9E燃?xì)廨啓C(jī)LEC-III燃燒室預(yù)混模式的數(shù)值計(jì)算

葉　文，　劉傳亮，　范雪飛，　黃行良，　吳革新，　楊道剛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

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9E燃?xì)廨啓C(jī)LEC-III燃燒室預(yù)混模式的數(shù)值計(jì)算

葉文，劉傳亮，范雪飛，黃行良，吳革新，楊道剛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

采用數(shù)值模擬方法對(duì)LEC-III燃燒室的燃燒流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了預(yù)混模式下火焰筒內(nèi)速度分布、溫度分布和組分分布.結(jié)果表明：在預(yù)混模式下，火焰筒通過二級(jí)燃料噴嘴旋流器和中心體旋流器形成回流來穩(wěn)定火焰；中心體旋流器控制了火焰范圍，這對(duì)組織二級(jí)燃燒區(qū)的火焰燃燒非常重要；隨著吹掃空氣質(zhì)量流量的增加，NO體積分?jǐn)?shù)逐漸減?。荒M計(jì)算得出的NO體積分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)值接近，且兩者的變化趨勢(shì)一致.

燃?xì)廨啓C(jī)； 預(yù)混模式； 中心體； 旋流器； 吹掃空氣； NOx排放

燃?xì)廨啓C(jī)傳統(tǒng)擴(kuò)散型標(biāo)準(zhǔn)燃燒室的NOx排放量偏高，為了降低NOx排放量，GE公司從20世紀(jì)70年代開始研制DLN1.0燃燒室[1]，Alstom公司研制了LEC-III燃燒室.與GE公司的DLN1.0燃燒室一樣，LEC-III燃燒室可應(yīng)用于GE公司的B級(jí)和E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī).

武漢某電廠9E燃?xì)廨啓C(jī)原配置標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)散型燃燒室在燃燒過程中產(chǎn)生的NOx排放量很高,為了達(dá)到新版國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的NOx排放要求，該電廠采用LEC-III燃燒室進(jìn)行了低氮燃燒系統(tǒng)改造，改造后機(jī)組的NOx排放體積分?jǐn)?shù)為9×10-6.

依托此次改造工程，筆者利用CFD軟件對(duì)電廠改造后預(yù)混模式下的火焰筒進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比以保證模擬的有效性，同時(shí)研究了火焰筒內(nèi)速度場、溫度場、組分分布和污染物排放情況.

1　火焰筒結(jié)構(gòu)分析與建模

圖1給出了適用于9E燃?xì)廨啓C(jī)的低NOx燃燒室的基本結(jié)構(gòu)，LEC-III燃燒室由火焰筒、導(dǎo)流襯套、端蓋、燃燒室外殼、過渡段、燃料噴嘴、中心體組件和文丘里組合件等組成.圖2為低NOx燃燒室的剖視圖，顯示了各部件的相對(duì)位置.圖3為LEC-III火焰筒示意圖，其與DLN1.0火焰筒的射流孔開孔位置顯著不同.對(duì)燃燒室等部件尺寸進(jìn)行測(cè)量，利用CAD軟件生成火焰筒測(cè)繪圖，根據(jù)測(cè)繪圖對(duì)火焰筒內(nèi)部流道進(jìn)行三維建模.

圖1　適用于9E燃?xì)廨啓C(jī)的低NOx燃燒室的基本結(jié)構(gòu)

圖2　低NOx燃燒室的剖視圖

圖3　LEC-III火焰筒

1.1一級(jí)燃料噴嘴結(jié)構(gòu)分析

圖4給出了一級(jí)燃料噴嘴流道結(jié)構(gòu)及建模.天然氣通過一級(jí)燃料噴嘴的小孔射入旋流器的槽道中，并與槽道內(nèi)空氣進(jìn)行混合后射入火焰筒內(nèi).一級(jí)燃料噴嘴前端有16個(gè)傾斜式槽道，組成了旋流器.按照旋流器幾何參數(shù)計(jì)算出旋流數(shù)為0.697 5.

