本發(fā)明涉及燃燒室設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、燃?xì)廨啓C(jī)作為一種高效的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、油氣輸送管線、分布式能源、海洋作業(yè)平臺(tái)、船舶動(dòng)力以及航空航天等領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三大核心部件組成。其中，燃燒室作為燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接決定了燃?xì)廨啓C(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性。隨著排放要求的不斷提高，高效、低污染的燃燒室設(shè)計(jì)已成為燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的最重要方向。提高燃燒室效率的最直接方法是提高燃燒室出口溫度，然而，過(guò)高的出口溫度會(huì)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量氮氧化物(nox)等污染氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。

2、因此，如何在小且短的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低工況下可靠點(diǎn)火聯(lián)焰和高效燃燒、全工況下高效穩(wěn)定燃燒、污染物排放控制、低冷卻空氣量下壁面熱防護(hù)以及出口溫度場(chǎng)場(chǎng)品質(zhì)等多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供了一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織方法，包括：

4、低阻配氣步驟，包括令旋流通道傾斜布置，使得在相同旋流強(qiáng)度條件下總壓損失處于預(yù)設(shè)臨界范圍內(nèi)，并使得頭部出口氣流速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苑阑鼗穑?/p>

5、快速預(yù)混步驟，包括提高燃料空氣對(duì)流摻混及擴(kuò)散摻混的強(qiáng)度；

6、寬邊界濃差分級(jí)燃燒步驟，包括通過(guò)同軸燃料/空氣分級(jí)、兩極旋流軸向錯(cuò)位布置，使級(jí)間火焰鋒面重疊，獲得寬工況下兩級(jí)火焰穩(wěn)定聯(lián)焰；

7、防燃料外逸分級(jí)燃燒步驟，包括調(diào)整第一級(jí)和第二級(jí)旋流數(shù)比例，利用空氣分級(jí)剪切層卷吸渦防止燃料外逸；

8、近壁面流線控制步驟，包括通過(guò)近壁面流線控制來(lái)消除燃燒室近壁面駐渦；

9、特征區(qū)域污染物預(yù)測(cè)與抑制步驟，包括基于特征區(qū)域污染物預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)污染物空間生成機(jī)理辨識(shí)與針對(duì)性抑制；

10、出口溫度分布調(diào)控步驟，包括通過(guò)隔熱屏型面控制、旋流角與斜徑向角控制，消除燃燒室內(nèi)駐渦，抑制熱斑；

11、頭部縮放/加減級(jí)適配步驟，包括根據(jù)燃燒室功率等級(jí)，確定對(duì)應(yīng)的燃燒室頭部尺寸以及燃燒室分級(jí)數(shù)。

12、優(yōu)選地，所述低阻配氣步驟包括：

13、在旋流器徑向尺寸一定的情況下，使旋流器輪轂前緣布置在根據(jù)頭部最大半徑確定的單位圓上，并確定旋流通道的傾斜角度或傾斜角度范圍，使得在相同旋流強(qiáng)度條件下總壓損失達(dá)到最小或最小范圍；

14、確定旋流葉片安裝角度或者角度范圍，避免氣流在旋流葉片表面發(fā)生大分離形成駐渦。

15、優(yōu)選地，快速預(yù)混步驟包括：

16、將燃料噴射動(dòng)量比優(yōu)化至預(yù)設(shè)范圍；

17、在葉片預(yù)定位置布置燃料噴孔；

18、通過(guò)調(diào)控?fù)交於螝鈩?dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加燃料噴孔下游速度梯度擾動(dòng)；

19、通過(guò)調(diào)控葉片的幾何型面引導(dǎo)燃料進(jìn)入尾跡渦區(qū)域強(qiáng)化擴(kuò)散；

20、采用兩級(jí)預(yù)混級(jí)錯(cuò)位布置，利用第一級(jí)出口強(qiáng)剪切氣流強(qiáng)化第二級(jí)預(yù)混通道內(nèi)的燃料對(duì)流摻混。

21、優(yōu)選地，寬邊界濃差分級(jí)燃燒步驟包括：根據(jù)燃燒效率指標(biāo)、污染物排放指標(biāo)、出口溫度分布指標(biāo)，確定不同工況下，第一級(jí)和第二級(jí)的燃料當(dāng)量比；

