CN110765698A - 一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法，包括以下步骤：针对某几个典型工况，利用FLUENT软件对燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算；根据燃烧过程、温度分布及流场分析将燃烧室划分成头部混合区、主燃区、壁面冷却区、回流区和掺混区这五个特征区域；根据所划分的特征区域，利用Chemkin‑Pro软件对燃气轮机燃烧室进行化学反应器网络(CRN)模型的建立；再采用微元法对特征区域的有效体积进行确定；采用牛顿插值多项式的方法，找出其他工况下反应器的计算参数，对未知工况的排放性能预测。本发明利用fluent数值模拟结合化学反应网络的方法，实现快速预测设计工况及偏工况下，不同燃空比时燃气轮机燃烧室的NOx排放性能。

Description

一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法

技术领域

本发明涉及的是一种排放预测方法，具体地说是燃气轮机排放预测方法。

背景技术

燃气轮机是能源动力装备领域的重要组成部分，燃气轮机产业更是国家能源的战略性产业。燃气轮机在船舶动力，航空航天，地面发电等领域有着非常重要的地位。尤其在船舶领域，燃气轮机以其大功率、高效率等优势，作为船舶动力及发电设备装置被应用地愈加广泛。近年来，随着国家对环境污染问题的日益重视，对燃气轮机的要求不仅局限于动力性能的要求，对燃气轮机的NOx排放要求也日益严苛，排放性也已经成为燃气轮机设计的重要指标。在燃气轮机设计研发阶段，对其燃烧排放性能的预测成为必不可少的一个环节。目前大多对燃气轮机燃烧排放的预测一般采用CFD等数值模拟软件，这种方法虽然准确性较高，但计算效率较低；而且只能针对设计工况点进行预测，却无法适用于偏工况的情况。不同边界条件，不同工况下燃气轮机存在非常繁多且复杂的运行状态，预测这些运行状况的排放性能同样重要，不可忽视。所以，如何找到一种快速又准确地预测燃气轮机变工况排放性的方法非常关键。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现快速又准确的一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法，其特征是：

(1)对燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算；

(2)根据燃烧过程、温度分布及流场分析将燃烧室划分成头部混合区、主燃区、壁面冷却区、回流区和掺混区这五个特征区域；

(3)根据所划分的特征区域，对燃气轮机燃烧室进行化学反应器网络模型的建立；

(4)采用微元法对特征区域的有效体积进行确定；

(5)通过FLUENT计算得到典型工况计算数据，采用牛顿插值多项式的方法，以典型工况的驻留时间作为牛顿插值的参照点，对其他工况下的反应器驻留时间进行加密计算，再利用其相对应的化学反应器网络模型，通过有效体积与驻留时间对未知工况的NO_x性能进行预测。

本发明还可以包括：

1、对燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算中，燃烧室包括燃油喷嘴、扩压器、旋流器、主燃孔、冷却孔、掺混孔和火焰管；对燃烧室的简化处理包括：将壳体简化为圆柱形，集气管简化为轴对称锥形；将火焰筒壁面的圆孔简化为方孔环槽。

2、所述采用微元法对特征区域的有效体积进行确定具体为：将反应器的实际体积等价地分为20份，以单一的划分后的微元反应器为单位，计算单个微元反应器中CO的摩尔质量分数，然后对整体反应器进行累加，即逐渐增加反应器区域内的微元个数，同时计算不同微元个数情况下的CO摩尔质量分数，直至微元反应器的个数不再对整体的内部反应进程以及输出的结果造成影响，即CO的摩尔质量分数不再变化，此时，该体积的总和为相应的特征区域的有效体积。

本发明的优势在于：本发明是利用FLUENT流体计算软件结合化学反应器网络法(CRN)对燃气轮机的NOx排放性能进行预测。此方法不仅针对设计工况，包括其他偏工况在内，同样可以达到快速并准确预测燃气轮机排放性的目的；本发明采用等效面积法对燃烧室建模进行简化，并在划分网格式对局部进行加密处理，既降低了建模难度也保证了计算精度；本发明采用微元法，以CO作为参照物对燃烧室的特征区域的有效体积进行确定，可以准确地确定燃烧室的有效体积，进而保证化学反应器网络法计算排放性的准确性；本发明采用了牛顿插值多项式的方法对不同工况和燃空比下的驻留时间进行拟合预测，解决了无法找到解析式预测驻留时间的难题；本发明采用神经网络的方法，以径向基神经网络对该模型进行训练，得出燃烧室其他工况、其他燃空比下对应的NOx排放值，预测快，精度高。

