2005Fluent中国用户大会论文集174合成气燃气轮机燃烧室改造设计与试验研究徐纲崔玉峰俞镔雷宇聂超群黄伟光中国科学院工程热物理研究所北京100080摘要:煤炭联产系统要求燃气轮机燃烧室能够高效洁净地燃烧煤气化得到的合成气。本文采用数值方法对国内常用的某型号燃气轮机燃烧室进行了改造随后在全尺寸中压试验台上对改造方案进行了试验研究。试验结果表明通过CFD数值模拟方法确定的喷嘴改造方案能够满足对燃烧室的性能、壁温、出口温度分布以及污染物排放的设计要求。改造过程说明对原先燃烧天然气的燃烧室改烧中热值合成气基本上可以不改变火焰筒的结构燃料喷射孔的面积可以按照与原型喷嘴的燃料喷射速度相同的原则确定但需要增加旋流器的旋流数。总的来说将数值模拟方法应用于燃烧室设计方案的筛选是一种可行的方法能够缩短研究的周期降低试验的风险同时也是一种研究国外先进燃气轮机燃烧室的设计思想的有效方法。关键词:数值模拟合成气燃气轮机燃烧室改造模化试验1.引言我国是以煤炭为主要能源的国家但是煤炭的直接燃烧带来严重的环境污染问题煤炭联产系统和IGCC系统都是目前实现煤炭的洁净燃烧的重要解决方案。在煤炭联产和IGCC系统中都要求燃气轮机能够高效洁净地燃烧中低热值合成气。与常规燃气轮机的设计气体燃料天然气相比合成气的热值和成分有很大的变化其体积低热值为10046kJ/Nm3约为天然气的1/3主要可燃成分是CO和H2。当燃气轮机燃烧这种中低热值燃料时为了使燃气轮机燃烧室的出口温度达到原先的值就要多燃烧几倍的燃料如果仍然采用原先的燃料喷嘴势必造成燃料喷射速度增大对于燃烧室的稳定性和燃烧效率带来不利影响。此外由于合成气的热值较低并且合成气中的CO含量较高而CO的化学反应速度较慢造成燃烧稳定性比较差。且在低负荷工况下容易发生CO燃烧不完全的现象致使燃烧效率明显下降有时很难达到90排气中CO的含量则将超过环保标准的要求。为了解决这些问题使得燃气轮机能够高效清洁稳定地燃烧合成气必须对原来燃烧室进行改造或者重新设计。为此本文首先提出了一个初步的改造方案并采用数值模拟方法对其进行了不断地改进和优化最终选定了两个改造方案并在一个中压全尺寸试验台上对它们的性能进行了验证。2.数值模拟方法简介本文采用比较成熟的商业CFD软件Fluent及其前处理软件Gambit对几个用于燃烧合成气的改造方案进行了研究。为了简化边界条件的指定并提高计算精度采用了燃烧室各个部件完全耦合的几何建模方法计算域同时包括了燃料喷嘴包括旋流器、火焰筒以及火焰筒与导流衬套之间的环形通道。由于冷却孔的数目太多将其简化成了等面积的缝隙忽略联焰管的影响这样燃烧室结构沿圆周方向具有周期性只计算燃烧室的四分之一即90°扇形区域。尽管已经采用了很多措施来减少网格的数量但是仍然高达600万。燃烧室的数值模拟采用了涡团耗散模型eddy-dissipationmodelEDM它是在Magnussen和Hjertager提出的涡团破碎模型1的基础上进行改进后得到的。在该模型中组分i在化学反应r中的净反应速率Rir取为下面两个表达式的最小值2005Fluent中国用户大会论文集17512其中riv和riv分别是组分i在化学反应r中的反应物和生成物化学恰当比系数Mwi是组分i的分子量ρ是混合物密度N是系统中化学组分的数目YP是生成物P的质量分数YR是反应物R的质量分数A和B是经验常数分别取为4.0和0.5。在模拟合成气的燃烧时考虑了三个化学反应CO和O2、CH4和O2以及H2和O2。由于EDM忽略了化学反应的中间产物影响会导致预测的高温区的温度偏高因此Rose和Cooper2对计算组分比热的多项式温度的函数常数进行了修正这样可以得到比较合理的温度值。本文采用了这些修正后的常数来计算组分的比热。此外计算中还采用了Shih等人3提出的可实现k-εrealizablek-ε湍流模型该模型修正了标准k-ε模型存在的一些不足比如在强湍流条件下标准k-ε模型会得到负的雷诺应力。压力速度耦合采用了SIMPLE算法其它变量的离散采用了二阶精度迎风插值格式。计算时给定燃料和空气的流量、温度以及组分在燃烧室出口给定静压。此外假设燃烧室外套是绝热的而在火焰筒壁面采用了耦合传热边界条件。3.燃烧室设计本文所研究的原型燃气轮机机组采用的是回流式分管型燃烧室各分管燃烧室通过联焰管连接在一起沿圆周布置在机组的中轴周围单个燃烧室的结构如图1所示。每一个分管燃烧室内有一个圆筒形火焰筒火焰筒和外面的导流衬套形成环形通道压缩空气从压缩机流出之后经过扩压器的减速增压首先从燃烧室后部进入环形通道然后依次通过火焰筒壁面的各种进气孔包括冷却孔、掺混孔、补燃孔和主燃孔等进入火焰筒剩余的空气最后由火焰筒头部的配气盖板锥罩装置以及燃料喷嘴上的旋流器进入燃烧室头部。在火焰筒后接有燃气导管或称为过渡