天然气中CO2组分变化对双燃料燃烧室性能影响研究

杨 强，酒明慧，李斯特，张铭益，薛洪江

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

双燃料燃气轮机是指可以燃烧2种不同燃料的燃气轮机。目前，海上采油/气平台发电用燃机几乎全部采用双燃料燃烧技术。目前少数几家国外厂家已形成垄断市场的势态，这些厂家掌握双燃料燃气轮机发电机组的设备供货、维修保养、产品定价等话语权，一旦产生利益冲突，将直接威胁到海上平台的电力供应，进而对油气生产造成极大影响[1]。现阶段，国内暂无真正意义上实现工程应用的国产双燃料燃气轮机，其原因主要在于双燃料燃烧技术处于瓶颈阶段，相关的理论研究、技术研发、工程试验均处于起步阶段，国产设备的缺失极大阻碍了国内自主化能力及产业发展,因此进行双燃料燃机轮机的研究工作刻不容缓[2–3]。

由于各地形成天然气的地质条件和时期不同，不同地区的天然气组分有很大的区别，这将对海上采油/气平台燃气轮机稳定性能有着很大的影响。因此，研究不同组分的天然气对燃气轮机燃烧室性能的影响有着重要的意义[4]。本文对双燃料燃烧室在不同天然气组分情况下的燃烧场进行数值计算及分析，研究成果可为双燃料燃机的设计研制及运行调节提供技术支持。

1 几何与数学模型

图1和图2分别为双燃料燃烧室的几何模型及实物图。燃烧室为环管型回流式，燃料为轻柴油及天然气。火焰筒壁设置1排主燃孔、1排掺混孔和10排壁面冷却小孔。掺混孔由5个φ14 mm的孔组成，主燃孔由5个φ14 mm以及5个φ18 mm的孔组成，冷却孔每排数量45～75个不等，开孔直径1.5～2.5 mm，开孔总面积6 600 mm2。火焰筒头部两侧设有联焰管，筒壁采用气膜冷却。火焰筒上装有一个双燃料喷嘴，通过旋流器使火焰筒头部产生的旋流空气和主燃孔射流共同作用，形成中心回流区，从而稳定火焰。计算中，全局采用非结构化网格，并对冷却孔进行局部加密，最终网格总数为1 200万。

燃烧室内气体流动遵循基本的流体力学控制方程，即连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分守恒方程。计算时忽略重力、彻体力、浮力、热辐射，只计算稳态燃烧场。为了封闭方程组中由于湍流粘性应力所带来的未知变量，采用基于Bouusinesq假定的Realizable湍流模型模拟湍流流动[5]。采用Finite-Rate/Eddy-Dissipation模型计算化学反应速率，采用SIMPLE算法进行流场迭代计算，因不考虑排放影响，对于CH4燃烧采用两步化学反应进行计算[6]。

图 1 燃烧室几何模型Fig. 1 Combustor geometric model

图 2 燃烧室实物图Fig. 2 Structure of combustor

表 1 燃烧室结构及性能Tab. 1 Structure and performance of combustor

边界条件如表2所示。

表 2 边界条件设定值Tab. 2 Boundary conditions set value

2 计算结果与分析

2.1 计算结果

计算中，双燃料燃烧室保持在1.0工况，设置天然气中CO2的比例为0%，5%，10%，15%，模拟不同地区天然气组分，并观测双燃料燃烧室性能，计算结果如图3～图6所示，总体性能如表3所示。

图 3 CO2占0%时，燃烧室温度场分布Fig. 3 Temperature contours of middle section and outlet of combustor when CO2 proportion of 0%

2.2 结果分析

由图7可见，当CO2组分由0增加至15%时，喷嘴出口燃料喷射速度由262.1 m/s增大至308.7 m/s，燃烧区最高温度数值呈不断下降的趋势，其原因是当燃料中含有的惰性气体增多时，在喷口面积不变的前提下，天然气供气压力需不断增加，以保证总热值不变；压力的增加导致了喷嘴出口燃料喷射速度的增加，在本次数值模拟中，速度增加幅度约为18%，速度的增加同时也是图3～图6中燃烧高温区不断后移就面积不断缩小的原因，在进行燃烧室设计时，需考虑此部分变化对于燃烧室整体设计的影响。

