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《哈尔滨工程大学》 2010年
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燃气轮机双燃料燃烧室流场及污染排放数值研究

穆勇  
【摘要】:化学回热循环是一种先进的燃气轮机循环技术,它具有循环效率高、燃料适应性好、可以降低燃烧区温度和减少污染排放等特点,是当前研究的热点之一。该技术通过回收利用排气余热,给水和燃油加热,并使高温蒸汽和燃油进行裂解反应,形成富含H_2、CO、CH_4等气体的低热值裂解气,然后注入燃烧室进行燃烧,实现循环工作。这项技术的关键之一是要求燃烧室具备单独燃用燃油或裂解气燃料及其混合燃烧的性能。因此,深入开展燃气轮机双燃料燃烧室技术研究,对推广化学回热循环技术、指导燃烧室的设计与应用具有重要的工程意义和学术价值。 论文详细介绍了燃烧室设计、实验分析和数值模拟方法的国内外研究现状,系统分析了裂解气燃料特征,全面梳理了燃烧室内部化学反应模型、流场数理模型和数值模拟方法。论文采用适用于旋流燃烧流场的RNG k-ε湍流模型、平均混合分数/PDF燃烧模型和有限化学反应速率的EDC模型、液态燃料的喷雾模型及SIMPLEC算法,分别对原型燃油燃烧室不同工况点的燃烧流场、新改造的双燃料燃烧室不同燃料流量设计准则下的燃烧流场、实验设计工况点下的双燃料混烧燃烧流场以及NO_X排放进行了数值预测,得到了不同状态下的燃烧室性能参数。 论文通过对比不同的计算结果,分析了原型燃油燃烧室和双燃料燃烧室的特性参数与不同负荷、不同燃料性质的变化关系;考察了火焰筒各处的空气分配比例,以及主燃孔和掺混孔通流面积改变对双燃料燃烧室特性参数变化的影响;分析了实验参数下,双燃料混合燃烧时燃烧室性能参数与燃料组分比例变化之间的关系。 经研究得出如下结论:1、设计了具有部分预混特点的气液双燃料多点分布式概念喷嘴,该喷嘴能够满足裂解气和燃油双燃料燃烧室的要求; 2、化学回热燃气轮机双燃料燃烧室在保持燃烧室出口温度不变和加入燃烧室燃料焓不变两种状态下的节能指标均在26.7%以上;3、燃烧室的燃烧效率随负荷增加而增加;4、采用注蒸汽或低热值裂解气燃料燃烧的方式具有降低火焰温度,到达低NO_X排放的要求,提高出口温度均匀性等优点。因燃烧温度低,裂解气燃烧效率会比燃油略有下降,而在裂解气燃料中掺混燃烧部分燃油燃料有助于提高燃烧效率;5、裂解气燃烧时,减小主燃孔和掺混孔的通流面积都将增大阻力损失,但减小掺混孔的通流面积将有利于降低NO_X排放,而减小主燃孔的通流面积将降低燃烧室出口温度的均匀性;6、通过多个结果分析,原型火焰筒结构的高温区都存在不同程度的偏心现象,而减小部分主燃孔和掺混孔后该现象得到好转,因此推荐采用减小6孔的火焰筒结构方案为化学回热燃气轮机双燃料燃烧室结构方案。 论文的创新之处:1、首次开展了燃气轮机双燃料燃烧室的气液双燃料混合燃烧特性的数值研究,实现了EDC燃烧模型对混合燃烧流场的特性分析,得到了裂解气组分比例变化对燃烧室性能的影响规律;2、在不同流量设计准则下分析了裂解气的流量变化规律,为化学回热燃气轮机的裂解气燃料供给系统提供了数据参考;3、通过对改造设计的低热值双燃料燃烧室流场进行优化,得到了较为合适的燃烧室结构。论文中进行的一系列研究工作为进一步开展低热值双燃料燃烧室的结构设计、实验、流场优化和燃烧机理研究提供了参考。
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