附图说明

图1是简化后的燃烧室模型示意图；

图2是局部加密网格示意图；

图3是NOx排放随工况变化的曲线；

图4是完全扰动反应器反应过程；

图5是PFR反应器流动示意图；

图6是主燃区的微元反应器网络图；

图7是回流区的微元反应器网络图；

图8是主燃区CO浓度分布曲线；

图9是回流区CO浓度分布曲线；

图10是加密处理后回流区驻留时间与工况关系曲线；

图11是加密处理后主燃区驻留时间与工况关系曲线；

图12是Chemkin-Pro预测值与FLUENT模拟值对比图；

图13是在1.0工况下的NOx随燃空比的变化曲线；

图14是1.0工况下回流区驻留时间变化曲线；

图15是1.0工况下主燃区驻留时间变化曲线；

图16是加密处理后1.0工况下NOx排放随燃空比的变化趋势；

图17是0.71工况、0.81工况、1.0工况这三个工况进口条件下的NOx排放对比；

图18是燃烧室排放性预测模型。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-18，本发明包括如下步骤：

燃气轮机燃烧室结构复杂，建模困难不易计算，本发明采用等效面积法对燃烧室的结构进行简化。对燃烧室的简化处理包括：为了减小壳体对计算结果的影响，将其简化为圆柱形；燃烧室集气管内的流场对主燃烧区的影响较小，因此简化为轴对称锥形；对火焰筒壁面的冷却孔进行简化，将圆孔改为了方孔环槽，保证网格质量及计算收敛性。

针对某几个工况，利用FLUENT软件对已经简化后的燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算。划分网格时，针对微小的、复杂的，却又无法对其进行忽略处理的孔、复板结构进行了局部加密处理。根据燃烧过程、温度分布及流场分析将燃烧室划分成头部混合区、主燃区、壁面冷却区、回流区和掺混区这五个特征区域。

根据所划分的特征区域，利用Chemkin-Pro软件对燃气轮机燃烧室进行化学反应器网络(CRN)模型的建立。在头部混合区和壁面冷却区的特征区域中主要发生的是燃气与空气进行掺混的过程，并不进行化学反应，在本发明中采用了完全扰动反应器模型PSR来进行模拟；在主燃区和回流区的特征区域主要发生的是燃烧反应，采用了完全扰动反应器模型PSR进行模拟；在掺混区，湍流的强度也不高，采用了柱塞流反应器模型PFR对其进行模拟。

采用微元法对特征区域的有效体积进行确定。微元法的思想是先将一个反应器的实际体积等价地分为若干份，然后以单一的划分后的微元反应器为单位，计算单个微元反应器中CO的摩尔质量分数，然后对整体反应器进行累加，即逐渐增加反应器区域内的微元个数，同时计算不同微元个数情况下的CO摩尔质量分数。直至微元反应器的个数不再对整体的内部反应进程以及输出的结果造成影响，即CO的摩尔质量分数不再变化。此时，认定该体积的总和即为相应的特征区域的有效体积。在作为参照的反应物的选择方面，由于其中燃烧反应十分强烈，CO反应速率较慢，并且含量相对较大，因此本发明选取CO的摩尔质量分数作为判断主燃区和回流区有效体积的大小的参照物。

本发明根据已经通过FLUENT计算得到的典型工况计算数据，采用了牛顿插值多项式的方法，以典型工况的驻留时间作为牛顿插值的参照点，对其他工况下的反应器驻留时间进行加密计算，再利用其相对应的化学反应器网络模型，通过有效体积与驻留时间对未知工况的NO_x性能进行预测。

燃空比指的是在燃烧问题中，燃料与空气的混合比例，是影响排放性的重要参数。以三个工况(1.0工况、0.81工况、0.71工况)的进口条件为基准，改变其燃烧室燃油量，以达到改变其燃空比的目标。在不同的燃空比条件下，利用FLUENT对燃烧室进行三维数值模拟，对排放性进行预测。在此基础上，利用已经建立好的燃气轮机燃烧室模型中，对各特征区域的驻留时间进行确定，得出其与燃空比之间的关系。采用牛顿插值二项式的方法对各特征区域的其他燃空比对应的驻留时间进行预测，再利用化学反应器网络模型的方法，以Chemkin-Pro软件为工具，对不同燃空比条件进行排放性预测。

