某燃?xì)廨啓C(jī)焦?fàn)t氣噴嘴的數(shù)值模擬研究

李 濤，杜曉東，黃漢林

(中國(guó)航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，沈陽(yáng) 110179)

某聯(lián)合循環(huán)電廠三號(hào)機(jī)組的主發(fā)電裝置為1臺(tái)25 MW國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)，以天然氣為燃料，運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。由于天然氣為優(yōu)質(zhì)燃料，價(jià)格較高，導(dǎo)致度電成本高，經(jīng)濟(jì)性不好。如果能夠改用企業(yè)內(nèi)部廉價(jià)的工業(yè)副產(chǎn)品焦?fàn)t氣為燃料，可以大幅降低運(yùn)行成本，增加經(jīng)濟(jì)收益。

燃料按熱值分為高、中、低熱值燃料。高熱值燃料熱值在標(biāo)準(zhǔn)狀況下大于15.07 MJ/m3，中熱值燃料熱值為6.28～15.07 MJ/m3，低熱值燃料熱值小于6.28 MJ/m3[1]。焦?fàn)t氣是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品，熱值一般為12～17 MJ/m3，屬于中高熱值燃料氣，在工藝流程利用之余，采用傳統(tǒng)鍋爐燃燒甚至直接燃燒后排空等方式，這種利用方式環(huán)保性較差，同時(shí)能量利用率也不高。隨著環(huán)保要求、能量梯級(jí)利用的要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)有些企業(yè)選擇采用合適的燃?xì)廨啓C(jī)使用焦?fàn)t氣進(jìn)行發(fā)電[2]。

目前，國(guó)外機(jī)組具備以焦?fàn)t氣為燃料發(fā)電運(yùn)行的能力，但是價(jià)格較高，特別是后續(xù)運(yùn)維費(fèi)用和檢修費(fèi)用很高，增加了機(jī)組的運(yùn)行成本和不固定支出，嚴(yán)重困擾發(fā)電企業(yè)用戶的發(fā)展。為了突破技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)裝備國(guó)產(chǎn)化，迫切需要技術(shù)改造，使國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)以焦?fàn)t氣為燃料的發(fā)電運(yùn)行。

1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

某聯(lián)合循環(huán)電廠三號(hào)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣為燃料，在ISO工況下的額定功率為27 400 kW，簡(jiǎn)單循環(huán)熱效率不低于36.5%，相應(yīng)熱耗率為9 863 kJ/(kW·h)，聯(lián)合循環(huán)熱效率不低于42.5%，相應(yīng)熱耗率為8 470 kJ/(kW·h)；以焦?fàn)t氣為燃料，在ISO工況下的額定功率為22 900 kW，簡(jiǎn)單循環(huán)熱效率不低于33.5%，相應(yīng)熱耗率為10 746 kJ/(kW·h)，聯(lián)合循環(huán)熱效率不低于38.5%，相應(yīng)熱耗率為9 351 kJ/(kW·h)。發(fā)電機(jī)效率為97.6%，分別以天然氣和焦?fàn)t氣為燃料，對(duì)用戶關(guān)心的氣耗率和度電成本進(jìn)行計(jì)算。

1.1 以天然氣為燃料

(1)

式中：ACNG為燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下的天然氣氣耗率，m3/(kW·h)；QCNG為燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下的熱耗率，8 470 kJ/(kW·h)；qCNG為天然氣低熱值；ηG為發(fā)電機(jī)效率97.6%。

BCNG=ACNGPCNG

(2)

式中：BCNG為燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下的天然氣度電成本，元/(kW·h)；PCNG為天然氣價(jià)格。

采用西氣東輸中天然氣的數(shù)據(jù)，低熱值為33 812 kJ/m3，價(jià)格為2.8 元/m3，得到燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下天然氣氣耗率為0.257 m3/(kW·h)，度電成本為0.720 元/(kW·h)。

1.2 以焦?fàn)t氣為燃料

(3)

式中：ACOV燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下的焦?fàn)t氣氣耗率，m3/(kW·h)；QCOV為燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下的熱耗率9 351 kJ/(kW·h)；qCOV為焦?fàn)t氣低熱值；ηG為發(fā)電機(jī)效率97.6%。

BCOV=ACOVPCOV

(4)

式中：BCOV為燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下的焦?fàn)t氣度電成本，元/(kW·h)；PCOV為焦?fàn)t氣價(jià)格。

采用焦?fàn)t氣3次抽樣檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值，低熱值為16 413 kJ/m3，價(jià)格取0.6 元/m3，得到燃?xì)廨啓C(jī)額定功率下焦?fàn)t氣氣耗率為0.584 m3/(kW·h)，度電成本為0.350 元/(kW·h)。

