第29卷第4期2009年4月Journal of Power Eno te動(dòng)力gineeringApr,2009文章編號(hào):10006761(2009)04033005中圖分類號(hào):TK473.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A學(xué)科分類號(hào):470.30燃?xì)廨啓C(jī)低熱值合成氣燃燒室內(nèi)維湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬研究趙曉燕,李祥晟,豐鎮(zhèn)平(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,西安71009)摘要:對(duì)GE-F101型工業(yè)燃?xì)廨嗚画h(huán)形燃燒室燃用甲烷和低熱值合成氣的燃燒性能進(jìn)行了數(shù)值研究,采用標(biāo)準(zhǔn)kε湍流模型和渦耗散湍流燃燒模型對(duì)燃燒室在不冏燃料條件下的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、溫度分布、火焰結(jié)構(gòu)及NO,分布進(jìn)行了分析與比較;在此基礎(chǔ)上對(duì)原燃燒室進(jìn)行了一些改造.結(jié)果粳明:隨著燃料熱值的降低,燃料射流速度增大,燃料和空氣的混合程度減弱,燃燒穩(wěn)定性降低,燃燒室內(nèi)最高溫度降低,NO,排放量減少;通過增大燃料噴嘴口徑和增加旋流器的旋流數(shù),可在一定程度上改善燃燒室內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)燃料和空氣的混合程度,因而提高了燃燒穩(wěn)定性關(guān)鍵詞:燃?xì)廨啓C(jī);燃燒室;改造;低熱值合成氣;燃燒穩(wěn)定性;數(shù)值模擬Numerical Simulation Research on three Dimensional Turbulence Flowin a Gas turbine Combustor Burning Low Heat Value SyngasZHAO Xiaoyan, LI Xiang-sheng, FENG Zhen-ping(Institute of Turbomachinery, Xi'an Jiaotong University Xi'an 710049, China)Abstract: Combustion performance of an annular combustor of GE- F101 gas turbine burning and low heatalue synthetic gas was studied numerically. The standard ke turbulence model and the eddy-dispassionturbulence combustion model were applied to simulate numerically the flow characteristics in thecombustor burning different fuels. Combustor flow field, temperature contours, flame structure and NO,distribution were analyzed and compared. Based on above research, the original combustor was retrofittedin some way. Results show that with the reduction of heat value of the fuel, the injection velocity of thefuel increases, the mixing extent of fuel with air reduces, which lead to the reduction of the combustionstability, the decreasing of the highest temperature inside the combustor and the diminishing of the NOxemission. By increasing the diameter of fuel nozzles and the swirl number, the flow structure in thecombustor can be improved in some extent, thus the mixing extent of fuel with air enhances resulting inKey words: gas turbine; combustor; retrofitting; low heat value syngas; combustion stability numericalsimulation中國(guó)煤化工收稿日期:200807-16修訂日期:2008-1014基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007CB210107CNMHG電話(TeL):0298263195,13572924384; E-mail: xyzhao@stu, xjtu, eou e模擬方面的研究作者簡(jiǎn)介:趙曉燕(1983-),女,山西平遙人碩士研究生,主要從事燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室數(shù)值趙曉燕,等:然氣輪機(jī)低熱值合威氣燃燒室內(nèi)三維湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬研究釆用低熱值合成煤氣作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料的研究中期開始對(duì)超低熱值燃料利用技術(shù)進(jìn)行研究,并且具有很重要的意義,國(guó)外在低熱值燃料的研究和應(yīng)已將相關(guān)研究成果應(yīng)用到實(shí)際中;日本等國(guó)家在超用方面開展較早,從20世紀(jì)90年代開始,作為產(chǎn)煤低熱值氣體燃料利用技術(shù)的研究方面也獲得了很大大國(guó)的美國(guó)和澳大利亞,就已開始了對(duì)低熱值氣體的進(jìn)展2.