在已经计算得到的NOx排放数值基础上，利用神经网络模型建立燃烧室排放性模型。本发明分别以燃空比和以工况为变量的燃烧室进口条件为x，y坐标，以NOx排放为z轴，将利用Chemkin-Pro预测出的不同工况下燃烧室排放值与相应的燃空比和工况进口条件，以样本的方式，输入到simulink中的Neuralnetwork中的input function中，然后以径向基神经网络对该模型进行训练，得出燃烧室其他工况、其他燃空比下对应的NOx排放值，并对这些数据进行拟合处理，得到燃气轮机燃烧室排放性预测模型。

本发明步骤具体为：

本发明公开了一种燃气轮机燃烧室变工况性能快速预测方法。燃气轮机结构复杂，建模困难不易计算，故本发明采用等效面积法对燃烧室的结构进行简化。该型燃烧室的主要结构有燃油喷嘴、扩压器、旋流器、主燃孔、冷却孔、掺混孔和火焰管。对燃烧室的简化处理包括：为了减小壳体对计算结果的影响，将其简化为圆柱形；燃烧室集气管内的流场对主燃烧区的影响较小，因此简化为轴对称锥形；对火焰筒壁面的冷却孔进行简化，将圆孔改为了方孔环槽，保证网格质量及计算收敛性。简化后的燃烧室模型如图1所示。

简化燃烧室模型后，利用FLUENT软件对已经简化后的燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算。由于该模型存在较多复杂结构，如复板和小孔等，这些结构过于细小或复杂，导致在网格划分的过程中，本发明针对这些微小的、复杂的，却又无法对其进行忽略处理的孔、复板结构进行了局部加密处理。如图2所示。

随后仅对某几个工况下(本发明计算四个工况，分别为：1.0工况、0.81工况、0.71工况和0.53工况)的燃气轮机燃烧室的温度场、流场和组分浓度场进行了数值计算，并对结果进行对比分析。将其数据绘制成NO_x排放随工况的变化曲线，如图3所示。

根据燃烧过程、温度分布及流场分析将燃烧室划分成头部混合区、主燃区、壁面冷却区、回流区和掺混区这五个特征区域。

若仅依靠FLUENT对其他工况进行计算，会导致计算量过大，工作周期过长，增大了时间成本等缺陷。因此，在本发明中根据所划分的特征区域，利用Chemkin-Pro软件对燃气轮机燃烧室进行化学反应器网络(CRN)模型的建立。不同的特征区域由于燃烧反应过程和流场的不同，在Chemkin-Pro软件中应采用不同的反应器模型对其进行模拟。

PSR稳态组分守恒方程：

式中：

为i组分的入口质量，

为i组分的出口质量，

为i组分的反应生成质量，

为i组分的净生成率，MW_i为i组分的分子质量，V表示容积。

在稳态条件下，从反应器入口所加入的能量值实际上在一定程度上，决定了出口与进口混合物的晗值的变化，反应过程如图4所示。

在实际的工程中，其实并不存在如此理想的反应过程，换而言之，PSR反应器当中的理想完全混合是不可能被实现的，不存在的。但是，在本发明的研究对象为燃气轮机燃烧室—一个湍流强度和混合程度通常较高的结构，往往可以利用PSR反应器来对其内部的化学反应进行模拟，对其排放特性进行预测。

在头部混合区和壁面冷却区的特征区域中主要发生的是燃气与空气进行掺混的过程，并不进行化学反应。在本发明中采用了完全扰动反应器模型PSR来对其进行模拟；在主燃区和回流区的特征区域主要发生的是燃烧反应，本发明中采用了完全扰动反应器模型PSR对其进行模拟。

柱塞流反应器又称PFR反应器(plug-flow reactor)，是一个一维的反应器，该反应器可以对相应反应器中的流体运动进行模拟，使用活塞运动模型来对其进行模拟，如图5所示。该反应器限制了在其中的化学反应，规定其只能在一维平面上进行，而同时保持在径向方面内部流场具有较为均匀的流动特性，即该反应器内部的流动特征其实只在轴向上发生变化。由于PFR反应器的该特征，其内部的流量特性就只会在轴向上变化，从而就可以发现通过PFR反应器的出口截面的流量参数与起始进口截面的设定流量参数相比，发生了较大的变化，并且，除此之外，该反应器的结构参数的设定与任何进出口条件都无关，只受其模型的结构特征所左右。其中相关的方程式为：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程(忽略势能)：

