空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响

第48卷第4期2019年4月
热力发电
THERMAL POWER GENERATION
Vol.48 No.4
Apr. 2019
空气含湿量对撚气轮机撚烧性能影响
肖俊峰，王玮，胡孟起，李晓丰，王峰，夏林
(西安热工研究院有限公司，陕西西安710054)
[摘要]参考某型燃气轮机燃烧室，建立了全尺寸燃烧室数值模型，并结合电厂实际运行数据，研 究了空气含湿量对燃气轮机扩散燃烧和预混燃烧性能的影响。

结果表明，湿空气会增加燃
烧室火焰高度，降低燃烧室出口平面平均温度，且含湿量越大，火焰高度越高，燃烧室出
口平面温度越低，燃烧室N O d#放越低。

燃烧室出口平面温度分布系数先随含湿量的变化
规律与燃烧方式相关：在扩散燃烧模式下，其随空气含湿量增加而减小；在预混燃烧模式
下，先随含湿量增加而增加；相比干空气，采用湿空气燃烧，燃烧室内压力脉动主频振幅
增加，燃烧室燃烧稳定性变差。

[关键词]燃气轮机；含湿量；燃烧不稳定性；燃烧室；扩散燃烧；预混燃烧；N O X排放
[中图分类号]T K472;T K16[文献标识码]A[D O I编号]10.19666/j.r l f d.201808161
[引用本文格式]肖俊峰，王玮，胡盂起，等.空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响[J|.热力发电，2019, 48(4): 84-89. XIAO Junfeng, WANG Wei, HU Mengqi, et al. Effect of humidity ratio on combustion performance of gas turbine combustor[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(4): 84-89.
Effect of humidity ratio on combustion performance of gas turbine combustor
X IA O J u n fe n g, W A N G W ei, H U M e n g q i, L I X ia o fe n g, W A N G F e n g, X IA L in
(Xi’a n T h erm a l Pow er R esearch In stitu te C o., L td., Xi’a n 710054, C h in a)
A b s t r a c t:T h e r e a l e n g i n e s c a l e n u m e r i c a l m o d e l o f a c e r t a i n t y p e o f g a s t u r b i n e c o m b u s t o r i s e s t a b l i s h e d.
C o m b i n i n g w i t h t h e a c t u a l o p e r a t i o n d a t a o f p o w e r p l a n t s,t h e i n f l u e n c e s o f h u m i d i t y r a t i o o n t h e g a s t u r b i n e
d i f f u s i o n c o m b u s t i o n a n d p r
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f o r m a n c e s a r e s t u d i e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t,w e t a i r w i l l i n c r e a s e t h e f l a m e h e i
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K e y w o r d s:g a s t u r b i n e,h u m i d i t y r a t i o,c o m b u s t i o n i n s t a b i l i t y,c o m b u s t i o n c h a m b e r,d i f f u s i o n c o m b u s t i o n, p r e m i x e d c o m b u s t i o n,N O X e m i s s i o n
大气中的水蒸气会将燃气轮机工质由干空气转变为湿空气，进而改变燃烧室流场结构、燃气传热传质过程，最终影响燃烧室流场特性参数[1-4]。

张 哲巅[5]对CH4在湿空气中的扩散燃烧性能进行了研究，结果表明空气含湿量变化会影响扩散火焰高度、降低火焰稳定性；房爱兵等[6]开展了中压全尺寸燃气轮机燃烧室空气加湿燃烧实验，发现空气加湿会降低燃烧室NOx排放，増加燃烧室C O排放；顾欣等[7]开展了湿空气对扩散燃烧火焰的试验研究，发现湿空气会降低喷嘴后回流区空气回流速度，减小喷嘴后区域环流动量，影响燃烧室回流区结构，降低燃烧室火焰稳定性；葛冰等[8]对环型多
收稿日期：2018-08-23
基金项目：中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ17-H17);西安热工研究院有限公司研究开发项目(T I-18-T Y K06)
Supported by : Science a n d T echnology P roject of C h in a H u an en g G ro u p C o., L td. (H N K J17-H17); R esearch a n d D evelopm ent F u n d P roject of Xi’a n
第4期肖俊峰等空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响85
孔式喷嘴的旋流扩散燃烧流场进行了实验研究，发现湿空气会影响燃烧室流场结构及火焰形状。

综上，已有的研究主要侧重于探索湿空气对燃烧室流场结构及污染物排放的影响规律，而关于湿空气对燃气轮机燃烧稳定性影响的研究相对较少。

为探索湿空气对燃气轮机燃烧室燃烧特性参数尤其是燃烧稳定性的影响规律，本文以某型燃气轮机单筒燃烧室为模型，分别模拟该型燃气轮机扩散与预混燃烧过程，探讨空气含湿量对燃烧室火焰结构、燃烧稳定性等参数的影响规律。

