燃氣輪機進氣噴霧冷卻下層流火焰的特性

高 飛，牛長軍，朱家英，劉綜緒，王 坤

（1.國電投周口燃氣熱電有限公司，河南 周口 466200；2.河南九域恩湃電力技術有限公司，鄭州 450000；3.東北大學 冶金學院，沈陽110819 ）

燃氣發電是電力、鋼鐵工業清潔、高效利用燃氣、煤氣資源的有力途徑，燃氣—蒸汽聯合循環發電機組中燃氣輪機發電效率與其配套的壓氣機空氣進口溫度密切相關［1］.當環境溫度高時，將進口助燃空氣溫度降低是減小能耗的關鍵措施.燃氣輪機進口空氣冷卻分直接冷卻和間接冷卻兩種方式.分析比較現有冷卻技術，水膜式冷卻加大了進氣的阻力，間接冷卻裝置具有設備復雜、成本高的缺點［2-3］；噴霧冷卻系統相對簡單，運維較為方便，投資小，冷卻效率高，是目前被廣泛采用的一種燃機進氣冷卻方法.300 MW 機組加裝噴霧冷卻裝備后，可使空氣進口溫度降低6 K 左右，對應燃氣輪機出力（輸出功率）提高約4.8 MW［4］；漣鋼對能源總廠1＃和3＃燃機空氣進氣進行噴霧冷卻改造，冷卻后助燃空氣溫度下降5～10 K，對應燃機出力提高超過2.8 MW［5-6］.

燃氣輪機采用噴霧冷卻技術勢必會增加燃燒室進口壓縮空氣的濕度，而助燃空氣中H2O 體積分數對火焰傳播速度、火焰溫度、燃燒尾氣排放中NOx體積分數等有很大的影響.層流火焰傳播速度能夠呈現火焰特性，是表明燃燒進行程度的基礎物理量，對此深入研究可以揭示高H2O 體積分數下燃氣輪機燃燒室內的火焰傳播機理及特征.Meng 等［7］進行了富氧H2O 氛圍下CO 和H2混合可燃氣體層流火焰傳播速度的研究，發現隨著H2O 體積分數升高，當可燃氣中φ（H2）≥15%時，火焰溫度和傳播速度降低；Xu 等［8］采用實驗和數值計算相結合的手段研究了H2O 和CO2稀釋劑作用下合成氣燃燒的火焰特性，H2O 的加入使得燃燒過程中火焰的溫度及尺寸均出現不同程度的下降；Ren 等［9］探究了N2，CO2，H2O 稀釋劑對CH4預混火焰特性的影響規律，發現添加不同類型稀釋劑后CH4燃燒速度和絕熱火焰溫度均降低，并且CO2稀釋劑的作用效果最明顯.高溫、高壓下助燃空氣與燃料在燃氣輪機燃燒室中的燃燒方式以預混燃燒為主，當采用霧化冷卻技術時，混合氣中H2O 體積分數對火焰燃燒特性影響規律的基礎數據相對匱乏.

本文中建立了高溫、高壓、濕空氣條件下的預混燃燒模型，研究了在不同化學當量比、溫度和壓力下，H2O 體積分數對層流火焰傳播速度、火焰溫度、燃燒產物分布的影響，對燃氣輪機進氣霧化技術參數選擇及燃料燃燒性能改進有重要的理論意義.

1 模型建立和驗證

1.1 模型建立

本研究選用的燃料為燃氣輪機廣泛應用的氣體燃料CH4，基于飽和濕空氣性質，混合氣中H2O體積分數為0～8%，混合氣溫度為520～610 K，壓力為1.7～2.5 MPa.圖1 給出了研究采用的基于Chemkin 軟件包中的PREMIX 計算模型，其中計算區域為0～10 cm，在燃燒區中發生強烈燃燒反應，燃燒反應物快速轉變為燃燒產物，計算網格數為400 個，梯度為0.01，彎曲為0.02.

圖1 層流預混燃燒模型Fig.1 Laminar premixed flame of model

數學模型控制方程如下所示［10］.

