基于两种燃烧模型的重型燃气...机燃烧室污染物排放预估研究_赵巧男.pdf

收稿日期：2020-07-04基金项目：国家自然科学基金资助项目（51406123）；辽宁省教育厅资助项目（XNZD-1808）作者简介：赵巧男（1995-），女，辽宁本溪人，硕士研究生。通讯作者：王国峰（1975-），男，辽宁朝阳人，高级工程师，博士，主要从事流动、传热和数值计算等方面的研究。基于两种燃烧模型的重型燃气轮机燃烧室污染物排放预估研究赵巧男a，王国峰a，张皓男a，徐有宁b，张文瀚a，郭雨威a（沈阳工程学院 a.能源与动力学院；b.工程技术研究院，辽宁 沈阳 110136）摘要：为有效预估重型燃气轮机NOx的排放量，以某重型燃气轮机的燃烧室为研究对象，基于预混燃烧和柔和燃烧两种燃烧模型，应用数值模拟的方法研究燃烧室内温度分布的情况；采用响应面优化方法研究进口压力、燃烧区平均温度、一次风温对NOx排放的影响；通过公式拟合方法，拟合出针对该重型燃气轮机燃烧室的污染物排放预估公式。结果表明：在操作压力及燃料相同的情况下，使用柔和燃烧模型对减少NOx排放的效果更好；对比两种燃烧模型数值的优化结果及污染物排放预估公式，可发现燃烧区平均温度对污染物排放的影响最大，在基于预混燃烧模型的 NOx排放预估公式中，燃烧区的平均温度指数为-9.7；在基于柔和燃烧模型的NOx排放预估公式中，燃烧区的平均温度指数为-76.69。关键词：重型燃气轮机燃烧室；NOx估算；预混燃烧模型；柔和燃烧模型中图分类号：TK471文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0016-07DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.003第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）由于人类环保意识不断增强，污染物排放的标准日趋严格，降低NOx的排放量已成为燃气轮机技术发展的一个突出问题。因此，对NOx排放预估的研究十分必要。在保证燃烧室大功率、高效率的前提条件下，为满足愈加严格的NOx排放要求，国内外学者进行了多种燃气理论及低污染物排放的相关研究，如预混燃烧技术、干式低排放燃烧室技术、贫燃料预混预蒸发（Lean Premixed Pre-evaporation）技术、稀释扩散燃烧技术以及应用前景广阔的柔和燃烧技术（Moderate or Intense Low-oxygenDilution Combustion，MILD Combustion）等1-4。李宇红等人将6步简化甲烷燃烧反应模型与层流N-S方程相结合，数值模拟了甲烷预混燃烧火焰，得到了速度、温度和10种组份的浓度分布5。WEINBERG F.J.于1971年提出超焓燃烧（LargeExcessEnthalpy Combustion）的概念和柔和燃烧的定义，在满足反应物入口温度大于混合物自燃温度时，反应温升低于混合物自燃温度的燃烧为柔和燃烧6。黄明明等人对柔和燃烧进行研究，建立了分级燃烧器，通过实验研究烟气回流比例和当量比对CH4柔和燃烧火焰形态、NOx和CO排放的影响，结果表明：分级燃烧的 NOx排放量低于旋流扩散燃烧，在一定当量比与回流比下可实现柔和燃烧7。通过对燃烧室进行CFD数值模拟计算，可实现对燃烧室内流场及温度场分布的细节预测，为燃烧室优化设计提供基础8-9。本次研究采用CFD数值计算方法，选取预混燃烧模型和柔和燃烧模型，分别对某重型燃气轮机燃烧室进行数值计算及响应面优化分析，讨论基于两种燃烧模型的一次风温、进口压力及燃烧区平均温度对 NOx排放的影响，并拟合出基于两种燃烧模型的多参数影响下的NOx排放预估公式10，运用这种研究方法可得到较为精确的燃烧室污染物排放预估结果。1物理模型与计算方法1.1数值计算方法本文运用CFD数值方法计算重型燃气轮机燃烧室 NOx的排放量。