R0110合成气燃烧室方案设计和数值模拟

第26卷第3期《燃气轮机技术》VoL 26 No. 32013年9月GAS TURBINE TECHNOLOGYep.,2013R010合成气燃烧室方案设计和数值模拟金戈,齐兵(中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015)摘要:IGCC系统中煤气化后生成中、低热值合成气,其主要可燃成分是CO和H2,与天然气相比,合成气的热值低而火焰温度更高,火焰传播速度更快。为了实现R010燃气轮机燃烧室由天然气改烧中、低热值合成气燃料,设计了新的双燃料多喷嘴燃烧器,将预混燃烧改为扩散燃烧,取消火焰筒头部预混装置,改为带内壁的环形燃烧区。合成气燃烧室方案的CFD数值模拟结果表明,燃烧区头部回流明显,能够满足稳定燃烧要求。注入稀释剂后,燃烧室流场、温度场基本一致,燃烧区最高温度显著降低,有利于降低№O,排放。关键词:燃烧室;合成气;数值模拟;方案设计中图分类号:TK474.9文献标识码:A文章编号:1009-2889(2013)03-0028-05由于lGCC系统中煤气化后生成的合成气热值基础上,根据合成气的燃烧特性和燃烧室污染物排低,燃气轮机改烧中、低热值合成气后,燃料的体积放等具体设计要求,完成了燃用中热值合成气的燃流量将是天然气流量的3~5倍,同时合成气中含有烧室方案设计,设计了新的双燃料多喷嘴燃烧器,由大量的H2,H2的高活性和高火焰传播速度会使燃预混燃烧改为扩散燃烧,取消了火焰筒头部预混装烧室回火和热声振荡问题更加严重,因此燃用天然置,改为带内壁的环形燃烧区结构。燃烧室方案设气或液体燃料的燃气轮机用于IGCC电站时,燃气计过程中,应用 FLUENT软件对燃烧室设计方案的轮机燃烧室必须进行改造或重新设计。流场、温度场进行了三维数值模拟优化分析。GE公司在燃气轮机燃烧室应用合成气方面开1R0110原型天然气燃烧室简介[4-5]展了大量的研究工作-21。GE的经验是合成气含氢较高,传统的DLN燃烧室无法直接应用合成气燃R0110原型天然气燃烧室的结构见图1。燃烧料,需通过注人稀释剂的方式降低NO排放。N2、室为逆流环管式结构,位于压气机气缸的外侧,沿周H2O和CO2三种稀释剂都可以有效地降低燃料热向共装有20个火焰筒,火焰筒之间通过联焰管相值和燃烧区域的温度。CE更倾向于直接将稀释剂连。燃烧室可使用天然气和柴油两种燃料进行工(N2/水蒸汽)注入到燃烧室中,而不是与合成气燃作,其中天然气为主燃料,柴油为备用燃料。燃烧室料进行预先混合。 ALSTOM公司对GT13E2燃气轮采用贫油预混的干式低排放燃烧技术设计,火焰筒机进行了改烧中热值合成气燃料的修改设计工内燃烧区分为环形区、预混区和扩散区三部分。环作3。对标准EV型燃烧器进行了修改设计,采用形燃烧区位于火焰筒的外侧,其前壁板上装有8个部分预混的燃烧方式,燃料由锥体槽缝处喷射改为微型涡流器,微型涡流器的叶片后存在一个空腔,用由燃烧器端面处喷射,同时使用N2进行稀释。燃烧于燃料与空气的掺混。火焰筒头部的中心涡流器作试验表明,合成气热值稀释到7000kJ/kg时,NO,排为预混装置,燃料与空气在中心涡流器前完成掺混,放指标为2.0×10-3~2.5×10-35,CO排放低于5供入均匀预混燃烧区。在火焰筒的中心区保留一小10-6股扩散火焰,少量燃料直接供到中心涡流器后,以扩本文在rol⑩0重型燃气轮机天然气燃烧室的散方式燃烧,扩大燃烧室贫油预混燃烧稳定工作范中国煤化工收稿日期:2013-01-25改稿日期:2013-02-16CNMHG作者简介:金戈,(1974-),男,工程师,从事燃气轮机燃烧室工程设计和研究工作,E-mail:inge_7478@163.com。R0110合成气燃烧室方案设计和数值模拟29围。三个燃烧区的燃料量随着燃气轮杋工作状态进荷状态时,切断环形燃烧区燃料,燃料全部由预混区行调整,由起动状态至30%负荷状态,只有环形燃供人,待环形燃烧区完全熄火后,再重新供入燃料。烧区工作,全部燃料供入环形区。