邊界條件如下所示.

式中：qm為質量流量，kg／s；ρ為密度，kg／m3；A為通道面積，m2；v為速度，m／s；T為溫度，K；Tu為未燃溫度，K；l為長度，m；k為組分個數；cp為定壓比熱容，kJ／（kg·K）；wk為第k 種組分的質量分數，%；w0為初始質量分數，%；vk為第k種組分的擴散速度，m／s；ν·k為第k種組分的反應速率，mol／（L·s）；λ為導熱系數，W／（m·K）；Mk為第k種組分的摩爾質量，g／mol；Hk為第k種組分的比焓，J／mol；為混合氣體平均摩爾質量，g／mol；p為壓力，Pa；R為通用氣體常數，取值8.314 J／（mol·K）.

1.2 模型驗證

模型結果和文獻［11］中測量的實驗結果對比，如圖2 所示.其中工況1 初始參數為混合氣溫度473 K，壓力0.1 MPa，O2體積分數21%；工況2 初始參數為混合氣溫度373 K，壓力0.1 MPa，O2體積分數50%.圖中縱坐標為有H2O 時火焰傳播速度與無H2O 時火焰傳播速度的比值.當H2O 體積分數升高時，模型計算結果和文獻中實驗結果得到的火焰傳播速度的變化趨勢相同，均出現降低現象.本文中使用的GRI-Mech 3.0模型計算出的結果很好地切合了文獻中給出的實驗結果，且誤差范圍在±5%之內.

圖2 模型計算值和實驗值對比Fig.2 Comparison between the calculated and experimental values

2 結果分析和討論

2.1 火焰傳播速度

圖3 為不同化學當量比下混合氣的H2O 體積分數、溫度及壓力對火焰傳播速度的影響.由圖3（a）可知，火焰傳播速度隨混合氣中H2O 體積分數升高而減小，且近似為線性減小規律.當化學當量比為1.0 時，層流火焰傳播速度由H2O 體積分數為0 時的31.09 cm／s 減小到H2O 體積分數為8%時的22.04cm／s，減少率為29.11%；當化學當量比為0.8 和0.6 時，火焰傳播速度減少率分別為31.27%和33.44%，說明空氣過量時，H2O 的影響作用減弱.混合氣中H2O 影響H2O＋O?OH＋OH 基元反應，會消耗O 自由基，使得基元反應CH4＋O?CH3＋OH 降低了對可燃物的消耗［9，12］.此外，H2O 可作為燃燒過程中的稀釋劑，具有較強的吸熱作用，當H2O 體積分數過高時，火焰穩定性減弱，易出現熄火現象.由圖3（b）可知，混合氣的溫度升高，火焰傳播速度隨之加快.這是因為一方面混合氣溫度升高，帶入燃燒室的物理熱增大，理論燃燒溫度得以提高；另一方面，火焰溫度升高將產生更多的活性自由基，激起鏈式燃燒的發生.混合氣溫度升高對提高燃燒效率及火焰溫度均有積極的作用.由圖3（c）可知，混合氣的壓力增大，火焰傳播速度隨之減小，這是因為壓力會影響燃燒反應的級數及活化能的數值，隨著壓力的升高，CH4燃燒的活化能增大.以上結果表明，當采用進氣霧化冷卻技術時，可適當提高燃燒室中擴散燃燒所占比例，從而穩定燃燒工況.

圖3 初始狀態對火焰傳播速度的影響Fig.3 Laminar flame speeds at different initial states of mixture gas

2.2 火焰溫度

圖4 展示了化學當量比為1 時預混火焰溫度及產物中NOx體積分數隨H2O 體積分數的變化.隨著H2O 體積分數的升高，火焰溫度出現明顯降低，且當φ（H2O）≥2%時，對火焰溫度的影響作用加大，火焰溫度由H2O體積分數為0時的2398.89K降至H2O體積分數為8%時的1848.09K，下降率為22.96%.H2O 對火焰溫度的影響作用分為化學反應作用、稀釋作用、輻射作用和熱力學作用，其中化學反應作用促進CO 轉變為CO2，反應放熱使火焰溫度升高，但是其余三個作用均會導致火焰溫度下降，且作用效果由大到小為稀釋、輻射、化學反應和熱力學［13］.火焰溫度的降低導致尾氣排放中NOx體積分數的降低，由H2O 體積分數為0 時的0.225%減小到H2O 體積分數為8%時的0.000 005%.這是因為燃氣輪機采用CH4作為燃料時，氮氧化物生成的類型僅為熱力型，當溫度降低時其生成量隨之急劇減小.

