過貧當量比下貧預混旋流燃燒室點火燃燒特性

邢 暢， 邱朋華， 劉 栗， 陳希葉， 趙文華， 沈聞凱， 吳少華， 秦裕琨

(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院， 哈爾濱 150001)

過貧當量比下貧預混旋流燃燒室點火燃燒特性

邢 暢， 邱朋華， 劉 栗， 陳希葉， 趙文華， 沈聞凱， 吳少華， 秦裕琨

(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院， 哈爾濱 150001)

為確保貧預混旋流燃燒室能在過貧當量比條件下具有良好的點火性能，基于不同的點火燃料比，對貧預混旋流燃燒室在過貧當量比為0.013～0.502條件下的點火燃燒特性進行了實驗研究. 結(jié)果表明：在點火燃料比為10 %、15 %和20 %條件下，貧預混旋流燃燒室能夠分別在當量比區(qū)間為0.063～0.251、0.042～0.377和0.050～0.502內(nèi)成功點火，并通過實驗結(jié)果擬合計算出最小點火當量比分別為0.063、0.039和0.011；而燃燒室在點火燃料比為5 %條件下均點火失?。浑S著當量比的減小，由于空氣流量的增加而導致燃燒室出口溫升逐漸減小，燃燒室煙氣排放中CH4和CO濃度增加，燃燒效率也隨之降低；雖然燃燒室在高點火燃料比時能夠在更貧的當量比條件下點火成功，但由于過多的空氣流量而導致燃燒室燃燒效率降低和污染物排放增多. 保持一定的點火燃料流量對貧預混旋流燃燒室在過貧當量比條件下高效快速啟動十分有利.

燃氣輪機；貧預混旋流燃燒室；過貧當量比；點火過程；燃燒特性；點火燃料比

燃燒室點火過程是燃氣輪機啟動過程中的一個重要環(huán)節(jié)，良好的點火性能不僅能在短時間內(nèi)為燃燒室煙氣提供足夠溫升來進行加速過程，并且能在較寬的工況區(qū)間內(nèi)可靠點火，來應對諸如燃燒室加速喘振[1]等燃氣輪機運行問題. 在燃氣輪機啟動點火時，燃燒室處于低溫低壓環(huán)境下，其流場中回流穩(wěn)燃區(qū)小、對流換熱影響大、化學反應慢、燃料釋熱速率低、燃料霧化效果差等因素[2-3]將嚴重影響燃燒室點火燃燒特性. 隨著燃氣輪機污染物排放要求越來越嚴格，貧預混旋流燃燒技術[4-5]已經(jīng)成為控制污染物排放的有效途徑之一. 但為了保證燃燒室的燃燒性能，燃燒室主燃區(qū)一般仍采用化學當量比設計或相對的富油設計，這就造成了在燃氣輪機啟動或慢車狀態(tài)下燃燒室主燃區(qū)更加貧油，過貧的當量比(β)條件[6-7]加劇惡化了貧預混旋流燃燒室點火過程中的燃燒穩(wěn)定性. Lefebvre等[8]從燃燒機理出發(fā)，分析了影響燃燒點火的主要控制因素，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，給出了在不同當量比(β=0.50～2.50)條件下的最小點火能經(jīng)驗計算公式，以及點火成功需保證的最小吹熄距離經(jīng)驗計算公式. 付鎮(zhèn)柏等[9]通過實驗研究了在常壓和低壓條件下燃燒室當量比分別為0.15～0.45和0.45～0.59時，旋流器臺階高度對燃燒室點火熄火性能的影響，分析認為臺階高度增加有利于燃燒室貧油點火邊界增寬. Ahmed[10]通過OH-PLIF技術，實驗研究了對沖射流和鈍體兩種燃燒室結(jié)構(gòu)在β=0.50～0.70條件下，點火成功時的火焰前鋒位置和結(jié)構(gòu)，分析了燃燒室流場速度分布、中心和邊緣回流區(qū)對燃燒室成功點火的影響. Liu等[11]通過實驗比較了燃料中心分級燃燒室與傳統(tǒng)的雙旋流器燃燒室在點火和吹熄性能上的優(yōu)劣，并指出由于燃料霧化性能提升和局部富油區(qū)的存在，在相同參考速度條件下，燃料中心分級燃燒室(β=0.17～0.26)具有更低的點火限制. 薛鑫等[12]通過實驗研究了燃燒室在β=0.20～0.54時，火焰筒壓力損失對燃燒室點火性能的影響，并對火焰筒內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，并分析出低壓力損失火焰筒能夠在更寬的壓力降條件點燃. 楊洪磊等[13]通過數(shù)值計算方法研究了火核半徑、點火能量以及點火持續(xù)時間的耦合作用對燃燒室在β=0.40和0.51時點火特性的影響，并提出了針對火核半徑太小、點火功率不足或者點火持續(xù)時間短時所能采取的調(diào)整辦法. 鄭洪濤等[14]采用Fluent模擬了某型燃氣輪機燃燒室在β=0.29、0.40和0.51時的點火位置及火焰?zhèn)鞑ミ^程，并通過逐漸減小火核半徑的方法，得到了燃燒室的最優(yōu)點火位置、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约盎鹧鎮(zhèn)鞑ヌ匦? Esclapez等[15]利用大渦模擬方法，分析了半預混燃燒室(β=0.50～1.50)中火焰核心在中心回流區(qū)和邊緣回流區(qū)的傳播過程對點火成功的影響，并提出了火焰褶皺平均曲率越小越易點火.

