趙巧男，王國峰，張皓男，徐有寧

（沈陽工程學院遼寧省潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術(shù)重點實驗室，沈陽110136）

符號表

符號 符號含義 單位

ma進入燃燒室的總空氣質(zhì)量流量 kg/s

QNOxNOx的排放 g/kg

Pm燃燒室進口壓力 Pa

q燃料與空氣質(zhì)量之比

TDZ主燃區(qū)溫度 K

T4燃燒室出口溫度 K

Vc燃燒室燃燒區(qū)體積 m3

Tst化學當量比為1時的火焰溫度 K

0 引言

近年來，國內(nèi)對燃燒室污染排放標準要求越來越嚴格，相關的法律法規(guī)越來越完善。NOx排放值作為考察燃氣輪機燃燒室的重要標準之一，在燃燒室設計階段需要對其進行充分考慮，發(fā)展通用性強的NOx預估模型是適應中國自主研發(fā)燃氣輪機燃燒室的重要方向[1-3]。

國內(nèi)外學者通過試驗整理得到了許多NOx排放預估模型。Lefebvre等[4-6]針對液體燃料提出適合F100、F101、J79-17A、J79-17C、TF33、TF39、TF41 等燃燒室污染物排放預估模型，利用其模型得到的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較為吻合，已被廣泛應用；Rizk等[7]提出針對重型燃氣輪機燃燒室的預估模型，其計算結(jié)果與5臺1.5～34 MW燃用天然氣的工業(yè)燃氣輪機的NOx排放測量值相差無幾，具有良好的準確性及應用性；Lewis等[8]提出適用于均質(zhì)燃料燃燒室的預估模型，在實現(xiàn)燃料分級、負荷調(diào)節(jié)、穩(wěn)定燃燒以及對污染物控制方面均有較好效果；林清華等[9-10]針對不同稀釋劑提出合成氣燃燒室的NOx排放預估模型，公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本無差別。

現(xiàn)有的NOx排放預估模型多是通過全溫全壓燃燒室試驗臺試驗獲得，該試驗臺的建立對場地選取有嚴格要求，并且試驗周期較長，試驗成本十分高昂。近年來，隨著計算流體力學、計算燃燒學、傳熱學的發(fā)展以及計算機計算能力大幅提高，燃燒室數(shù)值模擬技術(shù)得到高速發(fā)展，逐漸成為燃燒室性能研究的有力工具，數(shù)值模擬結(jié)果的實用性及科學性也得到廣泛認同[11-12]。通過對燃燒室進行CFD數(shù)值模擬計算，可以實現(xiàn)燃燒室內(nèi)流場及溫度場分布的細節(jié)預測，從而為燃燒室優(yōu)化設計提供有效手段。特別是在輕型燃氣輪機燃燒室數(shù)值模擬研究中，國內(nèi)很多學者取得了較好的科研成果。金戈等[13]采用3種湍流模型利用數(shù)值模擬對QD128燃氣輪機燃燒室出口溫度場品質(zhì)進行優(yōu)化，并對改進的燃燒室進行CFD計算，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者符合程度較高；徐麗等[14]應用CFD方法對QD128燃氣輪機燃燒室性能進行數(shù)值分析，將其結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者十分符合。

本文利用數(shù)值模擬代替試驗對輕型燃氣輪機燃燒室進行分析，將多參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬結(jié)果與傳統(tǒng)的估算模型進行對比，并通過對進口壓力、空氣質(zhì)量流量、主燃區(qū)溫度3個主要參數(shù)與NOx排放值變化關系進行研究，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果擬合出適用于3個參數(shù)的擬合公式。

1 數(shù)值分析及結(jié)果驗證

選取QD128燃氣輪機燃燒室15個噴嘴中的1個噴嘴為計算域，建立全尺度周期性數(shù)值分析模型，如圖1所示。該模型包括擴壓器、內(nèi)外二股腔道和火焰筒。針對數(shù)值計算主要的分析參數(shù)有燃燒室進口壓力、進口流量及主燃區(qū)溫度。在進行網(wǎng)格劃分時，僅對結(jié)構(gòu)復雜的頭部旋流器采用4面體網(wǎng)格，其他部位均采用6面體網(wǎng)格，保證網(wǎng)格緊密的情況下驗證網(wǎng)格無關性，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為510萬，如圖2所示。

圖1 燃燒室物理模型

圖2 燃燒室網(wǎng)格模型

利用CFD計算流體力學軟件對燃燒室進行3維數(shù)值模擬計算分析，得到的燃燒室縱截面總溫分布如圖3所示。

圖3 燃燒室縱截面總溫分布

圖4 燃燒室頭部橫截面速度分布

從圖中可見，主燃孔射流較深，基本達到火焰筒高度的50%，有效切斷了頭部回流區(qū)邊界，隨著二次氣流及摻混氣流的增加，燃燒室內(nèi)溫度逐漸降低，出口區(qū)域溫度基本保持穩(wěn)定。溫度模擬結(jié)果與金戈、徐麗等針對QD128燃氣輪機的研究結(jié)果一致。