1.2二級(jí)燃料噴嘴結(jié)構(gòu)分析

圖5給出了二級(jí)燃料噴嘴流道結(jié)構(gòu)及建模.二級(jí)燃料噴嘴中部的6個(gè)圓柱體是二級(jí)預(yù)混氣體燃料噴射樁，前端環(huán)狀圓孔為切換氣體燃料噴嘴.在二次模式下，切換氣體燃料流道內(nèi)為天然氣，其余燃燒模式下，流道內(nèi)為空氣.按照二級(jí)燃料噴嘴旋流器幾何參數(shù)計(jì)算出旋流數(shù)為0.717 5.

(a) 流道結(jié)構(gòu)

(b) 建模

(a) 流道結(jié)構(gòu)

(b) 建模

1.3中心體結(jié)構(gòu)分析

圖6給出了中心體實(shí)物及建模.中心體內(nèi)部流道分為內(nèi)、外2層，在內(nèi)層流道中，天然氣與空氣進(jìn)行預(yù)混并通過旋流器進(jìn)入二級(jí)燃燒區(qū)；在外層流道

(a) 中心體實(shí)物

(b) 建模

中，空氣通過旋流器進(jìn)入二級(jí)燃燒區(qū).按照旋流器幾何參數(shù)計(jì)算出旋流數(shù)為1.453 2.

建立火焰筒內(nèi)部流道模型，并將該模型與中心體和二級(jí)燃料噴嘴進(jìn)行布爾求差運(yùn)算，得到中心體及二級(jí)燃料噴嘴內(nèi)部流道.

1.4模型建模及網(wǎng)格劃分

圖7給出了火焰筒內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)及三維模型.

(a) 流道結(jié)構(gòu)

(b) 建模

燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照其實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模會(huì)生成過于龐大的網(wǎng)格數(shù)，導(dǎo)致超出目前計(jì)算機(jī)所能提供的計(jì)算能力.因此，筆者對(duì)某實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下簡化和假設(shè)：(1)冷卻孔的數(shù)目太多，將其簡化為等面積的縫隙；(2)忽略了火焰筒上聯(lián)焰管的影響；(3)燃料用甲烷來代替；(4)假設(shè)火焰筒壁厚為0，且建模時(shí)只考慮火焰筒內(nèi)部的氣體流道；(5)一級(jí)燃料噴嘴處的旋流器位于火焰筒頂部，只考慮旋流器槽道；(6)對(duì)文丘里組合件進(jìn)行簡化，忽略其內(nèi)部冷卻流道的結(jié)構(gòu)，文丘里冷卻空氣射流從第三排射流孔直接流入火焰筒；(7)將二級(jí)燃料噴嘴的環(huán)狀噴嘴簡化為6個(gè)燃料噴射樁.

從三維軟件中輸出圖7(b)所示模型，將該模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分.圖8給出了火焰筒外表面及剖面網(wǎng)格模型.計(jì)算域分為11塊，根據(jù)每塊的具體情況決定采用非結(jié)構(gòu)化或結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、網(wǎng)格的形狀以及網(wǎng)格的生成方法.最小網(wǎng)格尺寸根據(jù)幾何尺寸和流場情況決定，如在燃料噴射樁小孔和旋流器葉片處的網(wǎng)格很密，而在其他位置可以采用相對(duì)較稀疏的網(wǎng)格.為了獲得較快的計(jì)算速度，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)，最后生成的網(wǎng)格數(shù)約為1 150萬.

(a) 外表面

(b) 剖面

2　模型邊界條件及數(shù)值模擬方法

2.1空氣質(zhì)量流量分配

火焰筒流量分配的計(jì)算方法主要有面積法、流阻法和平均流量系數(shù)法[2]等，筆者采用面積法，即各孔的進(jìn)氣量等于其相對(duì)開孔面積.

