摻氫對燃氣輪機燃燒室燃燒和排放性能的影響研究

日益嚴重的氣候問題給人類帶來的緊迫感日趨加強。針對碳排放,各國政府都提出了自己的脫碳目標。在2019年聯(lián)合國氣候峰會召開之際,66個國家已宣布打算在2050年前實現(xiàn)凈零碳排放目標。一些國家的目標是深度脫碳,到2050年實現(xiàn)碳排放減少80%或更多

。我國也在2020年政府工作會議上提出了“3060”(即在2030年實現(xiàn)“碳達峰”,2060年實現(xiàn)“碳中和”),并表示會持續(xù)投資于基于可持續(xù)技術(shù)的非化石燃料能源產(chǎn)業(yè)。

甲狀腺癌是常見的內(nèi)分泌腫瘤之一，通常情況下，甲狀腺組織中的惡性結(jié)節(jié)硬度比正常組織的硬度及良性組織的硬度要大[1]，在對甲狀腺癌患者進行診斷時通過超聲彈性成像技術(shù)，對組織硬度的具體情況進行分析，對傳統(tǒng)超聲檢查中的不足進行彌補改善，應(yīng)用價值較高，基于此，對甲狀腺癌的超聲診斷的具體價值進行分析，現(xiàn)就分析結(jié)果作如下報道。

發(fā)電行業(yè)是全球溫室氣體排放的主要來源,因而被確定為二氧化碳減排的主要目標行業(yè),當今發(fā)電市場正在經(jīng)歷著可再生能源和脫碳的重要變革。燃氣輪機電站,無論是開式循環(huán)、聯(lián)合循環(huán)還是熱電聯(lián)產(chǎn),都具有最高的效率,可以適用于各種功率輸出。發(fā)電市場對燃氣輪機裝置的要求一直是提高效率、增加功率和降低排放。迄今為止重型發(fā)電用燃氣輪機主要燃用天然氣和燃油,近年來燃氣輪機制造商及相應(yīng)領(lǐng)域的專家學者正在努力拓寬燃氣輪機的燃料適用性,其中IGCC和天然氣摻氫直至純氫燃氣輪機是關(guān)注的重點

。

天然氣是碳含量最低的化石燃料,作為主要燃料,其產(chǎn)生的每千瓦時二氧化碳排放量最低。同時,利用燃氣輪機的燃料靈活性,用氫氣完全或部分置換天然氣可進一步使發(fā)電過程脫碳。由于氫是一種零碳燃料,它為燃氣輪機提供了產(chǎn)生零碳發(fā)電的機會。作為能源載體,氫氣是長期或季節(jié)性存儲可再生能源的理想選擇,而燃氣輪機是實現(xiàn)零碳發(fā)電經(jīng)濟的推動者

。

為了應(yīng)對能源結(jié)構(gòu)體系的變化以及未來能源的布局,需要逐步提高燃氣輪機燃料中的含氫比例,直到完成純氫燃燒。燃料中氫氣的存在會改變?nèi)剂系幕鹧嫠俣?、點火遲滯、可燃極限等特性。不同天然氣摻氫比例和不同氫/稀釋劑混合物燃料的燃燒、熱聲、排放性能等與天然氣有顯著差異。同時,氫氣具有高擴散性和高化學反應(yīng)活性等特殊性質(zhì),高比例氫氣會對燃燒化學反應(yīng)過程和壓力依賴關(guān)系產(chǎn)生非線性影響,影響到燃燒化學反應(yīng)過程中自由基的分布和基元反應(yīng)的競爭。氫氣和富氫燃料強烈的組分輸運、擴散和反應(yīng)性會影響到層流火焰自身特性,包括火焰面內(nèi)組分分布結(jié)構(gòu)和自身不穩(wěn)定性,從而影響湍流與燃燒化學反應(yīng)耦合作用,進而對燃燒室內(nèi)湍流燃燒和放熱過程產(chǎn)生與傳統(tǒng)碳氫燃料有顯著差異的影響。

