第26卷第3期《燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)》VoL 26 No. 32013年9月GAS TURBINE TECHNOLOGYep.,2013R010合成氣燃燒室方案設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬金戈,齊兵(中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽(yáng)110015)摘要:IGCC系統(tǒng)中煤氣化后生成中、低熱值合成氣,其主要可燃成分是CO和H2,與天然氣相比,合成氣的熱值低而火焰溫度更高,火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?。為了?shí)現(xiàn)R010燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室由天然氣改燒中、低熱值合成氣燃料,設(shè)計(jì)了新的雙燃料多噴嘴燃燒器,將預(yù)混燃燒改為擴(kuò)散燃燒,取消火焰筒頭部預(yù)混裝置,改為帶內(nèi)壁的環(huán)形燃燒區(qū)。合成氣燃燒室方案的CFD數(shù)值模擬結(jié)果表明,燃燒區(qū)頭部回流明顯,能夠滿(mǎn)足穩(wěn)定燃燒要求。注入稀釋劑后,燃燒室流場(chǎng)、溫度場(chǎng)基本一致,燃燒區(qū)最高溫度顯著降低,有利于降低№O,排放。關(guān)鍵詞:燃燒室;合成氣;數(shù)值模擬;方案設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào):TK474.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2889(2013)03-0028-05由于lGCC系統(tǒng)中煤氣化后生成的合成氣熱值基礎(chǔ)上,根據(jù)合成氣的燃燒特性和燃燒室污染物排低,燃?xì)廨啓C(jī)改燒中、低熱值合成氣后,燃料的體積放等具體設(shè)計(jì)要求,完成了燃用中熱值合成氣的燃流量將是天然氣流量的3~5倍,同時(shí)合成氣中含有燒室方案設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了新的雙燃料多噴嘴燃燒器,由大量的H2,H2的高活性和高火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)使燃預(yù)混燃燒改為擴(kuò)散燃燒,取消了火焰筒頭部預(yù)混裝燒室回火和熱聲振蕩問(wèn)題更加嚴(yán)重,因此燃用天然置,改為帶內(nèi)壁的環(huán)形燃燒區(qū)結(jié)構(gòu)。燃燒室方案設(shè)氣或液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)用于IGCC電站時(shí),燃?xì)庥?jì)過(guò)程中,應(yīng)用 FLUENT軟件對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)方案的輪機(jī)燃燒室必須進(jìn)行改造或重新設(shè)計(jì)。流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬優(yōu)化分析。GE公司在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室應(yīng)用合成氣方面開(kāi)1R0110原型天然氣燃燒室簡(jiǎn)介[4-5]展了大量的研究工作-21。GE的經(jīng)驗(yàn)是合成氣含氫較高,傳統(tǒng)的DLN燃燒室無(wú)法直接應(yīng)用合成氣燃R0110原型天然氣燃燒室的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。燃燒料,需通過(guò)注人稀釋劑的方式降低NO排放。N2、室為逆流環(huán)管式結(jié)構(gòu),位于壓氣機(jī)氣缸的外側(cè),沿周H2O和CO2三種稀釋劑都可以有效地降低燃料熱向共裝有20個(gè)火焰筒,火焰筒之間通過(guò)聯(lián)焰管相值和燃燒區(qū)域的溫度。CE更傾向于直接將稀釋劑連。燃燒室可使用天然氣和柴油兩種燃料進(jìn)行工(N2/水蒸汽)注入到燃燒室中,而不是與合成氣燃作,其中天然氣為主燃料,柴油為備用燃料。