進(jìn)入火焰筒內(nèi)空氣的質(zhì)量流量取決于入口的面積.各個(gè)入口的空氣質(zhì)量流量見表1.根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)可知空氣入口溫度為608 K，通過流道進(jìn)入火焰筒的空氣質(zhì)量流量為13.63 kg/s[3].

表1　流道面積及空氣質(zhì)量流量分配

2.2天然氣入口質(zhì)量流量

表2給出了燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際點(diǎn)火升負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)(其中IBH OFF模式表示抽氣加熱系統(tǒng)關(guān)閉)，記錄了6種負(fù)荷下的天然氣體積流量，天然氣入口溫度為300 K.基于此，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)功率為102.0 MW時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)在預(yù)混模式下運(yùn)行，天然氣體積流量為34 687 m3/h，機(jī)組有14個(gè)火焰筒，單個(gè)火焰筒天然氣質(zhì)量流量為0.459 88 kg/s.

表2燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際點(diǎn)火升負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)(IBH OFF模式，環(huán)境溫度32 ℃)

Tab.2Gas turbine operating data in load-up process (IBH OFF mode, environment temperature 32 ℃)

編號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)功率/MW燃燒模式天然氣體積流量/(m3·h-1)單個(gè)火焰筒天然氣質(zhì)量流量/(kg·s-1)128.0一次模式165180.21899241.4一次模式194290.25759350.4貧-貧模式223960.29690459.1貧-貧模式246480.32678571.4貧-貧模式288640.382706102.0預(yù)混模式346870.45988

圖9給出了天然氣閥站內(nèi)閥門GCV1、GCV2和GCV3的流量系數(shù)曲線.在不同燃燒模式下，根據(jù)閥門GCV1、GCV2、GCV3的流量系數(shù)曲線及閥門開度，可以求出通過一級(jí)燃料噴嘴和二級(jí)燃料噴嘴的天然氣質(zhì)量流量[3].

圖9　閥門GCV1、GCV2和GCV3的流量系數(shù)曲線

改造工程中，環(huán)境溫度為32 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行滿負(fù)荷為106 MW.9E燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中共有4種燃燒模式，分別為一次模式、貧-貧模式、二次模式和預(yù)混模式.

當(dāng)抽氣加熱系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，一次模式為從燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)點(diǎn)火、加速到40%負(fù)荷的階段，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的全部燃料都供給一級(jí)燃料噴嘴.貧-貧模式為40%～80%負(fù)荷階段，70%的燃料供給一級(jí)燃料噴嘴，30%的燃料供給二級(jí)燃燒噴嘴.二次模式是個(gè)暫時(shí)的過渡階段，其將所有燃料都供給二級(jí)燃料噴嘴和切換氣體燃料噴嘴.預(yù)混模式為80%～100%負(fù)荷階段，83%的燃料供給一級(jí)燃料噴嘴，17%的燃料供給二級(jí)燃料噴嘴.筆者僅選取表2中預(yù)混模式進(jìn)行計(jì)算，通過一級(jí)燃料噴嘴和二級(jí)燃料噴嘴的天然氣質(zhì)量流量分別為0.381 7 kg/s和0.078 18 kg/s.

2.3數(shù)值模擬方法

數(shù)值計(jì)算采用Fluent軟件，采用有限速率/渦耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation)方法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[4].壓力速度耦合采用Simple算法，其他變量的離散采用一階精度迎風(fēng)插值格式.首先對(duì)火焰筒內(nèi)部流道進(jìn)行三維冷態(tài)數(shù)值模擬，然后將冷態(tài)計(jì)算結(jié)果作為熱態(tài)計(jì)算的初始條件.化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)預(yù)測(cè)NOx排放的影響很大，而目前的模型對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的描述還不完善，因此NOx排放的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值可能會(huì)有差別，本模型主要用于定性分析NOx生成的位置及變化趨勢(shì).9E燃?xì)廨啓C(jī)采用天然氣作為燃料，筆者只考慮熱力型NOx的生成.

