某重型燃气轮机碳烟生成和排放研究

王力军，杨海峰，孙远伟，阴松凯

（1.沈阳航空航天大学能源与环境学院，沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136；3.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳 110043）

某重型燃气轮机碳烟生成和排放研究

王力军1，杨海峰2，孙远伟3，阴松凯3

（1.沈阳航空航天大学能源与环境学院，沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136；3.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳 110043）

为了研究某重型燃气轮机碳烟（soot）污染物的生成和排放规律，在多种负荷条件下，分别应用碳烟的一步和二步生成模型，对某重型燃气轮机碳烟的生成和排放浓度进行了三维数值计算和分析。采用Realizablek－ε湍流模型模拟湍流流动，用拉格朗日随机游走模型模拟雾化燃油颗粒的随机运动，用PDF燃烧模型模拟燃烧化学反应速率，压力速度耦合采用SIMPLE算法和二阶迎风格式。计算结果表明，燃烧室的主燃区为富油设计，是碳烟生成的主要场所。燃烧室出口的最大冒烟数SN在0.082～0.86之间。用二步法模型计算的碳烟生成浓度低于一步法，是碳烟生成与氧化二个因素综合作用的结果。计算结果为研究碳烟生成规律和计算方法提供了理论依据。

重型燃气轮机；燃烧室；数值模拟；碳烟；冒烟数

碳烟（soot）又称为炭黑或碳粒，是燃气轮机燃烧室主要的有害排放物之一，也是燃气轮机排放微粒PM2.5的主要部分。碳烟的形成降低了燃烧室的燃烧效率，也增加了燃烧室壁面的热负荷，而排气不可见冒烟既是燃气轮机清洁燃烧的环保要求，也是航空燃气轮机减少碳粒子从而降低触发红外辐射的隐身和低可观测性的要求。燃烧室主燃区的碳粒子浓度低，可以降低发光火焰辐射，减少对壁面传热，延长燃烧室火焰筒寿命。碳烟是燃料不完全燃烧时形成的，碳烟形成后，还会重新氧化，其形成过程和机理十分复杂，包括碳烟前驱体（多环芳香烃PAHs）等几百个基元的上千个基元反应，而非能用经验公式所能够描述的［1］，但这些复杂的反应机理并不能实际应用于燃气轮机燃烧室数值模拟中［2］。在试验测量结果中［3－6］，燃气轮机中碳烟的形成与燃料类型和燃烧室中的火焰结构及其特性有密切关系，影响碳烟排放的主要因素有燃料的当量比及其喷嘴喷射和雾化特性、燃烧室几何构型、燃烧室内复杂的局部湍流流动、油气比变化和气体成分变化等。Ian M.Kennedy对碳烟生成烟花模型进行了详细的综述，碳烟的生成与氧化的数学模型可分为经验模型、在试验基础上的半经验模型以及在详细反应机理基础上的反应速率模型［7］。各种模型之间没有严格的区别，而是有相互重叠和联系。B.F.Magnussen和B.H.Hjertager将碳烟生成模型与燃烧EDC模型相结合，用于模拟湍流燃烧的碳烟与氧化［8］。

燃气轮机燃烧的碳烟模化比其它污染物如NOx排放更重要并具有挑战性，但关于重型燃气轮机碳烟生成的试验测试和数值研究方面［9］公开发表的文章并不多见。为了探明重型燃气轮机燃烧行为及其燃烧生成碳烟的过程，从而控制燃烧过程产生的碳烟，本文在多种燃烧负荷的操作条件下，由碳烟生成的机理和数学模型，对某重型燃气轮机的实际燃烧及其所产生的碳烟过程和规律进行了Fluent软件的CFD数值研究。用燃烧室的出口温场的计算值与实测值相对比，间接验证计算结果的有效性。

1 燃烧室三维几何模型

图1为某重型燃气轮机的环管燃烧室结构图，主要由锥形外壳、燃烧室外壳及位于燃烧室外壳环腔内沿圆周分布的20个火焰筒、喷嘴组件、燃油总管等组成。在环管燃烧室头部沿周向均匀安装的8个离心式压力燃油喷嘴组成了副油路；在环管燃烧室头部的中央轴线上安装的离心式压力燃油值班喷嘴构成主油路，以稳定火焰。燃烧室可在2种模式下运行：中心主油路燃烧模式1，周向环形副油路和中心主油路的共同燃烧模式2。对燃烧室的流体模型进行了合理的简化，气膜孔采用了相同面积的环缝来代替。燃油经压力雾化喷嘴形成扇形的油雾椎，在燃烧室头部与旋流空气形成旋流扩散式燃烧。

