掺氢对燃气轮机燃烧室燃烧和排放性能的影响研究

日益严重的气候问题给人类带来的紧迫感日趋加强。针对碳排放,各国政府都提出了自己的脱碳目标。在2019年联合国气候峰会召开之际,66个国家已宣布打算在2050年前实现净零碳排放目标。一些国家的目标是深度脱碳,到2050年实现碳排放减少80%或更多

。我国也在2020年政府工作会议上提出了“3060”(即在2030年实现“碳达峰”,2060年实现“碳中和”),并表示会持续投资于基于可持续技术的非化石燃料能源产业。

甲状腺癌是常见的内分泌肿瘤之一，通常情况下，甲状腺组织中的恶性结节硬度比正常组织的硬度及良性组织的硬度要大[1]，在对甲状腺癌患者进行诊断时通过超声弹性成像技术，对组织硬度的具体情况进行分析，对传统超声检查中的不足进行弥补改善，应用价值较高，基于此，对甲状腺癌的超声诊断的具体价值进行分析，现就分析结果作如下报道。

发电行业是全球温室气体排放的主要来源,因而被确定为二氧化碳减排的主要目标行业,当今发电市场正在经历着可再生能源和脱碳的重要变革。燃气轮机电站,无论是开式循环、联合循环还是热电联产,都具有最高的效率,可以适用于各种功率输出。发电市场对燃气轮机装置的要求一直是提高效率、增加功率和降低排放。迄今为止重型发电用燃气轮机主要燃用天然气和燃油,近年来燃气轮机制造商及相应领域的专家学者正在努力拓宽燃气轮机的燃料适用性,其中IGCC和天然气掺氢直至纯氢燃气轮机是关注的重点

。

天然气是碳含量最低的化石燃料,作为主要燃料,其产生的每千瓦时二氧化碳排放量最低。同时,利用燃气轮机的燃料灵活性,用氢气完全或部分置换天然气可进一步使发电过程脱碳。由于氢是一种零碳燃料,它为燃气轮机提供了产生零碳发电的机会。作为能源载体,氢气是长期或季节性存储可再生能源的理想选择,而燃气轮机是实现零碳发电经济的推动者

。

为了应对能源结构体系的变化以及未来能源的布局,需要逐步提高燃气轮机燃料中的含氢比例,直到完成纯氢燃烧。燃料中氢气的存在会改变燃料的火焰速度、点火迟滞、可燃极限等特性。不同天然气掺氢比例和不同氢/稀释剂混合物燃料的燃烧、热声、排放性能等与天然气有显著差异。同时,氢气具有高扩散性和高化学反应活性等特殊性质,高比例氢气会对燃烧化学反应过程和压力依赖关系产生非线性影响,影响到燃烧化学反应过程中自由基的分布和基元反应的竞争。氢气和富氢燃料强烈的组分输运、扩散和反应性会影响到层流火焰自身特性,包括火焰面内组分分布结构和自身不稳定性,从而影响湍流与燃烧化学反应耦合作用,进而对燃烧室内湍流燃烧和放热过程产生与传统碳氢燃料有显著差异的影响。

各燃机制造商的设计经验和实践与已有的研究结果表明,通过天然气加氢,可以提高天然气的燃烧速率,扩展天然气的稳定稀燃极限

。而高混合比例的氢混燃料,需要面对回火、燃烧压力波动和氮氧化物排放等几大技术挑战,想要攻克仍需要一定时间。在向基于氢的能源系统过渡时,燃烧室需要应对各种各样的氢气/天然气混合物以及燃料成分的快速变化。在中期,需要开发能够燃烧氢气/天然气混合物的灵活燃料燃气轮机,其中氢气的含量要比现在更高。从长远来看,需要开发出具有完全燃料灵活性的燃气轮机(氢气和天然气混气以及纯氢气),这还需要进行长期的研发创新。

