9E型燃?xì)廨啓C(jī)DLN1.0燃燒系統(tǒng)數(shù)值分析

丁陽(yáng)，郝建剛，謝大幸

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州310030）

0 引言

為降低燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放，滿足國(guó)家環(huán)保要求，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)普遍采用了干式低氮燃燒技術(shù)。GE公司9E型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)燃機(jī)）采用了DLN1.0燃燒系統(tǒng)。其基本負(fù)荷工況為預(yù)混模式，降低燃燒溫度，減少NOx的產(chǎn)生［1-4］。燃機(jī)自啟動(dòng)到滿負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)應(yīng)不同負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行燃燒模式切換，以保證燃燒穩(wěn)定和最終的排放量達(dá)標(biāo)。

文獻(xiàn)［5-6］介紹了GE 公司DLN1.0 和Alstom 公司LEC-Ⅲ低氮燃燒系統(tǒng)的主要不同之處，以及改造后的應(yīng)用效果；文獻(xiàn)［7］針對(duì)改造后的9E型燃機(jī)LEC-Ⅲ低NOx燃燒室，運(yùn)用Fluent 軟件模擬分析了初級(jí)模式與預(yù)混模式下火焰筒內(nèi)的速度分布、溫度分布、組分分布；文獻(xiàn)［8］考慮了金屬導(dǎo)熱與輻射的影響，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬DLN1.0 燃燒室內(nèi)的溫度分布，預(yù)測(cè)的金屬溫度與實(shí)際測(cè)得的溫度偏差在7.5%以?xún)?nèi)，并指出在主燃區(qū)輻射效應(yīng)被高估。

目前針對(duì)DLN1.0 燃燒特性的研究較為有限，大多只針對(duì)其工作模式介紹和個(gè)別工況點(diǎn)模擬。本文在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，較系統(tǒng)地研究了各個(gè)燃燒模式以及燃燒調(diào)整過(guò)程中的燃燒特性，以此了解當(dāng)前低污染燃燒室的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 DLN1.0燃燒室簡(jiǎn)化模型

DLN1.0 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，可見(jiàn)該燃燒室采用分級(jí)燃燒，一級(jí)燃燒區(qū)布置在二級(jí)燃燒區(qū)外圍，形成沿徑向的燃料分布，并且一、二級(jí)燃燒區(qū)相對(duì)軸向位置前后錯(cuò)開(kāi)，利用火焰筒截面進(jìn)行燃料分級(jí)。與其他DLN 燃燒室相比，火焰筒筒體上有文丘里管，二級(jí)燃燒區(qū)預(yù)混氣進(jìn)口外側(cè)還有外環(huán)旋流空氣進(jìn)口?；鹧嫱步Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要合理分配燃燒空氣。

圖1 DLN1.0主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Main structure of a DLN1.0

圖2 為DLN1.0 簡(jiǎn)化模型及其網(wǎng)格示意圖。建模不考慮火焰筒壁厚的影響，只取火焰筒內(nèi)部的1/6部分作為計(jì)算域，兩側(cè)為周期邊界；火焰筒壁面的環(huán)形小孔簡(jiǎn)化為帶狀質(zhì)量流量進(jìn)口。計(jì)算域采用多面體網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證數(shù)目為120萬(wàn)。

圖2 DLN1.0簡(jiǎn)化模型及其網(wǎng)格示意Fig.2 Simplified model and its mesh sketch of a DLN1.0

采用甲烷替代天然氣計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)［9］確定流向燃燒室的空氣流量為各燃燒工況下壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量的83%，根據(jù)文獻(xiàn)［6］的速度分布經(jīng)過(guò)試算確定各質(zhì)量進(jìn)口的流量占比，見(jiàn)表1。燃燒室出口背壓為燃機(jī)各燃燒工況下的典型背壓，不同燃燒模式下燃燒室計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

2 數(shù)值計(jì)算方法

采用Fluent 軟件求解湍流燃燒的基本質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分守恒方程［10］。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)或二維模型，通常采用大渦模擬（LES）［11-13］與詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析。本文中的湍流模型采用Realizablek-?模型［14-15］，甲烷的化學(xué)燃燒過(guò)程為單步進(jìn)行的總包反應(yīng)［16-17］。