雖然國內(nèi)外學者已對燃燒室點火過程在各種影響因素下的燃燒特性進行了相關研究，但大部分燃燒特性研究仍在較高的燃燒室當量比條件下展開，即β≥0.15，因此，面對燃燒室越來越低的當量比設計條件，需要對燃燒室在過貧當量比條件下的點火燃燒特性進行研究.

本研究以采用天然氣為燃料的貧預混旋流燃燒室為研究對象，通過實驗研究不同點火燃料比條件下，燃燒室在β=0.013～0.502內(nèi)的點火過程，來分析當量比對燃燒室出口溫升(ΔT)、煙氣組分濃度(VCH4、VCO和VCO2)和燃燒效率(η)的影響趨勢，并希望為燃氣輪機的點火工況設計提供可靠的燃燒特性數(shù)據(jù)支持.

1 實驗裝置

1.1 實驗系統(tǒng)

本研究在哈爾濱工業(yè)大學的微型燃氣輪機燃燒室性能實驗臺上完成，實驗臺系統(tǒng)流程如圖1所示.

1—入口溫度測量； 2—入口總壓測量； 3—出口溫度測量； 4—出口總壓測量； 5—點火裝置； 6—煙氣組分測量

空氣由羅茨鼓風機提供，在經(jīng)過空氣過濾器、儲氣罐和空氣預熱器后進入貧預混旋流燃燒室. 燃燒室入口空氣流量主要由電動調(diào)節(jié)閥1和電動調(diào)節(jié)閥2來控制，燃燒室入口空氣總壓主要由電動調(diào)節(jié)閥3來調(diào)節(jié). 燃燒室入口空氣溫度通過冷卻管路改變高溫煙氣溫度來調(diào)節(jié). 燃燒室燃料由天然氣氣瓶組提供. 燃燒室主燃料量和點火燃料量分別由質(zhì)量流量控制器MFC1(Mass flow controller)和MFC2調(diào)節(jié)，每根主燃料管支路分別布置有調(diào)節(jié)閥和流量計，可單獨調(diào)節(jié)每一路主燃料管流量.

為了測量燃燒室進出口溫度和總壓損失，在燃燒室進出口處分別設置了K型熱電偶和總壓測管，其中在燃燒室出口處設置了4根三點熱電偶和4根三點總壓測管，沿燃燒室出口周向每隔45°輪流布置，如圖2所示. 每根熱電偶和總壓測管選擇不同的插入深度以測量燃燒室出口截面不同徑向位置處的溫度和總壓. 熱電偶精度等級為Ⅰ級，壓力表和壓差計精度分別為滿量程的0.5 %和0.3 %. 燃燒室煙氣組分測量取樣點布置在電動調(diào)節(jié)閥3下游，由GASMET DX-4000型便攜式傅里葉紅外多組分氣體分析儀在線實時測量煙氣中CH4、CO和CO2的體積分數(shù)，濃度測量精度為標定量程的2 %.