2 燃料

2.1 天然氣

天然氣是以石蠟族低分子飽和烴為主的烴類氣體和少量非烴類氣體組成的混合氣體，是一種一次性、不可再生的礦物能源。在組成天然氣的組分中，甲烷占絕大部分，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的含量不多。戊烷以上組分基本不含，或含量很少。另外，天然氣中還含有少量的非烴類氣體，如H2S、CO2等。天然氣是多種氣體組成的混合氣體，其組分和組成無(wú)定值。本文使用西氣東輸?shù)奶烊粴鈹?shù)據(jù)，質(zhì)量指標(biāo)和組分見(jiàn)表1和表2。

表1 天然氣質(zhì)量指標(biāo)

表2 天然氣組分的摩爾百分?jǐn)?shù)

2.2 焦?fàn)t氣

焦?fàn)t氣是指用幾種煙煤配制成的煉焦用煤在煉焦?fàn)t中經(jīng)過(guò)高溫干餾產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時(shí)所產(chǎn)生的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。焦?fàn)t氣是混合物，其產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)量和焦化過(guò)程條件不同而有所差別，其主要成分為氫氣和甲烷。本文使用焦?fàn)t氣的3次抽樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，熱值及組分抽樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 焦?fàn)t氣組分體積百分比及低熱值

3 噴嘴

3.1 天然氣噴嘴

天然氣噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有一個(gè)中心噴孔和12個(gè)沿外環(huán)均布的噴孔，孔直徑均為2.65 mm。

圖1 天然氣噴嘴

3.2 華白數(shù)

華白數(shù)定義為燃料低熱值與相對(duì)密度的平方根之比，即：

(5)

式中：V為燃料低熱值，kJ/m3；S為燃料密度與空氣密度的比值。

空氣密度為1.29 kg/m3。天然氣低熱值為33 812 kJ/m3，密度為0.698 2 kg/m3，按式(5)計(jì)算華白數(shù)為10 995；焦?fàn)t氣低熱值為16 413 kJ/m3，密度為0.515 kg/m3，按式(5)計(jì)算華白數(shù)為6 214。

3.3 焦?fàn)t氣噴嘴設(shè)計(jì)方案

天然氣與焦?fàn)t氣的華白數(shù)相差較大，表明在相同的噴嘴與供氣壓力條件下，焦?fàn)t氣的熱負(fù)荷小，可以適度增加噴嘴的燃料孔徑，使其適應(yīng)焦?fàn)t氣，同時(shí)接近天然氣的熱負(fù)荷。據(jù)此提出了四種噴嘴結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比燃燒性能確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

噴嘴A結(jié)構(gòu)如圖2所示，在頭部中心位置開有一燃料孔，燃料孔徑為 3.9 mm，以防止近噴嘴處的回流和燒蝕；噴嘴B結(jié)構(gòu)如圖3所示，在頭部噴嘴中心位置無(wú)燃料孔，僅保留了周向均布的 12 個(gè)燃料孔；噴嘴 C在噴嘴 A 基礎(chǔ)上，減小10%燃料孔徑，燃料孔徑為 3.5 mm ；噴嘴D在噴嘴 A 基礎(chǔ)上，增大10%燃料孔徑，燃料孔徑為4.3 mm。

圖2 噴嘴A結(jié)構(gòu)圖

圖3 噴嘴B結(jié)構(gòu)圖

4 燃燒特性的評(píng)價(jià)方法

4.1 出口溫度場(chǎng)均勻性

燃燒室出口溫度分布對(duì)渦輪葉片的壽命具有很大的影響。

燃燒室出口溫度周向分布系數(shù)定義為燃燒室出口截面內(nèi)的最高燃?xì)饪倻嘏c燃?xì)馄骄倻刂钆c燃燒室溫升的比值，即：

(6)

式中：OTDF為燃燒室出口溫度周向分布系數(shù)；Tt4,max為燃燒室出口截面內(nèi)的最高燃?xì)饪倻兀籘t4為燃燒室出口截面內(nèi)燃?xì)馄骄倻兀籘t3為燃燒室進(jìn)口空氣平均總溫。

燃燒室出口溫度徑向分布系數(shù)定義為燃燒室出口截面同一半徑上各點(diǎn)總溫按周向取算術(shù)平均值后求得的最高平均徑向總溫與出口平均總溫之差與燃燒室溫升的比值，即：

(7)

式中：RTDF為燃燒室出口溫度徑向分布系數(shù)；Tt4,max-R為燃燒室出口截面同一半徑上各點(diǎn)總溫按周向取算術(shù)平均值后求得的最高平均徑向總溫。

4.2 總壓損失系數(shù)

