同熱值不同組分中低熱值燃料燃燒特性的模擬

孫 丹，徐 微，辛 欣，佟顯義

(1.沈陽航天新光集團(tuán) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究室，沈陽 110136； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

同熱值不同組分中低熱值燃料燃燒特性的模擬

孫 丹1,2，徐 微1，辛 欣1，佟顯義1

(1.沈陽航天新光集團(tuán) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究室，沈陽 110136； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

使用CHEMKIN軟件，分析了同熱值不同組分中低熱值燃料對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性的影響。保證熱值相同的情況下，采用天然氣摻混氮?dú)狻⒁谎趸?、氫氣摻混氮?dú)?種不同組分的燃料，研究了當(dāng)量比和燃燒室進(jìn)口溫度分別對(duì)絕熱火焰溫度、燃燒室出口溫度、CO排量和NO排量的影響。結(jié)果表明：同熱值不同組分中低熱值燃料的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性不同，且中低熱值燃料中可燃?xì)怏w所占比例越大，絕熱火焰溫度和燃燒室出口溫度越高。

中低熱值燃料；燃燒特性；燃?xì)廨啓C(jī)；模擬研究

我國中低熱值燃料不僅種類繁多，而且總量很大[1]。中低熱值燃料燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用，避免了中低熱值燃料直接排放到大氣中而造成環(huán)境污染和直接燃燒造成能源浪費(fèi)，對(duì)我國緩解能源緊缺和保護(hù)環(huán)境具有重要的意義[2]。中低熱值燃料由于熱值低，并且組分多種多樣，會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率等特性產(chǎn)生影響[3]。目前，國內(nèi)外通過對(duì)燃燒天然氣和低熱值煤氣的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行模擬、試驗(yàn)，研究了低熱值燃料的燃燒性能，并對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施[4-6]。

近幾年，國內(nèi)外對(duì)于中低熱值燃料組分對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性的影響已有一些研究。2013年何敏等人[7]對(duì)同熱值不同成分低熱值燃料燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同年何敏[8]等人采用數(shù)值分析方法，針對(duì)環(huán)管型燃燒室，研究了2種同熱值不同組分的中低熱值燃料對(duì)燃燒室流場的影響。2014年Liu等人[9]對(duì)SGT-400干式低排放燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了燃料組分和熱值的變化對(duì)燃燒性能的影響的研究。

本文根據(jù)燃燒室溫度場和流場分布建立燃燒室反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型，利用CHEMKIN軟件，采用3種同熱值不同組分的中熱值燃料，模擬分析了中低熱值燃料當(dāng)量比和燃燒室進(jìn)口溫度等因素對(duì)燃燒室溫度和污染物生成的影響。

1 模型建立

1.1 燃燒室結(jié)構(gòu)

本文所研究的是PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[10]。該燃?xì)廨啓C(jī)是20世紀(jì)90年代初期美國通用公司設(shè)計(jì)制造出的大型、現(xiàn)代化的電站用燃?xì)廨啓C(jī)，目前已應(yīng)用于我國“西氣東輸”項(xiàng)目中。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。燃燒室壁上開有各種孔，包括主燃孔、助燃孔(補(bǔ)燃孔)和摻混孔。根據(jù)各孔功能將燃燒室分成不同的功能區(qū)，即主燃區(qū)、助燃區(qū)和摻混區(qū)(過渡段)。

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 燃燒室氣體流動(dòng)圖

1.2 燃燒室化學(xué)反應(yīng)器模型

根據(jù)燃燒室結(jié)構(gòu)、燃燒室內(nèi)部氣體流動(dòng)及燃燒反應(yīng)特點(diǎn)，將燃燒室進(jìn)行劃分，根據(jù)劃分后每一區(qū)域的特點(diǎn)，選擇合適的反應(yīng)器來代替該區(qū)域，然后再將各反應(yīng)器進(jìn)行相應(yīng)連接，從而建立燃燒室化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3所示。

圖3 燃燒室化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

1.3 初始條件及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定燃燒室各進(jìn)氣口的空氣流量比例，如表1所示。該燃燒室在額定工況下壓氣機(jī)總進(jìn)口流量為639.8 kg/s，根據(jù)流量比例得出各進(jìn)氣口空氣流量。根據(jù)燃燒室主燃區(qū)的空氣流量和臨界當(dāng)量比，可以計(jì)算出主燃區(qū)燃料流量。表2為燃燒室初始參數(shù)設(shè)置。

表1 燃燒室空氣流量分配比例 %

表2 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室初始參數(shù)設(shè)置

1.4 燃料選取

為研究燃料組分對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性的影響，文中選取3種同熱值不同組分的燃料，即CH4摻混N2、CO和H2摻混N2。燃料的熱值定為10 MJ/kg，即CO燃料的熱值，根據(jù)式(1)分別確定另外2種燃料的組分體積比，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

氣體燃料熱值Qar,net計(jì)算公式如式(1)所示。

Qar,net=126CO+108H2+358CH4+590C2H4+637C2H6+806C3H6+912C3H8+1187C4H10+1460C5H12+232H2S(kJ/m3)

(1)

式中：CO、H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H10、C5H12、H2S代表在氣體燃料中各組分相應(yīng)的含量(%)。

表3 燃料組分及其熱值

根據(jù)空氣流量和臨界當(dāng)量比(以當(dāng)量比為1進(jìn)行計(jì)算)，計(jì)算得到燃料1、燃料2、燃料3的燃料流量分別為69.422、96.936、83.768(單位kg/s)。由此可見相同空氣流量下，燃料熱值相同，其組分不同所需的燃料流量也不相同。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