燃燒室頭部橫截面的速度分布如圖4所示。從圖中可見，中心區(qū)域是旋流引起的低速區(qū)域，緊接著是旋流區(qū)，外環(huán)是氣膜孔的引氣，最外環(huán)則是二次通道。數(shù)值結(jié)果很好地描述了該燃燒室頭部的流通狀況。

數(shù)值模擬計算結(jié)果與金戈、徐麗等的研究結(jié)果符合度較高，可為NOx排放預估模型的進一步研究提供參考。

2 模擬結(jié)果分析與公式擬合

2.1 NOx預估經(jīng)驗/半經(jīng)驗公式

經(jīng)過眾多學者多年來對燃燒室NOx排放經(jīng)驗/半經(jīng)驗公式的深入研究，可以對NOx排放預估模型根據(jù)不同標準進行具體分類。通過文獻采集與數(shù)值仿真計算結(jié)果進行比對分析，發(fā)現(xiàn)以下4個經(jīng)驗公式對本文研究具有較高參考價值，見表1。

表1 主要研究的經(jīng)驗/半經(jīng)驗公式

本文根據(jù)上述4個經(jīng)驗公式計算出的NOx排放值，對進口壓力、空氣質(zhì)量流量、主燃區(qū)溫度3個主要參數(shù)與預估公式計算排放值的變化趨勢進行分析，為進一步擬合預估公式提供參考。

圖5 進口壓力對NOx排放的影響

2.2 基于進口壓力的NOx預估

通過數(shù)值模擬研究及經(jīng)驗公式推導，如圖5所示，當選取進口壓力Pin=1.05～1.63 MPa時，數(shù)值模擬NOx排放值為0.844～1.198 g/kg。在壓力較低時，NOx排放值變化趨勢較為緩慢，變化不大；當壓力升高到1.20 MPa時，NOx排放值變化趨勢開始增大；壓力升高到1.40 MPa之后，變化率保持不變。在相同進口壓力下，通過Lefebvre預估公式計算得到的NOx排放值為0.675～1.103 g/kg。該模型涉及到進口壓力、主燃區(qū)溫度、火焰溫度、空氣質(zhì)量流量及燃燒室燃燒區(qū)體積等參數(shù)，其中進口壓力的冪次最大為1.25，Lefebvre[16]預估公式對進口壓力變化較其他參數(shù)更為敏感，在相同壓力范圍內(nèi)變化幅度最大。根據(jù)Lewis的經(jīng)驗公式計算得到的NOx排放值為0.708～0.917 g/kg，變化趨勢與上述2個模型的相同，但變化趨勢較小，對于進口壓力的冪次為0.5，在3個公式中，對進口壓力參數(shù)的敏感程度最低。

通過對比分析數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式的數(shù)據(jù)曲線變化趨勢發(fā)現(xiàn)，運用數(shù)值模擬得到的結(jié)果與運用經(jīng)驗公式計算出的結(jié)果總體趨勢相同，說明運用數(shù)值模擬替代試驗其結(jié)果具有較高的參考價值，具有一定的科學性，值得深入研究。

運用數(shù)值模擬結(jié)果得到初步擬合的公式

以上2次擬合公式的擬合度大于0.8，擬合優(yōu)度較高，擬合效果較好。式（1）適用于輕型燃氣輪機燃燒室基于進口壓力的NOx排放預估，擬合前選取的空氣質(zhì)量流量、主燃區(qū)溫度均符合設定值，式（1）中進口壓力的范圍仍需進一步驗證。