燃燒模型采用Fluent 有限速率-渦耗散模型（Finite-Rate/Eddy-Dissipation）。在預(yù)混火焰中，空氣和燃料提前混合，模型的凈反應(yīng)速率選取化學(xué)反應(yīng)速率和渦耗散模型兩者中較小的速率值，避免了單純使用渦耗散模型出現(xiàn)的提前燃燒的問(wèn)題。

表1 燃燒室各質(zhì)量流量進(jìn)口的流量占比Tab.1 Mass ratio of flue in the flow at each inlet of the combustion chamber %

表2 不同燃燒模式下燃燒室計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of the combustion chamber under different combustion modes

3 燃燒室內(nèi)速度場(chǎng)分析

圖3 是不同燃燒模式下中心截面的速度分布。沿氣體流動(dòng)方向看，進(jìn)入一級(jí)燃燒區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)一區(qū)）的空氣分別從一區(qū)預(yù)混氣進(jìn)口和一區(qū)摻混空氣進(jìn)口進(jìn)入，一區(qū)預(yù)混氣進(jìn)口由于存在旋流器產(chǎn)生回流，速度降低。摻混射流截?cái)嗷亓?，與上游流體劇烈摻混，經(jīng)過(guò)文丘里管加速后進(jìn)入二級(jí)燃燒區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)二區(qū)），文丘里管是燃燒室內(nèi)流速最高的區(qū)域。二區(qū)有2 個(gè)回流區(qū)，分別是來(lái)自一區(qū)的混合射流在文丘里管下游形成的外側(cè)回流區(qū)，以及二區(qū)外環(huán)空氣進(jìn)口與二區(qū)預(yù)混氣進(jìn)口2股旋轉(zhuǎn)方向相同的射流形成的中心回流區(qū)。與一區(qū)摻混射流作用相似，二區(qū)摻混射流進(jìn)入二級(jí)燃燒區(qū)后將回流區(qū)截?cái)啵c上游的流體劇烈摻混后流向火焰筒出口。

不同燃燒模式下的速度分布略有差別，在初級(jí)模式和貧貧模式下，由于一區(qū)存在火焰，氣體受熱膨脹密度減小，文丘里管內(nèi)氣體的流速最高可達(dá)250 m/s 以上。貧貧模式下由于火焰筒中心也存在燃燒區(qū)，因此文丘里管?chē)姵龅母邷厣淞飨蛲鈧?cè)偏轉(zhuǎn)，在燃燒室中心形成較大的回流區(qū)。

轉(zhuǎn)換模式和預(yù)混模式流場(chǎng)相似，這2 個(gè)模式下由于一區(qū)不存在火焰，因此文丘里管氣流速度較低，大約在120 m/s。在轉(zhuǎn)換模式下，由于火焰全部集中在燃燒室中心，因此流經(jīng)文丘里管的射流向外側(cè)偏轉(zhuǎn)程度更大。

圖3 不同燃燒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 燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)分析

不同燃燒模式下燃燒室內(nèi)的溫度分布如圖4所示。從燃機(jī)點(diǎn)火到20%基本負(fù)荷為初級(jí)燃燒模式。在這個(gè)模式下，燃料全部流向一級(jí)噴嘴，在一級(jí)燃燒區(qū)形成擴(kuò)散火焰，火焰鋒面位于局部當(dāng)量比為1的區(qū)域附近，一區(qū)內(nèi)的燃燒溫度較高，從而確保從低負(fù)荷狀態(tài)過(guò)渡到中負(fù)荷狀態(tài)下的燃燒穩(wěn)定性。摻混孔提供的新鮮空氣給未燃盡的甲烷提供氧氣，因此摻混射流下游存在高溫區(qū)。未參與燃燒的摻混空氣與熱燃?xì)鈸交欤禍睾笥晌那鹄锕車(chē)姵龅竭_(dá)二區(qū)。在該區(qū)域中，部分氣體在文丘里管下游外側(cè)再循環(huán)，其余部分則與燃燒室中心的旋轉(zhuǎn)射流同時(shí)到達(dá)燃燒室下游，與摻混空氣混合，溫度進(jìn)一步下降，流向渦輪導(dǎo)向葉片。

