富氢燃气轮机低旋流燃烧技术研究

Low swirl combustion (LSC) is different from the traditional principle relying on recirculation to anchor the flame, and utilizes low swirl divergent flow to sustain freely propagating turbulent flame. LSC has characteristics of high flame stability, high combustion efficiency and ultra low NOx emission, and it will be widely used in the gas turbine burning alternative fuels including natural, coal gas, landfill gas, hydrogen synthetic gas and pure hydrogen derived from coal gasification. This project will mainly study the lean premixed combustion and pollutant emission characteristics of a LSC injector burning high hydrogen syngas, and the principle which the LSC injector is matched to the combustor of modern advanced gas turbine. The low swirl divergent flow without recirculation, the “broom” shape configuration of the turbulent flame at a distance from the nozzle, the self-similar behavior of the diverging flow and combustion, the mechanism of the combustion and pollutant emissions which a LSC injector forms, will be analyzed. The effect of various parameters on combustion, flow and pollutant emissions of the LSC injector will be understood. The relation formula between the various parameters and the characteristics of low swirl flow, combustion stability, velocity distributing, temperature distributing and pollutant emissions, will be set up. The optimization design of the LSC injector used in combustor of gas turbine is confirmed. The principle which the LSC injector is matched to a combustor of modern advanced gas turbine will be provided.

低旋流燃烧（简称LSC）是一种背离传统回流稳焰机理的燃烧方式，利用低旋转扩散无回流湍流流动方式稳定自由传播湍流火焰，具有燃烧稳定性好、燃烧效率高和极低NOx排放的特性，将被广泛应用于燃用天然气、煤气、垃圾填埋气、煤气化产生的富氢合成气或纯氢气体等多种燃料的燃气轮机中。本项目将对以富氢合成气为燃料的LSC喷射器，贫燃料预混合燃烧和污染物物排放特性及将其与现代先进燃气轮机燃烧室匹配的相关技术进行研究。分析LSC喷射器形成扩散低旋转无回流湍流流动和“扫帚”形脱离喷口湍流低温火焰结构自相似特性的机理；了解各种参数对LSC燃烧、流动和污染物生成等特性影响的规律；获得低旋转流动、燃烧稳定性、速度分布、温度分布和污染物生成与各种参数之间的经验关系式；确定适用于燃气轮机燃烧室的LSC喷射器结构优化设计方案，建立LSC喷射器与现代先进燃气轮机燃烧室匹配原则。

本项目利用粒子图像测速技术（PIV），对不同结构低旋流喷射器冷态流场进行实验测试。同时，建立了低旋流流动数学模型。应用数值模拟和实验相结合的方法，研究了低旋流冷态流动特性。在冷态流动实验和数值模拟研究基础上，建立了有限空间内低旋流流动与燃烧特数学模型，应用Flunet商业软件，对有限空间内低旋流流动与燃烧特性进行研究。自行设计并搭建了低旋流开式空间和闭式空间燃烧实验台上，对以不同组分的合成气为燃料的低旋流喷射器在开式空间和闭式空间的贫燃料预混合燃烧和污染物排放特性进行实验研究。设计安装低旋流喷射器的燃气轮机燃烧室，对燃烧室内空气流组织方式对燃烧和温度分布特性进行研究。项目实施过程中，得出以下结论：（1）在叶片角θ=37º、旋流数S≤0.587时，旋流诱导中心区域和周围空气旋转，形成具有中心区域和周围空气低速区域、中心低速区域分布特点的扩散流动；低旋流冷态流场沿轴线对称分布，具有自相似性。（2）由于燃烧气体吸热膨胀、涡量诱导和温度斜压效果，使得冷态高旋回流流动转变为了燃烧条件下低旋无回流流动；在有限空间内，低旋流燃烧没有形成非脱体火焰，而是形成类似于扩散燃烧火焰；随着旋流数增大，温度分布边界和化学反应边界在展向方向逐渐缩短，而在切线方向逐渐扩大。（3）当旋流数较小时，低旋流喷射器能形成脱离喷嘴的W形蓝色火焰,蓝色火焰由四束火焰联在一起并托起一个黄色的脉动火焰；随着旋流数S增加，火焰底面逐渐靠近喷嘴，逐渐变为扫帚形火焰；在蓝色火焰中温度分布为带有两翼峰值的高温区域，而在黄色火焰中是统一的高温区域。在甲烷中掺混氢气后，火焰长度也会随之缩短。NOx和CO排放水平主要取决于气体成分和热负荷。(4)燃烧室冷却射流孔的布置方式对燃烧室的燃烧状态和温度分布有很大影响。. 综合对低旋流流动、燃烧和排放理论分析、数值模拟和实验研究的分析结果，可以将其作为低旋流燃烧器在实际燃气轮机中应用的理论依据。