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1速度場分布

y軸為火焰筒軸向方向，在火焰筒中選取1個(gè)軸截面，軸截面通過x軸、y軸，命名為X1面.圖10給出了X1面速度分布.在文丘里管的喉部氣體速度為45 m/s，在二級(jí)燃料噴嘴旋流器邊緣處氣體速度達(dá)到最大值55 m/s.當(dāng)燃燒處于預(yù)混模式時(shí)，預(yù)混氣體在二級(jí)燃燒區(qū)燃燒，文丘里管喉部高速氣流和二級(jí)燃料噴嘴旋流器邊緣處環(huán)狀射流可以防止二級(jí)燃燒區(qū)的火焰回火，避免一級(jí)燃燒區(qū)的氣體再點(diǎn)火燃燒.

圖10　X1面速度分布

在第一排射流孔處空氣速度為30 m/s，在摻混孔處空氣速度為30 m/s，在火焰筒出口處氣體速度大小逐漸趨于均勻.

圖11給出了X1面軸向分速度分布.從圖11可以看出，區(qū)域內(nèi)氣體軸向分速度為負(fù)值，在二級(jí)燃料噴嘴旋流器后區(qū)域內(nèi)，氣體最小軸向分速度達(dá)到-18 m/s，說明在該區(qū)域形成了中心回流區(qū).在LEC-III燃燒室中，二級(jí)燃料噴嘴旋流器及中心體旋流器使流經(jīng)旋流器進(jìn)入二級(jí)燃燒區(qū)的燃?xì)猱a(chǎn)生旋轉(zhuǎn).當(dāng)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度足夠大時(shí)，中心壓力將下降到足以產(chǎn)生逆向流動(dòng)，因而形成回流[5].預(yù)混氣體在文丘里管的喉部下游形成了回流區(qū)，從而增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性.

(a)軸向分速度(b)軸向分速度為負(fù)的區(qū)域

圖11X1面軸向分速度分布

Fig.11X1 surface axial velocity distribution

圖12為火焰筒二級(jí)燃燒區(qū)速度矢量圖.從圖12可以看出，圖中箭頭代表速度矢量，且速度小于零，在中心體旋流器后產(chǎn)生了2個(gè)氣體環(huán)流，分別在左右兩側(cè)，其旋轉(zhuǎn)方向彼此相反.

圖12　火焰筒二級(jí)燃燒區(qū)速度矢量圖

湍流度在環(huán)流氣體與主流氣體的交接面上很大，兩股氣流間產(chǎn)生強(qiáng)烈的質(zhì)量交換.因此，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于預(yù)混模式時(shí)，環(huán)流氣體將被點(diǎn)燃并形成火焰鋒面，回流氣體的溫度將上升到接近于火焰溫度.高溫氣體逆向流動(dòng)將大量熱量持續(xù)向上游傳輸，對(duì)二級(jí)燃料噴嘴旋流器后新鮮預(yù)混氣體不斷加熱.當(dāng)該預(yù)混氣體接受的熱量足夠多，就形成自動(dòng)點(diǎn)火源，能保證預(yù)混燃料可以連續(xù)地燃燒.

3.2溫度場分布

3.2.1軸截面溫度分布

預(yù)混模式下，83%的燃料供給一級(jí)燃料噴嘴，17%的燃料供給二級(jí)燃料噴嘴.甲烷與空氣在一級(jí)燃燒區(qū)形成預(yù)混氣體，預(yù)混氣體全部在二級(jí)燃燒區(qū)進(jìn)行預(yù)混燃燒.

