天然气径向旋流预混高压燃烧特性研究

摘要

随着污染问题和能源危机的日益加重，寻求洁净可靠的能源代替煤炭发电成为亟待解决的问题。近年来以清洁天然气为燃料的燃气轮机发电及燃气-蒸汽联合循环得到极大发展。目前受材料限制，进一步提高初温已非常困难，高压比燃烧成为提高燃气轮机性能的新途径。鉴于目前国内外对天然气在高压下的径向旋流预混燃烧研究较少，本文在总结国内外燃烧实验台设计经验的基础上，设计了天然气高压燃烧实验台，对实验台重要参数进行设计计算，并使用流体动力学计算软件Fluent进行燃烧模拟，归纳总结出部分燃烧参数和工艺参数对高压下天然气旋流预混燃烧的影响规律，为今后实验台的搭建以及天然气高压燃烧的实验研究奠定理论基础。本文开展的工作和获得的成果如下:
　　1.根据国内外燃烧室设计经验，结合天然气燃烧特性和高压条件，与生产厂家沟通协商后，设计了本高压燃烧实验台的基本结构和重要参数。燃烧采用预混燃烧形式，甲烷采用单管入口，空气流经径向旋流器形成旋流并与甲烷混合，燃烧室还包括二次风和冷却空气部分。接下来计算得到标准工况时气体管路设计参数和燃料喷嘴相关参数，为实验台和模型的建立提供参考。
　　2.使用前处理软件Gambit对设计的高压燃烧实验台建立模型。为验证模型能否用于高压燃烧的模拟研究，从两方面测试模型网格的合理性:无化学反应冷态模拟和网格数量无关性验证。经测试，发现模型冷态模拟效果良好，网格数量48万时具有较好的网格无关性。
　　3.利用流体计算软件Fluent模拟不同工况下的天然气高压预混燃烧情况，深入研究燃烧参数（如压力、过量空气系数、功率等）和工艺参数（进气温度、旋流度、预混段长度等）对天然气高压预混燃烧的影响规律，依次分析了高压条件下变工况、变参数时燃烧室温度场、流场、中心轴线温度速度分布、NOx生成、喷口下游中心低速区等的变化。经整理归纳得出天然气高压预混燃烧的部分基本规律，为天然气在燃烧实验台及燃气轮机中的稳定燃烧、低NOx排放提供理论依据，具有较大的实际意义。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国能源形式及天然气发展潜力

1．1．2 燃气-蒸汽联合循环

1．2．国内外研究现状

1．2．1 燃气轮机及燃气-蒸汽联合循环发展

1．2．2 天然气燃烧特性研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 本章小结

第2章 数值计算模型及方法

2．1 引言

2．2 前处理软件Gambit

2．3 流体流动及换热的基本控制方程

2．4 物理模型

2．4．1 湍流模型

2．4．2 辐射模型

2．4．3 化学反应模型

2．4．4 污染物NOx生成模型

2．5 求解参数

2．6 Fluent模型求解

2．6．1 求解器的选择

2．6．2 Fluent基本分析过程

2．7 本章小结

第3章 高压燃烧实验台的设计计算

3．1 高压燃烧实验台简介

3．2 燃烧室参数计算

3．2．1 燃料选择

3．2．2 燃料与空气流量计算

3．2．3 气体管路内径计算

3．3 喷嘴的设计计算

3．3．1 燃烧组织方式

3．3．2 旋流器的选择

3．3．3 燃料喷嘴设计计算

3．4 燃烧实验台模型建立

3．5 本章小结

第4章 燃烧参数对天然气高压燃烧特性的数值模拟

4．1 燃烧室模型简化与网格划分

4．2 模型合理性验证

4．2．1 冷态模拟

4．2．2 网格无关性验证

4．3 燃烧参数对天然气高压燃烧温度场的影响

4．3．1 压力

4．3．2 过量空气系数

4．3．3 燃烧室功率

4．4 燃烧参数对天然气高压燃烧流场的影响

4．4．1 压力

4．4．2 过量空气系数

4．4．3 燃烧室功率

4．5 燃烧参数对天然气高压燃烧NOx排放的影响

4．5．1 压力

4．5．2 过量空气系数

4．5．3 燃烧室功率

4．6 本章小结

第5章 工艺参数对天然气高压旋流预混燃烧的影响

5．1 进气温度对高压旋流预混燃烧特性影响

5．2 径向旋流器旋流度对高压旋流预混燃烧特性影响

5．3 预混段长度对高压旋流预混燃烧特性影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