一種天然氣火炬式點火器及其補氧助燃分析

王寶瑞，王 巖，郭定坤，艾育華，趙瑋杰，于宗明，王 岳

(1.中國科學院輕型動力創新研究院,北京 100190；2.中國科學院先進能源動力重點實驗室(工程熱物理研究所)，北京 100190；3.中國科學院工程熱物理研究所先進燃氣輪機實驗室,北京 100190；4.中國科學院大學,北京 100049)

燃氣輪機啟動點火的穩定性是影響燃氣輪機運行的重要因素，點火不成功會導致燃氣輪機流通部件內發生燃料累積，可能會出現爆燃或者渦輪及其他部件內著火等問題，從而降低燃氣輪機的安全性和可靠性[1-2]。

火炬式點火器相當于一個微型的燃燒器，一般由電嘴點燃小流量的燃料，產生穩定的高溫燃氣火炬，由火炬點燃主燃燒室的燃料，具有點火能量大、可靠性高、快速啟動的特點，在燃氣輪機和航空發動機中得到了廣泛使用[3-5]。本文的某航改燃氣輪機采用了火炬式點火器，使用天然氣作為點火燃料。為了提高點火穩定性，該點火器使用了等離子體電嘴代替普通電嘴，等離子體技術使可燃混合物溫度升高到著火點以上，并產生大量活性粒子來改善燃料的燃燒特性，從而提高點火器的可靠性和燃燒穩定性[6-7]，但是等離子體電嘴產生的射流與燃料和空氣流場存在流場匹配性問題[8]。另外點火器內部結構影響點火性能，良好的內部結構會使燃料分布更加均勻，拓寬點火極限。補氧能夠改善點火性能，金如山研究了補氧對油氣混合點火器的火焰熄火邊界的影響，結果表明補氧降低了最小點火能量，拓寬了熄火邊界[9]。燃料類型也會影響點火性能[10]，本文點火器使用天然氣燃料，對于天然氣燃料的點火器，其與油燃料點火器的不同以及補氧對點火性能的影響，相關文獻較少。

天然氣火炬式點火器在試驗初期未能點火成功，經分析原因是點火器自身沒有著火，從而導致點火失敗。通過數值仿真研究點火器內部的冷態流場，并搭建實驗臺進一步分析外界條件對點火的影響，得到點火特性及穩定的點火條件。同時為了適應機組多燃料點火以及機組試驗期間更高的點火穩定性要求，研究了補氧點火的特性。

1 點火器結構及特點

某航改燃氣輪機的點火器整體為Y型結構。如圖1所示，頂部兩側為等離子體電嘴和天然氣噴嘴，空氣從正前方和兩側的氣孔通入，正前方通入的空氣有擋板進行導流，這樣有利于形成環流防止點火器預燃室的外壁過熱，同時避免射流影響火焰穩定，從兩側切向通入的空氣能夠使預燃室內的天然氣和空氣均勻混合。

圖1 點火器整體結構

等離子體點火電嘴的工作方式為短時間重復式高能等離子體脈沖點火，電弧的脈沖頻率為2～3 Hz，每次點火持續時間為30 s，點火能量大于2 J。點火器利用等離子體將預燃室內的天然氣和空氣點燃形成火炬，產生的火炬進一步點燃燃燒室的燃料。這種點火方式的好處有：(1) 等離子電嘴較常規電嘴有更大的點火范圍且點火更加穩定[11]；(2) 在預燃室內更易產生穩定的火炬，火炬有較大的點火能量，能夠點燃較難著火的混合氣流。

火炬式點火器的工作點最好在偏富燃的狀態，其主要作用是在火炬自身攜帶熱能的同時，過量燃料能夠繼續助燃，從而強化點火性能。點火器的流場組織應使等離子體與燃料、空氣流動形成最佳的流場匹配，避免因整體過富造成點火區局部當量比過高以及燃料、空氣擾動等離子體射流而出現流場匹配性問題。