筆者采用 Fluent軟件,對(duì)GEF101型工燃料應(yīng)用的研究工作.美國(guó)西北燃料公司在1995年業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室在燃燒室出口溫度一定的條前后研制了采用煤礦通風(fēng)瓦斯作為燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電的件下燃用甲烷和低熱值合成煤氣的燃燒性能進(jìn)行了小型(250kW)燃?xì)廨啓C(jī);澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院數(shù)值研究和對(duì)比分析,并對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、溫度分布、火CISRO已經(jīng)成功研制了1臺(tái)應(yīng)用于Appn煤礦現(xiàn)焰結(jié)構(gòu)及NO,分布等進(jìn)行了比較,在此基礎(chǔ)上對(duì)燃場(chǎng)的低濃度甲烷燃?xì)廨啓C(jī);瑞典 Gothenberg燒室進(jìn)行了一定程度的改造.筆者所采用的甲烷和OLvO電廠和加拿大 Nova Scotia煤礦在90年代低熱值合成煤氣的成分和熱值示于表表1合成氣的成分和熱值Tab. 1 Components and heat value of syngas燃?xì)獬煞?%原料低位熱值N2 CnH甲烷35.906混合發(fā)生爐煤氣2.3531.66.22高爐煤氣29.142.11甘蔗莖氣化氣0.017.60.01計(jì)算模型與數(shù)值模擬方法式中:P為氣體密度;為通用變量,分別代表速度a、v、t,湍動(dòng)能k、e,焓H及混合分?jǐn)?shù)Y;F,為湍流1.1計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分輸運(yùn)系數(shù);S。為源項(xiàng)考慮到計(jì)算形體的復(fù)雜性及結(jié)構(gòu)的相似性,按1.2.2燃燒模型整個(gè)環(huán)形燃燒室的1/20比例進(jìn)行建模網(wǎng)格劃分應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒過程基本都處于湍流用 Fluent前處理器 Gambit進(jìn)行,采用分塊結(jié)構(gòu)化燃燒狀態(tài)在湍流燃燒中,湍流流動(dòng)過程和化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)格,在徑向和軸向均為非均勻網(wǎng)格,所采用的計(jì)算過程有著強(qiáng)烈的相互關(guān)聯(lián)和相互影響,湍流通過強(qiáng)形體及其網(wǎng)格示于圖1.化混合影響著時(shí)均化學(xué)反應(yīng)速率,同時(shí)化學(xué)反應(yīng)放熱過程又影響著湍流6.通常的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包含了幾十種組分和幾百個(gè)基元反應(yīng),而且這些組分之間的反應(yīng)時(shí)間尺度相差很大,雖然直接模擬(DNS)可以揭示燃燒場(chǎng)的瞬態(tài)過程,但其巨大的存儲(chǔ)和求解過程中的計(jì)算量是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)難以承受的,且離工程應(yīng)用尚有一定距離.因此采用合理、經(jīng)圖1燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分濟(jì)且適用于工程應(yīng)用的旋流燃燒模型是數(shù)值模擬的Fg1 Combustor geometric structure and its grid generation關(guān)鍵.本文燃燒模擬方法釆用紊流燃燒關(guān)聯(lián)矩模1.2數(shù)值模擬方法型,其計(jì)算量能夠適合當(dāng)前的計(jì)算條件,計(jì)算分析能1.2.1基本控制方程夠滿足工業(yè)分析及研究的要求本文中采用的關(guān)聯(lián)所研究的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室三維熱態(tài)數(shù)值模擬為矩模型為 Magnussen提出的渦團(tuán)耗散模型(Edy柱坐標(biāo)系下的三維湍流流動(dòng)問題其基本方程可用 Dissipation Model,),模型認(rèn)為反應(yīng)速率由湍流控如下的柱坐標(biāo)系非線性偏微分守恒型方程表示:制避開了代價(jià)高昂的 Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算(rpa)+】此時(shí),組的應(yīng)湎面始昕有K個(gè)反應(yīng)中組分i的凈中國(guó)煤化工(rb"a2)+133+CNMHG(2)R.取下列兩式中的最小值:第29卷Ri,=4v Mw.p k minYR(4)式中:R,為反應(yīng)r中i的凈生成率;M為組分i的相對(duì)分子質(zhì)量;v…為反應(yīng)物的化學(xué)當(dāng)量系數(shù);v為生成物的化學(xué)當(dāng)量系數(shù);N為生成物總個(gè)數(shù);Y為(a)文獻(xiàn)[9]組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2.3NO,生成模型NO4主要由 NO(nitric oxide)組成,此外還包括少量的NO2和N2O.