(a)溫度測量 (b)總壓測量

1.2 貧預混旋流燃燒室結(jié)構(gòu)

本貧預混旋流燃燒室采用逆流式結(jié)構(gòu)，如圖3所示.

圖3 貧預混旋流燃燒室

空氣由機匣尾部和火焰筒尾部之間的環(huán)形面以及機匣孔進入燃燒室，并分別通過一次風旋流器、二次風旋流器、點火旋流器和摻混孔進入火焰筒，其中一次風旋流器為徑向葉片式，二次風旋流器為徑向斜切孔式，點火旋流器為軸向斜切孔式. 為了改善入口空氣對火焰筒的冷卻效果以及延長火焰筒工作壽命，火焰筒外壁面上布置有冷卻肋片. 本燃燒室有兩種燃料輸入方式，即主燃料和點火燃料. 其中,主燃料采用預混燃燒方式，由12根沿一次風旋流器均勻布置的主燃料管噴出;點火燃料采用擴散燃燒方式，由點火燃料噴嘴噴出，并被電點火槍點燃. 燃燒室設計燃料為天然氣，其中甲烷體積分數(shù)為90%.

2 實驗方案

2.1 實驗方法

本研究定義點火燃料比(Fn)為點火燃料量占滿負荷時燃料量的比例，空氣流量比(A)為燃燒室點火時入口空氣流量占滿負荷時空氣流量的比例. 不同點火燃料比和空氣流量比條件下的當量比如表1所示(共計4種點火燃料比和10種空氣流量比). 貧預混旋流燃燒室在點火過程中的主燃料量為零. 本研究在不同點火燃料比條件下，通過改變空氣流量比，來實驗研究不同當量比條件對燃燒室點火過程中燃燒室出口溫升、燃燒效率和煙氣組分的影響.

表1 不同點火燃料比和空氣流量比條件下的燃燒室當量比

Tab.1 Equivalence ratio of LPSC under different conditions ofFnandA

AβF1=5%F2=10%F3=15%F4=20%0．050．1260．2510．3770．5020．100．0630．1260．1880．2510．150．0420．0840．1260．1670．200．0310．0630．0940．1260．250．0250．0500．0750．1000．300．0210．0420．0630．0840．350．0180．0360．0540．0720．400．0160．0310．0470．0630．450．0140．0280．0420．0560．500．0130．0250．0380．050

2.2 點火成功判斷方法

目前，判斷燃燒室是否點火成功的方法大致可分為直接判斷法和間接判斷法. 直接判斷法是通過燃燒室觀察孔見到穩(wěn)定的火焰則為點火成功[11-16]；而間接判斷法一般是在燃燒室出口設置熱電偶，點火時若燃燒室出口溫升高于燃燒室快速啟動的最低溫升80 K則為點火成功[17-18]. 由于本貧預混旋流燃燒室結(jié)構(gòu)的逆流進氣特點，對燃燒室內(nèi)火焰的直接觀測十分困難，因此本研究選擇間接判斷法.

2.3 實驗條件

在本研究中，燃燒室入口總壓為115 kPa，入口空氣溫度為323 K，電點火槍的火花能量為10 J，其中燃燒室入口空氣溫度是由羅茨鼓風機對空氣加壓做功產(chǎn)生.

3 實驗結(jié)果分析

3.1 當量比對燃燒室出口溫升的影響

在不同點火燃料比和當量比條件下，燃燒室出口溫升值及其隨當量比變化的擬合函數(shù)曲線如圖4所示，圖中虛線為燃燒室點火成功和失敗的分界線. 隨著當量比的減小，燃燒室出口溫升由于入口空氣流量的增加而降低，而隨著點火燃料比的減小，由于燃料燃燒釋放熱量減少而導致了燃燒室出口溫升降低.

圖4 當量比對燃燒室出口溫升的影響

在F1=5 %條件下，燃燒室出口溫度只在β=0.126、0.063和0.042時出現(xiàn)溫升，并且溫升均沒有達到80 K，因此，燃燒室在該條件下點火失敗. 這是由于點火燃料流量過小，不能產(chǎn)生足夠的熱量使燃燒室出口溫度達到預定值.

