燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究

第29卷第4期2009年4月Journal of Power Eno te动力gineeringApr,2009文章编号:10006761(2009)04033005中图分类号:TK473.2文献标识码:A学科分类号:470.30燃气轮机低热值合成气燃烧室内维湍流流动的数值模拟研究赵晓燕,李祥晟,丰镇平(西安交通大学叶轮机械研究所,西安71009)摘要:对GE-F101型工业燃气轮杌环形燃烧室燃用甲烷和低热值合成气的燃烧性能进行了数值研究,采用标准kε湍流模型和涡耗散湍流燃烧模型对燃烧室在不冏燃料条件下的流场特性进行了数值模拟,并对燃烧室内的流场结构、温度分布、火焰结构及NO,分布进行了分析与比较;在此基础上对原燃烧室进行了一些改造.结果粳明:随着燃料热值的降低,燃料射流速度增大,燃料和空气的混合程度减弱,燃烧稳定性降低,燃烧室内最高温度降低,NO,排放量减少;通过增大燃料喷嘴口径和增加旋流器的旋流数,可在一定程度上改善燃烧室内流动结构,增强燃料和空气的混合程度,因而提高了燃烧稳定性关键词:燃气轮机;燃烧室;改造;低热值合成气;燃烧稳定性;数值模拟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中国煤化工收稿日期:200807-16修订日期:2008-1014基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划资助项目(2007CB210107CNMHG电话(TeL):0298263195,13572924384; E-mail: xyzhao@stu, xjtu, eou e模拟方面的研究作者简介:赵晓燕(1983-),女,山西平遥人硕士研究生,主要从事燃气轮机燃烧室数值赵晓燕,等:然气轮机低热值合威气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究釆用低热值合成煤气作为燃气轮机燃料的研究中期开始对超低热值燃料利用技术进行研究,并且具有很重要的意义,国外在低热值燃料的研究和应已将相关研究成果应用到实际中;日本等国家在超用方面开展较早,从20世纪90年代开始,作为产煤低热值气体燃料利用技术的研究方面也获得了很大大国的美国和澳大利亚,就已开始了对低热值气体的进展2.笔者采用 Fluent软件,对GEF101型工燃料应用的研究工作.美国西北燃料公司在1995年业燃气轮机环形燃烧室在燃烧室出口温度一定的条前后研制了采用煤矿通风瓦斯作为燃气进行发电的件下燃用甲烷和低热值合成煤气的燃烧性能进行了小型(250kW)燃气轮机;澳大利亚联邦科学研究院数值研究和对比分析,并对流场结构、温度分布、火CISRO已经成功研制了1台应用于Appn煤矿现焰结构及NO,分布等进行了比较,在此基础上对燃场的低浓度甲烷燃气轮机;瑞典 Gothenberg烧室进行了一定程度的改造.笔者所采用的甲烷和OLvO电厂和加拿大 Nova Scotia煤矿在90年代低热值合成煤气的成分和热值示于表表1合成气的成分和热值Tab. 1 Components and heat value of syngas燃气成分/%原料低位热值N2 CnH甲烷35.906混合发生炉煤气2.3531.66.22高炉煤气29.142.11甘蔗茎气化气0.017.60.01计算模型与数值模拟方法式中:P为气体密度;为通用变量,分别代表速度a、v、t,湍动能k、e,焓H及混合分数Y;F,为湍流1.1计算模型及网格划分输运系数;S。为源项考虑到计算形体的复杂性及结构的相似性,按1.2.2燃烧模型整个环形燃烧室的1/20比例进行建模网格划分应燃气轮机燃烧室内的燃烧过程基本都处于湍流用 Fluent前处理器 Gambit进行,采用分块结构化燃烧状态在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应网格,在径向和轴向均为非均匀网格,所采用的计算过程有着强烈的相互关联和相互影响,湍流通过强形体及其网格示于图1.化混合影响着时均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流6.通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应,而且这些组分之间的反应时间尺度相差很大,虽然直接模拟(DNS)可以揭示燃烧场的瞬态过程,但其巨大的存储和求解过程中的计算量是现有计算机难以承受的,且离工程应用尚有一定距离.