燃氣輪機進氣噴霧冷卻下層流火焰的特性

高 飛，牛長軍，朱家英，劉綜緒，王 坤

（1.國電投周口燃氣熱電有限公司，河南 周口 466200；2.河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司，鄭州 450000；3.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽110819 ）

燃氣發(fā)電是電力、鋼鐵工業(yè)清潔、高效利用燃氣、煤氣資源的有力途徑，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組中燃氣輪機發(fā)電效率與其配套的壓氣機空氣進口溫度密切相關(guān)［1］.當(dāng)環(huán)境溫度高時，將進口助燃空氣溫度降低是減小能耗的關(guān)鍵措施.燃氣輪機進口空氣冷卻分直接冷卻和間接冷卻兩種方式.分析比較現(xiàn)有冷卻技術(shù)，水膜式冷卻加大了進氣的阻力，間接冷卻裝置具有設(shè)備復(fù)雜、成本高的缺點［2-3］；噴霧冷卻系統(tǒng)相對簡單，運維較為方便，投資小，冷卻效率高，是目前被廣泛采用的一種燃機進氣冷卻方法.300 MW 機組加裝噴霧冷卻裝備后，可使空氣進口溫度降低6 K 左右，對應(yīng)燃氣輪機出力（輸出功率）提高約4.8 MW［4］；漣鋼對能源總廠1＃和3＃燃機空氣進氣進行噴霧冷卻改造，冷卻后助燃空氣溫度下降5～10 K，對應(yīng)燃機出力提高超過2.8 MW［5-6］.

燃氣輪機采用噴霧冷卻技術(shù)勢必會增加燃燒室進口壓縮空氣的濕度，而助燃空氣中H2O 體積分數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰溫度、燃燒尾氣排放中NOx體積分數(shù)等有很大的影響.層流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶軌虺尸F(xiàn)火焰特性，是表明燃燒進行程度的基礎(chǔ)物理量，對此深入研究可以揭示高H2O 體積分數(shù)下燃氣輪機燃燒室內(nèi)的火焰?zhèn)鞑C理及特征.Meng 等［7］進行了富氧H2O 氛圍下CO 和H2混合可燃氣體層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊难芯浚l(fā)現(xiàn)隨著H2O 體積分數(shù)升高，當(dāng)可燃氣中φ（H2）≥15%時，火焰溫度和傳播速度降低；Xu 等［8］采用實驗和數(shù)值計算相結(jié)合的手段研究了H2O 和CO2稀釋劑作用下合成氣燃燒的火焰特性，H2O 的加入使得燃燒過程中火焰的溫度及尺寸均出現(xiàn)不同程度的下降；Ren 等［9］探究了N2，CO2，H2O 稀釋劑對CH4預(yù)混火焰特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)添加不同類型稀釋劑后CH4燃燒速度和絕熱火焰溫度均降低，并且CO2稀釋劑的作用效果最明顯.高溫、高壓下助燃空氣與燃料在燃氣輪機燃燒室中的燃燒方式以預(yù)混燃燒為主，當(dāng)采用霧化冷卻技術(shù)時，混合氣中H2O 體積分數(shù)對火焰燃燒特性影響規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相對匱乏.

本文中建立了高溫、高壓、濕空氣條件下的預(yù)混燃燒模型，研究了在不同化學(xué)當(dāng)量比、溫度和壓力下，H2O 體積分數(shù)對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰溫度、燃燒產(chǎn)物分布的影響，對燃氣輪機進氣霧化技術(shù)參數(shù)選擇及燃料燃燒性能改進有重要的理論意義.

1 模型建立和驗證

1.1 模型建立

本研究選用的燃料為燃氣輪機廣泛應(yīng)用的氣體燃料CH4，基于飽和濕空氣性質(zhì)，混合氣中H2O體積分數(shù)為0～8%，混合氣溫度為520～610 K，壓力為1.7～2.5 MPa.圖1 給出了研究采用的基于Chemkin 軟件包中的PREMIX 計算模型，其中計算區(qū)域為0～10 cm，在燃燒區(qū)中發(fā)生強烈燃燒反應(yīng)，燃燒反應(yīng)物快速轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵a(chǎn)物，計算網(wǎng)格數(shù)為400 個，梯度為0.01，彎曲為0.02.

圖1 層流預(yù)混燃燒模型Fig.1 Laminar premixed flame of model

數(shù)學(xué)模型控制方程如下所示［10］.

邊界條件如下所示.