在F2=10 %、F3=15 %和F4=20 %條件下，燃燒室分別在當量比區(qū)間為0.063～0.251、0.042～0.377和0.050～0.502條件下成功點火3次，最高出口溫升分別為126.5、243.8和315.5 K. 通過對燃燒室出口溫升隨當量比變化的擬合函數(shù)計算，得出在F2=10 %、F3=15 %和F4=20 %條件下的最小點火當量比分別為0.063、0.039和0.011.

3.2 當量比對燃燒效率的影響

燃燒室燃燒效率通過煙氣組分分析法[17]計算，如式(1)所示:

(1)

式中：VCO2為煙氣中CO2的體積分數(shù)，μL/L；VCO為煙氣中CO的體積分數(shù)，μL/L；VCH4為煙氣中CH4的體積分數(shù)，μL/L.

在不同當量比條件下的燃燒室燃燒效率如表2所示. 在高當量比條件下，燃燒室出口溫升最大，促進了燃料的燃燒反應，燃燒室能夠保證完全燃燒. 隨著燃燒室當量比的減小，燃燒室進口空氣量逐漸增多，燃燒室出口溫升逐漸降低，燃燒室煙氣中出現(xiàn)CO和未燃盡的CH4，燃燒室燃燒效率也隨之降低.

表2 當量比對燃燒效率的影響

3.3 當量比對煙氣組分的影響

在不同點火燃料比和當量比條件下，燃燒室煙氣中CH4、CO和CO2的體積分數(shù)如圖5～圖7所示.

(a) F1=5% 和 F2=10%

(b) F3=15% 和 F4=20%

隨著當量比的減小，燃燒室煙氣中CH4和CO濃度增加，而CO2濃度減少. 這是由于，在高當量比條件下，燃燒室出口溫升最大，促進了燃料的燃燒反應，燃燒室燃燒效率高，導致了燃燒室煙氣中的CH4和CO濃度最少；而隨著燃燒室進口空氣量逐漸增多，燃燒室散熱速率逐漸增加，燃燒室出口溫升變小，燃燒反應變慢，燃燒效率降低，在CH4濃度增大的同時，由于CH4的不完全燃燒，CO濃度逐漸增大，CO2生成量變少.

通過擬合函數(shù)方法對燃燒室煙氣組分變化趨勢進行后處理，即圖5～圖7中的擬合曲線所示，計算得出了在最小點火當量比條件下的CH4、CO和CO2的體積分數(shù)，如表3所示. 通過分析表3發(fā)現(xiàn)，雖然在高點火燃料比時，燃燒室可以在更低的當量比條件下滿足80 K的出口溫升，但也由于燃燒室出口溫升的限制，以及過多的空氣流量，導致點火燃料處于不完全燃燒狀態(tài)，煙氣中CH4和CO濃度增加，燃燒效率降低.

圖6 當量比對CO排放量的影響

圖7 當量比對CO2排放量的影響

Tab.3 Exhaust gas component concentration and combustion efficiency under minimum ignition equivalence ratio

燃料比/%VCH4/(μL·L-1)VCO/(μL·L-1)VCO2/(μL·L-1)η/%5102015．10．46×10499．281517．0632．570．44×10499．152075．2188．810．42×10496．77

因此，應根據(jù)燃氣輪機啟動過程中的空氣流量變化情況，在滿足燃氣輪機高效快速啟動的最低溫升前提下，適當?shù)卣{(diào)整燃燒室的點火燃料流量，使燃燒室燃燒效率最高，污染物排放最少.

4 結(jié) 論

1)在F2=10 %、F3=15 %和F4=20 %條件下，燃燒室可以在較大的當量比變化區(qū)間內(nèi)成功點火. 當量比區(qū)間分別為：0.063～0.251、0.042～0.377和0.050～0.502，擬合計算出的燃燒室最小點火當量比分別為0.063、0.039和0.011；在F1=5%條件下，由于受點火燃料量較少的影響，燃燒室出口溫升沒有達到預定值，燃燒室點火失敗.

2)在高當量比條件下，燃燒室能夠保證完全燃燒. 燃燒效率隨燃燒室當量比的減小而降低. 在F2=10 %、F3=15 %和F4=20 %條件下，燃燒室在最小點火當量比條件下的燃燒效率擬合計算結(jié)果分別為99.28 %、99.15 %和96.77 %.

