QD128燃气轮机燃烧室NOx排放分析

赵巧男 ，王国峰 ，张皓男 ，徐有宁

（沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院；c.工程技术研究院，辽宁 沈阳 110136）

随着污染物排放日趋严重，煤、石油等资源日益匮乏，环境污染已成为引起全球关注的重要问题［1-2］。随着我国“西气东输”工程全面竣工，更多地区将天然气这种清洁能源代替传统燃煤，改善了能源消耗的整体结构，在全国范围内使用清洁能源的比例也有了显著的提升［3-4］。随着天然气利用技术的发展，燃气轮机作为一种核心动力装备，在21世纪以及未来很长一段时间内对能源的高效转换和洁净利用系统具有十分重要的作用。近些年来，我国在燃气轮机的研发中投入大量人力、物力。在燃气轮机的设计过程中，排放物的保证值作为保证项目是十分重要的，同时高效、低污染也是燃气轮机的重要指标之一。因此，搭建通用性强、计算精度高的NOx预估模型是适应我国自主研发燃气轮机燃烧室设计的重要技术指标［5-7］。新的低NOx燃烧技术是我国燃气轮机设计的主要研究方向，该技术的研究对于轻型燃气轮机低污染物排放的模型预估也具有重要的指导作用［8-9］。

传统NOx排放值大多是通过全温全压燃烧室试验台进行试验所获得的，但是全温全压燃烧室试验台的建立不仅对场地选取有严格要求，而且试验周期较长，试验成本十分高昂。近年来，燃烧室的数值模拟技术得到高速发展，计算流体力学软件逐渐成为研究燃烧室性能的有力工具，不断成熟的数值仿真技术已经能够满足越来越复杂的工程要求，数值模拟结果的实用性及科学性也得到广泛认同［10-11］。通过对燃烧室进行CFD数值模拟计算，可以实现对燃烧室内流场及温度场分布细节的预测，进而为燃烧室优化设计提供有效手段［12-13］。特别是在轻型燃气轮机燃烧室数值模拟研究中，国内很多学者都取得了很好的科研成果：金戈［14］采用3种湍流模型，利用三维数值模拟对QD128燃气轮机燃烧室出口温度场品质进行了优化，确定了适合该型号燃烧室数值模拟计算的湍流模型，并对改进后的燃烧室进行了CFD计算，通过计算结果与试验结果的对比，发现计算结果与试验结果基本相符；徐丽［15-16］应用CFD方法对QD128燃气轮机燃烧室性能进行了数值分析，找到燃气轮机运行中出口温度场不均匀的原因，得到了燃气轮机优化的主要方向，数值模拟的结果丰富了该型号燃气轮机的性能指标，为同种类型燃气轮机的运行、改进提供了可靠的参考依据。

在这样的背景下，利用数值模拟的研究方法对轻型燃气轮机燃烧室进行数值分析，研究进口压力、空气质量流量、主燃区温度等3个主要参数与NOx排放值的变化关系，并根据数值模拟结果拟合适用于3个参数的公式，为相同类型轻型燃气轮机燃烧室的设计提供可靠的参考依据，同时也为轻型燃气轮机燃烧室NOx排放值的快速预估提供了有效的研究方法。

1 QD128 燃气轮机燃烧室模型的数值分析

QD128燃气轮机燃烧室为环形燃烧室，共有15个喷嘴，选取其中1个喷嘴作为计算域，建立全尺度周期性数值分析模型，如图1所示。该模型包括扩压器、内外二股腔道、火焰筒。针对数值计算研究分析的3个主要参数有燃烧室进口压力、空气质量流量及主燃区温度。

图1 燃烧室物理模型

在进行网格划分时，为保证网格的划分质量，提高计算精度及结果的可靠性，仅对结构复杂的头部旋流器采用四面体网格，其他部位均采用六面体网格。在保证网格紧密的情况下验证网格无关性，最终确定网格总数为5.1×106，燃烧室、气膜孔及二次掺混孔的具体划分情况如图2所示。

图2 燃烧室网格模型

CFD计算流体力学软件是研究燃烧室的重要工具，利用该软件对轻型燃气轮机燃烧室进行三维数值模拟计算分析，得到的燃烧室纵截面总温分布如图3所示。从图中可以看出，主燃孔射流的深度较高，基本达到了火焰筒高度的50%，有效切断了头部回流区边界；随着二次气流及掺混气流的增加，燃烧室内温度逐渐降低，出口区域温度基本保持稳定，说明燃烧室纵截面总温分布较为合理。温度模拟结果与金戈、徐丽等人针对QD128的研究结果一致，可以作为研究的参考内容。