图7给出了随燃料中氢含量的增高,燃烧室头部燃烧器壁温分布情况。由图7可以看出,当燃料为天然气时(以100%CH

表征),燃烧器头部最高壁温约为800 K,且高温区域仅存在于预混器出口段边缘的较小区域。随掺氢比增加,高温区域向上游移动,预混燃烧器出口出现大范围高温区域,随掺氢比增加,高温区域扩大且温度增加。掺氢比达到60%体积含量时,最高壁温达1 700 K,超过金属材料的耐热极限。当燃用纯H

时,燃烧反应在预混段已经发生,预混燃烧器所有区域均处高温环境中,最高壁温达2 000 K以上,预混燃烧器无法正常工作。

选择该模型燃烧室一方面是由于其实验所用燃料为H

、CH

体积比为1∶1的混合物,另一方面,该燃烧室可以再现工业燃烧室中所具有的射流、回流区等复杂特性

。

近年来,针对氢燃气轮机的燃烧国内外业已开展了一些研究。这些研究大多针对燃用氢燃料时的微混燃烧

、阵列驻涡

、低旋流燃烧器

等新型燃烧方式或扩散稀释燃烧

。实际工业燃气轮机贫预混燃烧室的燃烧性能变化以及掺氢容许极限的研究内容不多。文献[13]对某F级燃气轮机燃烧室不同掺氢比的燃烧性能进行了实验研究,结果表明所研究的燃烧室在掺氢比10%～20%(体积分数)的范围内可实现稳定燃烧。本文以某实际的重型发电F级燃气轮机燃烧室为对象,数值研究不同天然气掺氢比条件下燃烧室的燃烧和排放性能。

1 数值模型和方法

1.1 形体和网格

燃气轮机由压气机、燃烧室和透平构成。压气机将气体压缩后供入燃烧室,在燃烧室中与燃料进行燃烧反应后产生高温高压的气体推动透平做功。F级燃气轮机指透平进口温度大于1 350 ℃的燃气轮机。计算采用某发电用F级重型燃气轮机燃烧室,该燃烧室采用环管型结构,上下两半燃烧室外壳与压气机和透平的外缸连接成一个整体,20个燃烧器沿机组圆周均匀地斜插入燃烧室外壳里,燃料喷嘴由围成一圈的8个干式预混式主喷嘴和位于中心的1个值班喷嘴组成。

取20个燃烧器中的1个(周向区域为18°)作为计算对象。所取计算域如图1所示,包含燃烧室外壳与外缸所构成的区域。对计算区域生成分块结构化和非结构化网格构成的混合网格,网格无关性验证共采用3套网格,通过450、670、900万网格的计算结果进行比较,考虑到计算消耗和计算精度,最终选定计算网格数为670万。

1.2 数值模型和边界条件

1.2.1 数值模型

数值模拟采用商用CFD软件ANSYS Fluent 19.2。湍流模型采用可实现的Realizable

-

两方程模型,该模型对于流动具有强流线弯曲、涡流和旋流等特性时精度有明显改进,可获得平面和圆形射流的扩张,旋流、强逆压力梯度下的边界层分离和回流流动的准确预测

。为了进一步提升预测精度,按照Dally等

对旋流射流火焰的建议,将湍流模型常数改为

1

=1.6。

对于智能船舶分布式数据网络管理平台，数据存储是至关重要的环节，数据存储的优化程度很大程度上决定着数据管理和应用的效率。

火焰机制决定了火焰的湍流-化学反应相互作用,在任何模拟中,了解火焰机制对于选择CFD燃烧模型都是至关重要的。为了考虑数值模拟所采用的湍流燃烧模型的有效性,首先在经典的Borghi图上给出其燃烧机制,图2给出了本研究的燃气轮机贫预混燃烧室的图形位置(运行于1 700 kPa)