22、通過(guò)兩級(jí)旋流軸向錯(cuò)位布置實(shí)現(xiàn)兩級(jí)流線在回流區(qū)邊緣的火焰鋒面位置高度重合。

23、優(yōu)選地，近壁面流線控制步驟包括：

24、確定旋流器出口剪切層擴(kuò)張角或擴(kuò)張角范圍，使得剪切層與壁面邊界之間的壓力梯度達(dá)到最小或最小范圍；

25、采用拋物線形旋成隔熱屏，使得回流區(qū)擴(kuò)張段外的剪切層近似按等通流面積流動(dòng)；

26、采用無(wú)擾流火焰筒筒體內(nèi)壁面，在火焰筒壁面密布多斜孔進(jìn)行壁面冷卻。

27、優(yōu)選地，特征區(qū)域污染物預(yù)測(cè)與抑制步驟包括：

28、采用化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)法對(duì)燃燒室內(nèi)部進(jìn)行特征區(qū)域劃分，將燃燒過(guò)程分解為多個(gè)具有物理和化學(xué)特性的反應(yīng)器單元，以獲得由多個(gè)反應(yīng)器單元構(gòu)成的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型，作為污染物生成與預(yù)測(cè)模型；

29、利用所述污染物生成與預(yù)測(cè)模型，模擬燃燒室污染物的空間分布信息，確定污染物的生成機(jī)理，通過(guò)調(diào)整燃燒參數(shù)實(shí)現(xiàn)污染物的抑制和/或調(diào)控。

30、優(yōu)選地，所述出口溫度分布調(diào)控步驟中，通過(guò)隔熱屏型面控制、旋流角與斜徑向角控制包括：

31、令冷卻空氣按需分配，使得旋流角和斜徑向角等旋流，對(duì)隔熱屏型面、火焰筒筒體型面、火焰筒過(guò)渡段型面進(jìn)行型面調(diào)控。

32、第二方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

33、低阻配氣模塊，被配置用于令旋流通道傾斜布置，使得在相同旋流強(qiáng)度條件下總壓損失處于預(yù)設(shè)臨界范圍內(nèi)，并使得頭部出口氣流速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苑阑鼗穑?/p>

34、快速預(yù)混模塊，被配置用于提高燃料空氣對(duì)流摻混及擴(kuò)散摻混的強(qiáng)度；

35、寬邊界濃差分級(jí)燃燒模塊，被配置用于通過(guò)同軸燃料/空氣分級(jí)、兩極旋流軸向錯(cuò)位布置，使級(jí)間火焰鋒面重疊，獲得寬工況下兩級(jí)火焰穩(wěn)定聯(lián)焰；

36、防燃料外逸分級(jí)燃燒模塊，被配置用于調(diào)整第一級(jí)和第二級(jí)旋流數(shù)比例，利用空氣分級(jí)剪切層卷吸渦，防止燃料外逸；

37、近壁面流線控制模塊，被配置用于通過(guò)火焰筒錐體、筒體和過(guò)渡段的近壁面流線控制，消除燃燒室近壁面駐渦，實(shí)現(xiàn)低冷卻空氣量下燃燒室壁面溫度控制；

38、特征區(qū)域污染物預(yù)測(cè)與抑制模塊，被配置用于基于特征區(qū)域污染物預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)污染物空間生成機(jī)理辨識(shí)與針對(duì)性抑制；

39、出口溫度分布調(diào)控模塊，被配置用于通過(guò)隔熱屏型面控制、旋流角與斜徑向角控制，消除燃燒室內(nèi)駐渦，抑制熱斑生成；

40、頭部縮放/加減級(jí)適配模塊，被配置用于根據(jù)燃燒室功率等級(jí)，確定對(duì)應(yīng)的燃燒室頭部尺寸以及燃燒室分級(jí)數(shù)。

41、優(yōu)選地，所述低阻配氣模塊被配置用于：

42、在旋流器徑向尺寸一定的情況下，使旋流器輪轂前緣布置在根據(jù)頭部最大半徑確定的單位圓上，并確定旋流通道的傾斜角度或傾斜角度范圍，使得在相同旋流強(qiáng)度條件下總壓損失達(dá)到最小或最小范圍；確定旋流葉片安裝角度或者角度范圍，避免氣流在旋流葉片表面發(fā)生大分離形成駐渦。