燃燒室料進(jìn)行預(yù)先混合。 ALSTOM公司對(duì)GT13E2燃?xì)廨啿捎秘氂皖A(yù)混的干式低排放燃燒技術(shù)設(shè)計(jì),火焰筒機(jī)進(jìn)行了改燒中熱值合成氣燃料的修改設(shè)計(jì)工內(nèi)燃燒區(qū)分為環(huán)形區(qū)、預(yù)混區(qū)和擴(kuò)散區(qū)三部分。環(huán)作3。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)EV型燃燒器進(jìn)行了修改設(shè)計(jì),采用形燃燒區(qū)位于火焰筒的外側(cè),其前壁板上裝有8個(gè)部分預(yù)混的燃燒方式,燃料由錐體槽縫處噴射改為微型渦流器,微型渦流器的葉片后存在一個(gè)空腔,用由燃燒器端面處噴射,同時(shí)使用N2進(jìn)行稀釋。燃燒于燃料與空氣的摻混。火焰筒頭部的中心渦流器作試驗(yàn)表明,合成氣熱值稀釋到7000kJ/kg時(shí),NO,排為預(yù)混裝置,燃料與空氣在中心渦流器前完成摻混,放指標(biāo)為2.0×10-3~2.5×10-35,CO排放低于5供入均勻預(yù)混燃燒區(qū)。在火焰筒的中心區(qū)保留一小10-6股擴(kuò)散火焰,少量燃料直接供到中心渦流器后,以擴(kuò)本文在rol⑩0重型燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃燒室的散方式燃燒,擴(kuò)大燃燒室貧油預(yù)混燃燒穩(wěn)定工作范中國(guó)煤化工收稿日期:2013-01-25改稿日期:2013-02-16CNMHG作者簡(jiǎn)介:金戈,(1974-),男,工程師,從事燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工程設(shè)計(jì)和研究工作,E-mail:inge_7478@163.com。R0110合成氣燃燒室方案設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬29圍。三個(gè)燃燒區(qū)的燃料量隨著燃?xì)廨問(wèn)i工作狀態(tài)進(jìn)荷狀態(tài)時(shí),切斷環(huán)形燃燒區(qū)燃料,燃料全部由預(yù)混區(qū)行調(diào)整,由起動(dòng)狀態(tài)至30%負(fù)荷狀態(tài),只有環(huán)形燃供人,待環(huán)形燃燒區(qū)完全熄火后,再重新供入燃料。燒區(qū)工作,全部燃料供入環(huán)形區(qū)。在30%負(fù)荷狀由于此時(shí)環(huán)形區(qū)內(nèi)無(wú)點(diǎn)火源,因而無(wú)法重新點(diǎn)燃,將態(tài),保持燃料總量不變的情況下,燃料分配比例進(jìn)行環(huán)形區(qū)作為燃料和空氣的預(yù)混段使用,預(yù)混后的可調(diào)整,預(yù)混區(qū)和擴(kuò)散區(qū)開(kāi)始工作。在工作至40%負(fù)燃?xì)怏w供入中心預(yù)混區(qū)進(jìn)行燃燒。組合式雙微型渦流器環(huán)形區(qū)中心渦流器火焰筒燃燒室氣缸燃料噴嘴羯快,經(jīng)擴(kuò)散區(qū)主燃?xì)恻c(diǎn)A·點(diǎn)以壓氣機(jī)氣流壓氣圖1RO110原型天然氣燃燒室結(jié)構(gòu)2R0110合成氣燃燒室方案設(shè)計(jì)在明顯不同。燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中需根據(jù)合成氣的燃燒特性采取相應(yīng)的技術(shù)措施。合成氣中含有大量的2.1燃燒室設(shè)計(jì)要求及改進(jìn)措施分析H2,H2的高活性和高火焰?zhèn)鞑ニ俣?使得R0110燃R0I10合成氣燃燒室性能設(shè)計(jì)指標(biāo)(基本負(fù)荷燒室改燒合成氣后需由預(yù)混燃燒改為擴(kuò)散燃燒,解狀態(tài))如下決合成氣預(yù)混燃燒的回火問(wèn)題。燃燒室由預(yù)混燃燒1)燃燒效率≥0.99;改為擴(kuò)散燃燒后,需向燃燒室注入稀釋劑來(lái)降低火2)總壓恢復(fù)系數(shù)≥0.945焰溫度,抑制燃燒室NO,排放。合成氣與天然氣的3)燃燒室出口溫度分布:OTDF≤0.2,RTDF≤絕熱火焰溫度對(duì)比見(jiàn)圖2。