目前，商用重型燃气轮机燃烧室普遍采用贫预混燃烧技术以实现低NOX排放。由于贫预混燃烧稳定范围相对较窄，通常设置值班喷嘴以实现点火及低负荷工况下稳定运行，也用于高负荷工况下调节热声不稳定。针对点火、低负荷工况下燃机频繁出现的黄烟问题，并考虑到设计工况下进一步降低NOX排放的需求，降低值班喷嘴NOX生成成为燃机燃烧室设计发展的重要方向，尤其针对已建燃机机组的改造需求，优化值班喷嘴及相应的控制策略是可行方案。其中结合电厂普遍存在的蒸汽源，在保证燃烧稳定的前提下，采用蒸汽稀释值班喷嘴燃料侧方式来降低值班火焰在不同工况下的排放被认为是改造量相对最小的可行方式。本研究在前期模拟和实验研究单喷嘴蒸汽稀释比例、稀释均匀性的基础上，模拟分析了蒸汽稀释值班燃料对燃烧室NOX排放的影响。针对纯值班喷嘴燃烧工况，从温度场和OH基浓度分布等角度分析蒸汽稀释值班燃料对CO、NOX生成的影响。研究值班喷嘴燃料稀释燃烧对多喷嘴燃烧室排放特性的影响，并尝试分析其内在影响机制。
研究所能源动力研究中心研究人员以某天然气贫预混燃烧室为研究对象，采用FGM燃烧模型耦合详细化学反应机理，研究了不同值班负荷比例下的燃烧室内流场、组分场、温度场和出口污染物排放特性。结果表明，随值班负荷比例增大，高NO生成速率区域由值班回流区位置向燃烧室出口方向移动，燃烧室出口NOX排放急剧增加；值班负荷比例较低时，值班火焰高CO浓度分布区域主要位于值班回流区，当值班负荷比例增加后，高CO浓度分布由值班回流区向燃烧室出口方向扩张。
考虑到蒸汽的化学作用不可忽略，分别采用FGM燃烧模型耦合详细化学反应机理和FR-ED燃烧模型耦合简化反应机理模拟研究值班燃料添加蒸汽对值班喷嘴污染物排放的影响。相对于FGM耦合详细反应机理的数值模拟方法，采用FR-ED耦合简化反应机理无法反映蒸汽稀释促进OH基生成对CO转化为CO2的影响，一定程度上高估了CO排放，但是也可定性反映蒸汽稀释对于值班火焰峰值温度和燃烧室出口NOX排放的影响。因此对实际燃烧室运行工况下，采用FR-ED耦合简化反应机理模拟蒸汽稀释对污染物排放的影响依旧具有一定参考价值。采用FR-ED燃烧模型耦合简化化学反应机理研究了设计工况下蒸汽稀释值班燃料对燃烧室出口CO、NOX排放的影响，结果显示，值班火焰峰值温度降低约10 %，出口NOX降低达88.5 %，燃烧室出口CO变化不大。采用数值模拟手段评估值班负荷比例对排放的影响，并研究蒸汽稀释值班火焰对燃烧室污染物排放的影响，为后续实际机组应用提供基础数据支撑。
图1 不同值班负荷比例温度和OH浓度分布
图2 采用FGM与FR-ED燃烧模型温度对比
图3 采用FGM与FRED模型NO和CO对比
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