式中：qm為質(zhì)量流量，kg／s；ρ為密度，kg／m3；A為通道面積，m2；v為速度，m／s；T為溫度，K；Tu為未燃溫度，K；l為長度，m；k為組分個數(shù)；cp為定壓比熱容，kJ／（kg·K）；wk為第k 種組分的質(zhì)量分數(shù)，%；w0為初始質(zhì)量分數(shù)，%；vk為第k種組分的擴散速度，m／s；ν·k為第k種組分的反應(yīng)速率，mol／（L·s）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；Mk為第k種組分的摩爾質(zhì)量，g／mol；Hk為第k種組分的比焓，J／mol；為混合氣體平均摩爾質(zhì)量，g／mol；p為壓力，Pa；R為通用氣體常數(shù)，取值8.314 J／（mol·K）.

1.2 模型驗證

模型結(jié)果和文獻［11］中測量的實驗結(jié)果對比，如圖2 所示.其中工況1 初始參數(shù)為混合氣溫度473 K，壓力0.1 MPa，O2體積分數(shù)21%；工況2 初始參數(shù)為混合氣溫度373 K，壓力0.1 MPa，O2體積分數(shù)50%.圖中縱坐標為有H2O 時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c無H2O 時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊谋戎?當(dāng)H2O 體積分數(shù)升高時，模型計算結(jié)果和文獻中實驗結(jié)果得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔菹嗤霈F(xiàn)降低現(xiàn)象.本文中使用的GRI-Mech 3.0模型計算出的結(jié)果很好地切合了文獻中給出的實驗結(jié)果，且誤差范圍在±5%之內(nèi).

圖2 模型計算值和實驗值對比Fig.2 Comparison between the calculated and experimental values

2 結(jié)果分析和討論

2.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

圖3 為不同化學(xué)當(dāng)量比下混合氣的H2O 體積分數(shù)、溫度及壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?由圖3（a）可知，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S混合氣中H2O 體積分數(shù)升高而減小，且近似為線性減小規(guī)律.當(dāng)化學(xué)當(dāng)量比為1.0 時，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔蒆2O 體積分數(shù)為0 時的31.09 cm／s 減小到H2O 體積分數(shù)為8%時的22.04cm／s，減少率為29.11%；當(dāng)化學(xué)當(dāng)量比為0.8 和0.6 時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p少率分別為31.27%和33.44%，說明空氣過量時，H2O 的影響作用減弱.混合氣中H2O 影響H2O＋O?OH＋OH 基元反應(yīng)，會消耗O 自由基，使得基元反應(yīng)CH4＋O?CH3＋OH 降低了對可燃物的消耗［9，12］.此外，H2O 可作為燃燒過程中的稀釋劑，具有較強的吸熱作用，當(dāng)H2O 體積分數(shù)過高時，火焰穩(wěn)定性減弱，易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象.由圖3（b）可知，混合氣的溫度升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之加快.這是因為一方面混合氣溫度升高，帶入燃燒室的物理熱增大，理論燃燒溫度得以提高；另一方面，火焰溫度升高將產(chǎn)生更多的活性自由基，激起鏈式燃燒的發(fā)生.混合氣溫度升高對提高燃燒效率及火焰溫度均有積極的作用.由圖3（c）可知，混合氣的壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之減小，這是因為壓力會影響燃燒反應(yīng)的級數(shù)及活化能的數(shù)值，隨著壓力的升高，CH4燃燒的活化能增大.以上結(jié)果表明，當(dāng)采用進氣霧化冷卻技術(shù)時，可適當(dāng)提高燃燒室中擴散燃燒所占比例，從而穩(wěn)定燃燒工況.

圖3 初始狀態(tài)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.3 Laminar flame speeds at different initial states of mixture gas

2.2 火焰溫度

圖4 展示了化學(xué)當(dāng)量比為1 時預(yù)混火焰溫度及產(chǎn)物中NOx體積分數(shù)隨H2O 體積分數(shù)的變化.隨著H2O 體積分數(shù)的升高，火焰溫度出現(xiàn)明顯降低，且當(dāng)φ（H2O）≥2%時，對火焰溫度的影響作用加大，火焰溫度由H2O體積分數(shù)為0時的2398.89K降至H2O體積分數(shù)為8%時的1848.09K，下降率為22.96%.H2O 對火焰溫度的影響作用分為化學(xué)反應(yīng)作用、稀釋作用、輻射作用和熱力學(xué)作用，其中化學(xué)反應(yīng)作用促進CO 轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，反應(yīng)放熱使火焰溫度升高，但是其余三個作用均會導(dǎo)致火焰溫度下降，且作用效果由大到小為稀釋、輻射、化學(xué)反應(yīng)和熱力學(xué)［13］.火焰溫度的降低導(dǎo)致尾氣排放中NOx體積分數(shù)的降低，由H2O 體積分數(shù)為0 時的0.225%減小到H2O 體積分數(shù)為8%時的0.000 005%.這是因為燃氣輪機采用CH4作為燃料時，氮氧化物生成的類型僅為熱力型，當(dāng)溫度降低時其生成量隨之急劇減小.