各燃機制造商的設(shè)計經(jīng)驗和實踐與已有的研究結(jié)果表明,通過天然氣加氫,可以提高天然氣的燃燒速率,擴展天然氣的穩(wěn)定稀燃極限

。而高混合比例的氫混燃料,需要面對回火、燃燒壓力波動和氮氧化物排放等幾大技術(shù)挑戰(zhàn),想要攻克仍需要一定時間。在向基于氫的能源系統(tǒng)過渡時,燃燒室需要應(yīng)對各種各樣的氫氣/天然氣混合物以及燃料成分的快速變化。在中期,需要開發(fā)能夠燃燒氫氣/天然氣混合物的靈活燃料燃氣輪機,其中氫氣的含量要比現(xiàn)在更高。從長遠來看,需要開發(fā)出具有完全燃料靈活性的燃氣輪機(氫氣和天然氣混氣以及純氫氣),這還需要進行長期的研發(fā)創(chuàng)新。

圖7給出了隨燃料中氫含量的增高,燃燒室頭部燃燒器壁溫分布情況。由圖7可以看出,當燃料為天然氣時(以100%CH

表征),燃燒器頭部最高壁溫約為800 K,且高溫區(qū)域僅存在于預(yù)混器出口段邊緣的較小區(qū)域。隨摻氫比增加,高溫區(qū)域向上游移動,預(yù)混燃燒器出口出現(xiàn)大范圍高溫區(qū)域,隨摻氫比增加,高溫區(qū)域擴大且溫度增加。摻氫比達到60%體積含量時,最高壁溫達1 700 K,超過金屬材料的耐熱極限。當燃用純H

時,燃燒反應(yīng)在預(yù)混段已經(jīng)發(fā)生,預(yù)混燃燒器所有區(qū)域均處高溫環(huán)境中,最高壁溫達2 000 K以上,預(yù)混燃燒器無法正常工作。

選擇該模型燃燒室一方面是由于其實驗所用燃料為H

、CH

體積比為1∶1的混合物,另一方面,該燃燒室可以再現(xiàn)工業(yè)燃燒室中所具有的射流、回流區(qū)等復(fù)雜特性

。

近年來,針對氫燃氣輪機的燃燒國內(nèi)外業(yè)已開展了一些研究。這些研究大多針對燃用氫燃料時的微混燃燒

、陣列駐渦

、低旋流燃燒器

等新型燃燒方式或擴散稀釋燃燒

。實際工業(yè)燃氣輪機貧預(yù)混燃燒室的燃燒性能變化以及摻氫容許極限的研究內(nèi)容不多。文獻[13]對某F級燃氣輪機燃燒室不同摻氫比的燃燒性能進行了實驗研究,結(jié)果表明所研究的燃燒室在摻氫比10%～20%(體積分數(shù))的范圍內(nèi)可實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。本文以某實際的重型發(fā)電F級燃氣輪機燃燒室為對象,數(shù)值研究不同天然氣摻氫比條件下燃燒室的燃燒和排放性能。

1 數(shù)值模型和方法

1.1 形體和網(wǎng)格

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和透平構(gòu)成。壓氣機將氣體壓縮后供入燃燒室,在燃燒室中與燃料進行燃燒反應(yīng)后產(chǎn)生高溫高壓的氣體推動透平做功。F級燃氣輪機指透平進口溫度大于1 350 ℃的燃氣輪機。計算采用某發(fā)電用F級重型燃氣輪機燃燒室,該燃燒室采用環(huán)管型結(jié)構(gòu),上下兩半燃燒室外殼與壓氣機和透平的外缸連接成一個整體,20個燃燒器沿機組圓周均勻地斜插入燃燒室外殼里,燃料噴嘴由圍成一圈的8個干式預(yù)混式主噴嘴和位于中心的1個值班噴嘴組成。