。

从全国房地产市场的角度看，中国房地产业市场集中度仍然偏低，属于典型的竞争型市场结构。而从区域房地产市场来看，虽然一些重点城市房地产市场集中度相对较高，但这些城市也仅是刚刚达到或接近寡占Ⅴ型的市场结构，市场结构仍需优化。中国房地产业市场集中度偏低，会在一定意义上对房地产市场乃至国民经济造成不同程度的影响。

这段话的关键在“爵”、“禄”与“功庸”三字。春秋时期，“爵”与“禄”是贵族地位的象征，二者商人皆无。商人虽能文错其服，行贿诸侯，但终因“无寻尺之禄，无大绩于民”而位列贱民之列。《国语·晋语四》载“公食贡，大夫食邑，士食田，庶人食力，工商食官，皂隶食职，官宰食加”[9](P350)可证。在“君子小人，物有章服，贵有常尊，贱有等威”(《左传》宣公十二年)[8](P725)的春秋时代，很难想象“工商”可以划归“国人”范畴。此证二。

机组的已知设计参数见表1。天然气按100%纯CH

计算,其热值

=50 108 kJ/kg。燃料需要量为

图中

和

分别为Damköhler数和Karlovitz数,其定义为

(1)

(2)

1.2.2 边界条件

本文的湍流燃烧模型采用ANSYS Fluent中部分预混燃烧模型中实现的火焰面生成流形模型(FGM),FGM模型具有较低的计算成本,在过去的十年中广泛应用于燃烧室的碳氢燃料的燃烧

。该燃烧模型假定湍流火焰可以由一系列的火焰面表示,将它们的热力学和化学状态参数化建表并用于三维火焰。通过概率密度函数(PDF)描述湍流-化学反应相互作用,可考虑由于湍流物质在火焰前沿内部传输而引起局部火焰熄灭的可能性。

本文共对甲烷掺氢比为0～100%的6种工况进行了研究,在纯H

条件下,根据Marcos等

的建议,通过将PDF Schmidt数从默认值0.7更改为0.25来修改扩散特征,以适应与碳氢燃料相比更高的氢气的质量扩散率。

与天然气的燃烧相比,氢燃料火焰的特征是高的

和低

,因为它们的层流火焰速度高于甲烷。高的

数意味着高反应速度的火焰,混合过程决定火焰的传播。

数是反应时间与Kolmogorov湍流尺度(湍流耗散的长度尺度)的特征时间之比,

小意味着湍流耗散的速度比化学反应的消耗速度慢,故火焰面模型可用于本文的数值研究工作。

实施东北振兴战略以来，大连尽管取得了重要的阶段性成果，在东北的辐射带动作用不断提升，但与上海、深圳等先进地区相比，大连的引领辐射带动作用还有相当大的差距，与新时代新要求发展还不完全适应，制约大连率先全面振兴和长远发展的一些深层次问题尚未得到根本解决，短板仍然存在，主要表现在以下五个方面。

(3)

式中:

为机组功率;

为装置效率。不同CH

掺氢比燃料的热值在表2中给出。进行燃料切换时,假定机组的输出功率维持不变,通过式(3)可获得不同掺氢比时的燃料需要量,其计算值在表2中给出。同时,机组总燃料量的85%用于主燃烧器,15%用于中心的值班燃烧器。总空气流量为651 kg/s,其中83%供入燃烧室,17%用于透平冷却,因而进入单个燃烧室的空气流量为27 kg/s,温度由压气机的压比和效率计算,其值为691 K。

使用SIMPLEC算法求解内部的压力速度耦合。压力方程选择线性离散,以保证具有较小的数值耗散,与其他的离散方案比能够得到更精细的火焰前锋。动量和过程变量方程使用中心差分方案,用于保证线性方案的稳定性。

坚持产管并重，全力创建国家食品安全城市，保障群众食品药品安全。日常监管实现网格化，该局做到了信息采集、政策宣传、培训教育、安全预警、日常巡查“五个监管”全部网格化。实现食品“三小行业”标准化、小作坊生产园区化、小摊贩经营市场化、小餐饮改造透明化。这些举措的实施，为创建国家食品安全城市助力，也充分保障了人民群众的饮食用药安全。