2 預燃室冷態流場分析

對冷態流場進行分析可以更好了解點火器的流場以及組分分布特性，并為實驗提供參考。火炬式點火器模型如圖2(a)所示，其空氣的正向進口直徑為7 mm，切向進口直徑為4 mm，天然氣進口直徑為7 mm。由于研究冷態流場特性未涉及點火過程，簡化了等離子體電嘴。使用ICEM CFD對它進行網格劃分，本算例主流區結構簡單，且為冷態計算，采用網格數為40萬、88萬和192萬的模型進行試驗，通過計算發現當網格數高于88萬時，計算域流場不再隨網格數的增加而變化。在考慮網格質量和計算資源的前提下，確定網格劃分尺度，如圖2(b)所示，計算網格節點數在88萬。算例使用的湍流模型為k-epsilon模型，采用定常計算。冷態流場仿真分析的邊界條件為：正向進入的空氣流量為20 L/min,切向進入的空氣流量為20 L/min,天然氣流量為2.5 L/min、5 L/min、12 L/min和40 L/min,當量比為0.58、1.16、5.82、9.31，分別對應不同的點火工況。一般燃氣輪機點火狀態下接近常壓，因此進氣壓力取1個大氣壓。

(a) 前視圖

圖3為空氣正向入口方向的天然氣濃度場截面，從預燃室正向進入的空氣由于擋板的作用形成了環流，最外側的環流主要為空氣，能夠起到冷卻預燃室外壁的作用，同時也為燃料點火提供氧氣，這種結構的設計可以拓寬點火區間，同時延長點火器的壽命。正向進入的空氣流量過大會使后方流場出現天然氣濃度分層現象，與進口同側的天然氣濃度明顯高于另一側的濃度，這樣會引起壁溫不均，影響點火器的壽命。

圖3 空氣正向入口的天然氣濃度場截面

為了使點火器產生較長的火炬，通常通入過量天然氣使預燃室處于富燃狀態，但天然氣過量可能會造成點火失敗。圖4為天然氣入口方向的濃度場截面，當天然氣流量為2.5 L/min時，預燃室未處于富燃狀態且電嘴處的天然氣濃度較小，沒有達到可點燃的當量比，不具備點火條件。天然氣流量為5 L/min和12 L/min時，預燃室內處于富燃狀態，因而聯焰管內存在天然氣，這部分天然氣在點火成功后會形成較長的火炬進一步點燃火焰筒的燃料，同時電嘴局部處于合適的當量比區間以實現點火。天然氣流量為40 L/min時，當量比過高導致電嘴難以點火成功，這也是ET20燃氣輪機點火失敗的原因。因此在點火過程中既要確保整體處于富燃狀態，又要防止等離子體電嘴處當量比過高造成點火失敗。

圖4 天然氣入口截面的天然氣濃度場

3 點火實驗及分析

3.1 點火實驗裝置

為了分析點火器的點火規律并得到穩定點火的工況點，搭建一個如圖5所示的小型實驗臺。實驗臺通過改變天然氣、空氣和氧氣流量來觀察燃燒狀態并得出點火區間。實驗使用控制變量法，研究保持其他變量不變一個變量對點火的影響。在實驗過程中，為了觀測火炬的高度和穩定程度，點火器未連接聯焰管。

圖5 小型點火實驗臺

實驗的工況范圍如表1所示。燃氣輪機實際運行中氣體流量是通過壓力表來控制的。由于啟動狀態下壓差很小，現場不易準確測量且無法獲得實際進入點火器的流量，所以對流量進行標定得到壓力和流量的準確關系。標定過程使用U形管壓力計，圖6(a)至6(c)為在小型實驗臺進行的標定實驗，R2為曲線的擬合程度。按照伯努利定律，壓差和流量成二次關系，圖中可以看出標定曲線都符合二次關系，且相關系數全部高于0.999，因此標定方法準確可行。實驗及現場都是通過控制閥門來調節壓力表示數以控制氣體流量。

