同热值不同组分中低热值燃料燃烧特性的模拟

孙 丹，徐 微，辛 欣，佟显义

(1.沈阳航天新光集团 火箭发动机研究室，沈阳 110136； 2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001)

同热值不同组分中低热值燃料燃烧特性的模拟

孙 丹1,2，徐 微1，辛 欣1，佟显义1

(1.沈阳航天新光集团 火箭发动机研究室，沈阳 110136； 2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 150001)

使用CHEMKIN软件，分析了同热值不同组分中低热值燃料对燃气轮机燃烧特性的影响。保证热值相同的情况下，采用天然气掺混氮气、一氧化碳、氢气掺混氮气3种不同组分的燃料，研究了当量比和燃烧室进口温度分别对绝热火焰温度、燃烧室出口温度、CO排量和NO排量的影响。结果表明：同热值不同组分中低热值燃料的燃气轮机燃烧特性不同，且中低热值燃料中可燃气体所占比例越大，绝热火焰温度和燃烧室出口温度越高。

中低热值燃料；燃烧特性；燃气轮机；模拟研究

我国中低热值燃料不仅种类繁多，而且总量很大[1]。中低热值燃料燃气轮机的应用，避免了中低热值燃料直接排放到大气中而造成环境污染和直接燃烧造成能源浪费，对我国缓解能源紧缺和保护环境具有重要的意义[2]。中低热值燃料由于热值低，并且组分多种多样，会对燃气轮机燃烧稳定性和燃烧效率等特性产生影响[3]。目前，国内外通过对燃烧天然气和低热值煤气的燃气轮机燃烧室进行模拟、试验，研究了低热值燃料的燃烧性能，并对燃气轮机提出了相应的改进措施[4-6]。

近几年，国内外对于中低热值燃料组分对燃气轮机燃烧特性的影响已有一些研究。2013年何敏等人[7]对同热值不同成分低热值燃料燃烧特性进行了试验研究。同年何敏[8]等人采用数值分析方法，针对环管型燃烧室，研究了2种同热值不同组分的中低热值燃料对燃烧室流场的影响。2014年Liu等人[9]对SGT-400干式低排放燃气轮机进行了燃料组分和热值的变化对燃烧性能的影响的研究。

本文根据燃烧室温度场和流场分布建立燃烧室反应器网络模型，利用CHEMKIN软件，采用3种同热值不同组分的中热值燃料，模拟分析了中低热值燃料当量比和燃烧室进口温度等因素对燃烧室温度和污染物生成的影响。

1 模型建立

1.1 燃烧室结构

本文所研究的是PG9351FA燃气轮机燃烧室[10]。该燃气轮机是20世纪90年代初期美国通用公司设计制造出的大型、现代化的电站用燃气轮机，目前已应用于我国“西气东输”项目中。

燃气轮机燃烧室结构简图如图1所示。燃烧室壁上开有各种孔，包括主燃孔、助燃孔(补燃孔)和掺混孔。根据各孔功能将燃烧室分成不同的功能区，即主燃区、助燃区和掺混区(过渡段)。

图1 燃烧室结构简图

图2 燃烧室气体流动图

1.2 燃烧室化学反应器模型

根据燃烧室结构、燃烧室内部气体流动及燃烧反应特点，将燃烧室进行划分，根据划分后每一区域的特点，选择合适的反应器来代替该区域，然后再将各反应器进行相应连接，从而建立燃烧室化学反应网络模型，如图3所示。

图3 燃烧室化学反应网络模型

1.3 初始条件及参数设置

根据经验值确定燃烧室各进气口的空气流量比例，如表1所示。该燃烧室在额定工况下压气机总进口流量为639.8 kg/s，根据流量比例得出各进气口空气流量。根据燃烧室主燃区的空气流量和临界当量比，可以计算出主燃区燃料流量。表2为燃烧室初始参数设置。

表1 燃烧室空气流量分配比例 %

表2 燃气轮机燃烧室初始参数设置

1.4 燃料选取

为研究燃料组分对燃气轮机燃烧特性的影响，文中选取3种同热值不同组分的燃料，即CH4掺混N2、CO和H2掺混N2。燃料的热值定为10 MJ/kg，即CO燃料的热值，根据式(1)分别确定另外2种燃料的组分体积比，计算结果如表3所示。

气体燃料热值Qar,net计算公式如式(1)所示。

Qar,net=126CO+108H2+358CH4+590C2H4+637C2H6+806C3H6+912C3H8+1187C4H10+1460C5H12+232H2S(kJ/m3)

(1)

式中：CO、H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H10、C5H12、H2S代表在气体燃料中各组分相应的含量(%)。

表3 燃料组分及其热值

根据空气流量和临界当量比(以当量比为1进行计算)，计算得到燃料1、燃料2、燃料3的燃料流量分别为69.422、96.936、83.768(单位kg/s)。由此可见相同空气流量下，燃料热值相同，其组分不同所需的燃料流量也不相同。

2 计算结果与分析

利用CHEMKIN软件，根据上文所建立的燃烧室化学反应网络模型，选用反应机理GRI Mech3.0模拟燃气轮机燃烧过程，并研究燃料组分对燃烧特性的影响。本文主要分析了当量比和燃烧室进口温度分别对燃烧室绝热火焰温度、燃烧室出口温度、CO排量和NO排量的影响。

2.1 当量比对燃烧的影响

在燃烧室空气总进气量531.2 kg/s，燃烧室压力16 atm，进口温度750 K，当量比取0.6～1.55的条件下，模拟计算3种燃料的当量比对燃烧特性的影响，所得结果如图4-图7所示。