由于燃烧室的复杂几何结构，采用Gambit软件进行26个分体结构的非结构混合网格剖分。总网格数210多万，其UG造型和网格剖分见如图2。其中三维尺寸分别为长×宽×高＝1 006 mm× 464.3 mm×545 mm，空气喷嘴内径Φ1＝20 mm，主油路油喷嘴内径Φ2＝18mm，副油路喷嘴直径Φ3＝15 mm。

2 碳烟生成数学模型与计算条件

碳烟形成过程为［1］：在燃烧的高温贫氧环境下，烃燃料的分子首先发生热裂解，形成气相的前驱物单环芳香烃，单环芳香烃生长成为多环多核芳香族化合物PAHs；多环多核芳香烃通过与其它碳氢化合物结合和核化，形成碳烟的初始粒子；碳烟初始颗粒碰撞合并成更大的碳烟颗粒；通过与其它碳氢分子反应，碳烟颗粒增加尺寸，在表面生长；最终颗粒之间碰撞形成不规则的外形颗粒团。颗粒与氧化性基团反应，减小尺寸，表面氧化。因为在燃烧过程中碳烟的形成与局部燃料过多、温度过高因素有关，因此碳烟模型需要在燃烧流场基础上进行求解。

2.1 控制方程组

燃烧室中的湍流燃烧反应流数学模型主要包括湍流模型、湍流燃烧模型和辐射模型。描述湍流燃烧反应流封闭微分方程组的通用张量表达式如下：

2.2 碳烟生成模型

2.2.1 一步模型（One-step）

一步模型［10］中碳烟浓度的输运模型为：

式中：Ysoot为碳烟的质量分数；σsoot为碳烟输运的紊流普朗特性系数；Rsoot为碳烟形成的净速度，是碳烟的形成速度Rsoot，form和碳烟的燃烧速度Rsoot，comb之差。

式中：CS为碳烟的形成常数，Pfuel为燃料颗粒压力，φ为当量比，r为当量比指数，E／R为活化温度。碳烟燃烧速率是以下两个速度表达式中的最小值：

2.2.2 二步模型（Two-step）

二步模型［8］是先预测基本粒子的生成。在此基础上，再模化基本粒子表面的碳烟生成，建立碳烟浓度Ysoot与基本粒子浓度b*nuc间的函数关系。基本粒子的输运模型为：

式中：mρ为烟灰粒子平均质量，为烟灰粒子浓度，为基本粒子浓度，α、β为经验常数。

综上所述，二步法模型要先求解碳基本粒子的形成与分支模型，然后再求解碳烟模型。二个模型之间分别通过各自的形成源项相互耦合。模型中的有关常数因在FLUENT软件中为默认值。碳烟生成浓度的数值计算采用燃烧计算收敛后的后处理算法。

2.3 计算工况和计算条件

图3表示的是某重型燃气轮机的燃油分配图。在数值模拟的过程中分别取相对功率Ne为0、0.30、0.843和1.0。

不同工况下燃油和空气量试验分配量由表1所示。Ne＝0和Ne＝0.3时由环形区域的8个油喷嘴组成的副油路供油；Ne＝0.834和Ne＝1时中心主油路和副油路同时供油，环形喷嘴每一个喷嘴的供油量为环形区油量的1／8。

3 计算结果及分析

3.1 碳烟形成与氧化的模型研究

根据碳烟形成与氧化的机理和数学模型，本文取4种不同的试验功率Ne，见表1。分别用一步法模型和二步法模型对碳烟浓度进行了数值计算，当计算精度均取10－5时，碳烟浓度的计算截面见图4～图5。

依图中的计算结果，将燃烧室均依次分为主燃区、中间区、掺混区和出口段等4部分。图4和图5中的4条垂直细实线表示各区的出口断面，分别为主燃区出口断面1、中间区断面2、掺混区出口断面3和出口段的出口断面4。各断面的计算结果均值列于表2。

由图4（a）和图5（a）可见，对应各Ne值，燃烧室头部的燃油压力雾化喷嘴所喷射的燃油尚未与旋流空气完全混合，而未实现在主燃区内的完全燃烧。所以一步法和二步法模型计算的高碳烟浓度生成均主要在主燃区。主燃区内所产生的高温燃气旋流区内，在接近副油路燃油喷嘴附近，由于高温缺氧条件，形成了所谓的烟口袋。在这个烟口袋内，随着燃烧功率的增大，供油量逐渐开始增加，碳烟的生成量也随之增大，Ne＝1.0时碳烟的生成浓度最大。一步法计算得到的碳烟浓度最大值为1 100mg／m3；二步法计算得到的碳烟浓度最大值为685 mg／m3。可见，本文研究的某重型燃气轮机燃烧室的主燃区是富油设计。在随后的中间区和掺混区，随着碳烟被逐渐氧化，碳烟浓度逐渐降低。直到出口断面，碳烟几乎被氧化殆尽。由图4（b）和图5（b）可见，当Ne＝0.834时，主副油路同时供油，且副油路供油量适当增大时，出口碳烟呈双涡分布，趋于均匀化，燃烧室出口温场也趋于均匀化。

