā)了LEC-NextGen以達(dá)到低于10 mg/m3的水平，并且可以適應(yīng)摻氫燃料。

對(duì)比兩種燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可見提高燃料預(yù)混均勻度是實(shí)現(xiàn)低NOx排放的主要手段。

本文通過數(shù)值仿真對(duì)比DLN1.0與LEC-NEXTGEN的燃燒狀態(tài)，研究新一代低氮燃燒系統(tǒng)在降低NOx排放的相關(guān)原理，剖析部分設(shè)計(jì)思路，為相關(guān)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 DLN1.0燃燒室簡(jiǎn)化模型及邊界條件

圖1是E級(jí)燃燒室DLN1.0結(jié)構(gòu)示意圖，該燃燒室采用分級(jí)燃燒技術(shù)，一級(jí)燃料噴嘴布置在二級(jí)燃料噴嘴外圍，二級(jí)燃燒區(qū)預(yù)混進(jìn)口外環(huán)還有旋流空氣進(jìn)口，用以強(qiáng)化旋流。

圖2為簡(jiǎn)化后的燃燒室物理模型及其網(wǎng)格示意圖。燃機(jī)輸出功率為123.4 MW，壓氣機(jī)進(jìn)氣流量為403.7 kg/s，壓比為12.3，流向燃燒室的空氣流量為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量的83 %。

燃燒室出口壓力為1.23 Mpa。采用甲烷替代天然氣計(jì)算，甲烷熱值為50200 kJ/kg，根據(jù)燃機(jī)效率33.8 %計(jì)算，流入燃機(jī)總?cè)剂狭髁繛?.27 kg/s，流入單個(gè)燃燒室燃料流量為0.519 kg/s。計(jì)算域采用多面體網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證數(shù)目為220萬。

圖3是DLN1.0原始結(jié)構(gòu)（以下稱“DLN”）與改進(jìn)結(jié)構(gòu)（LEC-nextgen燃燒系統(tǒng)，以下稱為“LEC”）二級(jí)噴嘴與的對(duì)比圖，可見LEC增加了燃料噴嘴的數(shù)量;取消了值班火焰，以吹掃空氣替代。

2 數(shù)值計(jì)算方法及結(jié)果校核

采用Fluent軟件求解湍流燃燒的基質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分守恒方程：

式中 ρ、ui 、p 、τij、h、ωT 和ωi 分別為密度、速度、壓力、粘性應(yīng)力、總焓、熱釋放率和組分i的反應(yīng)速率。

本文計(jì)算模型采用總包反應(yīng)機(jī)制，湍流模型采用realizable-k？模型[17] 采用FLUENT有限速率-渦耗散模型模型（Finite-rate/Eddy Dissipation）。

3 燃料噴射方式的影響

根據(jù)負(fù)荷不同，E級(jí)燃機(jī)有4種燃燒模式，本文計(jì)算基本負(fù)荷工況，處于預(yù)混燃燒模式，當(dāng)燃機(jī)燃燒參考溫度高于1076 ℃，一級(jí)燃燒區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“一區(qū)”）停止燃料供應(yīng)，當(dāng)一區(qū)火焰熄滅后一級(jí)燃燒噴嘴重新供應(yīng)燃料，一級(jí)燃燒區(qū)變?yōu)榭諝夂腿剂匣旌蠀^(qū)。在一區(qū)充分混合后，預(yù)混氣體從文丘里管加速噴出，在文丘里管下游回流區(qū)中燃燒。二級(jí)燃燒區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“二區(qū)”）燃燒不中斷。

圖4是兩種不同的燃料噴射方式對(duì)燃燒室NOx排放濃度影響關(guān)系圖。預(yù)混燃燒模式下，一區(qū)消耗燃料總流量的80 %。這個(gè)數(shù)值并非定值，當(dāng)環(huán)境溫度改變或天然氣熱值改變時(shí)，一區(qū)燃料流量會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整，以保證NOx排放水平處于較低值。對(duì)于E級(jí)燃機(jī)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最低的NOx排放相對(duì)應(yīng)的一區(qū)燃料流量占比Rfule一般為80 %～82 %之間。由圖所示，LEC在Rfule=78 %～84 %區(qū)間內(nèi)，NOx排放水平相對(duì)于DLN有明顯降低。在Rfule=80 %時(shí)降幅最大達(dá)到了25 %，一區(qū)流量占比偏離80 %～82 %越多，LEC相比DLN的NOx排放優(yōu)勢(shì)越小，在大幅偏離后LEC的NOx排放值甚至?xí)^DLN。

