輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放估算

趙巧男，王國峰，張皓男，徐有寧

（沈陽工程學院遼寧省潔凈燃燒發電與供熱技術重點實驗室，沈陽110136）

符號表

符號 符號含義 單位

ma進入燃燒室的總空氣質量流量 kg/s

QNOxNOx的排放 g/kg

Pm燃燒室進口壓力 Pa

q燃料與空氣質量之比

TDZ主燃區溫度 K

T4燃燒室出口溫度 K

Vc燃燒室燃燒區體積 m3

Tst化學當量比為1時的火焰溫度 K

0 引言

近年來，國內對燃燒室污染排放標準要求越來越嚴格，相關的法律法規越來越完善。NOx排放值作為考察燃氣輪機燃燒室的重要標準之一，在燃燒室設計階段需要對其進行充分考慮，發展通用性強的NOx預估模型是適應中國自主研發燃氣輪機燃燒室的重要方向[1-3]。

國內外學者通過試驗整理得到了許多NOx排放預估模型。Lefebvre等[4-6]針對液體燃料提出適合F100、F101、J79-17A、J79-17C、TF33、TF39、TF41 等燃燒室污染物排放預估模型，利用其模型得到的計算結果與試驗數據較為吻合，已被廣泛應用；Rizk等[7]提出針對重型燃氣輪機燃燒室的預估模型，其計算結果與5臺1.5～34 MW燃用天然氣的工業燃氣輪機的NOx排放測量值相差無幾，具有良好的準確性及應用性；Lewis等[8]提出適用于均質燃料燃燒室的預估模型，在實現燃料分級、負荷調節、穩定燃燒以及對污染物控制方面均有較好效果；林清華等[9-10]針對不同稀釋劑提出合成氣燃燒室的NOx排放預估模型，公式計算結果與試驗結果基本無差別。

現有的NOx排放預估模型多是通過全溫全壓燃燒室試驗臺試驗獲得，該試驗臺的建立對場地選取有嚴格要求，并且試驗周期較長，試驗成本十分高昂。近年來，隨著計算流體力學、計算燃燒學、傳熱學的發展以及計算機計算能力大幅提高，燃燒室數值模擬技術得到高速發展，逐漸成為燃燒室性能研究的有力工具，數值模擬結果的實用性及科學性也得到廣泛認同[11-12]。通過對燃燒室進行CFD數值模擬計算，可以實現燃燒室內流場及溫度場分布的細節預測，從而為燃燒室優化設計提供有效手段。特別是在輕型燃氣輪機燃燒室數值模擬研究中，國內很多學者取得了較好的科研成果。金戈等[13]采用3種湍流模型利用數值模擬對QD128燃氣輪機燃燒室出口溫度場品質進行優化，并對改進的燃燒室進行CFD計算，將計算結果與試驗結果進行對比，發現二者符合程度較高；徐麗等[14]應用CFD方法對QD128燃氣輪機燃燒室性能進行數值分析，將其結果與試驗結果進行對比，發現二者十分符合。

本文利用數值模擬代替試驗對輕型燃氣輪機燃燒室進行分析，將多參數優化的數值模擬結果與傳統的估算模型進行對比，并通過對進口壓力、空氣質量流量、主燃區溫度3個主要參數與NOx排放值變化關系進行研究，根據數值模擬結果擬合出適用于3個參數的擬合公式。

1 數值分析及結果驗證

選取QD128燃氣輪機燃燒室15個噴嘴中的1個噴嘴為計算域，建立全尺度周期性數值分析模型，如圖1所示。該模型包括擴壓器、內外二股腔道和火焰筒。針對數值計算主要的分析參數有燃燒室進口壓力、進口流量及主燃區溫度。在進行網格劃分時，僅對結構復雜的頭部旋流器采用4面體網格，其他部位均采用6面體網格，保證網格緊密的情況下驗證網格無關性，最終確定網格總數為510萬，如圖2所示。