圖4 火焰溫度和尾氣排放中NOx 隨H2O體積分數(shù)的變化Fig.4 Changes of flame temperature and NOx mole ratio with H2O volume fraction

2.3 產(chǎn)物分布和敏感性分析

圖5 展示了化學(xué)當(dāng)量比為1 時不同H2O 體積分數(shù)下燃燒產(chǎn)物中O，H，OH 自由基體積分數(shù)沿火焰長度（l）方向的變化.燃燒區(qū)活性自由基對可燃物分子的撞擊是決定燃燒的關(guān)鍵［14］.隨著H2O 體積分數(shù)的升高，O，H，OH 自由基的體積分數(shù)均出現(xiàn)明顯下降.當(dāng)H2O 體積分數(shù)為8%時，O，H，OH 自由基體積分數(shù)最大值相比于H2O 體積分數(shù)為0 時的最大值下降率分別為51.39%，39.45%和26.08%.高體積分數(shù)的H2O 會嚴重抑制O，H，OH 自由基的生成，降低燃燒速率；但是隨著H2O 體積分數(shù)的升高，OH 自由基在三種自由基中所占的比例升高.當(dāng)l＝5 cm 時，H2O 體積分數(shù)為8%時的OH 自由基相比于H2O 體積分數(shù)為0 時所占比例由54.21%上升至57.50%，這會強化OH 自由基參與的基元反應(yīng)，影響可燃物燃燒的路徑和歷程.

圖5 H，O，OH 自由基體積分數(shù)沿火焰長度方向的變化Fig.5 Changes of-H，-O and-OH along the length of flame

為了確定自由基體積分數(shù)變化對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懙某潭?，在H2O 體積分數(shù)分別為0，3%和8%時進行傳播速度的敏感性測算（見圖6），揭示H2O 對燃燒反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物、自由基及基元反應(yīng)等參數(shù)的作用規(guī)律，分析式如下：

圖6 敏感性系數(shù)計算結(jié)果Fig.6 The results of sensitivity coefficient

式中：cj為第j種組分的摩爾濃度，mol／L；為一階敏感性系數(shù)；l為長度，m；t為時間，s.

H2O 存在時對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懘蟮幕磻?yīng)依次包括H＋O2?O＋OH（R38），H＋CH3＋M?CH4＋M（R52），HO2＋CH3?OH ＋CH3O（R119），OH＋HO2?O2＋H2O（R287）和OH＋CO?H＋CO2（R99），其中R38 基元反應(yīng)對火焰?zhèn)鞑ニ俣茸饔眯Ч蠲黠@，可促進自由基生成和鏈式反應(yīng)的發(fā)生，但高H2O 體積分數(shù)下促進效果減弱，且隨著H2O 體積分數(shù)的升高，OH 自由基體積分數(shù)急劇降低，導(dǎo)致其參與基元反應(yīng)的燃燒速率降低；在所有基元反應(yīng)中R52 對抑制燃燒反應(yīng)的效果最佳，且H2O 體積分數(shù)越高，其作用效果越明顯.

3 結(jié)論

（1）采用燃氣輪機進氣霧化冷卻后燃燒室中預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣葧档停?dāng)化學(xué)當(dāng)量比為1.0時，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔蒆2O 體積分數(shù)為0 時的31.09 cm／s 減小到H2O 體積分數(shù)為8%時的22.04 cm／s，減少率為29.11%；采用進氣霧化冷卻技術(shù)時，可適當(dāng)提高燃燒室中擴散燃燒所占比例，從而穩(wěn)定燃燒工況.

（2）當(dāng)φ（H2O）≥2%時，其對火焰溫度有明顯降低效果，火焰溫度由H2O 體積分數(shù)為0時的2398.89K降至H2O體積分數(shù)為8%時的1848.09K.

（3）高體積分數(shù)的H2O 嚴重制約O，H，OH自由基的生成，R38 基元反應(yīng)在高H2O 體積分數(shù)下對增進自由基生成和鏈式反應(yīng)發(fā)生的作用減弱，降低了層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?