假设空气由燃料喷嘴的环形通道注入喷嘴，并经过旋流叶片旋流作用后进入燃烧室；C H4则分别由燃料扩散通道和预混通道注入燃烧室。

在扩散燃烧模式下，C H4由扩散通道注入燃烧室，空气与CH4在 火焰筒内边混合边燃烧；在预混燃烧模式下，CH4 由预混通道注入燃烧室，空气与CH4在燃料喷嘴预混段混合，先形成预混气，再进入火焰筒燃烧。

1.2数值方法
本文的质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分质量守恒方程分别为[9-10]：
1数值模型
1.1物理模型和网格划分
图1是某F级燃气轮机燃烧室的几何模型。

该 燃烧室由燃料喷嘴（5个旋流喷嘴)、火焰筒、导流衬套、过渡段等部件组成。

其中，燃烧室导流衬套、过渡段上壁面冷却孔结构等对燃烧室内部流场影响甚微，在数值建模时可忽略。

图2是简化的燃气轮机燃烧室的数值模型示意。

采用IC E M软件对该模型进行结构化网格划分，网格总量约700万。

图1某燃气轮机燃烧室几何模型
Fig.1 Geometric model of a gas turbine combustor
图2简化的燃烧室模型及其网格示意
Fig.2 The simplified combustion model and its mesh
generation
在数值模拟过程中，以CH4代替电厂燃用天然气。

参考该型燃气轮机燃料喷嘴的实际喷注方式，
dt1(岣)=0
—(〇U.) H------(pU.U .)
d t、H1’ d x、H1J’
j
d r d u2
= [“(一L + —J-)-
%&x- &xi3
d p T d
含+1(心
j dx.3x.
i-
5 [J^r^L-p^T m-u T m)\ +cbn
d^j S c dXj
d p h s3p u j hs dp dp d
dt dt j dxt
d,^s〇scp d T
=()
dx.P s g s dx.
⑴
(2)
(3)
(4)
式中：p为混合物密度；〃，•和h/分别为/和y方向的速度；为压力；r m为组分m的瞬时质量分数；c>m 为组分m的源项；/;为黏性系数；^为显焓；&为施密特数，且Sc=0.7; A为导热系数；T为温度；C p 为比定压热谷；^SGS为亚网格尺度黏性系数；P^SGS 为亚网格普朗特数，且PrsGs=0.85；句为亚网格尺度剪切力，且t^p u.u.- p u.u.。

在扩散燃烧和预混燃烧数值计算过程中，所采用数值方法一致，均采用有限速率/涡耗散模型模拟燃烧室组分输运过程，采用大涡模拟（L E S)方法模拟湍流，并假设所有固体壁面为绝热壁面，采用5步C H4/A ir反应机理[11]。

计算过程中，各基元反应的A rrh e n iu s化学反应速率^计算式为
Kf r=A T re-E，T(5)式中，A r表示指前因子，展表示温度指数，E r表示活化能，R表示通用气体常数，具体数值见表1。

86热力发电2019 年表1CHVAir 5步化学反应机理
Tab.1 The 5-step CH4/Air chemical reaction mechanism
基元反应Ar P r Er
C H4+1.5〇2=C O+2H2〇 1.659 6X1015 1.72X1080
C O+0.5〇2=C〇27.979 9X10149.654X1070
C〇2=C O+0.5〇2 2.233 6X1014 5.177 4X1080
N2+〇2+C O=2N O+C O8.830 8 X1023 4.436 6X1080
N2+〇2=2N O9.268 3X1014 5.727 6X108-0.5
1.3边界条件
参考该型燃气轮机的运行数据，分别给定扩散
燃烧和预混燃烧燃烧室入口空气和天然气的流量
以及温度等参数，并在此基础上逐次改变空气中
H2〇的含量，模拟空气含湿量的变化，研究空气含
湿量对燃烧性能的影响。

燃烧室入口的空气与C H4
参数见表2,表中d为空气含湿量，定义为1k g干
空气中的水蒸气含量，单位为g/k g。

表2计算工况边界条件
Tab.2 The boundary conditions for calculation
燃烧方式空气流量/
(kg-s-1)
空气
温度/K
C H4流量/
(kg-s-1)
C H4
温度/K
d/
(g'kg-1) 18.428532.00.293 1290.80
扩散燃烧18.428532.00.293 1290.810
18.428532.00.293 1290.815
30.497658.60.737 3458.00预混燃烧30.497658.60.737 3458.010
30.497658.60.737 3458.015 2数值结果和分析
2.1燃烧室火焰面
燃烧室火焰面是决定燃烧室释热率的关键因素之一[12]，分析其面积变化有助于研究燃烧室流场
和燃烧稳定性变化规律。