圖1 燃燒室物理模型

圖2 燃燒室網格模型

利用CFD計算流體力學軟件對燃燒室進行3維數值模擬計算分析，得到的燃燒室縱截面總溫分布如圖3所示。

圖3 燃燒室縱截面總溫分布

圖4 燃燒室頭部橫截面速度分布

從圖中可見，主燃孔射流較深，基本達到火焰筒高度的50%，有效切斷了頭部回流區邊界，隨著二次氣流及摻混氣流的增加，燃燒室內溫度逐漸降低，出口區域溫度基本保持穩定。溫度模擬結果與金戈、徐麗等針對QD128燃氣輪機的研究結果一致。

燃燒室頭部橫截面的速度分布如圖4所示。從圖中可見，中心區域是旋流引起的低速區域，緊接著是旋流區，外環是氣膜孔的引氣，最外環則是二次通道。數值結果很好地描述了該燃燒室頭部的流通狀況。

數值模擬計算結果與金戈、徐麗等的研究結果符合度較高，可為NOx排放預估模型的進一步研究提供參考。

2 模擬結果分析與公式擬合

2.1 NOx預估經驗/半經驗公式

經過眾多學者多年來對燃燒室NOx排放經驗/半經驗公式的深入研究，可以對NOx排放預估模型根據不同標準進行具體分類。通過文獻采集與數值仿真計算結果進行比對分析，發現以下4個經驗公式對本文研究具有較高參考價值，見表1。

表1 主要研究的經驗/半經驗公式

本文根據上述4個經驗公式計算出的NOx排放值，對進口壓力、空氣質量流量、主燃區溫度3個主要參數與預估公式計算排放值的變化趨勢進行分析，為進一步擬合預估公式提供參考。

圖5 進口壓力對NOx排放的影響

2.2 基于進口壓力的NOx預估

通過數值模擬研究及經驗公式推導，如圖5所示，當選取進口壓力Pin=1.05～1.63 MPa時，數值模擬NOx排放值為0.844～1.198 g/kg。在壓力較低時，NOx排放值變化趨勢較為緩慢，變化不大；當壓力升高到1.20 MPa時，NOx排放值變化趨勢開始增大；壓力升高到1.40 MPa之后，變化率保持不變。在相同進口壓力下，通過Lefebvre預估公式計算得到的NOx排放值為0.675～1.103 g/kg。該模型涉及到進口壓力、主燃區溫度、火焰溫度、空氣質量流量及燃燒室燃燒區體積等參數，其中進口壓力的冪次最大為1.25，Lefebvre[16]預估公式對進口壓力變化較其他參數更為敏感，在相同壓力范圍內變化幅度最大。根據Lewis的經驗公式計算得到的NOx排放值為0.708～0.917 g/kg，變化趨勢與上述2個模型的相同，但變化趨勢較小，對于進口壓力的冪次為0.5，在3個公式中，對進口壓力參數的敏感程度最低。

通過對比分析數值模擬與經驗公式的數據曲線變化趨勢發現，運用數值模擬得到的結果與運用經驗公式計算出的結果總體趨勢相同，說明運用數值模擬替代試驗其結果具有較高的參考價值，具有一定的科學性，值得深入研究。

運用數值模擬結果得到初步擬合的公式

以上2次擬合公式的擬合度大于0.8，擬合優度較高，擬合效果較好。式（1）適用于輕型燃氣輪機燃燒室基于進口壓力的NOx排放預估，擬合前選取的空氣質量流量、主燃區溫度均符合設定值，式（1）中進口壓力的范圍仍需進一步驗證。