圖13為X1面溫度分布圖.從圖13可以看出，預(yù)混模式下，預(yù)混氣體在二級(jí)燃料噴嘴處被點(diǎn)燃，進(jìn)行預(yù)混燃燒，這與火焰筒內(nèi)實(shí)際工作情況相符.圖13中甲烷被點(diǎn)燃的區(qū)域內(nèi)溫度最高可達(dá)到1 970 K，與實(shí)際運(yùn)行火焰筒中最高溫度1 900 K相近.與一次模式下最高溫度2 500 K相比，預(yù)混模式下火焰的最高溫度為1 970 K，火焰溫度降低，有利于降低NO的生成量.在預(yù)混模式下，火焰?zhèn)鬏斁嚯x較短.在火焰筒末端處，冷卻空氣通過摻混孔進(jìn)入火焰筒，使燃?xì)鉁囟冉档偷酵钙角暗脑O(shè)計(jì)值，并使出口溫度場均勻，有利于保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)葉片.冷卻空氣經(jīng)摻混孔進(jìn)入火焰筒，對(duì)火焰筒內(nèi)高溫燃?xì)馀艢膺M(jìn)行冷卻，因此摻混孔附近空氣溫度偏低.

圖13　X1面溫度分布圖

3.2.2中心體流道角度對(duì)溫度分布影響

火焰筒中心體旋流器旋流數(shù)實(shí)際為1.453 2，將模型中火焰筒中心體旋流器旋流數(shù)改小為0.839 0，其余條件不變進(jìn)行計(jì)算.圖14給出了2種中心體旋流數(shù)下X1面溫度分布的比較.從圖14可以看出，2種情況下的X1面溫度分布顯著不同.減小中心體旋流數(shù)，旋流強(qiáng)度減弱，中心體后回流區(qū)減小，火焰范圍減小，不利于火焰穩(wěn)定燃燒，部分甲烷可燃?xì)怏w沒有參與反應(yīng)，從火焰筒壁面附近流至下游.但是中心體旋流數(shù)也不能選取過大，否則高溫火焰直接在火焰筒壁面處燃燒，容易燒壞火焰筒.

通過以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中心體旋流器控制了火焰燃燒范圍，對(duì)于組織二級(jí)燃燒區(qū)的火焰燃燒非常重要，火焰筒設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的中心體旋流數(shù).

3.3組分分布

3.3.1CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖15給出了X1面CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.從圖15可以看出甲烷在預(yù)混燃燒區(qū)的分布特點(diǎn)：旋流器附近的甲烷與空氣進(jìn)行強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，甲烷在二級(jí)燃燒區(qū)燃燒很完全，即燃燒效率很高.

圖14　2種中心體旋流數(shù)下X1面溫度分布的比較

圖15　X1面CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3.3.2NO摩爾分?jǐn)?shù)分布

在預(yù)混模式下，可燃?xì)怏w在一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)并不燃燒，而是在二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)預(yù)混燃燒，因而有利于降低NOx排放量.二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)，溫度高的區(qū)域的NO摩爾分?jǐn)?shù)高，在圖16中，NO主要分布在二級(jí)燃料噴嘴附近.摻混孔的位置對(duì)NO摩爾分?jǐn)?shù)分布有一定影響，原因是冷卻空氣從摻混孔射入火焰筒，將NO吹向了火焰筒壁面處.

圖16　X1面NO的摩爾分?jǐn)?shù)分布

NO摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

(1)

式中：x(NOx)計(jì)算值為火焰筒出口處NOx的摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算值；x(O2)計(jì)算值為火焰筒出口處O2的摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算值；以上氣體摩爾分?jǐn)?shù)均為15%O2摩爾分?jǐn)?shù)下的修正值.

通過式(1)計(jì)算得出火焰筒出口處NO摩爾分?jǐn)?shù)為8.256 0×10-6.

因?yàn)镹O摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)值與體積分?jǐn)?shù)數(shù)值相同，火焰筒出口處NO體積分?jǐn)?shù)也為8.256 0×10-6.

3.3.3切換氣體質(zhì)量流量對(duì)NO排放的影響

圖17給出了工程改造后天然氣閥站及燃料環(huán)管的示意圖.