3)在高當量比條件下，燃燒室煙氣排放中CH4和CO濃度非常低；隨著當量比的減小，燃燒室煙氣排放中CH4和CO濃度有增加趨勢，而CO2濃度變小.

致 謝

感謝國家科技支撐計劃項目《微型移動式燃氣輪機冷熱電聯(lián)供技術及示范》(批準號2012BAA11B02)和國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體項目《熱輻射傳輸與流動控制》(批準號51421063)對本研究工作的支持.

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(編輯 楊 波)

封面圖片說明

封面圖片來自本期論文“面向數(shù)字舞臺表演的海龜機器人系統(tǒng)研制”，是哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院機電工程與自動化學院研制的海龜機器人系統(tǒng)以及在機器人戲劇《來到深圳的豆芽菜》中的公演現(xiàn)場，海龜機器人在劇中扮演主人公“豆芽菜”(真人演員)姥姥的角色. 海龜機器人的設計采用了仿生技術，由4條3DOF模塊化輕型腿、一套具有連續(xù)曲率的柔性脖子、龜殼開合裝置和碳纖維框架組成. 所有電機、電路板等機電部件安裝于軀干中，降低了懸臂部分的尺寸和質(zhì)量，減輕了電機的負載；采用重心自調(diào)整的方法規(guī)劃運動步態(tài)，確保多足運動的穩(wěn)定性；柔性脖子運動十分靈活，在舞臺上可以與觀眾進行友好互動. 研制的海龜機器人系統(tǒng)質(zhì)量為6 kg, 外形尺寸為810 mm ×620 mm×350 mm, 頭-頸部長度為300 mm, 爬行速度為0.35 m/s, 負載能力(除自重外) 為2 kg, 連續(xù)工作時間為1 h, 無線操作距離為100 m， 可以完美地演繹戲劇角色，外形美觀，惹人喜愛，表演效果極佳，連續(xù)多次公演獲得了好評.

(圖文提供：黃 亮，管貴森，徐文福, 梁國偉．哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院機電工程與自動化學院)

Combustion characteristics of ignition processes for lean premixed swirling combustor at ultralow equivalence ratios

XING Chang， QIU Penghua， LIU Li， CHEN Xiye， ZHAO Wenhua， SHEN Wenkai， WU Shaohua， QIN Yukun

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To have good ignition performance of lean premixed swirling combustor (LPSC) at ultralow equivalence ratios, this paper researched experimentally the combustion characteristics of ignition processes for LPSC at the ultralow equivalence ratio conditions of 0.013～0.502 based on different conditions of ignition fuel ratio (Fn). The results indicate that, whenF2=10 %,F3=15 % andF4=20 %, LPSC can ignite successfully at the equivalence ratio intervals of 0.063-0.251, 0.042-0.377 and 0.05-0.502 respectively, and the minimum values of equivalence ratio for ignition process are respectively 0.063, 0.039 and 0.011 by the fitting calculations of experimental results, but LPSC fails to ignite atF1=5 %. With decreasing equivalence ratio, the outlet temperature rise has a drop due to the increase of air massflow, which can lead to the rising of CH4and CO concentrations and the deceasing of combustion efficiency simultaneously. LPSC can ignite successfully at relatively low equivalence ratio for highFn, but in which combustion efficiency deceases and pollutant emissions rise because of too much air massflow. Thus, keeping a certain massflow of ignition fuel is beneficial for high-efficiency and rapid startup of LPSC at ultralow equivalence ratio.

gas turbine；lean premixed swirling combustor (LPSC)；ultralow equivalence ratio；ignition processes；combustion characteristics；ignition fuel ratio

2016-03-28

國家科技支撐計劃項目(2012BAA11B02)； 國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體(51421063)

邢 暢(1987—)，男，博士研究生； 邱朋華(1973—)，男，教授，博士生導師； 吳少華(1952—)，男，教授，博士生導師； 秦裕琨(1933—)，男，教授，博士生導師，中國工程院院士.通信作者: 劉 栗， liulihit@hit.edu.cn.

TK16；TK477

A

0367-6234(2017)07-0063-06