表1 實驗工況表

(a) 空氣壓力流量曲線

從標定結果來看，在不加節流措施的情況下氧氣和天然氣在低壓力下已達到較高流量，由于存在背壓波動，非常不便于控制。根據此試驗結果提出了流路節流要求。

3.2 點火邊界及燃燒現象

燃料對點火過程有重要的影響，對油燃料來說，燃油的物理性質影響到燃油的霧化和蒸發，其最小點火能量一般隨燃油揮發性的變差、表面張力增加和粘性的增大而增大。使用天然氣作為點火燃料不存在霧化和蒸發的問題，燃料與空氣易于摻混，理論上有利于實現點火。實驗觀察了點火器的不同火炬的典型形態，本文分別命名為內火、穩定火焰和外火。如圖7所示，圖7(a)為預燃室內形成內火，出現的原因為天然氣流量過低，點火器處于貧燃狀態，雖然成功點火，但是未形成較長火炬，點火能量不足；圖7(b)為火炬的正常狀態，點火器處于富燃狀態，此時火炬穩定，不易受外界影響且有較高的總能量；圖7(c)相對于圖7(b)狀態的當量比更高，天然氣流量過大導致內部當量比高難以點火，初始狀態的火焰蔓延到預燃室外，與外部空氣接觸后形成火炬，沿噴嘴呈環形分布且抖動劇烈，在實驗時外部的擾動如吹氣即可使火炬熄滅。因此設計點火工況須要避免內火和外火兩種工況。

圖7 不同火炬形態

圖8為使用燃油和天然氣的點火邊界，控制其他因素保持一致，使當量比為主要變量。典型的油燃料火炬式點火器，其燃油邊界極限由金如山[9]所得，作為對照和參考。天然氣點火邊界由本文搭建的實驗臺所得，由于試驗條件限制以及實際點火中空氣速度不會過高,未進行速度高于25 m/s的實驗。為了能夠與燃油方式的點火邊界對比，用假想虛線閉合曲線。

圖8 不同燃料的點火邊界極限

隨著空氣流速的增加，點火區間變化趨勢是逐漸變窄，其原因是空氣流速增大使點火區對流散熱增加，因此需要更大的能量來補償這部分損失[12]，同時流速高意味著火焰停留時間變短，這不利于點火成功。在確保能夠穩定點火的前提下使空氣流速降低可以拓寬點火區間。

空氣流速在4～10 m/s時，兩種方式的點火區間的當量比寬度大體一致，但油燃料整體當量比偏高，其原因是燃油由于存在霧化和蒸發過程，因此有效當量比低，所以對應的點火邊界高于天然氣的點火邊界。油燃料在富燃狀態下存在積油等安全性問題，因此低速區選用天然氣點火更有優勢。如圖8中豎直虛線所示，富燃側存在一個12 m/s左右的特征速度，天然氣燃料點火器在低于該速度下點火邊界較低，高于該速度則點火邊界較高。隨著速度增加，燃油的點火邊界降低的速率更快，點火區間明顯變窄，此時工況的不穩定極有可能引起點火失敗。流速高于20 m/s時，使用燃油已經不能實現點火，而天然氣仍然有較大的點火區間。總體來看，ET20燃氣輪機使用天然氣作為點火燃料具有較大的優勢。

研究空氣和天然氣流量對火炬的影響有利于指導實際過程中工況的調節。圖9為固定空氣流量，火炬隨天然氣流量的變化。當天然氣流量為5 L/min時，燃燒過程大部分都發生在點火器內，僅在點火器外有很小的火苗，不能滿足形成火炬的需求。流量增大時，點火器內的天然氣未完全燃燒，火苗逐漸增大形成火炬。當天然氣流量增大到11 L/min時，預燃室外產生了穩定且較長的火炬，此時能夠滿足火焰筒內燃料的點火需求。天然氣流量繼續增大時，火炬發生劇烈抖動且易吹熄，所以此時的流量增大是不必要的。當固定天然氣流量時，隨著空氣流量的增加，火炬高度降低。同時空氣增多使預燃室內的反應更加充分，火焰溫度升高使火炬有更高的點火能量，但是空氣流速過快會使點火區間變窄，同時氣體燃料的燃燒溫度已經很高，不必要求更高溫度，因此在實際點火過程中，空氣流速一般控制在較低的水平。空氣和天然氣流量對火炬的影響是當量比越高，火炬越高。

圖9 火炬隨天然氣流量的變化

3.3 補氧助燃分析

通過上述實驗得到了不補氧狀態下點火器的點火邊界和點火規律，在實際的燃氣輪機運行中，工況點的變化(空氣和天然氣流量不穩定、外部空氣狀態隨環境變化等)會影響點火，尤其在機組試驗和調試過程中，存在更多的不確定因素。為了提高安全性和穩定性，本文增加了補氧燃燒的助燃方式，進一步提高點火器的可靠性。