采用 SIMPLE（semi-implicitmethod for pressure linked equations）压力速度耦合算法求解雷诺平均的 N-S（Navier-Stokes）方程；PDF模型对解决湍流化学反应流的问题较其他燃烧模型有优势，能较为精准地模拟较为详细的化学动力学过程，因此燃烧模型以概率密度模型（PDF模型）为基础11-14。在此基础上，通过提升进口温度建立柔和燃烧模型。具体设计如表1所示。表1数值计算具体设置计算设置湍流模型燃烧室出口固体壁面湍流动能和湍流耗散项动量方程和能量方程模型选择标准k-模型压力出口绝热壁面一阶迎风差分格式二阶迎风差分格式1.2数值分析方法本次数值分析采用响应面分析法，即响应曲面设计方法（Response Surface Methodology，RSM）。响应面由NOx排放值与进口压力、燃烧区平均温度和进口风温之间的函数关系式构成，可简化为NOx=f()Pin,Tpz,Tfirst。响应面分析基于多元线性回归方法，将非线性体系适当处理为线性形式。设火焰筒进口压力、燃烧区平均温度和进口风温为3个因素影响指标取值，通过n次数值试验，得到n组试验数据，最终可得到响应关于各因素水平的数学模型，进而用图形方式绘出污染物排放值与3个因素的关系图。1.3公式拟合方法使用数据分析软件Origin进行多项式拟合，拟合出含有进口压力、燃烧区平均温度和进口风温的多参数影响下的污染物排放预估公式，其原理如下：假设给定参数与NOx排放值影响关系的数据点为()xi,yi，其中i=0,1,m。设为所有次数不超 过n（n m）的 多 项 式 构 成 的 函 数 类，现 求pn()x=k=0nakxk，使下式成立：I=i=0mpn()xi-yi2=i=0m()k=0nakxk-yi2=min（1）当拟合函数为多项式时，满足式（1）的pn()x称为最小二乘拟合多项式。由于I=i=0m()k=0nakxki-yi2为含有进口压力、燃烧区平均温度和进口风温的多元函数，可将上述问题简化为求I=I()a0,a1,an的极值问题。由多元函数求极值的必要条件得k=0n()i=0mxj+kiak=i=0mxjiyi（2）式中，j=0,1,n。式（2）是关于an的线性方程组，用矩阵表示为m+1i=0mxii=0mxnii=0mxii=0mxi2i=0mxin+1i=0mxini=0mxin+1i=0mxi2na0a1an=i=0myii=0mxiyii=0mxniyi（3）由于式（3）的系数矩阵为对称正定矩阵，存在唯一解，可解出ak，得到含有进口压力、燃烧区平均温度、进口风温的多参数影响下的污染物排放预估公式，其中k=0,1,n。第 1 期赵巧男，等：基于两种燃烧模型的重型燃气轮机燃烧室污染物排放预估研究17第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）1.4边界条件对重型燃气轮机单个火焰筒的燃烧过程进行数值模拟，按照预混燃烧模型和柔和燃烧模型分为两套方案，进行两次模拟。基于预混燃烧模型的计算参数如表2所示；基于柔和燃烧模型的计算参数如表3所示。表2基于预混燃烧模型的火焰筒计算参数参数燃料温度/K一次风温度/K二次风温度/K冷却风温度/K操作压力/Pa燃料量/（kg s-1）数据610.5610.5610.5610.51.215 91061.525表3基于柔和燃烧模型的火焰筒计算参数参数燃料温度/K一次风温度/K二次风温度/K冷却风温度/K操作压力/Pa燃料量/（kg s-1）数据800800800610.51.215 91061.625预混燃烧是一种典型燃烧方式，即在燃烧前使燃料与氧气在燃烧器内充分混合，通过控制燃空比，使实际燃烧温度低于理论燃烧温度，即低于热力型NOx生成的起始温度，实现降低NOx生成量的目的。柔和燃烧使反应物在反应之前与高温烟气充分掺混，大大稀释了反应物的浓度，扩大了反应区域；由于高温烟气提高了反应物的温度，达到了高温低氧的反应环境，降低了反应速率和峰值火焰温度，从而减少了热力型NOx的形成；同时，高温环境和扩大的反应区域形成较为均匀的温度场，使反应物氧化更充分，提高了燃烧稳定性和变燃料适应性。