取20個燃燒器中的1個(周向區(qū)域為18°)作為計算對象。所取計算域如圖1所示,包含燃燒室外殼與外缸所構(gòu)成的區(qū)域。對計算區(qū)域生成分塊結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)成的混合網(wǎng)格,網(wǎng)格無關(guān)性驗證共采用3套網(wǎng)格,通過450、670、900萬網(wǎng)格的計算結(jié)果進行比較,考慮到計算消耗和計算精度,最終選定計算網(wǎng)格數(shù)為670萬。

1.2 數(shù)值模型和邊界條件

1.2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用商用CFD軟件ANSYS Fluent 19.2。湍流模型采用可實現(xiàn)的Realizable

-

兩方程模型,該模型對于流動具有強流線彎曲、渦流和旋流等特性時精度有明顯改進,可獲得平面和圓形射流的擴張,旋流、強逆壓力梯度下的邊界層分離和回流流動的準確預(yù)測

。為了進一步提升預(yù)測精度,按照Dally等

對旋流射流火焰的建議,將湍流模型常數(shù)改為

1

=1.6。

對于智能船舶分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理平臺，數(shù)據(jù)存儲是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)化程度很大程度上決定著數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的效率。

火焰機制決定了火焰的湍流-化學反應(yīng)相互作用,在任何模擬中,了解火焰機制對于選擇CFD燃燒模型都是至關(guān)重要的。為了考慮數(shù)值模擬所采用的湍流燃燒模型的有效性,首先在經(jīng)典的Borghi圖上給出其燃燒機制,圖2給出了本研究的燃氣輪機貧預(yù)混燃燒室的圖形位置(運行于1 700 kPa)

。

從全國房地產(chǎn)市場的角度看，中國房地產(chǎn)業(yè)市場集中度仍然偏低，屬于典型的競爭型市場結(jié)構(gòu)。而從區(qū)域房地產(chǎn)市場來看，雖然一些重點城市房地產(chǎn)市場集中度相對較高，但這些城市也僅是剛剛達到或接近寡占Ⅴ型的市場結(jié)構(gòu)，市場結(jié)構(gòu)仍需優(yōu)化。中國房地產(chǎn)業(yè)市場集中度偏低，會在一定意義上對房地產(chǎn)市場乃至國民經(jīng)濟造成不同程度的影響。

這段話的關(guān)鍵在“爵”、“祿”與“功庸”三字。春秋時期，“爵”與“祿”是貴族地位的象征，二者商人皆無。商人雖能文錯其服，行賄諸侯，但終因“無尋尺之祿，無大績于民”而位列賤民之列。《國語·晉語四》載“公食貢，大夫食邑，士食田，庶人食力，工商食官，皂隸食職，官宰食加”[9](P350)可證。在“君子小人，物有章服，貴有常尊，賤有等威”(《左傳》宣公十二年)[8](P725)的春秋時代，很難想象“工商”可以劃歸“國人”范疇。此證二。

機組的已知設(shè)計參數(shù)見表1。天然氣按100%純CH

計算,其熱值

=50 108 kJ/kg。燃料需要量為

圖中

和

分別為Damk?hler數(shù)和Karlovitz數(shù),其定義為

(1)

(2)

1.2.2 邊界條件

本文的湍流燃燒模型采用ANSYS Fluent中部分預(yù)混燃燒模型中實現(xiàn)的火焰面生成流形模型(FGM),FGM模型具有較低的計算成本,在過去的十年中廣泛應(yīng)用于燃燒室的碳氫燃料的燃燒

。該燃燒模型假定湍流火焰可以由一系列的火焰面表示,將它們的熱力學和化學狀態(tài)參數(shù)化建表并用于三維火焰。通過概率密度函數(shù)(PDF)描述湍流-化學反應(yīng)相互作用,可考慮由于湍流物質(zhì)在火焰前沿內(nèi)部傳輸而引起局部火焰熄滅的可能性。

