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天然氣貧預混燃燒室值班噴嘴排放特性模擬研究取得進展
发稿时间:2020-08-27         作者:张亚肖          来源:能源動力研究中心     【字号:

  目前,商用重型燃氣輪機燃燒室普遍采用貧預混燃燒技術以實現低NOX排放。由于貧預混燃燒穩定範圍相對較窄,通常設置值班噴嘴以實現點火及低負荷工況下穩定運行,也用于高負荷工況下調節熱聲不穩定。針對點火、低負荷工況下燃機頻繁出現的黃煙問題,並考慮到設計工況下進一步降低NOX排放的需求,降低值班噴嘴NOX生成成爲燃機燃燒室設計發展的重要方向,尤其針對已建燃機機組的改造需求,優化值班噴嘴及相應的控制策略是可行方案。其中結合電廠普遍存在的蒸汽源,在保證燃燒穩定的前提下,采用蒸汽稀釋值班噴嘴燃料側方式來降低值班火焰在不同工況下的排放被認爲是改造量相對最小的可行方式。本研究在前期模擬和實驗研究單噴嘴蒸汽稀釋比例、稀釋均勻性的基礎上,模擬分析了蒸汽稀釋值班燃料對燃燒室NOX排放的影響。針對純值班噴嘴燃燒工況,從溫度場和OH基濃度分布等角度分析蒸汽稀釋值班燃料對CONOX生成的影響。研究值班噴嘴燃料稀釋燃燒對多噴嘴燃燒室排放特性的影響,並嘗試分析其內在影響機制。 

  研究所能源動力研究中心研究人员以某天然气贫预混燃烧室为研究对象,采用FGM燃燒模型耦合詳細化學反應機理,研究了不同值班負荷比例下的燃燒室內流場、組分場、溫度場和出口汙染物排放特性。結果表明,隨值班負荷比例增大,高NO生成速率區域由值班回流區位置向燃燒室出口方向移動,燃燒室出口NOX排放急劇增加;值班負荷比例較低時,值班火焰高CO濃度分布區域主要位于值班回流區,當值班負荷比例增加後,高CO濃度分布由值班回流區向燃燒室出口方向擴張。 

  考慮到蒸汽的化學作用不可忽略,分別采用FGM燃燒模型耦合詳細化學反應機理和FR-ED燃燒模型耦合簡化反應機理模擬研究值班燃料添加蒸汽對值班噴嘴汙染物排放的影響。相對于FGM耦合詳細反應機理的數值M方法,采用FR-ED耦合簡化反應機理無法反映蒸汽稀釋促進OH基生成對CO轉化爲CO2的影響,一定程度上高估了CO排放,但是也可定性反映蒸汽稀釋對于值班火焰峰值溫度和燃燒室出口NOX排放的影響。因此對實際燃燒室運行工況下,采用FR-ED耦合簡化反應機理模擬蒸汽稀釋對汙染物排放的影響依舊具有一定參考價值。采用FR-ED燃燒模型耦合簡化化學反應機理研究了設計工況下蒸汽稀釋值班燃料對燃燒室出口CONOX排放的影響,結果顯示,值班火焰峰值溫度降低約10 %,出口NOX降低達88.5 %,燃燒室出口CO變化不大。采用數值M手段評估值班負荷比例對排放的影響,並研究蒸汽稀釋值班火焰對燃燒室汙染物排放的影響,爲後續實際機組應用提供基礎數據支撐。 

 

  图1 不同值班负荷比例温度和OH浓度分布

 

  图2 采用FGM与FR-ED燃烧模型温度对比

 

  图3 采用FGM与FRED模型NO和CO对比

 
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