图6为满负荷状态下的出口温场实测值［11］与计算值的对比图。由图可见，满负荷时工作时，除了出口中心区以外，计算温度场与实测值基本符合。因为缺乏碳烟的实测数据，所以将本文的碳烟计算结果与民航型号发动机RB211燃烧室内碳烟实测结果进行了相似规律的比较，各断面的碳烟浓度分布规律相类似［3］。一步法碳烟浓度的计算结果均高于相同断面的二步法，主要因为碳烟浓度的数学模型主要由碳烟生成与氧化两个因素综合作用的结果。

3.2 燃烧室功率Ne影响碳烟排放分析

在碳烟生成模型研究基础上，由于碳烟在燃烧室内进一步氧化燃烧，使碳烟浓度降低。图7和图8分别是一步法和二步法Ne＝0、0.3、0.834和1.0四种工况下各横截面碳烟排放的浓度曲线。图9为民航型号发动机RB211的主燃区、中间区、掺混区和出口等4个断面的碳烟浓度试验均值分布的实测值曲线［3］。

由图7和图8可见，断面1和断面2的出口碳烟生成浓度都较高，表明该重型燃气轮机的燃烧室主燃区和中间区的碳烟生成速度高于碳烟的氧化速度。碳烟浓度随着相对功率Ne的提高而增大。掺混区的碳烟浓度由于其氧化燃烧速度大于其生成速度而逐渐降低，直至出口处的碳烟排放量很小，绝大多数碳烟被氧化燃烧殆尽。其中，按照密度加权平均的碳烟浓度，在燃烧室出口处，Ne＝1.0时碳烟排放浓度最大。一步法模型时为0.073 mg／m3，二步法模型时为0.007 mg／m3。按冒烟数的经验公式折算［6］，一步法出口冒烟数SN为0.86，二步法出口冒烟数SN为0.082。由于缺乏试验研究数据，所以该冒烟数SN的计算结果尚有待于试验验证。但从图9中碳烟浓度的试验分布曲线分析，对于相应位置的燃烧室各断面而言，本文的燃烧室碳烟分布计算曲线与民航型号发动机RB211的碳烟实测曲线有相同的变化规律。

4 结论

本文对某重型燃气轮机燃烧室的碳烟生成和排放进行了模型研究和数值计算，对在多种功率下燃烧室出口处的碳烟排放进行了数值分析，得出以下的结论：

（1）主燃区在接近副油路燃油喷嘴附近，由于高温缺氧条件，形成了所谓的烟口袋。随着Ne的增大，供油量逐渐增加，碳烟的生成量也随之增大。某重型燃气轮机燃烧室的主燃区是富油设计，是碳烟生成的主要场所。

（2）一步法和二步法模型各断面的碳烟浓度计算结果有相同的分布规律。一步法模型的碳烟浓度预测值高于二步法模型。虽然碳烟的生成和氧化规律、分布规律与某民航型号机的实测结果相似，但尚有待于试验验证。

（3）某重型燃气轮机燃烧室出口的碳烟浓度是燃烧室内碳烟生成和氧化两个因素综合作用的结果。在相同的计算精度下，二步法比一步法的碳烟排放浓度低。最大功率下的最大冒烟数SN在0.082～0.86之间。出口处径向温度分布计算结果与实测值基本符合。

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Study on Formation and Exhaust of Soot for a Heavy Duty Gas Turbine

WANG Li-jun1，YANG Hai-feng2，SUN Yuan-wei3，YIN Song-kai3
（1.Energy and Environment College，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.Faculty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；3.AVIC Shenyang Liming Aero-Engine（Group）Corporation Ltd，Shenyang 110043，China）

The rule of soot formation and emitted concentration had been three-dimensional simulated and analyzed for a heavy-duty gas turbine combustor undermulti-power load by using one-step and two-step model respectively for studying the formation and emission laws of soot pollutant.Gas phase turbulent flow is simulated by Realizable k-εmodel，random movementof liquid fuel atomization particles are simulated by Lagrange random walkmodel，and PDF combustionmodel is used tomodel combustion reaction.Numerical calculation had used SIMPLE pressure-velocity coupled method and second order upwind difference schemes.The calculation results show that themain reaction zone in combustor is fuel rich design and the main place of soot formation.The maximum combustor exhaust smoke number SN is between 0.082～0.86.These results contribute the theoretical basis for the soot formation rule and calculation method.

heavy duty gas turbine；combustion chamber；numerical simulation；soot；exhaust smoke number

TK474

A

1009-2889（2014）03-0019-07