在30%负荷状由于此时环形区内无点火源,因而无法重新点燃,将态,保持燃料总量不变的情况下,燃料分配比例进行环形区作为燃料和空气的预混段使用,预混后的可调整,预混区和扩散区开始工作。在工作至40%负燃气体供入中心预混区进行燃烧。组合式双微型涡流器环形区中心涡流器火焰筒燃烧室气缸燃料喷嘴羯快,经扩散区主燃气点A·点以压气机气流压气图1RO110原型天然气燃烧室结构2R0110合成气燃烧室方案设计在明显不同。燃烧室设计过程中需根据合成气的燃烧特性采取相应的技术措施。合成气中含有大量的2.1燃烧室设计要求及改进措施分析H2,H2的高活性和高火焰传播速度,使得R0110燃R0I10合成气燃烧室性能设计指标(基本负荷烧室改烧合成气后需由预混燃烧改为扩散燃烧,解状态)如下决合成气预混燃烧的回火问题。燃烧室由预混燃烧1)燃烧效率≥0.99;改为扩散燃烧后,需向燃烧室注入稀释剂来降低火2)总压恢复系数≥0.945焰温度,抑制燃烧室NO,排放。合成气与天然气的3)燃烧室出口温度分布:OTDF≤0.2,RTDF≤绝热火焰温度对比见图2。由于合成气中H2的爆0.1炸极限宽,燃气轮机起动点火过程中,容易发生爆4)污染物排放:NO2≤4×10-3(@16%O2),炸。出于安全性考虑,燃气轮机需用液体燃料(柴CO≤1×103(@16%O2);油)来完成起动,并在较高负荷下切换至合成气,因5)壁温≤860℃。此需要设计燃用合成气和柴油的双燃料喷嘴。合成此外,在结构尺寸方面,要求新设计的合成气燃气的燃烧速度快,在燃烧室头部迅速放热,造成燃烧烧室能够实现与现有F010重型燃气轮机压气机、透区壁面过热,需采取措施强化头部燃烧区冷却效果,平等相邻部件联接,而不需要对其它部件进行改动。降低壁面温度。合成气作为参考燃料,它与天然气的组分和净2800比能(标准状况下,下同)见表1。合成气热值约为常规天然气热值的1/3,属中热值燃料,主要可燃成2400分为H2和CO,其中H2与CO的容积比为0.565。22001表1气体组分体积百分比和净比能组分H2N2COCO2CH4C2净比能/天然气(M·m-3)k合成气1600合成气34.010.8760.184.840.111.291400天然气0.0262.15495.742.0734.1中国煤化工由于合成气的可燃成分与天然气(主要是甲烷)不同,因此其燃烧特性与天然气的燃烧特性存图CNMHG孟度对比燃气轮机技术第26卷2.2R0110合成气燃烧室方案介绍预混燃烧方式,取消了原型燃烧室轴向分级的预R0110合成气燃烧室总体设计方案见图3所混装置,改为带环形内壁的火焰筒结构。由于合示。燃烧室保持逆流环管式燃烧室结构形式不成气燃料量的増加以及液体燃料起动和备份的需变,燃烧室水平对开气缸保持不变。火焰筒外径要,重新设计了双燃料多喷嘴燃烧器。由于燃烧尺寸与原型火焰筒保持一致,火焰筒数量仍为20器安装边结构的改变,燃烧室承力锥体上的燃烧个。火焰筒头部燃烧区修改设计,扩散燃烧代替器安装座需修改设计。组合式燃烧器喷嘴安装座修改带内壁的火焰筒水平气缸不变能/母生孩图3RO110合成气燃烧室总体方案双燃料多喷嘴燃烧器由6个沿圆周均匀分布的稀释剂合成气涡流器空气涡流器头部空气双燃料单元喷嘴组成,见图4所示。燃烧器能够使用合成气和柴油工作,两种燃料之间可以相互切换。合成气双燃料单元喷嘴采用液体燃料喷嘴、气体燃料喷嘴液体燃料喷口和空气涡流器一体化设计,共包括空气、稀释剂、合成气、雾化空气和液体燃料5个通道,见图5所示。稀释剂由位于燃烧器中心线上的管路供到空气涡流器前,经空气涡流器后旋转供入燃烧室。这种稀释雾化空气剂注入方式能够随稀释剂的注入量增加动态调整供入涡流器的空气量,使主燃区处于相对富油状态,有图5双燃料单元喷嘴结构图利于扩大注入稀释剂后的稳定工作范围。同时,不修改后的火焰筒结构见图6。火焰筒过渡段和注入稀释剂时无需供入空气对该通道进行保护性出口定位环的结构尺寸保持不变,头部采用带内壁清吹,简化了燃烧室空气清吹保护系统。