组分方程：

式中：ρ为密度，p为压力，U_x为轴向速度，A为截线面积，Pe为边界周长，

为热能，MW_i为i组分的分子质量，

为i组分的净生成率，

为混合物质量流量。

在柱塞流反应器模型中，它所涉及到的化学反应时间相比较于特征流动时间，可以忽略不计，并且位于混合区域下游的燃气流动的湍流强度很低，并且流动平缓，可视为一维流动，因此通常用该模型来模拟处于混合区域下游的混合物流动情况。并且，在某些特殊情况下，PFR反应器在某种程度上，可以被理解为若干个相同的完全扰动反应器模型在横向上的集合体，来模拟一些特征区域的反应情况。

在掺混区，燃烧反应几乎完全，并且流动速度缓慢，湍流的强度也不高，本发明中采用了柱塞流反应器模型PFR对其进行模拟。

各特征区域的反应模型确定后，本发明中采用微元法对特征区域的有效体积进行确定。微元法的思想是先将一个反应器的实际体积等价地分为若干份，然后以单一的划分后的微元反应器为单位，计算单个微元反应器中CO的摩尔质量分数，然后对整体反应器进行累加，即逐渐增加反应器区域内的微元个数，同时计算不同微元个数情况下的CO摩尔质量分数。直至微元反应器的个数不再对整体的内部反应进程以及输出的结果造成影响，即CO的摩尔质量分数不再变化。此时，认定该体积的总和即为相应的特征区域的有效体积。在实际操作的过程中，延伸至了20个，防止在达到15个微元反应器时，有关出口的反应物浓度仍处在收敛状态，并未保持不变，增加了该方法对特征区域有效体积的检测范围，保障了反应器有效体积判断的准确性与严密性。

对于不发生化学反应的头部混合区和壁面冷却区，由于其内部发生的主要是蒸发和掺混过程，因此对于有效体积的要求并不苛刻，因此该区域不需要采用微元法对有效体积进一步确定，只需选择实际模型中对应反映区域的体积即可。对于主燃区以及回流区来说，这两个反应器内部主要发生了燃烧反应，因此需要采用微元法对该特征区域的有效体积进行确定。主燃区的微元反应器网络图如图6、回流区的微元反应器网络图如图7。

在作为参照的反应物的选择方面，由于其中燃烧反应十分强烈，CO反应速率较慢，并且含量相对较大，因此本发明选取CO的摩尔质量分数作为判断主燃区和回流区有效体积的大小的参照物。根据微元法原理，直至CO摩尔分数不会再随着反应器个数的增加而增加时，有效体积即确定。主燃区和回流区的CO分布如图8图9所示。

在变工况的过程中，燃烧室的结构特征不会发生变化，即上述计算的有效体积不会变化。但是反应器的有关驻留时间，其相关的影响参数，都是随着进口参数的变化而变化的。驻留时间(t_r)的大小是由混合物密度(ρ)、反应体积(V)和混合物质量流量

共同决定。计算公式如下：

因此，本发明根据已经计算出结果的几个工况点及其相对应的化学反应器网络模型，采用了牛顿插值多项式的方法，找出其他工况下，对应该工况的反应器驻留时间。

由线性代数可知，任何一个不高于n次的多项式，都可以表示函数1，(x-x₀)，(x-x₀)(x-x₁)，…，(x-x₀)(x-x₁)…(x-x_n-1)的线性组合。也就是说，可以把满足插值条件P(x_i)＝y_i(i＝0，1，…，n)的n次插值多项式写成如下形式：

P(x_i)＝a₀+a₁(x-x₀)+a₂(x-x₀)(x-x₁)+…+a_n(x-x₀)(x-x₁)...(x-x_n-1)

其中的a_n(n＝0,1,…,n)被称为待定系数，通过上述方法，对大量数据进行拟合的插值方法被称为牛顿(Newton)插值多项式。由于本发明所涉及的插值节点非等间距分布，因此在处引入差商这一概念。我们称[f(x_i)-f(x₀)]/(x_i-x₀)为差商，为函数f(x)关于点x₀，x₁的一阶差商(简称一阶差商)，记作f[x₀,x₁]，如

f[x₀，x₁]＝[f(x₁)-f(x₀)]/(x₁-x₀)

而关于已知一阶差商的差商记为二阶差商，如：

f[x₀，x_i1，x_i2]＝(f[x_i1，x_i2]-f[x_i0，X_i1])/(x_i2-x_i0)

在计算差商时，常采用表格(称为差商表)的形式：

差商表

可以得出满足差值条件的n次多项式为：

N_n(x)＝f(x₀)+f[x₀，x₁](x-x₀)