圖5是二級(jí)噴嘴預(yù)混區(qū)局部當(dāng)量比分布，其中a、b、c截面位于二級(jí)噴嘴燃料噴射點(diǎn)下游100 mm、180 mm、280 mm位置。由圖可知，由于噴射點(diǎn)較少，在a截面DLN二級(jí)噴嘴下游存在6個(gè)當(dāng)量比局部高點(diǎn)，最高值接近2，燃料在向下游移動(dòng)的過程中同時(shí)與空氣發(fā)生擴(kuò)散，局部當(dāng)量比峰值降低，在b截面降到1.5左右，經(jīng)過旋流器后，燃料在空氣中摻混更加均勻，當(dāng)量比局部最高值降到1.0左右。LEC二級(jí)噴嘴由于噴射點(diǎn)多于DLN，因此在各個(gè)截面燃料分布均勻度要好于DLN，在經(jīng)過旋流器后c截面局部最高值為0.7。

圖6、圖7是兩種燃燒室的溫度分布和NOx局部濃度分布圖，在常用的流量占比區(qū)間Rfule，相比DLN，LEC中心燃燒區(qū)的燃燒溫度降低明顯，相應(yīng)的NOx生成也大幅度減小。

由于二區(qū)燃料量只占一區(qū)燃料量的25 %左右，因此當(dāng)一區(qū)燃料占比改變1 %，二區(qū)燃料流量改變值為4 %～5 %，當(dāng)一區(qū)燃料流量降低時(shí)，二區(qū)燃料流量大幅度增加，平均當(dāng)量比也隨之增加，Rfule=76 %時(shí)，二區(qū)出口平均當(dāng)量比達(dá)到0.93，此時(shí)LEC燃料分布均勻的優(yōu)勢(shì)消失，燃燒室中心溫度幾乎與DLN相當(dāng)，局部NOx排放甚至超過DLN。

當(dāng)一區(qū)燃料流量增加，二區(qū)燃料流量大幅度減小，火焰溫度降低，此時(shí)NOx局部產(chǎn)生的主要區(qū)域變?yōu)榛鹧嫱餐鈧?cè)燃燒區(qū)，LEC由于二級(jí)噴嘴出口外側(cè)局部當(dāng)量比高于DLN，這部分燃料會(huì)被二區(qū)外環(huán)旋流器噴出的旋流卷吸進(jìn)外側(cè)燃燒區(qū)，增加外側(cè)燃燒區(qū)的溫度，因此排放濃度值略高于DLN。

4 一區(qū)摻混射流的影響

圖8是一區(qū)摻混射流流量占比Rair對(duì)NOx排放濃度影響（一區(qū)摻混空氣入口位置見圖2），由圖可知對(duì)于兩種燃燒室，在保證一區(qū)總空氣流量不變的情況下，一區(qū)摻混射流流量占比增加，NOx排放濃度相應(yīng)增加，摻混射流占比超過46 %，NOx排放濃度增加劇烈。

圖9是中截面局部當(dāng)量比分布圖，由圖可知隨著一區(qū)摻混射流流量占比增加，由于流速過高，來不及與一區(qū)燃燒區(qū)內(nèi)氣體摻混，更多的燃料被擠占到外側(cè)區(qū)域，局部當(dāng)量比高的區(qū)域面積增加，預(yù)混均勻度變差。

其原因是由于摻混射流流量過高，導(dǎo)致射流無法充分與橫向來流有效摻混，直接穿透到一區(qū)內(nèi)側(cè)。受摻混射流占位影響，未與射流有效摻混的燃料流向外側(cè)，造成外側(cè)當(dāng)量比過高。

圖10是兩種燃燒室在不同一區(qū)摻混射流流量占比下中截面的溫度分布圖，隨著一區(qū)摻混射流流量增加，文丘里管高當(dāng)量比區(qū)域移到了外側(cè)，受影響最大的是外側(cè)燃燒區(qū)域，燃燒溫度明顯增加至2200 K左右， 受此影響中心燃燒區(qū)靠外側(cè)部分也出現(xiàn)局部高溫點(diǎn)，局部最高溫度造成NOx排放濃度含量明顯增加。除此之外，燃燒區(qū)火焰長(zhǎng)度也會(huì)增加。

4結(jié)論：

1）相比DLN，由于二級(jí)噴嘴有更好的燃料分布均勻度，LEC燃燒室在E級(jí)燃機(jī)基本負(fù)荷下有更優(yōu)異的NOx排放值，受制于燃料分配的影響，當(dāng)一級(jí)燃燒區(qū)燃料分配偏離78 %～84 %時(shí)，NOx排放優(yōu)勢(shì)減小。

2）一級(jí)燃燒區(qū)摻混射流流量同樣對(duì)預(yù)混氣體的均勻度有較大影響，射流流量占比超過一級(jí)燃燒區(qū)空氣總流量的46 %，燃料局部濃度峰值增加，峰值的位置也會(huì)變化，對(duì)下游火焰的溫度與NOx排放濃度影響顯著。

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