本次計(jì)算考慮了熱力型NO,生成機(jī)理( Thermal No, Zeldovich機(jī)理)和快速型NO,生成機(jī)理( Prompt NO, Fenimore機(jī)理)1.3邊界條件(b)本文1.3.1入口邊界條件圖2燃料為甲烷時(shí),燃燒室縱截面的溫度分布給定燃料噴嘴進(jìn)口處的壓力、燃料和空氣的進(jìn)Fig 2 Temperature contours in the longitudinal cross-section of口溫度;給定燃料的流量和空氣在各主燃孔、稀釋the combustor with fuel of methane孔、冷卻孔等的流量.釆用不同熱值的燃料時(shí),空氣的流量和燃燒室出口平均溫度恒定,而燃料的流量1.3.2出口邊界條件出口邊界為自由出流邊界( outflow),除滿足流量連續(xù)的條件外,無任何附加限制條件1.3.3壁面條件圖3燃料為甲烷時(shí)燃燒室混孔的進(jìn)氣流線圖燃燒室壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),為無滑移、不滲Fig 3 Flow streamlines from dilution air inlets in透的固體壁面,在壁面處,徑向和法向速度為零,湍combustor with fuel of methane流參數(shù)也為零;濃度和濃度脈動(dòng)均方值的法向梯度圖4(a)為燃用甲烷時(shí)燃燒室縱截面的流線分也為零布,甲烷與從旋流器和主燃孔進(jìn)來的空氣相互作用,1.3.4周期性邊界條件在火焰筒頭部產(chǎn)生回流區(qū),使燃料和空氣充分混合;在計(jì)算區(qū)域周向方向的2個(gè)邊界是周期性邊而由于合成氣的熱值比較低,為獲得相同燃燒室界,對(duì)任意變量∮作如下處理口溫度,需要更大的燃料流量,采用與燃燒甲烷相同5=中,=5+1(5)的幾何結(jié)構(gòu),在相同的空氣流量條件下,燃燒室內(nèi)的2計(jì)算結(jié)果分析與比較流動(dòng)結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生很大變化.如圖4(b)和圖4(c)所示,隨著燃料熱值的降低,所需燃料流量增大,燃料圖2分別給出了文獻(xiàn)[9]和本文中燃料為甲烷時(shí)燃燒室縱截面的溫度分布情況.比較兩圖可以看到燃燒均主要集中在一次進(jìn)氣區(qū),第1個(gè)位于上筒壁的主燃孔成功地將火焰阻斷,下筒壁的阻燃孔和下游的摻混孔也均起到了作用;而兩圖中所表現(xiàn)出的摻混程度的不同是由于進(jìn)氣速度不同造成的.通(a)燃用甲烷過對(duì)比可知,本文數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可信2.I不同熱值的燃料對(duì)流場(chǎng)的影響中國(guó)煤化工e圖3給出了燃用甲烷時(shí)燃燒室主燃孔、摻混孔CNMHG的進(jìn)氣流線分布,從圖可以看出:通過主燃孔、摻混孔的進(jìn)氣有很大的穿透深度,具有很強(qiáng)的摻混作用(b)燃用混合發(fā)生爐煤氣第4期趙曉燕,等:燃?xì)廨啓C(jī)低熱值合成氣燃燒室內(nèi)三維湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬研究333濕度K(c)燃用高爐煤氣圖4燃燒室縱截面的流線分布ection入口速度也顯著增大,通過主燃孔、摻混孔的進(jìn)氣的(b)燃用混合發(fā)生爐煤氣摻混作用越來越不明顯溫度K2.2不同熱值的燃料對(duì)溫度場(chǎng)的影響圖5給出了燃用甲烷時(shí)燃燒室橫截面上的溫度分布,其在主燃區(qū)和高溫區(qū)的分布非常規(guī)則,火焰為中心溫度低而外圍溫度高,由于上筒璧中心射流的影響,火焰被阻斷,高溫氣體向兩側(cè)變形,在燃燒室出口處的溫度分布已趨于均勻(c)燃用高爐煤氣圖6燃用不同燃料時(shí)燃燒室縱截面上的溫度分布g 6 Temperature contours in the longitudinal cross-sectionof combustor with different kinds of fuels表2燃用不同燃料時(shí)燃燒室內(nèi)最高溫度及出口的NO4排Tab. 2 The highest temperature and NO, emission content in圖5燃用甲烷時(shí)燃燒室橫截面上的溫度分布exit of combustor with different kinds of fuelsig. 5 Temperature contours in the lateral section in甲烷混合發(fā)生爐煤氣高爐煤氣combustor with fuel of methane室內(nèi)最高溫度/K24292142圖6(a)給出了燃用甲烷時(shí)燃燒室縱截面的溫出口NO,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.375e041.36045.644e06度分布,從圖中可以看到:燃燒主要集中在一次進(jìn)氣區(qū),第1個(gè)位于上筒壁的主燃孔成功地將火焰阻斷NO分布.比較對(duì)應(yīng)截面的溫度分布可知:在縱截下筒壁的阻燃孔和下游的摻混孔也起到了作用;圖面上NO富積區(qū)域與高溫區(qū)域相一致,表明了NO6(b)和圖6()分別為燃用混合發(fā)生爐煤氣和高爐生成與燃燒溫度的強(qiáng)烈依賴關(guān)系;并且通過比較燃煤氣時(shí)燃燒室縱截面的溫度分布,從圖中可以看到:用不同燃料時(shí)燃燒室出口處NO.的排放量(表2)隨著熱值的降低,臺(tái)階縫射流的作用越來越不明顯,可知:隨著熱值的降低,燃燒室的最高溫度降低,高溫燃?xì)庠诔隹谔幹苯記_到了下筒壁上.表2給出NO,排放量減少,這是因?yàn)槿紵业腘O,排放主了燃用不同燃料時(shí)燃燒室內(nèi)最高溫度,由表2可知;要受熱力型NO.