本文共對甲烷摻氫比為0～100%的6種工況進行了研究,在純H

條件下,根據(jù)Marcos等

的建議,通過將PDF Schmidt數(shù)從默認值0.7更改為0.25來修改擴散特征,以適應(yīng)與碳氫燃料相比更高的氫氣的質(zhì)量擴散率。

與天然氣的燃燒相比,氫燃料火焰的特征是高的

和低

,因為它們的層流火焰速度高于甲烷。高的

數(shù)意味著高反應(yīng)速度的火焰,混合過程決定火焰的傳播。

數(shù)是反應(yīng)時間與Kolmogorov湍流尺度(湍流耗散的長度尺度)的特征時間之比,

小意味著湍流耗散的速度比化學反應(yīng)的消耗速度慢,故火焰面模型可用于本文的數(shù)值研究工作。

實施東北振興戰(zhàn)略以來，大連盡管取得了重要的階段性成果，在東北的輻射帶動作用不斷提升，但與上海、深圳等先進地區(qū)相比，大連的引領(lǐng)輻射帶動作用還有相當大的差距，與新時代新要求發(fā)展還不完全適應(yīng)，制約大連率先全面振興和長遠發(fā)展的一些深層次問題尚未得到根本解決，短板仍然存在，主要表現(xiàn)在以下五個方面。

(3)

式中:

為機組功率;

為裝置效率。不同CH

摻氫比燃料的熱值在表2中給出。進行燃料切換時,假定機組的輸出功率維持不變,通過式(3)可獲得不同摻氫比時的燃料需要量,其計算值在表2中給出。同時,機組總?cè)剂狭康?5%用于主燃燒器,15%用于中心的值班燃燒器?？偪諝饬髁繛?51 kg/s,其中83%供入燃燒室,17%用于透平冷卻,因而進入單個燃燒室的空氣流量為27 kg/s,溫度由壓氣機的壓比和效率計算,其值為691 K。

使用SIMPLEC算法求解內(nèi)部的壓力速度耦合。壓力方程選擇線性離散,以保證具有較小的數(shù)值耗散,與其他的離散方案比能夠得到更精細的火焰前鋒。動量和過程變量方程使用中心差分方案,用于保證線性方案的穩(wěn)定性。

堅持產(chǎn)管并重，全力創(chuàng)建國家食品安全城市，保障群眾食品藥品安全。日常監(jiān)管實現(xiàn)網(wǎng)格化，該局做到了信息采集、政策宣傳、培訓(xùn)教育、安全預(yù)警、日常巡查“五個監(jiān)管”全部網(wǎng)格化。實現(xiàn)食品“三小行業(yè)”標準化、小作坊生產(chǎn)園區(qū)化、小攤販經(jīng)營市場化、小餐飲改造透明化。這些舉措的實施，為創(chuàng)建國家食品安全城市助力，也充分保障了人民群眾的飲食用藥安全。

1.2.3 計算設(shè)置

指定燃燒室運行壓力1 700 kPa。根據(jù)不同摻氫比燃料流量的計算結(jié)果(見表2),在燃料和空氣進口分別指定質(zhì)量流量及溫度值,出口指定壓力。不同摻氫比甲烷氫氣的熱物性使用Cantera計算結(jié)果確定,尤其是得到參考溫度為691 K時的未燃混合物的密度、熱導(dǎo)、無拉伸的絕熱層流火焰速度等值。圖3示例性地給出了所考慮的計算條件下不同摻氫比混氣的層流火焰速度計算值。

72例患者中,缺血性病灶檢出總數(shù)為102個,26個由T1WI檢出,包括8個皮質(zhì)病灶,7個基底節(jié)病灶,11個白質(zhì)病灶;36個由T2WI檢出,包括12個皮質(zhì)病灶,10個基底節(jié)病灶,14個白質(zhì)病灶;40個由DWI檢出,包括19個皮質(zhì)病灶,11個基底節(jié)病灶,10個白質(zhì)病灶;三者檢出率分別是25.49%、35.29%和39.22%,DWI的檢出率要比T2WI和T1WI高出許多,均存在顯著差異,統(tǒng)計學意義成立(P<0.05),詳情如下表1:

2 反應(yīng)機理和模型驗證

本文的數(shù)值研究使用Miller等提出的包含氮氧化的54組分、251步的反應(yīng)機理

。為考察機理及模型的可靠性,采用Sydney鈍體火焰HM1e的實驗裝置及數(shù)據(jù)進行驗證

。如圖4所示,裝置由方形管中放置的直徑

=50 mm的圓形鈍體噴嘴構(gòu)成,有關(guān)實驗裝置和實驗數(shù)據(jù)的更多細節(jié),可參考文獻[15,20]。

當前,我國正通過“航空發(fā)動機與重型燃氣輪機”國家重大專項的實施,致力于開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的F級重型燃氣輪機。在兩機專項的重燃專項中,涉及了F級富氫燃料重型燃機的技術(shù)研究,F級富氫燃料重型燃機技術(shù)研究與驗證是基于重燃專項300 MW級F級重型燃機產(chǎn)品,重點解決富氫合成氣燃料所帶來的關(guān)鍵技術(shù)問題,其研究成果可以極大地拓展F級燃氣輪機的應(yīng)用空間,為我國富氫合成氣燃料發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

圖5給出了不同軸向位置處O

、H

O、CO和NO的質(zhì)量分數(shù)沿徑向分布的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較,其中所取的軸向位置在圖4右圖中示出。由圖4可以看出,采用上述的反應(yīng)機理和數(shù)值模型所獲得的溫度、主要反應(yīng)物O

、主要產(chǎn)物H

O、中間產(chǎn)物CO的質(zhì)量分數(shù)的預(yù)測值均與實驗結(jié)果吻合良好。微量產(chǎn)物NO的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果在火焰根部位置和后部射流區(qū)有些許偏差。應(yīng)該說明的是,本文對H

、CH

、CO

、OH等其他組分以及速度場的預(yù)測值與實驗值均進行了比較,結(jié)果均給出了良好的吻合性。

3 結(jié)果分析和討論

圖6給出了摻氫比為0～100%的6種工況下,燃燒室沿火焰筒縱向中心截面的溫度分布等值線。由圖6可知,由于氫氣的反應(yīng)活性大,隨摻氫比增加,燃料混合氣體的化學反應(yīng)點火時滯減小,混合氣可以在更短的時間內(nèi)被點燃,因而反應(yīng)發(fā)生在更上游的位置,火焰高溫區(qū)位置向噴嘴方向移動。同時,由于反應(yīng)活性大,氫氣的燃燒相比甲烷更加快速,使得火焰長度縮短。此外,由圖3可以看到,在所研究的計算條件下,混合氣體的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比的增加而增大,當預(yù)混器噴出的混氣的氣流速度低于火焰向上游的傳播速度時,出現(xiàn)回火現(xiàn)象

。

現(xiàn)今的大型燃氣輪機中安裝的干式低NO

(DLN)燃燒室,普遍采用預(yù)混燃燒方式實現(xiàn)降NO

排放。預(yù)混燃燒器的不足在于燃燒穩(wěn)定范圍比常規(guī)擴散燃燒器狹窄,并且容易出現(xiàn)回火現(xiàn)象。在燃氣輪機燃燒器內(nèi),有可能燒損上游無冷卻的部件,因此防止回火現(xiàn)象非常重要。

第二，受害方社會地位差異懸殊。“狗咬羊”案中，張新富是村里典型的老實人，老實人在熟人社會里向來循規(guī)蹈矩，做事低調(diào)，遇到不公平的事情，大多忍氣吞聲?！扒嗬恪泵髅髌圬摿俗约?，卻只能采用“賭咒”的方式來主張公道。“羊吃花生”案中，王貴春一家屬于村里的門頭大戶，而且是經(jīng)濟能人，卻受了“青楞”的“大氣”，差點家破人亡。

由圖7可知,當燃料中加入H

時,由于中心值班噴嘴以擴散燃燒的方式進行,即燃料與空氣并非事先混合,因此不具備燃燒條件,火焰不會向上游傳播。圖7中值班噴嘴壁面溫度隨著燃料中摻氫比的提高并未出現(xiàn)回火所導(dǎo)致的高溫區(qū)域。