Y an g等人[13-14]发现，可通过计算己燃混合物中氧化剂所占的比例尺。

得到火
焰轮廓，A a的计算公式为
m r
m O +Z\m Fc (6)
c
式中：m。

为混合物中氧气的质量分数；mFc为燃料组分c的质量分数，且•^，^。

/饰似丨；《。

为氧气的物质的量；M〇为摩尔质量；为化学恰当比条件下燃料的物质的量；M f为燃料的摩尔质量。

结合5步C H/A ir反应机理[11]，参考CH4贫燃极限[15]，可用R a=0.95三维等值面近似表征燃烧室火焰轮廓，表征结果如图3所示。

图3中（为燃烧时间。

由图3可见：在燃气轮机扩散和预混燃烧过程中，燃烧室各旋流喷嘴之间气流相互作用，使燃烧室火焰面发生褶皱；且由于燃烧室内部湍流和涡旋脉动，部分火焰微团由火焰锋面位置逐渐与火焰主体脱离，导致燃烧室瞬时火焰面面积产生波动，引起燃烧室热释放率波动，影响燃烧室燃烧稳定性。

在空气加湿后，燃烧室火焰表面积发生变化，使燃烧室释热率发生变化，进一步影响燃烧室稳定性，即湿空气会影响燃烧室流场以及燃烧稳定性。

d=\0 g/kg. /=0£^=15 g/kg, t
M M!
.
ci=0, t=0.01 s i/=10 g/kg. /=0.07 s ^15 g/kg. /=0.07 s
a)扩散燃烧
锤擁餹
c M), t=0 d=\0 g/kg, t=0 d=\5 g/k g. t=0
d=0, t=0.07 s d=\0 g/kg, /=0.07 s d=\5 g/kg, /=0.07 s
b)预混燃烧
图3某F级燃气轮机燃烧室火焰轮廓示意 Fig.3 Schematic diagram of the flame surface of the F-class
gas turbine combustor
定义喷嘴出口至火焰顶端的距离为火焰高度I f，并用火焰轮廓的表面积代替火焰表面积5F。

图4 是燃烧室心和^随空气含湿量d的变化曲线。

由 图4可见：空气含湿量増加，燃烧室火焰高度和火焰面积均増加，这主要是因为空气含湿量増加，降 低了燃烧室内氧气含量，导致燃烧室火焰高度和火焰面积均増加[15]；在含湿量増加至15 g/k g时，扩散燃烧火焰高度増加了 4.2%，预混燃烧火焰高度増加了约12.9%，而扩散燃烧火焰面积増加了约5.5%，预混燃烧火焰面积増加了约1.5%，即湿空气会増加燃烧室火焰高度及火焰面积，且其对预混燃烧火焰高度及扩散火焰面积的影响较为显著。

第4期肖俊峰等空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响87
图4燃烧室火焰高度和表面积随含湿量的变化曲线 Fig.4 Change curves of flame height and surface area of the combustor flame with the humidity ratio
2.2燃烧室出口平面温度
图5是燃烧室出口平面的平均温度随含湿量的变化曲线。

由图5可见：采用湿空气燃烧，燃烧室工质的热焓相对増加，在放热量不变的情况下，燃烧室温度降低，燃烧室出口平面平均温度T；u t降低，且含湿量越大，T；u t越低；当含湿量増加至15 g/kg 时，扩散燃烧模式下燃烧室出口平面平均温度降低了约2.1 K，预混燃烧模式下燃烧室出口平面平均温度降低了约10.7 K。

图5燃烧室出口平面平均温度随含湿量的变化曲线
Fig.5 Change curves of the outlet temperature with the
humidity ratio
出口平面温度分布系数0T是表征燃烧室出口平面温度分布均匀度的重要参数，其数值越小表示燃烧室出口的温度分布越均匀。

办计算式为
沒T7Q n t,m a x~
T
T o u t_T m
(7)
式中，T〇u t,max表示燃烧室出口平面最大温度，；^表
示燃烧室进口平面平均温度。

图6是燃烧室出口平面温度分布系数办随空气含湿量的变化规律曲线。

由图6可见：在扩散燃烧模式下，含湿量増加，扣减小；在预混燃烧模式下，0T则随含湿量増加而増加；当空气含湿量増加至15 g/k g时，扩散燃烧的办降低了约11.2%，预混燃烧的办増加了约14.4%。

这主要是因为办主要受T〇u t,mafT〇u t值变化规律的影响。

空气加湿虽然降低了T〇u t,max和T〇u t，但在扩散燃烧模式下，:r〇ut,mafT〇u t 的值随含湿量増加而减小，而预混燃烧模式下其值増大，这进一步影响了办的变化。