生成機(jī)理控制,其生成速度很大程隨著燃料熱值的降低燃燒室內(nèi)最高溫度也降低.度上依賴于溫度而非燃料的種類0.2.3不同熱值的燃料對(duì)NO分布和排放量的影響圖7給出了燃用不同燃料時(shí)燃燒室縱截面上的溫度K烷中國(guó)煤化工CNMHG(a)燃用甲烷(b)混合發(fā)生爐煤氣334·動(dòng)力工程第29卷的混合程度增強(qiáng),上筒壁阻燃起到了一定的作用,臺(tái)階縫的氣膜冷卻射流也將高溫區(qū)抬離了下筒壁,燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng),燃燒情況有所改善,并且出口溫度不均勻系數(shù)也大幅度降低,但缺點(diǎn)是室內(nèi)最高溫度升(c)高爐煤氣高,導(dǎo)致出口截面的NO,組分有所增加圖7燃用不同燃料時(shí)燃燒室縱截面上的NO4分布4結(jié)論Fig 7 NO, contours in the longitudinal cross-section ofbustor with different kinds of fuels筆者對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室采用不冋熱值燃料的燃燒性能進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明:隨著燃料熱3低熱值燃燒室的改造研究值的降低,燃料射流速度增大,阻燃孔失效,火焰增綜上所述,對(duì)原燃燒甲烷的燃燒室改燒低熱值長(zhǎng),導(dǎo)致燃料和空氣的混合程度減弱高溫燃?xì)庵苯雍铣蓺獾年P(guān)鍵問題在于:燃料的流速太快,通過主燃沖擊下筒壁出口,燃燒穩(wěn)定性降低.但隨著燃料熱值孔、摻混孔的進(jìn)氣的摻混作用越來越不明顯,燃料和的降低,燃燒室內(nèi)最高溫度降低,NO、排放量減少.空氣的混合程度減弱,不利于燃燒的充分進(jìn)行.對(duì)于同時(shí),筆者還對(duì)原燃燒室進(jìn)行了燃用低熱值合甘蔗莖氣化燃料由于其熱值過低,必須對(duì)燃燒室進(jìn)成氣的改造研究,結(jié)果表明:通過增大燃料噴嘴口徑行改造,才能達(dá)到額定的燃燒室出口平均溫度.為和增加旋流器的旋流數(shù),可在一定程度上改善燃燒此,筆者對(duì)原燃燒室進(jìn)行了改造數(shù)值模擬研究,主要至內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)燃料和空氣的混合程度,因而提措施是:通過增大燃料噴射孔的面積來降低燃料的高了燃燒穩(wěn)定性速度,同時(shí)增加旋流器的旋流數(shù),來增強(qiáng)燃料和空氣致謝:本文研究得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)的混合程度劃(973計(jì)劃)課題(編號(hào):2007CB210107)的資助。圖8為改造前后燃用甘蔗莖時(shí)燃燒室縱截面的參考文獻(xiàn):溫度分布圖比較圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn):改造后燃燒室內(nèi)流態(tài)結(jié)構(gòu)有了很大的改善,燃料和空氣[1]惠鑫.合成氣稀釋擴(kuò)散火焰的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究[D」北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2007:12-14度K[2] SUSHI Andrewbeath,翁一武,以礦井乏風(fēng)為燃料的催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)[C]//第三屆國(guó)際甲烷和}3氧化亞氨減排技術(shù)大會(huì),北京:中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì),3] SUS1% methane catalytic turbine system [C]//CISROExploration Mining. Queensland CISRO, 2004: 1-7.[4]寧成浩,陳貴鋒.我國(guó)煤礦低濃度瓦斯排放及利用現(xiàn)狀分析[門.能源環(huán)境保護(hù),2005,19(4):1-4,17[5]劉順隆,孟嵐,劉子亙,船用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室三維冷(a)改造前態(tài)湍流數(shù)值模擬[].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2002,溫度K[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].(第2版).西安:西安交通大學(xué)出版社,2001[7] FULLER E J, SMITH C E. Integrated CFDmodeling of gas turbine combustors[J]. AlAA, 199(2):2196-2199[8]胡珠元,羅永浩,周力行.燃料中心進(jìn)入的旋流燃燒數(shù)值模擬[].動(dòng)力工程,2007,27(1):999]徐剛,聶超群,燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒天然氣和燃燒中b)改造后中國(guó)煤化工理學(xué)報(bào),200,24圖8燃料為甘蔗莖時(shí)燃燒室縱截面的溫度分布Fig8 Temperature contours in the longitudinal cross-section [10]CNMHG機(jī)燃燒室的試驗(yàn)研fueled with sugarcane stem究[J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(17):100-105