整个燃烧的环形燃烧区结构,通过增加内环主燃孔和补燃孔,器包括6个液体燃料喷嘴,通过螺栓与合成气喷嘴解决外环主燃孔和补燃孔射流深度不足的问题,强部分相连,能够方便液体燃料喷嘴的单独调试。化燃烧区内燃料和空气的掺混,同时,内壁圆锥段增液体燃料喷嘴安装边6个双燃料喷嘴浮动套筒(6个)主燃孔补燃孔掺混孔位置前移集油环内壁中国煤化工稀释剂进口CNMHG段不变图4双燃料多喷嘴燃烧器结构图图6火焰筒结构图第3期R0110合成气燃烧室方案设计和数值模拟加1个直径10mm的轴向射流孔,能够有效降低燃燃烧室计算过程中,采用的计算模型包括:烧区中心火焰温度,改善燃烧室出口温度场品质。1)适合强湍流计算的 Realizable k-ε湍流火焰筒前端板上焊接6个浮动式套筒,与6个双燃模型;料喷嘴相对应。火焰筒的安装定位结构保持不变2)概率密度函数(PDF)燃烧模型;每个火焰筒通过两个定位销固定在承力锥体上,后3)基于压力速度耦合的 SIMPLE(Semi端搭接在透平进口环面上,允许火焰筒后端自由licit Method for Pressure Linked Equations膨胀。算法;火焰筒的流量分配比例见表2。火焰筒的总的4)壁面按标准壁面函数处理开孔面积与原型火焰筒基本保持一致,空气流量分5)二阶迎风差分格式( Second Order Upwind)。配比例根据合成气燃料的特性和组织燃烧方式的改边界条件设定变进行了相应调整,适当增加了环形燃烧区的冷却1)燃烧室空气进口和燃料进口为质量进口边空气量,以便将头部燃烧区的壁温控制在许可的范界条件;围内。2)燃烧室出口为自由出流边界条件表2火焰筒流量分配比例3)扇形计算域的两侧为周期性边界条件。头部进气分别计算了燃用合成气和注入氮气以降低污染位置(涡流器+端板)主燃孔补燃孔掺混孔冷却空气物排放两种情况的燃烧室内流场、温度场,计算状态比例/%15.4112.598.3729.8433.79为基本负荷状态。燃用合成气和注入氮气稀释两种R01l0合成气燃烧室采用间接点火方式,通过情况的燃烧室气动参数见表3。注入氮气稀释时,固定在燃烧室水平气缸上的液体燃料等离子点火器氮气与合成气燃料的质量比为1,等效热值为6.6完成点火,与原型天然气燃烧室的点火系统保持MJ/m。致表3合成气燃烧室气动参数(100%负荷状态)3燃烧室方案数值模拟参数合成气注入氮气稀释燃料净比能/(MJ·m-3)6.6R0110合成气燃烧室方案设计过程中,应用流燃烧室进口总压/kPa1486.41486.4体动力学计算软件 FLUENT对燃烧室方案进行了流286.2场、温度场三维数值模拟计算分析。燃烧室进口空气流量/(kg·s-1)燃烧室进口总温/K674.7674.7计算域为一个火焰筒的六分之一扇形区域,即燃烧器一个双燃料单元喷嘴的工作区域,未包燃烧室出口总温/K1483括火焰筒过渡段部分,见图7所示。CFD数值模燃料流量/(kg:s2)53.6拟计算过程中,对计算模型进行了适当简化。主3.1算例1(燃用合成气)要包括:图8为燃烧室热态速度分布云图。从图中可以空气质量进口边界看出,环形燃烧区内、外壁主燃孔和补燃孔射流深度燃料质量进口边界压力出口边界周期性边界图7计算域1)气膜孔简化为气膜环,按等面积折算;中国煤化工2)主燃孔、补燃孔、掺混孔等圆孔简化为正方000c+00YH形孔。CNMHG云图燃气轮机技术第26卷基本一致,掺混孔射流深度基本达到50%,与内壁08e+中心射流孔一起能够有效冲散火焰筒中心高温区。环形燃烧区内存在明显的回流区,有利于保持火焰稳定图9为燃烧室内总温分布云图。燃烧区内最高温度约为2320K,主燃孔射流有效切断了头部燃烧区,掺混孔射流深度虽然略有不足,但内壁中心射流孔的气流能够有效冲散火焰筒中心高温区,对燃烧室出口温度场的调整有利。88e+02图11注入氮气后燃烧室内温度分布云图4总结在Ro110原型天然气燃烧室结构基础上,根据合成气燃料的燃烧特性和燃烧室设计要求,提出了具体的改进措施,并完成了RO110合成气燃烧室的方案设计。合成气燃烧室保持逆流环管式结构形式不变,燃烧室水平对开气缸保持不变。火焰筒数量3e+02仍为20个。