因此采用合理、经图1燃烧室几何结构及其网格划分济且适用于工程应用的旋流燃烧模型是数值模拟的Fg1 Combustor geometric structure and its grid generation关键.本文燃烧模拟方法釆用紊流燃烧关联矩模1.2数值模拟方法型,其计算量能够适合当前的计算条件,计算分析能1.2.1基本控制方程够满足工业分析及研究的要求本文中采用的关联所研究的燃气轮机燃烧室三维热态数值模拟为矩模型为 Magnussen提出的涡团耗散模型(Edy柱坐标系下的三维湍流流动问题其基本方程可用 Dissipation Model,),模型认为反应速率由湍流控如下的柱坐标系非线性偏微分守恒型方程表示:制避开了代价高昂的 Arrhenius化学动力学计算(rpa)+】此时,组的应湎面始昕有K个反应中组分i的净中国煤化工(rb"a2)+133+CNMHG(2)R.取下列两式中的最小值:第29卷Ri,=4v Mw.p k minYR(4)式中:R,为反应r中i的净生成率;M为组分i的相对分子质量;v…为反应物的化学当量系数;v为生成物的化学当量系数;N为生成物总个数;Y为(a)文献[9]组分质量分数1.2.3NO,生成模型NO4主要由 NO(nitric oxide)组成,此外还包括少量的NO2和N2O.本次计算考虑了热力型NO,生成机理( Thermal No, Zeldovich机理)和快速型NO,生成机理( Prompt NO, Fenimore机理)1.3边界条件(b)本文1.3.1入口边界条件图2燃料为甲烷时,燃烧室纵截面的温度分布给定燃料喷嘴进口处的压力、燃料和空气的进Fig 2 Temperature contours in the longitudinal cross-section of口温度;给定燃料的流量和空气在各主燃孔、稀释the combustor with fuel of methane孔、冷却孔等的流量.釆用不同热值的燃料时,空气的流量和燃烧室出口平均温度恒定,而燃料的流量1.3.2出口边界条件出口边界为自由出流边界( outflow),除满足流量连续的条件外,无任何附加限制条件1.3.3壁面条件图3燃料为甲烷时燃烧室混孔的进气流线图燃烧室壁面采用标准壁面函数,为无滑移、不渗Fig 3 Flow streamlines from dilution air inlets in透的固体壁面,在壁面处,径向和法向速度为零,湍combustor with fuel of methane流参数也为零;浓度和浓度脉动均方值的法向梯度图4(a)为燃用甲烷时燃烧室纵截面的流线分也为零布,甲烷与从旋流器和主燃孔进来的空气相互作用,1.3.4周期性边界条件在火焰筒头部产生回流区,使燃料和空气充分混合;在计算区域周向方向的2个边界是周期性边而由于合成气的热值比较低,为获得相同燃烧室界,对任意变量∮作如下处理口温度,需要更大的燃料流量,采用与燃烧甲烷相同5=中,=5+1(5)的几何结构,在相同的空气流量条件下,燃烧室内的2计算结果分析与比较流动结构将会发生很大变化.如图4(b)和图4(c)所示,随着燃料热值的降低,所需燃料流量增大,燃料图2分别给出了文献[9]和本文中燃料为甲烷时燃烧室纵截面的温度分布情况.比较两图可以看到燃烧均主要集中在一次进气区,第1个位于上筒壁的主燃孔成功地将火焰阻断,下筒壁的阻燃孔和下游的掺混孔也均起到了作用;而两图中所表现出的掺混程度的不同是由于进气速度不同造成的.通(a)燃用甲烷过对比可知,本文数值模拟的计算结果可信2.I不同热值的燃料对流场的影响中国煤化工e图3给出了燃用甲烷时燃烧室主燃孔、掺混孔CNMHG的进气流线分布,从图可以看出:通过主燃孔、掺混孔的进气有很大的穿透深度,具有很强的掺混作用(b)燃用混合发生炉煤气第4期赵晓燕,等:燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究333湿度K(c)燃用高炉煤气图4燃烧室纵截面的流线分布ection入口速度也显著增大,通过主燃孔、掺混孔的进气的(b)燃用混合发生炉煤气掺混作用越来越不明显温度K2.2不同热值的燃料对温度场的影响图5给出了燃用甲烷时燃烧室横截面上的温度分布,其在主燃区和高温区的分布非常规则,火焰为中心温度低而外围温度高,由于上筒璧中心射流的影响,火焰被阻断,高温气体向两侧变形,在燃烧室出口处的温度分布已趋于均匀(c)燃用高炉煤气图6燃用不同燃料时燃烧室纵截面上的温度分布g 6 Temperature contours in the longitudinal cross-sectionof combustor with different kinds of fuels表2燃用不同燃料时燃烧室内最高温度及出口的NO4排Tab. 2 The highest temperature and NO, emission content in图5燃用甲烷时燃烧室横截面上的温度分布exit of combustor with different kinds of fuelsig. 