+f[x₀，x₁，x₂](x-x₀)(x-x₁)+…

+f[x₀，x₁，x₂，...，x_n](x-x₀)(x-x₁)…(x-x_n-1)

以此为根据，对原本未知的工况进行驻留时间的预测。利用通过FLUENT计算得到的典型工况计算数据，采用牛顿插值多项式的方法，以典型工况的驻留时间作为牛顿插值的参照点，对其他工况下的反应器驻留时间进行加密计算，计算拟合得图10、图11。再利用驻留时间、有效体积等这些参数设置后的化学反应器模型，对该工况下燃气轮机排放性能的预测计算，将整体的NO_x排放性-工况曲线进行加密，NO_x排放值与工况的关系如图12所示。

在相同工况条件下，燃气轮机燃烧室的燃空比不同，排放性能也不同。燃空比指的是在燃烧问题中，燃料与空气的混合比例。是影响燃气轮机的功率、排放性等参数的重要指标，是燃气轮机燃烧室的一个重要参数。因此，预测排放性能时，燃空比是一个不可忽略的重要因素。

本发明先针对某几个工况，预测燃空比的改变对NO_x排放的影响情况，为燃烧室排放性预测模型建立基础。

以三个工况(1.0工况、0.81工况、0.71工况)的进口条件为基准，改变其燃烧室燃油量，以达到改变其燃空比的目标。首先选择的是1.0工况，在标准1.0工况下，设置四个不同的燃空比，利用FLUENT对燃烧室进行三维数值模拟，对排放性进行预测，得出的NOx放指标如图13所示。

在此基础上，利用已经建立好的燃气轮机燃烧室模型中，对各特征区域的驻留时间进行确定，得出其与燃空比之间的关系如图14、图15所示。

利用牛顿插值二项式的方法对各特征区域的其他燃空比对应的驻留时间进行预测将已经预测好的PSR反应模型参数，在相应的燃空比下，利用化学反应器网络模型的方法，以Chemkin-Pro软件为工具，对不同燃空比条件进行排放性预测，得出的NO_x排放随燃空比的变化曲线图16所示。

随后以同样的方法继续对0.81以及0.71工况进口条件下的排放性进行预测。三个工况进口条件下NO_x排放随燃空比的变化曲线图17所示。

在已经计算得到的NO_x排放数值基础上，利用神经网络模型建立燃烧室排放性模型。本发明分别以燃空比和以工况为单位的燃烧室进口条件为x，y坐标，以NOx排放为z轴，将利用Chemkin-Pro预测出的不同工况下燃烧室排放值与相应的燃空比和工况进口条件，以样本的方式，输入到simulink中的Neural network中的input function中，然后以径向基神经网络对该模型进行训练，得出燃烧室其他工况、其他燃空比下对应的NO_x排放值，并对这些数据进行拟合处理，得到了如图18所示的燃烧室排放性预测模型。

Claims (3)

1.一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法，其特征是：

(1)对燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算；

(2)根据燃烧过程、温度分布及流场分析将燃烧室划分成头部混合区、主燃区、壁面冷却区、回流区和掺混区这五个特征区域；

(3)根据所划分的特征区域，对燃气轮机燃烧室进行化学反应器网络模型的建立；

(4)采用微元法对特征区域的有效体积进行确定；

(5)通过FLUENT计算得到典型工况计算数据，采用牛顿插值多项式的方法，以典型工况的驻留时间作为牛顿插值的参照点，对其他工况下的反应器驻留时间进行加密计算，再利用其相对应的化学反应器网络模型，通过有效体积与驻留时间对未知工况的NO_x性能进行预测。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法，其特征是：对燃烧室模型进行网格划分及数值模拟计算中，燃烧室包括燃油喷嘴、扩压器、旋流器、主燃孔、冷却孔、掺混孔和火焰管；对燃烧室的简化处理包括：将壳体简化为圆柱形，集气管简化为轴对称锥形；将火焰筒壁面的圆孔简化为方孔环槽。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室变工况排放性能预测方法，其特征是：所述采用微元法对特征区域的有效体积进行确定具体为：将反应器的实际体积等价地分为20份，以单一的划分后的微元反应器为单位，计算单个微元反应器中CO的摩尔质量分数，然后对整体反应器进行累加，即逐渐增加反应器区域内的微元个数，同时计算不同微元个数情况下的CO摩尔质量分数，直至微元反应器的个数不再对整体的内部反应进程以及输出的结果造成影响，即CO的摩尔质量分数不再变化，此时，该体积的总和为相应的特征区域的有效体积。

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