火焰筒头部燃烧区修改设计,扩散燃烧图9燃烧室内总温分布云图代替预混燃烧方式,取消了原型燃烧室轴向分级的预3.2算例2(注入氮气稀释混装置,改为带环形内壁的火焰筒结构。新设计的双计算了氮气作为稀释剂时燃烧室内速度、温度燃料多喷嘴燃烧器由6个沿圆周均布的单元喷嘴组分布情况,氮气与合成气燃料的质量比为1。成,能够使用合成气和柴油两种燃料工作,通过注入图10和图11.注入氮气后燃烧室速度分布和稀释剂(氮气和水蒸汽)降低燃烧室NO排放。温度分布云图。注入氮气后,燃烧室内速度分布、回使用流体动力学计算软件 FLUENT对燃烧室方流区大小温度场分布均未发生明显改变,同时最高案进行了三维流场、温度场CFD数值模拟计算分火焰温度(约为2170K)明显下降,对降低燃烧室析,结果表明,燃烧室内流场温度场组织合理,燃烧NO排放量有利。区头部回流明显,能够满足稳定燃烧要求。注入稀释剂后,燃烧室流场、温度场基本一致,燃烧区最高温度显著降低,有利于降低NO,排放。1.51c+0参考文献[1] Jones Robert M, Shilling Norman Z. IGCC Gas Turbines for Refin-ery Applications. GE Power Systems GER 4219[2] Brdar R. Daniel, Jones Robert M. GE IGCC Technology and Expe-rience with Advanced Gas Turbines. GE Power SystemsGER 4207[3] Reiss Frank, Griffin Timothy, Reyser Karl. The ALSTOM GT13E2as turbine[ J].ASME GT-2002X[4]金戈,顾铭企,李孝堂燃气轮机干式低排放燃烧室NO,排放图10注入氮气后燃烧室速度分布云图评估[J].燃气轮机技术,2007,20(4):50-53[5]金戈,齐兵,王克新,等,重型燃燃烧室设计与试验研究"TYH中国煤化工CNMHG(下转第43页)第3期烟气轮机动叶轮盘冷却共轭传热数值分析降低机组运行成本。[3] L. Cambier and J. -P. Veuillot status of the elsA CFD Software(5)冷却蒸汽沿喷嘴动叶间的间隙径向流入主for Flow Simulation and Multidisciplinary Applications [J]. 46th流道,导致动叶叶根附近气流流动恶化,降低机组运ALAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 7-10 January2008,Reno, Nevada.2008-664行效率。[4 Thomas J. Martin and George S. Dulikravich. Analysis and Multi-disciplinary Optimization of Internal Coolant Networks in Turbine参考文献:Blades[ J]. Joumal of Propulsion and Power, 2002,(4):896[1] Ralf Schiele and Sigmar Wittig. Gas Turbine Heat Transfer: Past906d Future Challenges[ J]. 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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页)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中国煤化工 erature field is conCNMHGKey words: combustor; syngason; conceptual design