在二次模式下，切換氣體燃料流道內(nèi)為天然氣，其余燃燒模式下，流道內(nèi)為壓氣機(jī)抽氣.壓縮空氣通過吹掃閥進(jìn)入切換燃料環(huán)管，天然氣閥站內(nèi)沒有儀表測(cè)量此處壓氣機(jī)抽氣體積流量，因而沒有壓縮空氣質(zhì)量流量試驗(yàn)數(shù)據(jù).

在二次模式下，通過天然氣體積流量及GCV2閥門開度可以求出通過切換燃料噴嘴的天然氣質(zhì)量流量最大值為0.18 kg/s.由于二次模式只持續(xù)30 s，此時(shí)天然氣質(zhì)量流量最大值持續(xù)時(shí)間很短，因此假定通過火焰筒切換燃料噴嘴吹掃空氣質(zhì)量流量最大值為0.15 kg/s.選取4組吹掃空氣質(zhì)量流量，考察吹掃空氣對(duì)NO排放的影響.

如表3所示，隨著吹掃空氣質(zhì)量流量的增加，NO體積分?jǐn)?shù)逐漸減小.當(dāng)吹掃空氣質(zhì)量流量取最大值0.15 kg/s時(shí)，吹掃空氣質(zhì)量流量只占火焰筒內(nèi)空氣質(zhì)量流量的1.1%，但是對(duì)火焰筒二級(jí)燃燒區(qū)的NO體積分?jǐn)?shù)影響很大.

圖18給出了不同吹掃空氣質(zhì)量流量下切換氣體燃料噴嘴氣流速度的對(duì)比.當(dāng)吹掃空氣質(zhì)量流量為0.06 kg/s時(shí)，切換氣體燃料噴嘴處空氣速度為50 m/s.當(dāng)吹掃空氣質(zhì)量流量為0.15 kg/s時(shí)，切換氣體燃料噴嘴處空氣速度為136 m/s，此時(shí)吹掃空氣速度過大.因此，隨著吹掃空氣質(zhì)量流量的增加，切換氣體燃料噴嘴處空氣速度也快速增大.

表3　4種切換氣體質(zhì)量流量下的NO體積分?jǐn)?shù)

圖18不同吹掃空氣質(zhì)量流量下切換氣體燃料噴嘴氣流速度的對(duì)比

Fig.18Comparison of velocity at gas fuel nozzles among different flow rates of purging air

圖19給出了不同吹掃空氣質(zhì)量流量下X1面溫度的對(duì)比.吹掃空氣質(zhì)量流量對(duì)二級(jí)燃燒區(qū)溫度的影響很大，當(dāng)吹掃空氣質(zhì)量流量從0.01 kg/s增加到0.15 kg/s時(shí)，X1面最高溫度顯著降低，從2 500 K下降到1 800 K，進(jìn)而影響NO體積分?jǐn)?shù).當(dāng)吹掃空氣質(zhì)量流量過小時(shí)，X1面溫度過高；當(dāng)吹掃空氣質(zhì)量流量過大時(shí)，X1面溫度過低，燃燒不穩(wěn)定，火焰容易熄火，而且此時(shí)切換燃料噴嘴處氣流速度過大.因?yàn)镹Ox生成量與火焰溫度成指數(shù)關(guān)系，而不同吹掃空氣質(zhì)量流量對(duì)火焰溫度影響顯著，所以設(shè)計(jì)火焰筒切換氣體燃料噴嘴時(shí)，吹掃空氣質(zhì)量流量是很關(guān)鍵的因素.

圖19不同吹掃空氣質(zhì)量流量下X1面溫度的對(duì)比

Fig.19Comparison of X1 surface temperature among different flow rates of purging air

當(dāng)切換氣體質(zhì)量流量為0.06 kg/s時(shí)，只占火焰筒內(nèi)空氣質(zhì)量流量的0.44%，NO體積分?jǐn)?shù)為8.256 0×10-6，與試驗(yàn)值7.943 3×10-6最為接近.因此，在本模型中，吹掃空氣質(zhì)量流量為0.06 kg/s.