圖6 空氣質(zhì)量流量對NOx排放的影響

2.3 基于空氣質(zhì)量流量ma的NOx預估

通過數(shù)值模擬研究及經(jīng)驗公式推導，如圖6所示，當選取ma=2.9～3.9 kg/s時，隨著ma的增加，數(shù)值模擬NOx排放值為0.67～0.93 g/kg，呈減小趨勢。在數(shù)值模擬過程中，當ma增加，燃料流量不變時，燃空比持續(xù)減小，導致燃燒室的主燃區(qū)溫度降低，NOx的生成量減少。數(shù)值模擬結(jié)果與Lefebvre經(jīng)驗公式計算出的NOx排放值具有相同趨勢，當ma范圍相同時，通過Lefebvre的經(jīng)驗公式計算得到的NOx排放值為0.55～0.73 g/kg，數(shù)值結(jié)果要略高于計算結(jié)果。說明數(shù)值模擬結(jié)果與通過Lefebvre經(jīng)驗公式計算得到的結(jié)果具有相同的計算前提條件，利用數(shù)值模擬對輕型燃氣輪機燃燒室進行估算分析具有可靠的理論依據(jù)。而Rokke等的經(jīng)驗公式與所選模型的趨勢走向不同，這是由于在利用該公式進行估算時，提前固定了1個最佳燃空比（1∶14.7），在此燃空比下，隨著ma增加，燃料流量會相應增加，主燃區(qū)溫度得到相應提高，導致熱力型NOx排放值增加。由于Rokke經(jīng)驗公式計算與利用數(shù)值模擬的前提條件不符，所以本次研究不考慮該經(jīng)驗公式的計算結(jié)果，主要對Lefebvre的經(jīng)驗公式與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比分析。

運用數(shù)值模擬結(jié)果得到初步擬合的公式

以上2次擬合公式的擬合度大于0.8，擬合優(yōu)度較好，具有應用價值。式（2）適用于輕型燃氣輪機燃燒室基于空氣質(zhì)量流量的NOx排放預估，對于式（2）中空氣質(zhì)量流量的范圍仍需進一步深入研究。

圖7 主燃區(qū)溫度對NOx排放的影響

2.4 基于主燃區(qū)溫度的NOx預估

通過數(shù)值模擬研究及經(jīng)驗公式推導，如圖7所示，當選取主燃區(qū)溫度Tpz=1995～2085 K時，數(shù)值模擬的NOx排放值為0.30～0.66 g/kg，NOx 排放值與根據(jù)估算式計算得到的NOx排放值相比較??；林清華等擬合的公式主要針對合成氣燃燒室，該公式與出口溫度及稀釋劑的百分比相關，在相同的主燃區(qū)溫度下，其計算結(jié)果為1.04～2.04 g/kg，NOx排放值變化范圍較大，說明該預估模型對該參數(shù)具有一定的敏感度；在相同溫度變化范圍內(nèi)，根據(jù)Lefebvre等的預估公式計算的QNOx=1.46～3.44 g/kg，其NOx排放值的變化程度較上述2種模型的更大，可見該公式對于主燃區(qū)溫度具有較高的敏感度，隨著主燃區(qū)溫度的升高，NOx排放的變化趨勢也呈增大趨勢。通過數(shù)值模擬的方法預估出的NOx排放值比通過經(jīng)驗公式計算的小，其變化趨勢與已有模型的變化趨勢一致，即隨著主燃區(qū)溫度的升高，NOx排放值呈上升趨勢。說明數(shù)值模擬方法在一定程度上可以替代預估公式，計算得到的NOx排放值，針對輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放具有較強的預估作用，為其設計提供可靠參考。

運用數(shù)值模擬結(jié)果得到初步擬合公式

以上2次擬合公式的擬合度大于0.8，可以實現(xiàn)較好的擬合效果。式（3）適用于輕型燃氣輪機燃燒室基于主燃區(qū)溫度的NOx排放預估，擬合在其他影響參數(shù)為固定值狀態(tài)下進行，對于式（3）中主燃區(qū)溫度的具體范圍仍需進一步研究。

2.5 NOx排放擬合公式

上述得出的擬合公式適用于單一參數(shù)變化的NOx排放估算，為進一步豐富公式的適用范圍，對適用于進口壓力、空氣質(zhì)量流量、主燃區(qū)溫度3個主要參數(shù)進行擬合，考慮這些因素擬合公式初步假定的形式為

式中：a、b為系數(shù)；C為常數(shù)項。

系數(shù)及常數(shù)項的確定根據(jù)數(shù)值模擬得到，根據(jù)NOx排放值與3個參數(shù)的變化關系擬合出的公式如下

擬合公式的應用條件之一為輕型燃燒室，式中3個參數(shù)的范圍仍需驗證后加以使用。

3 結(jié)論

數(shù)值仿真試驗的研究方法具有可操作性強、快速易得、耗資少等優(yōu)點，可以彌補試驗的不足，具有較高的應用價值。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有很高的吻合度，具有一定的科學性及實用性，具有一定的利用價值，值得進一步研究。

（1）對于輕型燃氣輪機燃燒室，隨著主燃區(qū)溫度及進口壓力的升高，NOx排放量隨之增加，其中增加的主要是熱力型NOx。

（2）隨著空氣質(zhì)量流量的增大，燃料燃燒更加充分，NOx排放值呈減少趨勢。

（3）提出適合于輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放的快速估算公式，利用該公式對輕型燃氣輪機燃燒室NOx排放進行計算得到的估算值與根據(jù)經(jīng)驗公式得到的計算值吻合度較高，但有效性及參數(shù)的范圍有待進一步驗證。