9E型燃气轮机DLN1.0燃烧系统数值分析

2020-06-16丁阳郝建刚谢大幸

综合智慧能源 2020年5期

丁阳，郝建刚，谢大幸

（华电电力科学研究院有限公司，杭州310030）

0 引言

为降低燃气轮机NOx排放，满足国家环保要求，现代燃气轮机普遍采用了干式低氮燃烧技术。GE公司9E型燃气轮机（以下简称燃机）采用了DLN1.0燃烧系统。其基本负荷工况为预混模式，降低燃烧温度，减少NOx的产生［1-4］。燃机自启动到满负荷运行过程中，对应不同负荷点进行燃烧模式切换，以保证燃烧稳定和最终的排放量达标。

文献［5-6］介绍了GE 公司DLN1.0 和Alstom 公司LEC-Ⅲ低氮燃烧系统的主要不同之处，以及改造后的应用效果；文献［7］针对改造后的9E型燃机LEC-Ⅲ低NOx燃烧室，运用Fluent 软件模拟分析了初级模式与预混模式下火焰筒内的速度分布、温度分布、组分分布；文献［8］考虑了金属导热与辐射的影响，采用计算流体动力学（CFD）模拟DLN1.0 燃烧室内的温度分布，预测的金属温度与实际测得的温度偏差在7.5%以内，并指出在主燃区辐射效应被高估。

目前针对DLN1.0 燃烧特性的研究较为有限，大多只针对其工作模式介绍和个别工况点模拟。本文在上述内容基础上，较系统地研究了各个燃烧模式以及燃烧调整过程中的燃烧特性，以此了解当前低污染燃烧室的设计特点。

1 DLN1.0燃烧室简化模型

DLN1.0 结构示意图如图1 所示，可见该燃烧室采用分级燃烧，一级燃烧区布置在二级燃烧区外围，形成沿径向的燃料分布，并且一、二级燃烧区相对轴向位置前后错开，利用火焰筒截面进行燃料分级。与其他DLN 燃烧室相比，火焰筒筒体上有文丘里管，二级燃烧区预混气进口外侧还有外环旋流空气进口。火焰筒结构复杂，需要合理分配燃烧空气。

图1 DLN1.0主要结构示意Fig.1 Main structure of a DLN1.0

图2 为DLN1.0 简化模型及其网格示意图。建模不考虑火焰筒壁厚的影响，只取火焰筒内部的1/6部分作为计算域，两侧为周期边界；火焰筒壁面的环形小孔简化为带状质量流量进口。计算域采用多面体网格，经过网格无关性验证数目为120万。

图2 DLN1.0简化模型及其网格示意Fig.2 Simplified model and its mesh sketch of a DLN1.0

采用甲烷替代天然气计算，根据文献［9］确定流向燃烧室的空气流量为各燃烧工况下压气机进口空气流量的83%，根据文献［6］的速度分布经过试算确定各质量进口的流量占比，见表1。燃烧室出口背压为燃机各燃烧工况下的典型背压，不同燃烧模式下燃烧室计算参数见表2。

2 数值计算方法

采用Fluent 软件求解湍流燃烧的基本质量方程、动量方程、能量方程和组分守恒方程［10］。对于简单结构或二维模型，通常采用大涡模拟（LES）［11-13］与详细的化学反应机理进行分析。本文中的湍流模型采用Realizablek-ɛ模型［14-15］，甲烷的化学燃烧过程为单步进行的总包反应［16-17］。

燃烧模型采用Fluent 有限速率-涡耗散模型（Finite-Rate/Eddy-Dissipation）。在预混火焰中，空气和燃料提前混合，模型的净反应速率选取化学反应速率和涡耗散模型两者中较小的速率值，避免了单纯使用涡耗散模型出现的提前燃烧的问题。

表1 燃烧室各质量流量进口的流量占比Tab.1 Mass ratio of flue in the flow at each inlet of the combustion chamber %

表2 不同燃烧模式下燃烧室计算参数Tab.2 Calculation parameters of the combustion chamber under different combustion modes

3 燃烧室内速度场分析

图3 是不同燃烧模式下中心截面的速度分布。沿气体流动方向看，进入一级燃烧区（以下简称一区）的空气分别从一区预混气进口和一区掺混空气进口进入，一区预混气进口由于存在旋流器产生回流，速度降低。掺混射流截断回流，与上游流体剧烈掺混，经过文丘里管加速后进入二级燃烧区（以下简称二区），文丘里管是燃烧室内流速最高的区域。二区有2 个回流区，分别是来自一区的混合射流在文丘里管下游形成的外侧回流区，以及二区外环空气进口与二区预混气进口2股旋转方向相同的射流形成的中心回流区。与一区掺混射流作用相似，二区掺混射流进入二级燃烧区后将回流区截断，与上游的流体剧烈掺混后流向火焰筒出口。

不同燃烧模式下的速度分布略有差别，在初级模式和贫贫模式下，由于一区存在火焰，气体受热膨胀密度减小，文丘里管内气体的流速最高可达250 m/s 以上。贫贫模式下由于火焰筒中心也存在燃烧区，因此文丘里管喷出的高温射流向外侧偏转，在燃烧室中心形成较大的回流区。

转换模式和预混模式流场相似，这2 个模式下由于一区不存在火焰，因此文丘里管气流速度较低，大约在120 m/s。在转换模式下，由于火焰全部集中在燃烧室中心，因此流经文丘里管的射流向外侧偏转程度更大。

图3 不同燃烧模式下中心截面的速度分布Fig.3 Velocity distribution on the central section under different combustion modes