图3 燃烧室纵截面总温分布

图4为燃烧室头部横截面的速度分布图。从图中可以看出，中心区域是旋流引起的低速区域，紧接着是旋流区，外环是气膜孔的引气，最外环则是二次通道。数值结果较为精确地描述了该燃烧室头部的流通状况，得到了合理的速度分布结果。通过对计算结果进行分析，发现数值模拟结果与金戈、徐丽等人的研究结果相符，计算结果可以作为进一步研究NOx排放预估模型的参考值。

图4 燃烧室头部横截面速度分布

2 QD128 燃气轮机燃烧室NOx排放分析

在数值模拟的过程中共计算54个算例，根据每个主要参数选取不同参数分别计算18个算例，得到了可靠的数值分析结果。图5为数值分析得出的空气质量流量与NOx排放关系曲线。当选取空气质量流量为2.9 kg/s～3.9 kg/s时，随着空气质量流量的增加，数值模拟NOx排放值为0.93 g/kg～0.67 g/kg，呈下降趋势。这是因为在数值模拟过程中，当燃料流量不变时，随着空气质量流量增加，燃空比持续减小，会导致燃烧室的主燃区温度降低，NOx的生成量减少。

图5 空气进口质量流量与NOx排放的关系

图6为出口压力与NOx排放的关系曲线。在出口压力选取范围在 0.2×106Pa～1.6×106Pa时，其NOx的排放量呈增加趋势，由0.8 g/kg增加到1.2 g/kg以上，其变化率在1.2×106Pa之后达到最大且保持稳定。

图6 出口压力与NOx排放的关系

图7为空气进口质量流量、出口压力与NOx排放的三维关系图。随着出口压力的增加，NOx排放值呈增加趋势；随着空气质量流量的增加，NOx排放值呈减少趋势。在出口压力达到最大，空气质量流量最小时，NOx排放量达到最大值；出口压力最小，空气质量流量最大时，NOx排放量达到最小。三维关系图可以清晰地呈现3个参数之间的变化关系，为进一步研究空气质量流量、进口压力和NOx排放关系提供了新的视角。

图7 进口质量流量、出口压力与NOx排放的三维关系

3 NOx排放预估公式的拟合

根据数值模拟得出的数据进行针对于出口压力、空气质量流量和主燃区温度的进一步整合分析，可以得到空气质量流量与NOx排放的关系，也可以推算出进口压力及主燃区温度与NOx排放的关系，在此基础上进一步拟合出的公式可以为QD128类型燃气轮机燃烧室NOx排放的快速预估提供方法。

选取算例中的数据对进口压力与NOx排放的关系进行研究，如图8所示。当选取进口压力位1.05×106Pa～1.63×106Pa时，数值模拟NOx排放值由0.844 g/kg增加到1.198 g/kg。在压力较低时，NOx排放变化趋势较为缓慢，NOx排放值变化率不大；压力逐渐升高到1.2×106Pa后，变化趋势开始增大；压力升高到1.4×106Pa之后，变化率基本保持不变。

图8 进口压力与NOx排放关系曲线

选取算例中的有效数据对主燃区温度与NOx排放的关系进行研究，如图9所示。当主燃区温度从1 995 K增加到2 085 K时，数值模拟的NOx排放值由0.30 g/kg增加到0.66 g/kg。在主燃区温度未达到2 080 K之前其增长速率保持不变；在达到2 080 K之后，NOx排放量的变化率有小幅增加。

图9 主燃区温度与NOx排放关系曲线

通过上述分析，可以总结归纳出一个适用于进口压力、空气质量流量、主燃区温度3个主要参数的拟合公式，该拟合公式初步假定的形式为

式中，a1、a2、a3、b1、b2、b3为变量的系数；C为常数项。

系数及常数项的确定是根据数值模拟得到的NOx排放值与3个参数的变化关系曲线进行拟合后得出。最后得出的公式如下：

拟合公式适用于以QD128为原型的轻型燃烧室，对于公式（2）中3个参数的范围仍需进一步验证后才能加以使用。

4 结 论

数值模拟是当今研究NOx排放的重要手段之一，通过上述对QD128燃烧室的NOx排放分析，可以得出以下结论：

1）数值模拟是研究燃气轮机燃烧室NOx排放的重要方法，模拟结果可以较为准确地反映主要参数与燃烧室NOx排放的关系，数值模拟结果为燃烧室的设计及NOx排放的快速预估提供有效参考。

2）利用CFD软件对轻型燃气轮机燃烧室进行计算分析，计算与分析的结果具有一定的参考价值与实用价值，可以为燃烧室NOx排放的研究提供可靠数据。

3）提出适合于QD128型燃气轮机燃烧室的NOx排放快速估算公式，为QD128型燃气轮机燃烧室NOx排放快速估算提供方法，为该种类型燃气轮机燃烧室的设计提供参考，但其有效性及参数的具体范围有待进一步验证。