3.3.4燃料分解對(duì)NO排放的影響

在燃?xì)廨啓C(jī)排放調(diào)試中，燃料分解值(一級(jí)燃料噴嘴所獲得燃料的百分比)選取6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別為82.8、83.8、84.8、85.4、86.4和87.2.

圖20給出了滿負(fù)荷下燃料分解檢查結(jié)果.在試驗(yàn)曲線中，當(dāng)燃料分解值從82.8上升到85.4時(shí)，NO體積分?jǐn)?shù)減小，當(dāng)燃料分解值為85.4時(shí)，NO體積分?jǐn)?shù)最小，為6.410×10-6；之后隨著燃料分解值從85.4上升到87.2，NO體積分?jǐn)?shù)逐漸增大.通過排放調(diào)試試驗(yàn)得出最優(yōu)燃料分解值為85.4.

圖20　滿負(fù)荷下燃料分解檢查結(jié)果

在數(shù)值模擬中僅改變?nèi)剂戏纸庵?，其余條件不變，模擬計(jì)算得出的NO體積分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)值接近，且兩者變化趨勢(shì)一致，說明該模型能較好地模擬火焰筒內(nèi)NO的排放特性.

4　結(jié)　論

(1) 三維數(shù)值仿真可以很好地模擬燃?xì)廨啓C(jī)在預(yù)混模式下的流場特性，數(shù)值仿真結(jié)果符合燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況.

(2) 在預(yù)混模式下，火焰筒通過二級(jí)燃料噴嘴旋流器和中心體旋流器形成的回流來穩(wěn)定火焰.

(3) 中心體旋流器控制了火焰范圍，對(duì)于組織二級(jí)燃燒區(qū)的火焰燃燒非常重要.火焰筒設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的中心體旋流數(shù).

(4) 隨著吹掃空氣質(zhì)量流量從0.01 kg/s增加到0.15 kg/s，NO體積分?jǐn)?shù)逐漸減小.

(5) 因?yàn)镹Ox生成量與火焰溫度成指數(shù)關(guān)系，而不同吹掃空氣質(zhì)量流量對(duì)火焰溫度影響顯著，所以設(shè)計(jì)火焰筒切換氣體燃料噴嘴時(shí)，吹掃空氣質(zhì)量

流量是很關(guān)鍵的因素.

(6) 模擬計(jì)算得出的NO體積分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)值接近，且兩者的變化趨勢(shì)一致.

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Numerical Study on Flow Characteristics in LEC-III Combustor Liner of a 9E Gas Turbine Under Premix Mode

YEWen,LIUChuanliang,FANXuefei,HUANGXingliang,WUGexin,YANGDaogang

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Flow characteristics in LEC-III combustor liner of a 9E gas turbine were numerically simulated under premix mode, so as to study the velocity field, temperature field and species field in the liner. Results show that the circulation zone generated by combined action of secondary fuel nozzle and centerbody swirler can stabilize the flame in combustor liner, and the centerbody swirler is able to control the combustion range, which is very important to the flame stability in secondary combustion zone. The NO emission concentration reduces gradually with the rise of purging air flow rate, and the simulated results of NO emission are close to actual measurements, with similar variation trends observed simultaneously.

gas turbine; premix mode; centerbody; swirler; purging air; NOxemission

2016-01-06

2016-02-26

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院青年基金資助項(xiàng)目(201506047Q)；上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院基金資助項(xiàng)目(201406078J)

葉文(1986-)，男，湖北武漢人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槿紵覕?shù)值模擬仿真、燃?xì)廨啓C(jī)低氮燃燒系統(tǒng)改造及輔助系統(tǒng).電話(Tel.)：13127593081；E-mail：1245150309@qq.com.

1674-7607(2016)08-0608-07

TK47

A學(xué)科分類號(hào)：470.30