1.2.3 计算设置

指定燃烧室运行压力1 700 kPa。根据不同掺氢比燃料流量的计算结果(见表2),在燃料和空气进口分别指定质量流量及温度值,出口指定压力。不同掺氢比甲烷氢气的热物性使用Cantera计算结果确定,尤其是得到参考温度为691 K时的未燃混合物的密度、热导、无拉伸的绝热层流火焰速度等值。图3示例性地给出了所考虑的计算条件下不同掺氢比混气的层流火焰速度计算值。

72例患者中,缺血性病灶检出总数为102个,26个由T1WI检出,包括8个皮质病灶,7个基底节病灶,11个白质病灶;36个由T2WI检出,包括12个皮质病灶,10个基底节病灶,14个白质病灶;40个由DWI检出,包括19个皮质病灶,11个基底节病灶,10个白质病灶;三者检出率分别是25.49%、35.29%和39.22%,DWI的检出率要比T2WI和T1WI高出许多,均存在显著差异,统计学意义成立(P<0.05),详情如下表1:

2 反应机理和模型验证

本文的数值研究使用Miller等提出的包含氮氧化的54组分、251步的反应机理

。为考察机理及模型的可靠性,采用Sydney钝体火焰HM1e的实验装置及数据进行验证

。如图4所示,装置由方形管中放置的直径

=50 mm的圆形钝体喷嘴构成,有关实验装置和实验数据的更多细节,可参考文献[15,20]。

当前,我国正通过“航空发动机与重型燃气轮机”国家重大专项的实施,致力于开发具有自主知识产权的F级重型燃气轮机。在两机专项的重燃专项中,涉及了F级富氢燃料重型燃机的技术研究,F级富氢燃料重型燃机技术研究与验证是基于重燃专项300 MW级F级重型燃机产品,重点解决富氢合成气燃料所带来的关键技术问题,其研究成果可以极大地拓展F级燃气轮机的应用空间,为我国富氢合成气燃料发电领域的发展提供技术支撑。

图5给出了不同轴向位置处O

、H

O、CO和NO的质量分数沿径向分布的数值模拟结果与实验结果的比较,其中所取的轴向位置在图4右图中示出。由图4可以看出,采用上述的反应机理和数值模型所获得的温度、主要反应物O

、主要产物H

O、中间产物CO的质量分数的预测值均与实验结果吻合良好。微量产物NO的预测结果与实验结果在火焰根部位置和后部射流区有些许偏差。应该说明的是,本文对H

、CH

、CO

、OH等其他组分以及速度场的预测值与实验值均进行了比较,结果均给出了良好的吻合性。

3 结果分析和讨论

图6给出了掺氢比为0～100%的6种工况下,燃烧室沿火焰筒纵向中心截面的温度分布等值线。由图6可知,由于氢气的反应活性大,随掺氢比增加,燃料混合气体的化学反应点火时滞减小,混合气可以在更短的时间内被点燃,因而反应发生在更上游的位置,火焰高温区位置向喷嘴方向移动。同时,由于反应活性大,氢气的燃烧相比甲烷更加快速,使得火焰长度缩短。此外,由图3可以看到,在所研究的计算条件下,混合气体的层流火焰传播速度随掺氢比的增加而增大,当预混器喷出的混气的气流速度低于火焰向上游的传播速度时,出现回火现象

。

现今的大型燃气轮机中安装的干式低NO

(DLN)燃烧室,普遍采用预混燃烧方式实现降NO

排放。预混燃烧器的不足在于燃烧稳定范围比常规扩散燃烧器狭窄,并且容易出现回火现象。在燃气轮机燃烧器内,有可能烧损上游无冷却的部件,因此防止回火现象非常重要。

第二，受害方社会地位差异悬殊。“狗咬羊”案中，张新富是村里典型的老实人，老实人在熟人社会里向来循规蹈矩，做事低调，遇到不公平的事情，大多忍气吞声。“青楞”明明欺负了自己，却只能采用“赌咒”的方式来主张公道。“羊吃花生”案中，王贵春一家属于村里的门头大户，而且是经济能人，却受了“青楞”的“大气”，差点家破人亡。