由于合成氣中H2的爆0.1炸極限寬,燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)點(diǎn)火過(guò)程中,容易發(fā)生爆4)污染物排放:NO2≤4×10-3(@16%O2),炸。出于安全性考慮,燃?xì)廨啓C(jī)需用液體燃料(柴CO≤1×103(@16%O2);油)來(lái)完成起動(dòng),并在較高負(fù)荷下切換至合成氣,因5)壁溫≤860℃。此需要設(shè)計(jì)燃用合成氣和柴油的雙燃料噴嘴。合成此外,在結(jié)構(gòu)尺寸方面,要求新設(shè)計(jì)的合成氣燃?xì)獾娜紵俣瓤?在燃燒室頭部迅速放熱,造成燃燒燒室能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有F010重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)、透區(qū)壁面過(guò)熱,需采取措施強(qiáng)化頭部燃燒區(qū)冷卻效果,平等相鄰部件聯(lián)接,而不需要對(duì)其它部件進(jìn)行改動(dòng)。降低壁面溫度。合成氣作為參考燃料,它與天然氣的組分和凈2800比能(標(biāo)準(zhǔn)狀況下,下同)見(jiàn)表1。合成氣熱值約為常規(guī)天然氣熱值的1/3,屬中熱值燃料,主要可燃成2400分為H2和CO,其中H2與CO的容積比為0.565。22001表1氣體組分體積百分比和凈比能組分H2N2COCO2CH4C2凈比能/天然氣(M·m-3)k合成氣1600合成氣34.010.8760.184.840.111.291400天然氣0.0262.15495.742.0734.1中國(guó)煤化工由于合成氣的可燃成分與天然氣(主要是甲烷)不同,因此其燃燒特性與天然氣的燃燒特性存圖CNMHG孟度對(duì)比燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)第26卷2.2R0110合成氣燃燒室方案介紹預(yù)混燃燒方式,取消了原型燃燒室軸向分級(jí)的預(yù)R0110合成氣燃燒室總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3所混裝置,改為帶環(huán)形內(nèi)壁的火焰筒結(jié)構(gòu)。由于合示。燃燒室保持逆流環(huán)管式燃燒室結(jié)構(gòu)形式不成氣燃料量的増加以及液體燃料起動(dòng)和備份的需變,燃燒室水平對(duì)開(kāi)氣缸保持不變?；鹧嫱餐鈴揭?重新設(shè)計(jì)了雙燃料多噴嘴燃燒器。由于燃燒尺寸與原型火焰筒保持一致,火焰筒數(shù)量仍為20器安裝邊結(jié)構(gòu)的改變,燃燒室承力錐體上的燃燒個(gè)?；鹧嫱差^部燃燒區(qū)修改設(shè)計(jì),擴(kuò)散燃燒代替器安裝座需修改設(shè)計(jì)。組合式燃燒器噴嘴安裝座修改帶內(nèi)壁的火焰筒水平氣缸不變能/母生孩圖3RO110合成氣燃燒室總體方案雙燃料多噴嘴燃燒器由6個(gè)沿圓周均勻分布的稀釋劑合成氣渦流器空氣渦流器頭部空氣雙燃料單元噴嘴組成,見(jiàn)圖4所示。燃燒器能夠使用合成氣和柴油工作,兩種燃料之間可以相互切換。合成氣雙燃料單元噴嘴采用液體燃料噴嘴、氣體燃料噴嘴液體燃料噴口和空氣渦流器一體化設(shè)計(jì),共包括空氣、稀釋劑、合成氣、霧化空氣和液體燃料5個(gè)通道,見(jiàn)圖5所示。稀釋劑由位于燃燒器中心線(xiàn)上的管路供到空氣渦流器前,經(jīng)空氣渦流器后旋轉(zhuǎn)供入燃燒室。這種稀釋霧化空氣劑注入方式能夠隨稀釋劑的注入量增加動(dòng)態(tài)調(diào)整供入渦流器的空氣量,使主燃區(qū)處于相對(duì)富油狀態(tài),有圖5雙燃料單元噴嘴結(jié)構(gòu)圖利于擴(kuò)大注入稀釋劑后的穩(wěn)定工作范圍。同時(shí),不修改后的火焰筒結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6?；鹧嫱策^(guò)渡段和注入稀釋劑時(shí)無(wú)需供入空氣對(duì)該通道進(jìn)行保護(hù)性出口定位環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸保持不變,頭部采用帶內(nèi)壁清吹,簡(jiǎn)化了燃燒室空氣清吹保護(hù)系統(tǒng)。