4 燃烧室内温度场分析

不同燃烧模式下燃烧室内的温度分布如图4所示。从燃机点火到20%基本负荷为初级燃烧模式。在这个模式下，燃料全部流向一级喷嘴，在一级燃烧区形成扩散火焰，火焰锋面位于局部当量比为1的区域附近，一区内的燃烧温度较高，从而确保从低负荷状态过渡到中负荷状态下的燃烧稳定性。掺混孔提供的新鲜空气给未燃尽的甲烷提供氧气，因此掺混射流下游存在高温区。未参与燃烧的掺混空气与热燃气掺混，降温后由文丘里管喷出到达二区。在该区域中，部分气体在文丘里管下游外侧再循环，其余部分则与燃烧室中心的旋转射流同时到达燃烧室下游，与掺混空气混合，温度进一步下降，流向涡轮导向叶片。

燃机在20%～50%基本负荷时为贫贫燃烧模式。此时燃烧室内一区和二区均有火焰存在，大概有30%的燃料流到二级喷嘴。一级燃烧区中的温度场几乎保持不变。二级喷嘴喷出的预混气体流经旋流器后产生回流区，有利于稳定火焰，外环旋流器产生的旋流将来自文丘里管的热燃气混合至燃烧室中心并促使二级喷嘴喷出的天然气点燃，稳定了燃烧过程。

燃机在50%～55%基本负荷时为转换模式。转换模式是贫贫模式向预混模式的过渡状态，持续时间在30 s左右。在此期间供给一区的燃料流量持续减小直至一区火焰熄灭，同时增加供给二区的燃料。转换模式下燃烧室内部温度分布如图4 c所示，由图可知燃烧完全发生在二区，火焰温度极高，为扩散火焰，高温区范围较大，火焰辐射强，对燃烧室寿命有较大影响，此过程持续时间较短。当一区火焰完全消失后，一级燃烧区重新喷入燃料，此时一区变成了燃料和空气的混合区。预混气体经文丘里管喷入二区并点燃，文丘里管的高流速设计可避免火焰重新回火至一区，当全部燃料在二区重新燃烧后，燃机转为预混模式。

预混模式一直持续到燃机最大负荷。供给二区的燃料流量持续减小至全部流量的18%左右，二区喷嘴喷出的是当量比小于1 的预混气体。另外，旋流器中心的特殊设计使大约1%的燃料直接喷入燃烧室中心。由此可见，燃烧室中心为部分预混燃烧，存在一小股扩散火焰用于稳定燃烧。一区继续起混合器的作用，大约82%的燃料与流经一区的空气均匀混合后从文丘里管喷出，在文丘里管下游回流区被中心的火焰引燃。分析图4 d 可知在这个燃烧模式下，高温区域只在靠近二级喷嘴很小的范围内，有利于降低NOx的生成量。

5 燃料流量分配的影响分析

DLN1.0属于低NOx排放燃烧室，在燃机外界条件变化较大的情况下会偏离最佳工况点，需要燃烧调整。燃烧调整本质是通过改变一区的燃料流量分配，寻找最适合当前工况下的燃料配比。

图5 是燃烧室出口的NOx排放质量浓度随一区燃料流量占比的变化规律，由图可知随着一区燃料流量增加，NOx排放浓度降低至最低点后呈现增加趋势。本仿真算例与实际燃烧调整过程中测得的NOx排放值相差9～10 mg/m3，但趋势基本一致。原因是数值模拟采用的边界条件与实际运行参数有差距。由于DLN1.0 公开的仿真资料极少，因此局部空燃比与实际运行工况有差距。此外，所采用的湍流模型与燃烧模型属于经验模型，均对实际的物理过程做了简化，因此数值仿真不可能模拟完全真实的物理过程与测量结果。

图6是燃烧室中截面温度分布随主燃区燃料流量占比的变化。以一区燃料流量占比为82%的工况为例，由图6 b 可见火焰稳定在文丘里管下游的外侧（以下简称外侧）及二级燃烧区中心（以下简称中心）。外侧火焰最高温度在2 150 K 左右，由于是预混燃烧，温度分布比较均匀；中心由于存在值班火焰，属于部分预混燃烧，最高温度为2 400 K，高温位置靠近值班喷嘴。

图4 不同燃烧模式下燃烧室内的温度分布Fig.4 Temperature distribution in the combustion chamber under different combustion modes

图5 燃烧室出口的NOx排放质量浓度随一区燃料流量占比的变化规律Fig.5 NOx emission concentration at the combustion chamber outlet varying with the proportion of fuel flow in the first zone

随着进入一区的燃料流量占比逐渐降低，外侧高温区体积逐渐缩小，同时燃烧室中心高温区体积明显增加，如图6 a所示，值班火焰最高温基本不变。

分析燃烧室燃料分配策略可知，一区燃料流量变化1%，二区燃料流量相应变化5%，因此一区燃料流量改变对二区影响较明显。

一区燃料占比达84%时，二区燃料流量已不足设计状态的80%，中心燃烧区燃烧温度降低比较明显，如图6 c所示。

图7 是一区燃料流量占比影响下的中截面NOx浓度分布情况。由于燃气轮机中热力型NOx占绝大部分，因此可以推断燃烧温度较高的位置是产生NOx的位置。一区燃料流量占比在76%～86%变化的过程中，起主导作用的NOx生成位置逐渐从中心燃烧区转移至外侧燃烧区。结合图5可知，NOx排放浓度曲线有最低点，这个最低点是由于2 个燃烧区燃烧温度都比较低导致，对于NOx排放来说是最佳设置点。低于这个分配点，中心燃烧区的NOx生成量增加，外侧燃烧区的NOx生成量减少，并且增加的量大于减少的量，导致NOx整体排放浓度升高。

图6 燃烧室中截面温度分布随一区燃料流量占比的变化Fig.6 Temperature distribution on the mid-section of the combustion chamber varying with the proportion of fuel flow in the first zone