数值模拟在合成气燃气轮机燃烧室设计中的应用

采用数值模拟方法对设计燃料为天然气和柴油的某型号燃气轮机燃烧室进行了改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值的合成气。数值计算采用了涡团耗散湍流燃烧模型、可实现k-ε湍流模型和离散坐标系辐射模型,SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风插值格式。对原型燃烧室进行了数值模拟研究,分析了合成气燃料的性质,对比了燃烧天然气和合成气2种燃料时燃烧室入口参数,由此确定了燃烧室改造原则。依照改造原则对原型燃烧室进行了改造,并根据数值模拟的结果对改造方案进行了多次改进,最终得到了合适的改造方案。改造过程说明:对原先燃烧天然气的燃烧室改烧中热值合成气,基本可以不改变火焰筒的结构;燃料喷射孔的面积可以按照与原型喷嘴的燃料喷射速度相同的原则确定,但需要增加旋流器的旋流数。     

当量比对超声速燃烧室等离子体点火流场及燃烧特性影响

为了解等离子体射流点火情况下超声速燃烧室燃烧组织和燃烧性能,开展了超声速燃烧室等离子体射流点火数值模拟,调节乙烯燃料喷射压力从而改变混气当量比,分别计算了混气当量比对燃烧室燃烧效率、流场特征、壁面压力分布、燃烧产物组分分布以及总压损失的影响。研究结果表明:增大混气当量比导致燃烧效率下降;凹腔前壁面与等离子体射流之间属于燃烧反应最剧烈区域,温度最高,混气当量比从0.138增加到0.311时燃烧反应放热区增大,但凹腔内温度降低,混气当量比为0.485和0.624时燃烧反应放热区减小,凹腔下游燃烧反应主要发生在下壁面;增加混气当量比导致燃烧室上壁面压力跃升点前移且压力值变大;燃烧室总压损失主要包括燃料射流与主流形成的斜激波造成的总压损失和燃烧放热导致的总压损失,增加混气当量比气流经过燃料射流时导致的总压损失增大,但燃烧室总压损失主要由燃烧反应程度控制,燃烧反应越剧烈总压损失越大。     

三菱M701F燃气轮机单筒燃烧室内三维燃烧特性研究

针对三菱M701F天然气燃气轮机燃烧室建立全尺寸三维单筒燃烧室物理模型,兼顾主燃烧区贫预混燃烧模式和值班火焰扩散燃烧模式的组合特性,采用部分预混燃烧模型,对该单筒燃烧室内的燃烧特性进行了数值模拟研究,获得了满载荷运行工况下全尺寸燃烧室的流场、温度场和污染物分布情况;同时计算分析了不同空气过量系数下过渡段出口面最高温度、平均温度、温度分布系数OTDF以及NO_x含量的变化情况。结果表明,随着空气过量系数的增大,最高温度、平均温度及NO_x含量均逐渐下降,温度分布系数OTDF则呈逐渐上升趋势。     

微型燃气轮机燃烧室性能试验测试

设计了一种以天然气为燃料的微型燃气轮机燃烧室,并对燃烧室的燃烧性能进行了试验测试。所设计的燃烧室为单级旋流器+主燃孔的折流式单管燃烧室,采用L型燃气导管实现气流在燃烧室内的180°转角;燃料喷嘴为多孔式,2排孔的喷射角度分别为120°和90°;通过掺混孔和燃气导管冷却孔相互配合的方式来满足燃烧室出口温度场的要求。测试结果表明:在设计点燃烧室的冷、热态压力恢复系数分别为0.955、0.940;点火燃空比为0.005～0.007,具有较好的点火特性;对贫油熄火特性影响较大的因素是燃烧室入口温度,当大气温度由-30℃升至30℃时,贫油熄火燃空比由0.0026降低至0.0023;排放及燃烧效率未能达到要求,尤其是CO排放较高,体积分数达到300×10~(–6);燃烧室出口温度分布的热点指标低于0.15,满足要求,但空气流量分配不合理导致火焰筒局部温度过高。     

过量空气系数对DLN燃烧室性能影响的基本规律

进行了某重型燃气轮机(E级)燃烧室燃用天然气的试验,给出了在设计功率下过量空气系数在2.7～5.0时,燃烧室出口温度场、燃烧效率、污染物排放以及火焰筒壁温的变化趋势,以及过量空气系数对燃烧室性能影响的基本规律。随着过剩空气系数的增加,燃烧室出口温度场更均匀,NOx排放量下降,但过大的过量空气系数会导致燃烧效率下降。     

V94.2燃烧室结构特点

Siemens公司的V94.2燃气轮机的特点是具有2个筒型燃烧室,每个燃烧室有8个燃烧器,可以燃烧低热值到高热值的多种燃料。混合燃烧器还可实现干式低NOx控制及低CO排放。列出了燃烧室的技术规范,说明了燃烧室的结构和组成部件,并分析了其燃烧方式。该燃烧室的长处是使用寿命长,能抑制偶发的压力波动,燃气在透平进口温度均匀,可靠性高。     