燃機(jī)在20%～50%基本負(fù)荷時(shí)為貧貧燃燒模式。此時(shí)燃燒室內(nèi)一區(qū)和二區(qū)均有火焰存在，大概有30%的燃料流到二級(jí)噴嘴。一級(jí)燃燒區(qū)中的溫度場(chǎng)幾乎保持不變。二級(jí)噴嘴噴出的預(yù)混氣體流經(jīng)旋流器后產(chǎn)生回流區(qū)，有利于穩(wěn)定火焰，外環(huán)旋流器產(chǎn)生的旋流將來(lái)自文丘里管的熱燃?xì)饣旌现寥紵抑行牟⒋偈苟?jí)噴嘴噴出的天然氣點(diǎn)燃，穩(wěn)定了燃燒過(guò)程。

燃機(jī)在50%～55%基本負(fù)荷時(shí)為轉(zhuǎn)換模式。轉(zhuǎn)換模式是貧貧模式向預(yù)混模式的過(guò)渡狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間在30 s左右。在此期間供給一區(qū)的燃料流量持續(xù)減小直至一區(qū)火焰熄滅，同時(shí)增加供給二區(qū)的燃料。轉(zhuǎn)換模式下燃燒室內(nèi)部溫度分布如圖4 c所示，由圖可知燃燒完全發(fā)生在二區(qū)，火焰溫度極高，為擴(kuò)散火焰，高溫區(qū)范圍較大，火焰輻射強(qiáng)，對(duì)燃燒室壽命有較大影響，此過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短。當(dāng)一區(qū)火焰完全消失后，一級(jí)燃燒區(qū)重新噴入燃料，此時(shí)一區(qū)變成了燃料和空氣的混合區(qū)。預(yù)混氣體經(jīng)文丘里管?chē)娙攵^(qū)并點(diǎn)燃，文丘里管的高流速設(shè)計(jì)可避免火焰重新回火至一區(qū)，當(dāng)全部燃料在二區(qū)重新燃燒后，燃機(jī)轉(zhuǎn)為預(yù)混模式。

預(yù)混模式一直持續(xù)到燃機(jī)最大負(fù)荷。供給二區(qū)的燃料流量持續(xù)減小至全部流量的18%左右，二區(qū)噴嘴噴出的是當(dāng)量比小于1 的預(yù)混氣體。另外，旋流器中心的特殊設(shè)計(jì)使大約1%的燃料直接噴入燃燒室中心。由此可見(jiàn)，燃燒室中心為部分預(yù)混燃燒，存在一小股擴(kuò)散火焰用于穩(wěn)定燃燒。一區(qū)繼續(xù)起混合器的作用，大約82%的燃料與流經(jīng)一區(qū)的空氣均勻混合后從文丘里管?chē)姵?，在文丘里管下游回流區(qū)被中心的火焰引燃。分析圖4 d 可知在這個(gè)燃燒模式下，高溫區(qū)域只在靠近二級(jí)噴嘴很小的范圍內(nèi)，有利于降低NOx的生成量。

5 燃料流量分配的影響分析

DLN1.0屬于低NOx排放燃燒室，在燃機(jī)外界條件變化較大的情況下會(huì)偏離最佳工況點(diǎn)，需要燃燒調(diào)整。燃燒調(diào)整本質(zhì)是通過(guò)改變一區(qū)的燃料流量分配，尋找最適合當(dāng)前工況下的燃料配比。

圖5 是燃燒室出口的NOx排放質(zhì)量濃度隨一區(qū)燃料流量占比的變化規(guī)律，由圖可知隨著一區(qū)燃料流量增加，NOx排放濃度降低至最低點(diǎn)后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。本仿真算例與實(shí)際燃燒調(diào)整過(guò)程中測(cè)得的NOx排放值相差9～10 mg/m3，但趨勢(shì)基本一致。原因是數(shù)值模擬采用的邊界條件與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)有差距。由于DLN1.0 公開(kāi)的仿真資料極少，因此局部空燃比與實(shí)際運(yùn)行工況有差距。此外，所采用的湍流模型與燃燒模型屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，均?duì)實(shí)際的物理過(guò)程做了簡(jiǎn)化，因此數(shù)值仿真不可能模擬完全真實(shí)的物理過(guò)程與測(cè)量結(jié)果。