首先觀測了不同氧氣流量下的火炬狀態。固定空氣流量為51.45 L/min，天然氣流量為8 L/min，隨氧氣流量的變化如圖10所示。氧氣流量從4 L/min到14 L/min的過程中，火炬的高度沒有發生明顯變化，但氧氣流量較低時，火炬稍微有些抖動，流量增大后，火炬噴射速度增大且抖動明顯減小，因此在補氧過程中，氧氣流量可以在最小補氧量的基礎上適當增加。

圖10 火炬隨氧氣流量的變化

實驗研究了在不同補氧比下的點火邊界。圖11為不同補氧量的點火邊界曲線。圖11中，Q為補氧量，縱坐標為當量比，橫坐標為空氣流速，速度大于25 m/s的工況點未進行實驗，同時補氧助燃時天然氣流量過低，設備讀數精度不夠，因此圖中使用虛線使其閉合，虛線為假想趨勢線，作為定性參考。補氧下的富燃邊界線顯著的擴展，補氧量越大，拓寬效果越明顯。富燃點火邊界比貧燃點火邊界擴展要多，這是因為貧燃狀態下，氧氣已經過量，其主要起助燃作用，而在富燃狀態下，氧氣不僅可以降低最小點火能量，而且可以充當反應物使更多天然氣燃燒，因此其富燃邊界擴展更多。為了與燃油補氧的點火方式作比較[9]，將縱坐標改為當量比的倒數，對比如圖12所示。圖12中，Q為補氧量，縱坐標φ-1為當量比的倒數，橫坐標為空氣流速，使用補氧的燃油點火區間明顯寬于不補氧的燃油點火區間，最高點火速度也有所增加，但點火火團內燃油的蒸發程度對成功點火及點火邊界的寬窄有重大影響，其點火性能依然比天然氣的差，天然氣在氣流的擾動下可以在短時間內均勻地擴散，補氧能夠進一步提高其點火穩定性，因此ET20燃氣輪機的點火方式有很大的優勢。

圖11 不同補氧量的點火邊界線

圖12 不同點火方式的點火邊界線

研究最小補氧量既能節省助燃成本，又能保證點火器的安全性。如圖13所示，在實驗區間內最小補氧量與空氣流量近似線性關系，保持天然氣流量QCH4不變，空氣流量增大的過程中，預燃室內氣流擾動增大，最小點火能量增加使點火困難，此時需要更多的氧氣降低點火能量。在固定空氣流量下，在天然氣流量增大過程中，最小補氧量的曲線日趨平緩，說明天然氣流量增加不需要相應比例的補氧量增加，這也證明了氧氣主要作用是助燃，而不是參與反應。通過以上分析可得，在調節空氣或天然氣流量的過程中，須要改變補氧量，否則可能導致點火失敗。值得注意的是，以上結論僅適用于實驗所做的工況范圍，當空氣或者天然氣流量過大時，最小點火能量急劇增加，此時即使增加補氧量，也難以點火成功。

(a) 固定天然氣流量的最小補氧量

點火器處于富燃狀態時，主要分析氧氣對富燃邊界的拓寬能力。圖14為點火區間隨補氧比的變化，其中縱坐標補氧比為通入氧氣量與空氣中的氧氣之比，橫坐標為當量比，為了與未采取補氧措施的點火器進行對比，圖中當量比未計入氧氣項。傳統上按照點火邊界來分區，本文對富燃著火極限進行了更深入的研究，將富燃著火極限進行了更細致的分區，點火區間總共為5個區間：貧油未燃區、穩定點火區、吹熄區、不穩定著火區和富油未燃區。其中吹熄區為前文所述的外火狀態，點火器能著火但易吹熄；不穩定著火區為低于點火概率80%，但仍可能著火的區域，該區域在富燃邊界外具有明顯的寬度；不穩定著火區外是完全意義的富油未燃區。從貧燃極限的變化趨勢可得，補氧略微拓寬了貧燃邊界，但是拓寬效果不明顯，本文不對貧燃邊界做深入研究。補氧比為0時即為不加助燃措施的燃燒狀況。從富燃極限曲線可得，補氧比越大，富燃邊界拓寬越明顯，證明補氧可用于拓寬點火區間。吹熄區間隨著補氧比增加而減小，當補氧比達到約0.15時，不再出現吹熄現象，說明補氧可以有效防止外界因素對點火造成干擾，使點火更穩定。雖然加入更多的氧氣可以使最小點火能量減少，但是如果氧氣過多會使實際總當量比過小，這樣又會使最小點火能量增大，同時補氧燃燒可能造成局部溫度過高，影響點火器壽命，因此要適當控制好補氧量。在燃氣輪機上補氧后一般控制在總含氧量在50%以下，補氧是改善點火的。