合成气微型燃气轮机燃烧室优化设计及数值模拟

初步设计了一种以富氢合成气为燃料的微型燃气轮机燃烧室。根据相关标准及热力计算结果依次确定了燃烧室的基本几何尺寸。二次风、掺混冷却孔的位置及开孔面积和旋流燃烧器的结构等,并利用计算流体动力学软件对所设计的燃烧室的冷、热态流场,燃烧稳定性,燃烧效率和压力损失等性能进行了数值研究。计算结果表明：设计的燃烧室流场合理,燃烧稳定,燃烧效率高,压力损失小,基本上达到了设计要求。     

燃气轮机燃烧室燃烧稳定性分析

介绍了燃烧稳定的经典理论,阐述了火焰稳定性的控制方法,结合文献探讨了振荡燃烧的机理。针对某F级燃气轮机燃烧室的结构特点,从喷嘴和空气旁路两方面分析了该F级燃气轮机燃烧室的燃烧稳定性,结果表明该F级重型燃气轮机燃烧室结构能够有效保证燃烧稳定。     

某燃气轮机燃烧室燃料适应性数值研究

针对某燃气轮机燃烧室的燃料适应性进行了数值模拟，获得了以天然气和16.44、14.65、12.98 MJ/m3（标准状态）3种不同热值煤制气为燃料时的燃烧室性能，并分析了不同燃料工况下的燃烧室流场和温度场特征。结果表明:等热负荷条件下，燃烧室出口温度的均匀性随燃料热值的降低而下降，但是在一定范围内仍然能够满足要求；而在燃料供气压力不变的条件下，燃烧室热负荷随燃料热值的下降而降低，但是出口温度分布的均匀性有所改善。因此，当燃烧室改烧煤制气时，应适当降低负荷运行或对喷嘴结构进行相应调整以保证燃烧室的长时间和稳定运行。     

某重型燃气轮机燃料喷嘴组流量试验研究

概述了某重型燃气轮机燃料喷嘴组流量试验研究结果.为了测量该喷嘴组各流路供给的燃料气流量,专门研制了SH-1型气体流量试验器,其测量流量准确、稳定、重复性好,造价仅为同类设备的五分之一.应用SH-1型试验器准确地测量了喷嘴组流路Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ供气流量,分析喷嘴组加工、焊接等工艺对喷嘴组各流路流量的影响规律,在此基础上进行了火焰筒单管燃烧试验.结果表明,喷嘴组各项指标均达到设计要求,燃烧室出口温度分布系数小于10%,沿叶高径向温度分布合理.     

燃气轮机燃烧室压力对火焰辐射换热影响的模拟计算与分析

采用数值方法对燃气轮机在燃烧室油气比和进口气流温度一定时,燃烧室压力分别为0.6、1.0、1.2、1.4MPa工况下的火焰辐射换热进行模拟计算。结果表明,随着燃烧室压力增加,主燃区烟颗粒浓度、火焰筒壁的辐射热流量明显增加;主燃区温度随压力增加呈下降趋势;燃气温度沿火焰筒轴向逐渐下降,主燃区至中间区急剧下降,其下降速率随压力增加而变快,而掺混区受压力变化影响较小。     

同向和反向合成气旋流扩散燃烧研究

针对同向和反向合成气旋流扩散火焰燃烧开展研究,测量了燃烧中间产物OH自由基浓度、火焰温度及污染物的排放。实验结果表明,燃烧的稳定性受旋流产生的回流区和扩散混合两方面的因素控制,加强回流有利于燃烧稳定,加强混合也有利于燃烧稳定。燃料和空气同向旋流和反向旋流相比,总回流量较大,能够向回流区卷吸更多的活性自由基OH和热量,从而有利于燃烧稳定。当燃料和空气的旋流数比较小时,混合对燃烧的稳定性也会产生重要影响,空气和燃料的反向旋流由于混合较为强烈从而稳定性比空气和燃料同向旋流时要好。尽管NOx排放受混合的影响,但针对文中的实验,主要是热力型机理对NOx的排放起作用。在CO排放中,较低功率下由于温度较低导致CO排放指数较高,实验中当功率大于34 kW时,温度较高,CO排放接近于零。     

Effect of the fuel/air mixture concentration distribution on the dynamics of a low-emission combustor

An investigation of the low-emission premixed combustion in a conventional combustor is presented. The main problem encountered is the pressure fluctuations induced under certain operating conditions of the combustor. Low-emission operation of the combustor was studied numerically and experimentally. The effect of the concentration distribution at the outlet from the mixing zone on the position and macrostructure of the flame and the combustion stability was investigated at various excess air factors corresponding various GTU loads. It is demonstrated that, for a given excess air factor, there exists the concentration profile such that the interaction of the flame front with dominating flow structures results in excitation of the low-frequency combustion instability. The factors responsible for high-amplitude pressure fluctuations are examined. It is shown that the combustion stability can be estimated using a calculated criterion. Its direct relationship with pressure fluctuation amplitudes is described. The effect of the air pressure in a combustor on the flame macrostructure and the combustion stability was studied. It is shown that an increase in the combustor pressure has no considerable effect on the processes in the combustor. However, a change in the chemical reaction rates affects the stable combustion boundary. In this case, the combustion stability is achieved with higher nonuniformity of the fuel-air mixture entering the combustion zone. The experimental boundaries of stable combustion envelope at an air pressure of 350 and 1500 kPa are presented.     