43、優(yōu)選地，快速預(yù)混模塊被配置用于：

44、將燃料噴射動(dòng)量比優(yōu)化至預(yù)設(shè)范圍；在葉片預(yù)定位置布置燃料噴孔；通過(guò)調(diào)控?fù)交於螝鈩?dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加燃料噴孔下游速度梯度擾動(dòng)；通過(guò)調(diào)控葉片的幾何型面引導(dǎo)燃料進(jìn)入尾跡渦區(qū)域強(qiáng)化擴(kuò)散；采用兩級(jí)預(yù)混級(jí)錯(cuò)位布置，利用第一級(jí)出口強(qiáng)剪切氣流強(qiáng)化第二級(jí)預(yù)混通道內(nèi)的燃料對(duì)流摻混。

45、第三方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的低阻配氣方法，低阻配氣方法包括：令旋流通道傾斜布置，使得在相同旋流強(qiáng)度條件下總壓損失處于預(yù)設(shè)臨界范圍內(nèi)，并使得頭部出口氣流速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苑阑鼗稹?/p>

46、第四方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的快速預(yù)混方法，快速預(yù)混方法包括：提高燃料空氣對(duì)流摻混及擴(kuò)散摻混的強(qiáng)度，利用尾跡渦擴(kuò)散增強(qiáng)摻混。

47、第五方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的寬邊界濃差分級(jí)燃燒方法，寬邊界濃差分級(jí)燃燒包括：寬邊界濃差分級(jí)燃燒方法，包括通過(guò)同軸燃料/空氣分級(jí)、兩極旋流軸向錯(cuò)位布置，使級(jí)間火焰鋒面重疊，獲得寬工況下兩級(jí)火焰穩(wěn)定聯(lián)焰。

48、第六方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的防燃料外逸分級(jí)燃燒方法，防燃料外逸分級(jí)燃燒方法包括：防燃料外逸分級(jí)燃燒步驟，包括調(diào)整第一級(jí)和第二級(jí)旋流數(shù)比例，利用空氣分級(jí)剪切層卷吸渦防止燃料外逸。

49、第七方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的近壁面流線控制方法，近壁面流線控制方法包括：通過(guò)近壁面流線控制來(lái)消除燃燒室近壁面駐渦。

50、第八方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的出口溫度分布調(diào)控方法，出口溫度分布調(diào)控方法包括：通過(guò)隔熱屏型面控制、旋流角與斜徑向角控制，消除燃燒室內(nèi)駐渦，抑制熱斑。

51、第九方面，本發(fā)明提供一種天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室低污染燃燒組織的頭部縮放/加減級(jí)適配方法，頭部縮放/加減級(jí)適配方法包括：根據(jù)燃燒室功率等級(jí)，確定對(duì)應(yīng)的燃燒室頭部尺寸以及燃燒室分級(jí)數(shù)。

52、本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：

53、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以在保證旋流強(qiáng)度的前提下，顯著降低頭部流動(dòng)阻力損失，防止回火，并提高燃燒室效率。

54、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以采用多級(jí)摻混通道設(shè)計(jì)，提高燃料與空氣的對(duì)流和擴(kuò)散摻混速率，在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的均勻混合，確保燃燒過(guò)程的高效性和穩(wěn)定性。

55、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)優(yōu)化燃燒室頭部結(jié)構(gòu)，用極限流線分析法，辨識(shí)壁面處是否存在流線分離，通過(guò)調(diào)整壁面結(jié)構(gòu)造型、引入流體射流等措施進(jìn)行近壁面流線控制消除駐渦，有效抑制近壁面熱斑生成，延長(zhǎng)燃燒室壽命。

56、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以采用化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)法對(duì)燃燒室進(jìn)行特征區(qū)域劃分，構(gòu)建污染物生成預(yù)測(cè)模型。針對(duì)性地調(diào)整燃燒參數(shù)，實(shí)現(xiàn)污染物的抑制和調(diào)控。

57、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以采用旋流角和斜徑向角、隔熱屏型面、火焰筒筒體型面、火焰筒過(guò)渡段型面控制等方式消除駐渦，抑制熱斑生成，調(diào)控燃燒室出口溫度場(chǎng)品質(zhì)，延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪的使用壽命。

58、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以采用頭部縮放/加減級(jí)將天然氣燃燒室頭部結(jié)構(gòu)適配不同功率等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，縮短了天然氣燃?xì)廨啓C(jī)的研制周期，降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室研制成本。