由图7可知,当燃料中加入H

时,由于中心值班喷嘴以扩散燃烧的方式进行,即燃料与空气并非事先混合,因此不具备燃烧条件,火焰不会向上游传播。图7中值班喷嘴壁面温度随着燃料中掺氢比的提高并未出现回火所导致的高温区域。

图8给出了不同燃料掺氢比条件下的燃烧室出口温度分布情况。由图8可以看出,掺氢比发生变化时,燃烧室出口的温度分布大体相似,氢气的加入对燃烧室出口的温度分布几乎不产生影响。高温区域位于燃烧室出口中部,最高温度位于后部透平叶片约2/3叶高位置,叶尖叶片薄、强度差,而叶根通常应力较大,燃烧室出口的这种温度分布趋势可为叶片的安全工作提供保障。

表3给出了不同掺氢比条件下燃烧区域火焰最高温度、出口平均温度、出口最高温度以及出口温度分布不均匀系数的计算值。由表3可以看出:不同掺氢比燃料均获得了所要求的透平进口温度1 700 K;出口温度分布不均匀系数

也均满足小于10%的要求,随掺氢比增加,出口温度场趋于更加均匀;纯氢气燃烧时,出口温度分布不均匀系数略有增加。

表4给出了燃烧室出口的主要产物组分CO、CO

、H

O质量分数及NO

的排放计算结果。其中NO

的排放值

为修正到干基15%氧气浓度气态污染排放物的值,计算公式为

综上所述，丹参注射液联合小剂量阿司匹林治疗妊娠期高血压疾病的临床疗效显著，可显著改善患者的临床症状，改善母婴结局，其作用机制可能与降低患者血清中TNF‐α、IL‐6、HMGB1水平有关。

(4)

相对本科的通识教育，大部分高职院校的通识教育并没有得到普遍重视，无论是理论建设还是实践落实都存在不少问题。

由表4可以看出,随燃料掺氢比的提升,燃烧室出口CO和CO

浓度下降,H

O的浓度增加。随着燃料中掺氢比的增加,燃烧室出口H

O含量增加。燃气组分的变化会导致透平焓降的变化和换热特性的改变。此外,随掺氢比的增加,燃烧室出口CO和CO

排放值降低,且在所研究的工作条件下,CO生成量很少,燃烧进行完全,可达到接近100%的燃烧效率。在NO

的排放方面,由于所研究的燃烧室的工作条件为贫燃料条件,同时燃料中不包含固定N,因而NO

的排放主要为热力型NO。可以看到,NO

的排放随H

的增加呈增加的趋势,但增幅不大,纯氢气时具有较高的排放值。

4 结 论

本文对某F级燃气轮机燃烧室在不同掺氢比条件下的燃烧和排放性能进行了数值研究和分析。结果表明:在维持机组输出功率不变的条件下(以当量热量的H

代替CH

),当燃料中掺入H

时,燃烧室中的最高火焰温度不发生显著变化;出口平均温度及温度分布均可满足机组的原始参数要求;燃料中H

的加入会使以贫预混方式工作的燃烧器产生回火问题。对于本文的研究对象,当掺氢比大于40%时,在预混段内出现因回火产生的高温区域。以扩散方式工作的燃烧器可大大降低回火风险。

在污染物排放方面,燃料中H

的加入会降低燃烧室出口CO和CO

排放量;NO

的排放量随着燃料掺氢比的增加呈增加的趋势,但变化并不显著,纯氢气燃烧时有较高的NO

排放值。随燃料掺氢比的增加,产物中H

O含量增加,将对后部透平的做功能力和换热特性产生较大影响。

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