出口最大不均匀度OTDF以及温度径向不均匀度RTDF是燃烧室设计中非常重要的性能指标，主要考虑的是燃烧室局部热点对于涡轮导向器叶片的现实意义。因为高压涡轮第1级导向器叶片会遇到热点的高温，若需考虑叶片能承受该局部的高温，那势必要把所有导向器叶片的冷却都加强。图中，OTDF与RTDF随着CO2含量的增加分别由12.3%，5.3%增加至14.6%，6.2%，在后期实际设计工作中，对于这2个指标设定需重点考虑燃气轮机在不同地区因天然气组分不同导致的数值变化问题。

同时，在燃烧室设计过程中，总压损失系数的变化主要是由燃烧室进口空气马赫数Ma、燃烧室流通面积、发动机状态变化及燃烧FAR决定。本次数值分析中，由于没有改变上述参数，总压损失系数σ一直保持在3.5%，并没有随着CO2组分变化而产生波动，这也从侧面反映了本次数值模拟趋势同燃烧室实际工作情况相同。

图 4 CO2占5%时，燃烧室温度场分布Fig. 4 Temperature contours of middle section and outlet of combustor when CO2 proportion of 5%

图 5 CO2占10%时，燃烧室温度场分布Fig. 5 Temperature contours of middle section and outlet of combustor when CO2 proportion of 10%

图 6 CO2占15%时，燃烧室温度场分布Fig. 6 Temperature contours of middle section and outlet of combustor when CO2 proportion of 15%

表 3 燃料中含有不同比例的CO2时燃烧室性能统计（1.0工况）Tab. 3 Combustor performance at different CO2 proportion

图 7 喷嘴出口燃料喷射速度与燃烧区最高温度趋势与CO2含量关系Fig. 7 Nozzle export fuel injection speed and the highest temperature combustion zone trends relation with CO2 proportion

图 8 出口最大不均匀度OTDF以及温度径向不均匀度RTDF与CO2含量关系Fig. 8 OTDF and RTDF relation with CO2 proportion

3 结 语

本文考察了双燃料燃烧室在1.0工况下，燃料中CO2组分导致的燃烧室性能变化情况。根据数值分析结果可知，当燃料中含有的惰性气体（CO2）越多时，燃料喷射速度越高（若保持喷口面积不变，则需要提高天然气供气压力，以提高燃料流量，保证总热值不变），燃烧室出口温度分布均匀性变差，燃烧区最高温度越低，高温区面积越小，高温区逐渐后移。

在双燃料燃气轮机实际使用中，油田伴生气还往往含有一定含量的重组分、水、硫等杂质。这些杂质实际上对于燃气轮机运行有着各种不同的影响。由于天然气燃料组分的多样性及燃烧的复杂性，燃烧室研发过程应更多的对于不同天然气组分进行试验与研究；而且对于同型燃机运行在不同地区时，燃烧室的性能参数、排放也会有相应的变化，这也需要在燃烧室研发过程中予以关注。

[1]李作琨, 王大勇, 莫文涛, 等. 燃气轮机在海洋石油平台上的应用 [J]. 中国修船, 2008, (4): 55–58.LI Zuo-kun, WANG Da-yong, MO Wen-tao, et al. The application of gas turbine on offshore oil platform[J]. China Shiprepair ,2008, (4): 55-58.

[2]邱健勇. 近海油/气田主电站用燃气轮机选型设计问题初探[J]. 中国海上油气 (工程), 1995, 7(5): 13–18.QIU Jian-yong. A preliminary study on design of gas turbine selection for main power station of offshore oil and gas fields[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering), 1995, 7(5): 13-18.

[3]陈华平. 主电站设计及原动机选型探讨 [J]. 中国海上油气 (工程), 2000, 12(6): 51–56.CHEN Hua-ping. Discussion on design and selection of main power plants durning pre-study stage[J]. China Offshore Oil and Gas(Engineering), 2000, 12(6): 51-56.

[4]陈安坤, 刘敬源. 天然气组分对燃气轮机运行的影响 [J]. 今日科苑, 2008, (24): 80–80.CHEN An-kun,LIU Jing-yuan. The influence of gas component on operation of gas turbine[J]. Modern Science, 2008, (24): 80-80.

[5]焦树建. 燃气轮机燃烧室[M].机械工业出版社, 1981.

[6]MOIN P. Progress in large eddy simulation of turbulent flows[C]//Proceedings of the 35th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, F, 1997.

[7]汪凤山. 低 NOx 排放微型燃气轮机燃烧室的数值模拟及实验研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2009.

[8]李雅军, 师蓓蓓, 张晨曦, 等. 双燃料燃气轮机喷嘴结构及性能研究[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(5): 47-53.LI Ya-jun, SHI Bei-bei, ZHANG Chen-xi,et al. Research on structure and performance of dual-fuel nozzle[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(5): 47-53.