文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

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
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
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很大的变化,其体积低热值为 10046kJ/Nm ,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-dissipation model,EDM),它是在 Magnussen 和 Hjertager
[1]
提出的涡团破碎模型的基础上