因此，在扩散燃烧模式下办随含湿量増加而降低，而在预混燃烧模式下则相反。

图6燃烧室出口平面温度分布系数随含湿量变化曲线 Fig.6 Change curves of the outlet temperature distribution
factor with the humidity ratio
2.3燃烧室NO x排放
图7是燃气轮机燃烧室出口 NO x排放随含湿量的变化曲线，图中^(N O x,〇~(N O x,0)表示空气含湿量为/(/=0,10,15)的条件下燃烧室N O^_放与干空气条件下燃烧室NO X排放的比值。

由图7可见：采用湿空气燃烧可降低燃烧室NOX排放，且含湿量越大燃烧室NO x排放越低，当含湿量増加至15 g/k g时，扩散燃烧模式下燃烧室NOX排放减少了约38.8%，预混燃烧模式下NOX排放减少了约12.2%。

空气加湿燃烧室N O x排放减少的主要原因为：湿空气増加了燃烧室工质比热容，在燃料流量不变的情况下，燃烧室温度会降低；而燃烧室的NO X主要为热力型N O X，其生成区域主要集中在高温区，燃烧室温度降低，高温区体积减小，导致燃烧室NOx生成区域缩小，且空气含湿量越大，燃烧室温度越低，NO X 生成区域越小，燃烧室产生NOX的浓度越低。

88
热力发电2019 年
燃烧室压力脉动主频变化较小，燃烧室压力脉动主
频振幅相对增大，在含湿量为15 g /k g 时，其振幅 增加了约43.3%;在预混燃烧模式下，燃烧室压力 振荡主频在2 049.8 H z 左右，采用湿空气燃烧，燃 烧室压力脉动主频相对减小，压力脉动主频的振幅 相对增加，在含湿量为15 g /k g 时，燃烧室压力脉
动主频降低了 3.1%，其压力脉动主频的振幅增加了
28.5°%。

即相对干空气，湿空气对燃烧室压力脉动
频率影响较小，但会增加燃烧压力脉动主频振幅， 燃烧室燃烧稳定性变差。

图9燃烧室频域信息
Fig.9 Diagram function of the FFT results
3结论
1)湿空气会影响燃烧室火焰高度和火焰面积。

空气含湿量增加，燃烧室火焰高度和火焰面积增 加，燃烧室出口平面温度降低。

与干空气燃烧相比， 含湿量增加至15 g /k g 时，扩散火焰高度和预混火 焰高度分别增加了 4.2%和12.9%，燃烧室出口平面 温度分别降低了 2.1 K 和10.7 K 。

也(g.kg1)
图7燃烧室NOx 排放随含湿量变化曲线
Fig.7 Change curves of NOx emission with the humidity ratio 2.4燃烧室压力波动
图8是不同含湿量条件下，燃烧室的压力尸波 形。

由图8可见：扩散燃烧模式下，燃烧室压力脉 动频率较低；预混燃烧模式下，燃烧室压力波动频 率较高；在扩散和预混2种燃烧模式下，空气含湿 量变化对燃烧室压力波形的影响不明显。

图8燃烧室压力波形
Fig.8 Diagram of the pressure wave in combustor
图9是对图8所示压力波形进行F F T 变换得到 的压力脉动的频域信息，图中d 表示燃烧室压力脉 动频率/的振幅。

由图9可见：在扩散燃烧模式下， 燃烧室压力脉动主频为70.5 H z ,采用湿空气燃烧，
s
〇
z .9:
/r o z s :
第4期肖俊峰等空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响89
2)燃烧室出口温度分布系数随空气含湿量的变化规律与燃烧模式相关。

扩散燃烧模式下，空气
含湿量増加，燃烧室出口温度分布系数降低；预混
燃烧模式下，空气含湿量増加，燃烧室出口温度分
布系数升高。

空气含湿量为15g/k g时，与干空气
燃烧相比，扩散燃烧出口温度分布系数降低了约
11.2%，而预混燃烧则増加了约14.4%。

3)湿空气会降低燃烧室N O x排放，空气含湿量増加，燃烧室N O;c排放降低。

与干空气燃烧相比，
空气含湿量増加至15g/k g时，扩散燃烧和预混燃
烧N O^_放分别降低了38.8%和12.2%。

4)采用湿空气燃烧，燃烧室压力脉动主频的振幅増加，在含湿量为15g/k g时，与干空气燃烧
相比，扩散燃烧压力脉动主频振幅増加了约43.3%，
预混燃烧压力脉动主频振幅増加了约28.5%，其燃
烧稳定性相对变差。

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(责任编辑刘永强）。