圖4 火焰溫度和尾氣排放中NOx 隨H2O體積分數的變化Fig.4 Changes of flame temperature and NOx mole ratio with H2O volume fraction

2.3 產物分布和敏感性分析

圖5 展示了化學當量比為1 時不同H2O 體積分數下燃燒產物中O，H，OH 自由基體積分數沿火焰長度（l）方向的變化.燃燒區活性自由基對可燃物分子的撞擊是決定燃燒的關鍵［14］.隨著H2O 體積分數的升高，O，H，OH 自由基的體積分數均出現明顯下降.當H2O 體積分數為8%時，O，H，OH 自由基體積分數最大值相比于H2O 體積分數為0 時的最大值下降率分別為51.39%，39.45%和26.08%.高體積分數的H2O 會嚴重抑制O，H，OH 自由基的生成，降低燃燒速率；但是隨著H2O 體積分數的升高，OH 自由基在三種自由基中所占的比例升高.當l＝5 cm 時，H2O 體積分數為8%時的OH 自由基相比于H2O 體積分數為0 時所占比例由54.21%上升至57.50%，這會強化OH 自由基參與的基元反應，影響可燃物燃燒的路徑和歷程.

圖5 H，O，OH 自由基體積分數沿火焰長度方向的變化Fig.5 Changes of-H，-O and-OH along the length of flame

為了確定自由基體積分數變化對火焰傳播速度影響的程度，在H2O 體積分數分別為0，3%和8%時進行傳播速度的敏感性測算（見圖6），揭示H2O 對燃燒反應過程中的中間產物、自由基及基元反應等參數的作用規律，分析式如下：

圖6 敏感性系數計算結果Fig.6 The results of sensitivity coefficient

式中：cj為第j種組分的摩爾濃度，mol／L；為一階敏感性系數；l為長度，m；t為時間，s.

H2O 存在時對火焰傳播速度影響大的基元反應依次包括H＋O2?O＋OH（R38），H＋CH3＋M?CH4＋M（R52），HO2＋CH3?OH ＋CH3O（R119），OH＋HO2?O2＋H2O（R287）和OH＋CO?H＋CO2（R99），其中R38 基元反應對火焰傳播速度作用效果最明顯，可促進自由基生成和鏈式反應的發生，但高H2O 體積分數下促進效果減弱，且隨著H2O 體積分數的升高，OH 自由基體積分數急劇降低，導致其參與基元反應的燃燒速率降低；在所有基元反應中R52 對抑制燃燒反應的效果最佳，且H2O 體積分數越高，其作用效果越明顯.

3 結論

（1）采用燃氣輪機進氣霧化冷卻后燃燒室中預混火焰傳播速度會降低，當化學當量比為1.0時，火焰傳播速度由H2O 體積分數為0 時的31.09 cm／s 減小到H2O 體積分數為8%時的22.04 cm／s，減少率為29.11%；采用進氣霧化冷卻技術時，可適當提高燃燒室中擴散燃燒所占比例，從而穩定燃燒工況.

（2）當φ（H2O）≥2%時，其對火焰溫度有明顯降低效果，火焰溫度由H2O 體積分數為0時的2398.89K降至H2O體積分數為8%時的1848.09K.

（3）高體積分數的H2O 嚴重制約O，H，OH自由基的生成，R38 基元反應在高H2O 體積分數下對增進自由基生成和鏈式反應發生的作用減弱，降低了層流火焰傳播速度.