整個(gè)燃燒的環(huán)形燃燒區(qū)結(jié)構(gòu),通過(guò)增加內(nèi)環(huán)主燃孔和補(bǔ)燃孔,器包括6個(gè)液體燃料噴嘴,通過(guò)螺栓與合成氣噴嘴解決外環(huán)主燃孔和補(bǔ)燃孔射流深度不足的問(wèn)題,強(qiáng)部分相連,能夠方便液體燃料噴嘴的單獨(dú)調(diào)試。化燃燒區(qū)內(nèi)燃料和空氣的摻混,同時(shí),內(nèi)壁圓錐段增液體燃料噴嘴安裝邊6個(gè)雙燃料噴嘴浮動(dòng)套筒(6個(gè))主燃孔補(bǔ)燃孔摻混孔位置前移集油環(huán)內(nèi)壁中國(guó)煤化工稀釋劑進(jìn)口CNMHG段不變圖4雙燃料多噴嘴燃燒器結(jié)構(gòu)圖圖6火焰筒結(jié)構(gòu)圖第3期R0110合成氣燃燒室方案設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬加1個(gè)直徑10mm的軸向射流孔,能夠有效降低燃燃燒室計(jì)算過(guò)程中,采用的計(jì)算模型包括:燒區(qū)中心火焰溫度,改善燃燒室出口溫度場(chǎng)品質(zhì)。1)適合強(qiáng)湍流計(jì)算的 Realizable k-ε湍流火焰筒前端板上焊接6個(gè)浮動(dòng)式套筒,與6個(gè)雙燃模型;料噴嘴相對(duì)應(yīng)?；鹧嫱驳陌惭b定位結(jié)構(gòu)保持不變2)概率密度函數(shù)(PDF)燃燒模型;每個(gè)火焰筒通過(guò)兩個(gè)定位銷(xiāo)固定在承力錐體上,后3)基于壓力速度耦合的 SIMPLE(Semi端搭接在透平進(jìn)口環(huán)面上,允許火焰筒后端自由licit Method for Pressure Linked Equations膨脹。算法;火焰筒的流量分配比例見(jiàn)表2?；鹧嫱驳目偟?)壁面按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理開(kāi)孔面積與原型火焰筒基本保持一致,空氣流量分5)二階迎風(fēng)差分格式( Second Order Upwind)。配比例根據(jù)合成氣燃料的特性和組織燃燒方式的改邊界條件設(shè)定變進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整,適當(dāng)增加了環(huán)形燃燒區(qū)的冷卻1)燃燒室空氣進(jìn)口和燃料進(jìn)口為質(zhì)量進(jìn)口邊空氣量,以便將頭部燃燒區(qū)的壁溫控制在許可的范界條件;圍內(nèi)。2)燃燒室出口為自由出流邊界條件表2火焰筒流量分配比例3)扇形計(jì)算域的兩側(cè)為周期性邊界條件。頭部進(jìn)氣分別計(jì)算了燃用合成氣和注入氮?dú)庖越档臀廴疚恢?渦流器+端板)主燃孔補(bǔ)燃孔摻混孔冷卻空氣物排放兩種情況的燃燒室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng),計(jì)算狀態(tài)比例/%15.4112.598.3729.8433.79為基本負(fù)荷狀態(tài)。燃用合成氣和注入氮?dú)庀♂寖煞NR01l0合成氣燃燒室采用間接點(diǎn)火方式,通過(guò)情況的燃燒室氣動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表3。注入氮?dú)庀♂寱r(shí),固定在燃燒室水平氣缸上的液體燃料等離子點(diǎn)火器氮?dú)馀c合成氣燃料的質(zhì)量比為1,等效熱值為6.6完成點(diǎn)火,與原型天然氣燃燒室的點(diǎn)火系統(tǒng)保持MJ/m。致表3合成氣燃燒室氣動(dòng)參數(shù)(100%負(fù)荷狀態(tài))3燃燒室方案數(shù)值模擬參數(shù)合成氣注入氮?dú)庀♂屓剂蟽舯饶?(MJ·m-3)6.6R0110合成氣燃燒室方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)用流燃燒室進(jìn)口總壓/kPa1486.41486.4體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件 FLUENT對(duì)燃燒室方案進(jìn)行了流286.2場(chǎng)、溫度場(chǎng)三維數(shù)值模擬計(jì)算分析。燃燒室進(jìn)口空氣流量/(kg·s-1)燃燒室進(jìn)口總溫/K674.7674.7計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)火焰筒的六分之一扇形區(qū)域,即燃燒器一個(gè)雙燃料單元噴嘴的工作區(qū)域,未包燃燒室出口總溫/K1483括火焰筒過(guò)渡段部分,見(jiàn)圖7所示。