干式低NOx燃气轮机燃烧室的燃料/空气预混均匀性问题分析

干式低NOx(dry low NOx,DLN)燃烧技术的关键是在控制燃烧室主燃区总燃料/空气当量比的前提下,实现燃料/空气的均匀预混.国际上先进DLN燃烧室的研发都在预混均匀性问题上花费了很大精力,而我国对此问题的重视程度还不够.因此该文通过总结典型DLN燃烧室燃料/空气的预混方式,归纳出了在燃烧室中实现均匀预混的基本原则和方法.如气体燃料供应要采用将燃料导管伸入空气流道中,并通过小孔提供较多燃料喷射点的方式.燃料导管的位置一般视空气旋流器的位置而定,并应留有足够长的预混段.燃料应按与空气流动垂直的方向喷射,并要有较高的射流动量和适当的穿透深度.进而以此为依据分析了我国首台自主研发的重型燃气轮机R0110的DLN燃烧室在燃料/空气预混均匀性方面存在的问题并指出了改进的方向.     

往复热循环多孔介质燃烧点火特性数值模拟

采用无量纲形式,以有限容积法为基础,对往复式热循环多孔介质燃烧系统点火燃烧特性进行数值模拟,分析不同点火位置对多孔介质燃烧过程中点火燃烧演变过程、燃烧稳定状态、及点燃燃气热值的影响。指出在点火燃烧演变过程中,各点火位置下的温度分布经历明显演变过程,燃烧火焰位置均逐渐向“特定位置”移动;燃烧稳定时,火焰位置相互重合,预热区温度和峰值温度基本不变,点火位置向燃烧蓄热器中心靠近,蓄热区域内温度越高,直接点燃燃气热值越低。     

“W”型火焰锅炉卫燃带改造

由于煤质变差,某360 MW机组“W”型火焰锅炉燃烧不稳,需大量投油助燃.对此,进行卫燃带改造.改造后,燃烧工况明显改善,火焰稳定性提高;助燃油投入量减少,机组负荷在200MW左右可不投油助燃;锅炉排烟温度由170～180℃降至150～160℃,大渣和飞灰含碳量降低.     

IGCC电站燃气轮机启动燃料的替换研究

当整体煤气化联合循环(integratedgasification combined cycle,IGCC)电站低热值合成气燃气轮机的启动燃料为柴油时,启动成本高,污染物难以控制。为了解决该问题,一个较适用的方法是将燃气轮机的启动燃料由柴油替换为天然气。但由于2种燃料的燃烧特性的不同,需要对燃机在两种不同燃料下的动态特性进行深入的研究,从而提出相应的改造和运行策略。基于天津IGCC低热值燃气轮机的结构及实际运行数据,建立燃气轮机热力学计算模型,对比分析了燃气轮机启动过程中,柴油量、天然气量随燃气轮机负荷的变化情况;其次计算了燃烧器燃烧天然气时的火焰稳定速度范围和优化燃烧器当量直径的范围;并对该燃气轮机燃烧室内的燃烧过程进行了数值模拟研究。最后提出了燃烧器的改造方案和运行策略,在尽量小的范围内进行改造来实现对柴油的替代而且保证燃机的稳定、安全和清洁启动。     

化学当量比对旋流燃烧器热声不稳定特性的影响

为探索旋流燃烧器内热声不稳定的产生机理,搭建了可调型旋流燃烧器热声不稳定试验台架。旋流燃烧器采用燃料风、直流二次风、旋流二次风和高动量三次风的配风结构,燃料风管直径与燃烧腔直径比为0.25。试验测量了旋流燃烧器的温度分布和脉动压力,发现旋流燃烧器热声不稳定的脉动压力可达450 Pa,压力幅值随着化学当量比的增大而减小;第1阶共振频率介于187~261 Hz之间,随着化学当量比的增大先是减小,随后有一跃升过程,跃升之后随着化学当量比的增大而缓慢增大;第3阶共振频率介于717~805 Hz之间;第5阶共振频率介于1 178~1 326 Hz之间,第3阶和第5阶共振频率随着化学当量比的增大而缓慢增大;旋流燃烧器的燃烧火焰面随着化学当量比的增加而不断上移,最高燃烧温度可达1 450 K。