圖6 空氣質量流量對NOx排放的影響

2.3 基于空氣質量流量ma的NOx預估

通過數值模擬研究及經驗公式推導，如圖6所示，當選取ma=2.9～3.9 kg/s時，隨著ma的增加，數值模擬NOx排放值為0.67～0.93 g/kg，呈減小趨勢。在數值模擬過程中，當ma增加，燃料流量不變時，燃空比持續減小，導致燃燒室的主燃區溫度降低，NOx的生成量減少。數值模擬結果與Lefebvre經驗公式計算出的NOx排放值具有相同趨勢，當ma范圍相同時，通過Lefebvre的經驗公式計算得到的NOx排放值為0.55～0.73 g/kg，數值結果要略高于計算結果。說明數值模擬結果與通過Lefebvre經驗公式計算得到的結果具有相同的計算前提條件，利用數值模擬對輕型燃氣輪機燃燒室進行估算分析具有可靠的理論依據。而Rokke等的經驗公式與所選模型的趨勢走向不同，這是由于在利用該公式進行估算時，提前固定了1個最佳燃空比（1∶14.7），在此燃空比下，隨著ma增加，燃料流量會相應增加，主燃區溫度得到相應提高，導致熱力型NOx排放值增加。由于Rokke經驗公式計算與利用數值模擬的前提條件不符，所以本次研究不考慮該經驗公式的計算結果，主要對Lefebvre的經驗公式與數值模擬的結果進行對比分析。

運用數值模擬結果得到初步擬合的公式

以上2次擬合公式的擬合度大于0.8，擬合優度較好，具有應用價值。式（2）適用于輕型燃氣輪機燃燒室基于空氣質量流量的NOx排放預估，對于式（2）中空氣質量流量的范圍仍需進一步深入研究。

圖7 主燃區溫度對NOx排放的影響

2.4 基于主燃區溫度的NOx預估

通過數值模擬研究及經驗公式推導，如圖7所示，當選取主燃區溫度Tpz=1995～2085 K時，數值模擬的NOx排放值為0.30～0.66 g/kg，NOx 排放值與根據估算式計算得到的NOx排放值相比較小；林清華等擬合的公式主要針對合成氣燃燒室，該公式與出口溫度及稀釋劑的百分比相關，在相同的主燃區溫度下，其計算結果為1.04～2.04 g/kg，NOx排放值變化范圍較大，說明該預估模型對該參數具有一定的敏感度；在相同溫度變化范圍內，根據Lefebvre等的預估公式計算的QNOx=1.46～3.44 g/kg，其NOx排放值的變化程度較上述2種模型的更大，可見該公式對于主燃區溫度具有較高的敏感度，隨著主燃區溫度的升高，NOx排放的變化趨勢也呈增大趨勢。通過數值模擬的方法預估出的NOx排放值比通過經驗公式計算的小，其變化趨勢與已有模型的變化趨勢一致，即隨著主燃區溫度的升高，NOx排放值呈上升趨勢。說明數值模擬方法在一定程度上可以替代預估公式，計算得到的NOx排放值，針對輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放具有較強的預估作用，為其設計提供可靠參考。

運用數值模擬結果得到初步擬合公式

以上2次擬合公式的擬合度大于0.8，可以實現較好的擬合效果。式（3）適用于輕型燃氣輪機燃燒室基于主燃區溫度的NOx排放預估，擬合在其他影響參數為固定值狀態下進行，對于式（3）中主燃區溫度的具體范圍仍需進一步研究。

2.5 NOx排放擬合公式

上述得出的擬合公式適用于單一參數變化的NOx排放估算，為進一步豐富公式的適用范圍，對適用于進口壓力、空氣質量流量、主燃區溫度3個主要參數進行擬合，考慮這些因素擬合公式初步假定的形式為

式中：a、b為系數；C為常數項。

系數及常數項的確定根據數值模擬得到，根據NOx排放值與3個參數的變化關系擬合出的公式如下

擬合公式的應用條件之一為輕型燃燒室，式中3個參數的范圍仍需驗證后加以使用。

3 結論

數值仿真試驗的研究方法具有可操作性強、快速易得、耗資少等優點，可以彌補試驗的不足，具有較高的應用價值。數值模擬結果與試驗結果具有很高的吻合度，具有一定的科學性及實用性，具有一定的利用價值，值得進一步研究。

（1）對于輕型燃氣輪機燃燒室，隨著主燃區溫度及進口壓力的升高，NOx排放量隨之增加，其中增加的主要是熱力型NOx。

（2）隨著空氣質量流量的增大，燃料燃燒更加充分，NOx排放值呈減少趨勢。

（3）提出適合于輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放的快速估算公式，利用該公式對輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放進行計算得到的估算值與根據經驗公式得到的計算值吻合度較高，但有效性及參數的范圍有待進一步驗證。