CFD數(shù)值模燃料流量/(kg:s2)53.6擬計(jì)算過(guò)程中,對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。主3.1算例1(燃用合成氣)要包括:圖8為燃燒室熱態(tài)速度分布云圖。從圖中可以空氣質(zhì)量進(jìn)口邊界看出,環(huán)形燃燒區(qū)內(nèi)、外壁主燃孔和補(bǔ)燃孔射流深度燃料質(zhì)量進(jìn)口邊界壓力出口邊界周期性邊界圖7計(jì)算域1)氣膜孔簡(jiǎn)化為氣膜環(huán),按等面積折算;中國(guó)煤化工2)主燃孔、補(bǔ)燃孔、摻混孔等圓孔簡(jiǎn)化為正方000c+00YH形孔。CNMHG云圖燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)第26卷基本一致,摻混孔射流深度基本達(dá)到50%,與內(nèi)壁08e+中心射流孔一起能夠有效沖散火焰筒中心高溫區(qū)。環(huán)形燃燒區(qū)內(nèi)存在明顯的回流區(qū),有利于保持火焰穩(wěn)定圖9為燃燒室內(nèi)總溫分布云圖。燃燒區(qū)內(nèi)最高溫度約為2320K,主燃孔射流有效切斷了頭部燃燒區(qū),摻混孔射流深度雖然略有不足,但內(nèi)壁中心射流孔的氣流能夠有效沖散火焰筒中心高溫區(qū),對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的調(diào)整有利。88e+02圖11注入氮?dú)夂笕紵覂?nèi)溫度分布云圖4總結(jié)在Ro110原型天然氣燃燒室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,根據(jù)合成氣燃料的燃燒特性和燃燒室設(shè)計(jì)要求,提出了具體的改進(jìn)措施,并完成了RO110合成氣燃燒室的方案設(shè)計(jì)。合成氣燃燒室保持逆流環(huán)管式結(jié)構(gòu)形式不變,燃燒室水平對(duì)開(kāi)氣缸保持不變?；鹧嫱矓?shù)量3e+02仍為20個(gè)。火焰筒頭部燃燒區(qū)修改設(shè)計(jì),擴(kuò)散燃燒圖9燃燒室內(nèi)總溫分布云圖代替預(yù)混燃燒方式,取消了原型燃燒室軸向分級(jí)的預(yù)3.2算例2(注入氮?dú)庀♂尰煅b置,改為帶環(huán)形內(nèi)壁的火焰筒結(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)的雙計(jì)算了氮?dú)庾鳛橄♂寗r(shí)燃燒室內(nèi)速度、溫度燃料多噴嘴燃燒器由6個(gè)沿圓周均布的單元噴嘴組分布情況,氮?dú)馀c合成氣燃料的質(zhì)量比為1。成,能夠使用合成氣和柴油兩種燃料工作,通過(guò)注入圖10和圖11.注入氮?dú)夂笕紵宜俣确植己拖♂寗?氮?dú)夂退羝?降低燃燒室NO排放。溫度分布云圖。注入氮?dú)夂?燃燒室內(nèi)速度分布、回使用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件 FLUENT對(duì)燃燒室方流區(qū)大小溫度場(chǎng)分布均未發(fā)生明顯改變,同時(shí)最高案進(jìn)行了三維流場(chǎng)、溫度場(chǎng)CFD數(shù)值模擬計(jì)算分火焰溫度(約為2170K)明顯下降,對(duì)降低燃燒室析,結(jié)果表明,燃燒室內(nèi)流場(chǎng)溫度場(chǎng)組織合理,燃燒NO排放量有利。區(qū)頭部回流明顯,能夠滿(mǎn)足穩(wěn)定燃燒要求。注入稀釋劑后,燃燒室流場(chǎng)、溫度場(chǎng)基本一致,燃燒區(qū)最高溫度顯著降低,有利于降低NO,排放。1.51c+0參考文獻(xiàn)[1] Jones Robert M, Shilling Norman Z. 