圖8給出了不同燃料摻氫比條件下的燃燒室出口溫度分布情況。由圖8可以看出,摻氫比發(fā)生變化時,燃燒室出口的溫度分布大體相似,氫氣的加入對燃燒室出口的溫度分布幾乎不產(chǎn)生影響。高溫區(qū)域位于燃燒室出口中部,最高溫度位于后部透平葉片約2/3葉高位置,葉尖葉片薄、強度差,而葉根通常應(yīng)力較大,燃燒室出口的這種溫度分布趨勢可為葉片的安全工作提供保障。

表3給出了不同摻氫比條件下燃燒區(qū)域火焰最高溫度、出口平均溫度、出口最高溫度以及出口溫度分布不均勻系數(shù)的計算值。由表3可以看出:不同摻氫比燃料均獲得了所要求的透平進口溫度1 700 K;出口溫度分布不均勻系數(shù)

也均滿足小于10%的要求,隨摻氫比增加,出口溫度場趨于更加均勻;純氫氣燃燒時,出口溫度分布不均勻系數(shù)略有增加。

表4給出了燃燒室出口的主要產(chǎn)物組分CO、CO

、H

O質(zhì)量分數(shù)及NO

的排放計算結(jié)果。其中NO

的排放值

為修正到干基15%氧氣濃度氣態(tài)污染排放物的值,計算公式為

綜上所述，丹參注射液聯(lián)合小劑量阿司匹林治療妊娠期高血壓疾病的臨床療效顯著，可顯著改善患者的臨床癥狀，改善母嬰結(jié)局，其作用機制可能與降低患者血清中TNF‐α、IL‐6、HMGB1水平有關(guān)。

(4)

相對本科的通識教育，大部分高職院校的通識教育并沒有得到普遍重視，無論是理論建設(shè)還是實踐落實都存在不少問題。

由表4可以看出,隨燃料摻氫比的提升,燃燒室出口CO和CO

濃度下降,H

O的濃度增加。隨著燃料中摻氫比的增加,燃燒室出口H

O含量增加。燃氣組分的變化會導(dǎo)致透平焓降的變化和換熱特性的改變。此外,隨摻氫比的增加,燃燒室出口CO和CO

排放值降低,且在所研究的工作條件下,CO生成量很少,燃燒進行完全,可達到接近100%的燃燒效率。在NO

的排放方面,由于所研究的燃燒室的工作條件為貧燃料條件,同時燃料中不包含固定N,因而NO

的排放主要為熱力型NO?？梢钥吹?NO

的排放隨H

的增加呈增加的趨勢,但增幅不大,純氫氣時具有較高的排放值。

4 結(jié) 論

本文對某F級燃氣輪機燃燒室在不同摻氫比條件下的燃燒和排放性能進行了數(shù)值研究和分析。結(jié)果表明:在維持機組輸出功率不變的條件下(以當量熱量的H

代替CH

),當燃料中摻入H

時,燃燒室中的最高火焰溫度不發(fā)生顯著變化;出口平均溫度及溫度分布均可滿足機組的原始參數(shù)要求;燃料中H

的加入會使以貧預(yù)混方式工作的燃燒器產(chǎn)生回火問題。對于本文的研究對象,當摻氫比大于40%時,在預(yù)混段內(nèi)出現(xiàn)因回火產(chǎn)生的高溫區(qū)域。以擴散方式工作的燃燒器可大大降低回火風險。

在污染物排放方面,燃料中H

的加入會降低燃燒室出口CO和CO

排放量;NO

的排放量隨著燃料摻氫比的增加呈增加的趨勢,但變化并不顯著,純氫氣燃燒時有較高的NO

排放值。隨燃料摻氫比的增加,產(chǎn)物中H

O含量增加,將對后部透平的做功能力和換熱特性產(chǎn)生較大影響。

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