柔和燃烧在预混燃烧模型基础上提高了初温，使燃料燃烧较预混燃烧更加充分，降低NOx排放效果更加明显。柔和燃烧理论的前提为提高进口温度会在一定程度上减少污染物排放，因此基于柔和燃烧模型进行数值计算时，在基于预混燃烧模型的边界条件基础上，适当提高燃料温度、一次风温度和二次风温度。1.5物理模型与网格划分选取某重型燃气轮机20个火焰筒中的1个为计算域，建立三维物理模型，如图1所示。火焰筒由20个一次风进口、6个二次风进口、20个值班燃料小孔和8排冷却通道组成。数值计算主要分析参数为火焰筒进口压力、一次风温度及燃烧区平均温度。图1火焰筒物理模型在数值模拟中，网格数量会对计算结果产生重要影响，网格数量过少，可能导致计算精度较低或无法捕捉到模型的关键特征；网格数量过多，会导致计算资源浪费，在现有计算条件下开展工作较为困难12-13。bac图2火焰筒网格模型图2为火焰筒网格模型，网格划分采用混合网格技术，在保证计算精度的基础上尽可能减少网格使用，保证计算高效准确。其中，a图为简化后的火焰筒纵向物理模型及计算网格，仅对于火焰筒颈部采用四面体网格，其他部分均采用六面体网格，在保证计算精度基础上尽可能减少网格数；b图为18简化后的火焰筒横向物理模型及计算网格，在冷却风入口及燃料入口均设置边界层，保证计算准确性；c图为旋流部分网格划分，旋流部分分为内外两部分，内部为燃料进口，外部为一次风进口。除头部旋流部分与火焰筒连接段外，其余部分均使用六面体网格，经过网格无关验证后，最终确定网格数为5 920 786。2模拟结果与公式拟合2.1基于预混燃烧模型的数值结果分析利用预混燃烧模型的燃烧室基础设计数据，运用 FLUENT软件进行计算，对燃烧室进行数值分析，得到工作状态的燃烧室纵截面温度分布，如图3所示。图3燃烧室纵截面总温分布由图3可知：二次风射流深度约为火焰筒高度的1 4，起到切断头部回流区边界的作用，为后续形成回流区促进燃烧提供环境；二次风气流导致在火焰筒后部区域形成回流区，起到助燃掺混作用，使燃料燃烧更加充分；随着燃烧持续进行，火焰前锋有缩短趋势，火焰边界有靠近火焰筒壁的趋势。图4燃烧室纵截面速度分布图4为燃烧室纵截面速度分布云图。由图4可知：二次风进口速度较大；由于二次风的助燃作用，主燃区的速度分布较为均匀，且形成稳定的回流区，使出口速度更加均匀。图5主燃区横截面温度分布图5为主燃区横截面温度分布情况。由图5可知：燃烧区的高温区域沿火焰筒纵向分布较均匀，最外侧由于冷却风的加入，温度稍有降低；由于风速的影响，燃烧区中心的温度较外层温度高，较高温区域的温度低。由于冷却风存在，出口靠近壁面处的温度较低，可以起到保护外壁的作用。2.2基于柔和燃烧模型的数值结果分析利用柔和燃烧模型的燃烧室基础设计数据，运用 FLUENT软件进行计算，对燃烧室进行数值分析，得到工作状态下燃烧室纵截面的温度分布，如图6所示。图6燃烧室纵截面温度分布由图6可知：提高进口温度后，在燃烧室工作时燃烧区的温度分布较升温前均匀，且火焰边界有靠近火焰筒壁的趋势，二次风仍起到切断头部回流区边界的作用，为燃烧区形成回流提供条件；燃烧区的平均温度较基于预混燃烧模型的燃烧区平均温度更低，说明操作压力相同时，柔和燃烧模型可有效降低燃烧温度，较预混燃烧模型产生的热力型NOx更少。第 1 期赵巧男，等：基于两种燃烧模型的重型燃气轮机燃烧室污染物排放预估研究19第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）图7燃烧室纵截面速度分布图7为燃烧室纵截面速度分布云图，速度在二次风进口处达到最大，加入二次风后，在主燃区形成稳定回流区，使出口处的速度趋于均匀。图8主燃区横截面温度分布图8为主燃区横截面温度分布云图。由图8可知：主燃区的高温区域沿火焰筒纵向呈均匀环状分布，由于筒壁侧有冷却风加入，有效起到降低火焰筒筒壁温度、保护筒壁的作用；燃烧区中心温度较高，这是由