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China petroleum of Dalian petrochemical branch, Liaoning Dalian 116031, ChinaAbstract The CFD software is used in the numerical simulation of coupled heat transfer of fluid and solid for the flue gas turbine withcooling steam. Ignoring thermal radiation, the CFX s conjugate heat transfer numerical models had been used to simulate the temperature rising of the bladed disk and the field of the flow and temperature around it. Considering both solid and fluid regions, transmissionequation is solved in both regions, heat flow of fluid and solid interface is balanced through the energy equation, and each region pro-rides a boundary condition for the other one. The result of the simulation has indicated that how flue gas and cooling steam influencesthe aerodynamic heating characteristic of the bladed disk and how the cooling steam influences the temperature field distribution of thebladed diskKey words: flue gas turbine; blade disk; coupled heat transfer of fluid and solid; numerical analysis(上接第32頁(yè))RO110 Syngas Combustor Conceptual Design and SimulationQI Bing(AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute, shenyang 110015, China)Abstract: In IGCC system coal gasified and generated Medium calorific value syngas which main combustible components is CO andH2. Compared with natural gas, The calorific value of syngas is lower, however, the flame temperature of syngas is higher and flamepropagation speed is faster. In order to achieve Ro110 gas turbine combustor burn from natural gas to medium calorific value syngasthe new dual fuel multi nozzle burner was designed. The combustion mode was changed from premixed combustion to diffusion combus-tionassembly of combustion chamber is removed, and changed to the annular combustion zone with inner wall. The CFDsimulation results of syngas combustor conception indicated that the recirculation zone is very obviously in the combustor dome, andmeet the requirements of stable combustion. After injecting diluents, the combusticsistent, but the highest temperature of combustion zone was reduced significantlyH中國(guó)煤化工 erature field is conCNMHGKey words: combustor; syngason; conceptual design