图4 绝热火焰温度随当量比变化

图5 燃烧室出口温度随当量比变化

图6 燃烧室CO排量随当量比变化

图7 燃烧室NO排量随当量比变化

由图4-图7得到，CH4+N2和H2+N2这2种燃料的燃烧特性随当量比的变化趋势相同。CO燃料的燃烧室温度和废气排放量高于CH4+N2和H2+N2这2种燃料。对于CO燃料，在当量比为0.9～1.55之间时绝热火焰温度随当量比的变化比其它2种燃料变化平缓；燃烧室出口温度随当量比增大上升速度增快；在当量比大于1.0时，CO排量急剧上升；NO排量明显高于其它2种燃料。

2.2 进口温度对燃烧影响

图8-图11给出了3种燃料的进口温度对燃烧特性的影响。在燃烧室空气总进气量为531.2 kg/s、燃烧室压力为16 atm、当量比为1.0、进口温度取450～800 K的条件下，模拟计算CH4+N2、CO和H2+N2这3种同热值不同组分燃料的燃烧特性随进口温度的变化。

图8 绝热火焰温度随进口温度变化

从图8和图11得出，3种燃料的燃烧室温度随进口温度变化趋势相同，且CO燃料的温度最高，其次是H2+N2燃料，CH4+N2燃料的最低。由图10和图11可见，CO燃料的CO排量和NO排量都随进口温度升高而增大，而CH4+N2和H2+N2这2种燃料的废气排放随进口温度变化影响较小，并且CO燃料的废气排放量明显高于燃料CH4+N2和H2+N2。

图9 燃烧室出口温度随进口温度变化

图10 燃烧室CO排量随进口温度变化

图11 燃烧室NO排量随进口温度变化

3 结论

本文利用CHEMKIN软件，采用天然气掺混氮气、一氧化碳和氢气掺混氮气3种同热值不同组分的燃料，模拟研究中低热值燃料对燃气轮机燃烧特性的影响。结果表明，CH4+N2、CO和H2+N2这3种燃料，其热值相同组分不同，计算得出3种燃料的燃烧特性也不同，因此燃料的组分影响燃料的燃烧特性。另外，CH4+N2和H2+N2这2种掺氮燃料的燃烧特性相近，而与CO燃料的差异较大。由此得出燃料中可燃成分比例越大，燃烧温度越高，污染物排放量也越高。燃料组分不同，其燃烧稳定性和燃烧特性不同，所以在分析燃料燃烧特性时，不仅要考虑燃料热值的影响，而且要考虑燃料组分的作用。

[1]陈福龙.低热值煤气燃烧实验研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

[2]尹洪,任静,蒋洪德.燃气轮机燃用中低热值燃料性能优化方案研究[J].工程热物理学报,2010(8):1303-1306.

[3]赵黛青,夏 亮,何立波.低热值燃料稳定燃烧的研究现状与进展[J].世界科技研究与发展,2005,27(5):33-39.

[4]徐纲,聂超群,黄伟光，等.燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气的比较[J].工程热物理学报,2003,24(1):141-144.

[5]王朝晖,王成军,王丹丹，等.燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟[J].沈阳航空工业学院学报,2010,27(2):11-14.

[6]YAMAMOTO T,FURUHATA T.Low heating value fuel combustion:flamelet combustion and NO formation models[J].Journal of Propulsion and Power,2006,22(1):136-144.

[7]何敏,冯大强,杨 灵,等.同热值不同成分低热值燃料燃烧特性试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2013,26(1):43-46.

[8]何敏,蔡文祥,赵坚行，等.数值研究低热值燃料环管燃烧室燃烧流场[J].航空动力学报,2013,28(2):324-330.

[9]LIU K,MARTIN P,SANDERSON V,et al.Effect of change in fuel compositions and heating value on ignition and performance for siemens SGT-400 dry low emission combustion system[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2014,136(3):031203.

[10]任其智,赵小宁.PG9351FA燃气轮机原理及应用教程[M].北京:电子工业出版社,2014.

(责任编辑：刘划 英文审校：赵欢)

Simulation study on combustion characteristics of low-calorific-value fuel gas

SUN Dan1,2,XU Wei1,XIN Xin1,TONG Xian-yi1

(1.Laboratory of Rocket Engine,Shenyang Aerospace Xinguang Group Co.,Ltd.,Shenyang 110136,China; 2.School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

In the paper,the influences of component of low-calorific-value fuel gas on combustion characteristics of gas turbine were analyzed by CHEMKIN software.Effects of equivalence ratio and inlet temperature of combustor on adiabatic flame temperature,outlet temperature of combustor,emissions of CO and NO were investigated using three kinds of low-calorific-value fuel gas with the same calorific value.The fuel gases were mixture of natural gas and nitrogen,carbon monoxide and mixture of hydrogen and nitrogen,respectively.The results show that different components of fuel gas lead to different combustion characteristics of the low-calorific-value fuel,despite the same calorific value.The more the proportion of combustible gases in fuel gas,the higher the adiabatic flame temperature and outlet temperature of combustor are.

low-calorific-value fuel gas;combustion characteristics;gas turbine;simulation study

2016-10-28

孙 丹(1987-)，女，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向：燃气轮机燃烧室的模拟，E-mail:1093689739@qq.com。

2095-1248(2016)06-0023-05

TK124

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.06.004