圖6是燃燒室中截面溫度分布隨主燃區(qū)燃料流量占比的變化。以一區(qū)燃料流量占比為82%的工況為例，由圖6 b 可見(jiàn)火焰穩(wěn)定在文丘里管下游的外側(cè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)外側(cè)）及二級(jí)燃燒區(qū)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中心）。外側(cè)火焰最高溫度在2 150 K 左右，由于是預(yù)混燃燒，溫度分布比較均勻；中心由于存在值班火焰，屬于部分預(yù)混燃燒，最高溫度為2 400 K，高溫位置靠近值班噴嘴。

圖4 不同燃燒模式下燃燒室內(nèi)的溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the combustion chamber under different combustion modes

圖5 燃燒室出口的NOx排放質(zhì)量濃度隨一區(qū)燃料流量占比的變化規(guī)律Fig.5 NOx emission concentration at the combustion chamber outlet varying with the proportion of fuel flow in the first zone

隨著進(jìn)入一區(qū)的燃料流量占比逐漸降低，外側(cè)高溫區(qū)體積逐漸縮小，同時(shí)燃燒室中心高溫區(qū)體積明顯增加，如圖6 a所示，值班火焰最高溫基本不變。

分析燃燒室燃料分配策略可知，一區(qū)燃料流量變化1%，二區(qū)燃料流量相應(yīng)變化5%，因此一區(qū)燃料流量改變對(duì)二區(qū)影響較明顯。

一區(qū)燃料占比達(dá)84%時(shí)，二區(qū)燃料流量已不足設(shè)計(jì)狀態(tài)的80%，中心燃燒區(qū)燃燒溫度降低比較明顯，如圖6 c所示。

圖7 是一區(qū)燃料流量占比影響下的中截面NOx濃度分布情況。由于燃?xì)廨啓C(jī)中熱力型NOx占絕大部分，因此可以推斷燃燒溫度較高的位置是產(chǎn)生NOx的位置。一區(qū)燃料流量占比在76%～86%變化的過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的NOx生成位置逐漸從中心燃燒區(qū)轉(zhuǎn)移至外側(cè)燃燒區(qū)。結(jié)合圖5可知，NOx排放濃度曲線有最低點(diǎn)，這個(gè)最低點(diǎn)是由于2 個(gè)燃燒區(qū)燃燒溫度都比較低導(dǎo)致，對(duì)于NOx排放來(lái)說(shuō)是最佳設(shè)置點(diǎn)。低于這個(gè)分配點(diǎn)，中心燃燒區(qū)的NOx生成量增加，外側(cè)燃燒區(qū)的NOx生成量減少，并且增加的量大于減少的量，導(dǎo)致NOx整體排放濃度升高。

圖6 燃燒室中截面溫度分布隨一區(qū)燃料流量占比的變化Fig.6 Temperature distribution on the mid-section of the combustion chamber varying with the proportion of fuel flow in the first zone

圖7 一區(qū)燃料流量占比影響下的中截面NOx濃度分布Fig.7 NOx concentration distribution on the mid-section under the influence of the fuel flow ratio in the first zone

同樣，一區(qū)燃料流量占比高于最佳分配點(diǎn)，NOx排放濃度也會(huì)增加。

6 結(jié)論

（1）DLN1.0燃燒室的文丘里管形成了3個(gè)可用于燃燒的回流區(qū)，在一區(qū)點(diǎn)燃的情況下，文丘里管流速高達(dá)250 m/s以上，在預(yù)混模式下燃燒室內(nèi)的流速最低。

（2）以高溫區(qū)的范圍大小為依據(jù)，熱負(fù)荷由大到小依次為轉(zhuǎn)換模式、貧貧模式、初級(jí)模式、預(yù)混模式。高溫區(qū)位置出現(xiàn)在文丘里管和二級(jí)噴嘴附近。

（3）燃燒調(diào)整過(guò)程中，隨著一區(qū)燃料流量占比的增加，二級(jí)燃燒區(qū)中心與外側(cè)的NOx生成量變化趨勢(shì)相反，燃燒室出口NOx排放濃度先降低至最低點(diǎn)然后緩慢增加。