利用CHEMKIN軟件，根據(jù)上文所建立的燃燒室化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選用反應(yīng)機(jī)理GRI Mech3.0模擬燃?xì)廨啓C(jī)燃燒過程，并研究燃料組分對(duì)燃燒特性的影響。本文主要分析了當(dāng)量比和燃燒室進(jìn)口溫度分別對(duì)燃燒室絕熱火焰溫度、燃燒室出口溫度、CO排量和NO排量的影響。

2.1 當(dāng)量比對(duì)燃燒的影響

在燃燒室空氣總進(jìn)氣量531.2 kg/s，燃燒室壓力16 atm，進(jìn)口溫度750 K，當(dāng)量比取0.6～1.55的條件下，模擬計(jì)算3種燃料的當(dāng)量比對(duì)燃燒特性的影響，所得結(jié)果如圖4-圖7所示。

圖4 絕熱火焰溫度隨當(dāng)量比變化

圖5 燃燒室出口溫度隨當(dāng)量比變化

圖6 燃燒室CO排量隨當(dāng)量比變化

圖7 燃燒室NO排量隨當(dāng)量比變化

由圖4-圖7得到，CH4+N2和H2+N2這2種燃料的燃燒特性隨當(dāng)量比的變化趨勢相同。CO燃料的燃燒室溫度和廢氣排放量高于CH4+N2和H2+N2這2種燃料。對(duì)于CO燃料，在當(dāng)量比為0.9～1.55之間時(shí)絕熱火焰溫度隨當(dāng)量比的變化比其它2種燃料變化平緩；燃燒室出口溫度隨當(dāng)量比增大上升速度增快；在當(dāng)量比大于1.0時(shí)，CO排量急劇上升；NO排量明顯高于其它2種燃料。

2.2 進(jìn)口溫度對(duì)燃燒影響

圖8-圖11給出了3種燃料的進(jìn)口溫度對(duì)燃燒特性的影響。在燃燒室空氣總進(jìn)氣量為531.2 kg/s、燃燒室壓力為16 atm、當(dāng)量比為1.0、進(jìn)口溫度取450～800 K的條件下，模擬計(jì)算CH4+N2、CO和H2+N2這3種同熱值不同組分燃料的燃燒特性隨進(jìn)口溫度的變化。

圖8 絕熱火焰溫度隨進(jìn)口溫度變化

從圖8和圖11得出，3種燃料的燃燒室溫度隨進(jìn)口溫度變化趨勢相同，且CO燃料的溫度最高，其次是H2+N2燃料，CH4+N2燃料的最低。由圖10和圖11可見，CO燃料的CO排量和NO排量都隨進(jìn)口溫度升高而增大，而CH4+N2和H2+N2這2種燃料的廢氣排放隨進(jìn)口溫度變化影響較小，并且CO燃料的廢氣排放量明顯高于燃料CH4+N2和H2+N2。

圖9 燃燒室出口溫度隨進(jìn)口溫度變化

圖10 燃燒室CO排量隨進(jìn)口溫度變化

圖11 燃燒室NO排量隨進(jìn)口溫度變化

3 結(jié)論

本文利用CHEMKIN軟件，采用天然氣摻混氮?dú)?、一氧化碳和氫氣摻混氮?dú)?種同熱值不同組分的燃料，模擬研究中低熱值燃料對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性的影響。結(jié)果表明，CH4+N2、CO和H2+N2這3種燃料，其熱值相同組分不同，計(jì)算得出3種燃料的燃燒特性也不同，因此燃料的組分影響燃料的燃燒特性。另外，CH4+N2和H2+N2這2種摻氮燃料的燃燒特性相近，而與CO燃料的差異較大。由此得出燃料中可燃成分比例越大，燃燒溫度越高，污染物排放量也越高。燃料組分不同，其燃燒穩(wěn)定性和燃燒特性不同，所以在分析燃料燃燒特性時(shí)，不僅要考慮燃料熱值的影響，而且要考慮燃料組分的作用。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：趙歡)

Simulation study on combustion characteristics of low-calorific-value fuel gas

SUN Dan1,2,XU Wei1,XIN Xin1,TONG Xian-yi1

(1.Laboratory of Rocket Engine,Shenyang Aerospace Xinguang Group Co.,Ltd.,Shenyang 110136,China; 2.School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

In the paper,the influences of component of low-calorific-value fuel gas on combustion characteristics of gas turbine were analyzed by CHEMKIN software.Effects of equivalence ratio and inlet temperature of combustor on adiabatic flame temperature,outlet temperature of combustor,emissions of CO and NO were investigated using three kinds of low-calorific-value fuel gas with the same calorific value.The fuel gases were mixture of natural gas and nitrogen,carbon monoxide and mixture of hydrogen and nitrogen,respectively.The results show that different components of fuel gas lead to different combustion characteristics of the low-calorific-value fuel,despite the same calorific value.The more the proportion of combustible gases in fuel gas,the higher the adiabatic flame temperature and outlet temperature of combustor are.

low-calorific-value fuel gas;combustion characteristics;gas turbine;simulation study

2016-10-28

孫 丹(1987-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要研究方向：燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的模擬，E-mail:1093689739@qq.com。

2095-1248(2016)06-0023-05

TK124

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.06.004