5 Temperature contours in the lateral section in甲烷混合发生炉煤气高炉煤气combustor with fuel of methane室内最高温度/K24292142图6(a)给出了燃用甲烷时燃烧室纵截面的温出口NO,质量分数1.375e041.36045.644e06度分布,从图中可以看到:燃烧主要集中在一次进气区,第1个位于上筒壁的主燃孔成功地将火焰阻断NO分布.比较对应截面的温度分布可知:在纵截下筒壁的阻燃孔和下游的摻混孔也起到了作用;图面上NO富积区域与高温区域相一致,表明了NO6(b)和图6()分别为燃用混合发生炉煤气和高炉生成与燃烧温度的强烈依赖关系;并且通过比较燃煤气时燃烧室纵截面的温度分布,从图中可以看到:用不同燃料时燃烧室出口处NO.的排放量(表2)随着热值的降低,台阶缝射流的作用越来越不明显,可知:随着热值的降低,燃烧室的最高温度降低,高温燃气在出口处直接冲到了下筒壁上.表2给出NO,排放量减少,这是因为燃烧室的NO,排放主了燃用不同燃料时燃烧室内最高温度,由表2可知;要受热力型NO.生成机理控制,其生成速度很大程随着燃料热值的降低燃烧室内最高温度也降低.度上依赖于温度而非燃料的种类0.2.3不同热值的燃料对NO分布和排放量的影响图7给出了燃用不同燃料时燃烧室纵截面上的温度K烷中国煤化工CNMHG(a)燃用甲烷(b)混合发生炉煤气334·动力工程第29卷的混合程度增强,上筒壁阻燃起到了一定的作用,台阶缝的气膜冷却射流也将高温区抬离了下筒壁,燃烧稳定性增强,燃烧情况有所改善,并且出口温度不均匀系数也大幅度降低,但缺点是室内最高温度升(c)高炉煤气高,导致出口截面的NO,组分有所增加图7燃用不同燃料时燃烧室纵截面上的NO4分布4结论Fig 7 NO, contours in the longitudinal cross-section ofbustor with different kinds of fuels笔者对燃气轮机环形燃烧室采用不冋热值燃料的燃烧性能进行了数值研究,结果表明:随着燃料热3低热值燃烧室的改造研究值的降低,燃料射流速度增大,阻燃孔失效,火焰增综上所述,对原燃烧甲烷的燃烧室改烧低热值长,导致燃料和空气的混合程度减弱高温燃气直接合成气的关键问题在于:燃料的流速太快,通过主燃冲击下筒壁出口,燃烧稳定性降低.但随着燃料热值孔、掺混孔的进气的掺混作用越来越不明显,燃料和的降低,燃烧室内最高温度降低,NO、排放量减少.空气的混合程度减弱,不利于燃烧的充分进行.对于同时,笔者还对原燃烧室进行了燃用低热值合甘蔗茎气化燃料由于其热值过低,必须对燃烧室进成气的改造研究,结果表明:通过增大燃料喷嘴口径行改造,才能达到额定的燃烧室出口平均温度.为和增加旋流器的旋流数,可在一定程度上改善燃烧此,笔者对原燃烧室进行了改造数值模拟研究,主要至内流动结构增强燃料和空气的混合程度,因而提措施是:通过增大燃料喷射孔的面积来降低燃料的高了燃烧稳定性速度,同时增加旋流器的旋流数,来增强燃料和空气致谢:本文研究得到国家重点基础研究发展计的混合程度划(973计划)课题(编号:2007CB210107)的資助。图8为改造前后燃用甘蔗茎时燃烧室纵截面的参考文献:温度分布图比较图8(a)和图8(b)可以发现:改造后燃烧室内流态结构有了很大的改善,燃料和空气[1]惠鑫.合成气稀释扩散火焰的实验和数值研究[D」北京:中国科学院研究生院,2007:12-14度K[2] SUSHI Andrewbeath,翁一武,以矿井乏风为燃料的催化燃烧燃气轮机的开发[C]//第三届国际甲烷和}3氧化亚氨减排技术大会,北京:中国煤炭工业协会,3] SUS1% methane catalytic turbine system [C]//CISROExploration Mining. 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