圖14 點火區間隨補氧比的變化

富燃極限細分點火區間的研究結果，在以往文獻中未見報道，該研究有助于深化對點火問題的理解。

4 實際運行成果

依據實驗獲取的點火器特性進行了燃氣輪機現場試驗。實際安裝兩個點火器，安裝照片如圖15所示。根據前期試驗結果，現場的氣體管路(燃料噴嘴和供氧管路)采用節流措施使壓力升高，以防止外界的小壓力波動使流量不穩定，節流后在現場進行了重新的流量標定。圖16為在燃氣輪機運行現場對天然氣和氧氣的標定的結果。點火器通入的空氣流量核算為51.45 L/min(對應流速為10 m/s)。工況點選取原則是確保位于富燃區且距點火邊界一定距離。氧氣流量選擇稍高于最小補氧量，在起到確定助燃作用的同時，兼顧安全性。選取的工況點如表2所示，補氧工況點相對不補氧工況點，當量比提高了約一倍，即使考慮了氧氣項的總當量比也大大高于不補氧的當量比。

圖15 點火器現場安裝圖

(a) 天然氣-壓力流量曲線

表2 設計工況點

本文的點火器首先在燃氣發生器上進行了試驗，試驗階段燃氣發生器主燃料為天然氣燃料。圖17為燃氣發生器首次成功點火照片，工況點采用了補氧設計點2。其他工況點經試驗均能點火成功。此次點火成功為后續燃氣輪機試驗打下了堅實基礎。

圖17 燃氣發生器首次成功點火

燃氣輪機整機試驗中，因試驗需要采用了輕柴油燃料，仍使用本文的天然氣燃料點火器。改用新燃料后點火器分別經歷了燃氣發生器試驗和燃氣輪機整機實驗。圖18為燃氣發生器的點火啟動特性曲線，啟動過程平穩。圖19為燃氣輪機整機試驗現場。通過本文補氧改造后的點火器在設計工況點下先后在燃氣發生器和整機試驗中分別成功點燃。

圖19 燃氣輪機整機試驗現場

5 結論

本文研究了帶有等離子體電嘴的天然氣火炬式點火器及其補氧條件下的點火性能，根據研究結果對點火器提出了流路節流改進要求，設計了點火條件并最終解決了燃氣輪機的點火問題。其主要結論如下：

(1) 研究了天然氣燃料點火與早期油燃料點火的不同。天然氣作為點火燃料可以極大改善點火性能，相對于油燃料，使用天然氣能在更高流速下點火。天然氣擁有更低當量比的貧燃點火極限，在富燃側存在一個特征速度，天然氣燃料點火器在低于該速度下點火邊界較低，高于該速度則點火邊界較高。

(2) 研究了空氣和天然氣流量對點火的影響及選取準則。點火器火炬高度隨空氣流量增加而降低，隨天然氣流量增加而升高。在保證點火器穩定燃燒的前提下，采用較低的空氣流量能夠擁有更大的點火區間，采用更高的當量比能夠使富燃狀態的點火器形成較長的火炬并有利于點火。

(3) 研究了補氧對點火條件的拓寬。定量給出了最小補氧量與空氣和天然氣流量的關系，并給出了富氧側點火區間的細分特性。通過補氧可以提高燃燒穩定性，拓寬點火邊界，防止其他因素使火炬熄滅,設計的補氧工況點相對不補氧工況點當量比提高了約一倍，點火效果良好。

本文使用數值計算對此類型點火器的點火規律及冷態流場分布進行研究，在此基礎上通過實驗研究點火器的點火特性，并通過補氧進一步提高點火穩定性，最終解決了點火器的問題。