燃燒室總壓損失大小會(huì)影響燃料消耗率，每增加1%的總壓損失會(huì)引起單位燃料消耗率提高0.5%，但隨著燃燒室性能的提升，擴(kuò)壓器進(jìn)口的空氣流速不斷增大，總壓損失也會(huì)相應(yīng)提高。此外，總壓損失過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。燃燒室總壓損失在6%以內(nèi)是可以接受的。

總壓損失系數(shù)定義為進(jìn)口總壓和出口總壓差值與進(jìn)口總壓的比值，即：

(8)

式中：TPL為總壓損失系數(shù)；Ptotal,3為燃燒室進(jìn)口的總壓；Ptotal,4為燃燒室出口的總壓。

5 模型搭建

5.1 燃燒系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)

燃燒系統(tǒng)為環(huán)管型燃燒室，共16個(gè)周向均勻分布的火焰筒，總長(zhǎng)約760 mm，外徑約1 255 mm。16個(gè)火焰筒的環(huán)形分布見(jiàn)圖4，單個(gè)火焰筒在燃?xì)廨啓C(jī)上安裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，火焰筒的實(shí)物照片見(jiàn)圖6。

圖4 16個(gè)火焰筒的環(huán)形布局

圖5 單個(gè)火焰筒的安裝結(jié)構(gòu)

圖6 火焰筒實(shí)物照片

5.2 燃燒系統(tǒng)的計(jì)算模型

考慮到16個(gè)火焰筒具有明顯的周期性特征，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，取其1/16建立計(jì)算模型。

在數(shù)值計(jì)算中，數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確度很大程度上依賴于物理模型的網(wǎng)格精度，網(wǎng)格劃分是數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。文獻(xiàn)針對(duì)燃燒室進(jìn)行了網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的研究，發(fā)現(xiàn)在相同網(wǎng)格下采用準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格和完全非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格時(shí)結(jié)果存在差異[4]。研究表明，仿真計(jì)算中采用的網(wǎng)格形式對(duì)燃燒室內(nèi)的流形影響不大，但對(duì)速度、壓力、湍流量、各組分濃度分布和溫度場(chǎng)分布有明顯影響，特別是燃燒室出口的溫度分布水平和高溫區(qū)分布輪廓受網(wǎng)格形式影響較大，采用準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)獲得的燃燒室出口溫度分布系數(shù)與實(shí)際較為接近。

如圖7所示，計(jì)算模型采用6面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)尺寸較小的幾何型面、頭部旋流器附近以及大梯度變化區(qū)域進(jìn)行加密，以充分反映固體邊界并滿足壁面處理要求，最后確定網(wǎng)格數(shù)約為2 300 萬(wàn)。

圖7 用于計(jì)算的網(wǎng)格分布

6 計(jì)算分析

6.1 計(jì)算方法

使用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。所有三維數(shù)值模擬研究均采用穩(wěn)態(tài)、基于壓力的SIMPLE算法，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，離散格式均為二階迎風(fēng)，燃燒模型選用FGM模型，化學(xué)組分機(jī)理選用GRI3.0機(jī)理。

6.2 邊界條件

在數(shù)值模型中，空氣和焦?fàn)t氣的入口均采用質(zhì)量入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，固體壁面采用無(wú)滑移絕熱壁面，忽略輻射換熱的影響。燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率為22 900 kW時(shí)，燃燒室入口的空氣參數(shù)及相應(yīng)的焦?fàn)t氣流量見(jiàn)表4。

表4 模擬計(jì)算的邊界條件

6.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)A、B、C、D進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)稱面溫度分布云圖見(jiàn)圖8(a)～8(d)，出口溫度分布見(jiàn)圖9(a)～9(d)，燃燒性能見(jiàn)表5。

(a) 噴嘴結(jié)構(gòu)A的出口溫度分布

(a) 噴嘴結(jié)構(gòu)A的對(duì)稱面溫度分布云圖

表5 燃燒性能

7 結(jié)論

(1) 對(duì)稱面溫度分布云圖表明，噴嘴A、B的高溫區(qū)相對(duì)靠前，并且貼近壁面，有燒蝕噴嘴和火焰筒前壁的風(fēng)險(xiǎn)，而噴嘴C、D的高溫區(qū)相對(duì)靠后，并且遠(yuǎn)離壁面。

(2) 將噴嘴A 即燃料孔徑為 3.9 mm的中心噴孔堵住，得到噴嘴B，具有更好的OTDF和RTDF。

(3) 噴嘴C、A、D的燃料孔徑從 3.5 mm 增大到 4.3 mm，OTDF和RTDF有減小的趨勢(shì)。

(4) 噴嘴D的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果除OTDF外，基本接近原天然氣噴嘴的燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表5)。

(5) 經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比分析，燃?xì)廨啓C(jī)以焦?fàn)t氣為燃料時(shí)，使用噴嘴D要好一些。