引言氢燃料燃气轮机具有功率密度大、运行灵活、启动快、产品开发周期短等优点，可以被广泛应用于电网调峰、分布式能源供给、多能互补、节能减排、交通运输等领域，研究氢燃料燃气轮机有助于实现氢能的大规模应用。面向绿色能源市场，燃气轮机燃料从天然气向氢气转换是必然发展趋势[1-2]。相关领域的研究主要以天然气掺混氢气逐步完成天然气向氢气的过渡，研究天然气氢气混合燃料的燃烧特性有助于实现现有天然气机组改造，兼容天然气氢气混合燃料。不同类型的燃气轮机所能承受的燃料中氢含量不同，重型燃气轮机的燃料掺混氢气比例可达30％~50％，工业燃气轮机的燃料掺混氢气比例可达50％~70％，各燃气轮机厂商会根据应用场景的特点评估贫预混系统的适用性。通用电气公司(GE)在HA级燃气轮机上采用了针对高氢极低NOx排放开发的微管预混燃烧技术DLN2.6e[3-4]；西门子结合先进的贫预混头部喷嘴和分布式燃烧系统(DCS)，突破高氢低污染燃烧的挑战[3-4]；三菱重工采用基于LDI设计理念的多簇燃烧器[5]；安萨尔多[6]和川崎重工[7]分别采用顺序燃烧和微混结构开发了氢气低污染燃烧室。氢气燃烧面临回火、燃烧振荡等技术的挑战以及氢气尚未实现规模供应，各项研制计划均处于探索和试验阶段，为我国自主开发氢燃气轮机产品提供了机遇，需要充分利用窗口期开发产品，助力“双碳”目标的实现，保障能源领域核心装备自主可控。有关天然气掺混氢气混合燃料燃烧特性的研究主要集中在常压和实验室火焰方面[8]。对燃气轮机实际工况下的燃烧特性规律的研究较少，亟待进一步研究。1研究对象及方法1.1研究对象某型号天然气燃气轮机低污染燃烧室简化模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F001图1某型号天然气燃气轮机低污染燃烧室简化模型设计工况下，扩散燃烧的值班燃料未启用，燃烧室主要为主燃级运行，采用全预混模式。燃烧室燃料由天然气变为天然气和氢气的混合燃料时，需要观察喷嘴主燃机能否安全运行，确定设计工况和结构优化方案。设计基础数据包括混合燃料的火焰燃烧温度和火焰传播速度，探究可满足排放要求的最优当量比和防止回火的临界设计流速。以一维层流预混火焰模型为研究对象，研究本征特性。1.2研究方法为了探究燃气轮机工况条件下层流预混火焰的燃烧特性，使用Chemkin软件中PREMIX模型进行数值计算。2计算模型及工况条件2.1物理模型一维层流预混火焰的本质为爆燃波的传播，混合物在波前波后发生速度、温度、压力和密度的变化，过程模拟具有成熟的理论模型[9-10]。一维层流预混火焰的物理模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F002图2一维层流预混火焰的物理模型由图2可知，燃料与空气的均匀混合物在火焰锋面处发生化学反应。上游为未发生燃烧的均匀来流，温度、压力和密度分别为Tu、Pu、ρu，速度为uu；火焰锋面下游均匀流动，温度、压力和密度分别为Tb、Pb、ρb，速度为ub。结合火焰结构定义传播过程，分为3种方式。一维层流预混火焰结构[11]如图3所示。图3一维层流预混火焰结构10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F3a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F3a3图3（a）中的火焰面被简化为间断面，无厚度，火焰面处的参数变化不连续；图3（b）将火焰分为预热区和反应区，加入了有厚度的预热区；图3（c）描述的火焰结构模型更精细，火焰反应区也具有一定厚度，但远小于火焰厚度。2.2计算模型层流预混火焰模型基于Kee[12]等的PREMIX模型实现。连续性方程为：m˙=ρuA (1)式中：m˙——质量流率；u、ρ——混合气流的速度、密度；A——混合气体流动横截面积比，默认为1。能量方程为：m˙dTdx-1CpddxλAdTdx+ACp∑k=1KρYkVkCp,kdTdx+ACp∑k=1Kω˙khkWk+q⃛=0 (2)式中：T——温度；Cp——混合气体的定压比热容，J/(kg·℃)；λ——混合气体导热系数；Yk、Vk——第k种组分的质量分数、扩散速率；Cp,k——第k种组分的定压比热容，J/(kg·℃)；ω˙k——单位体积内第k种组分的化学反应生成摩尔速率；hk、Wk——第k种组分的焓、摩尔质量；q⃛——辐射热损失。组分方程为：m˙dYkdx+ddxρAYkVk-Aω˙kWk=0,  k=1,…,K (3)状态方程为：ρ=PW¯RnT (4)式中：P——混合气体的压力，MPa；W¯——混合气体的平均摩尔质量。一维层流预混自由传播火焰模型中，火焰传播速度为未燃气体侧的火焰传播速度。m˙=ρSLA (5)式中：SL——一维层流火焰传播速度。控制方程求解时，通过一维层流预混自由传播火焰模型中未燃气体侧的火焰传播速度作为补充条件。计算时设定流场中某个点的温度为定值，求解m˙，根据式(5)对SL进行求解。2.3化学反应机理选取工业中常用的GRI-Mech 3.0机理进行数值分析工作，涉及化学、热力学和输运特性数据文件，包含C、H、O、N和Ar共5种元素，53种组分和325个基元反应，可用于分析甲烷、氢气以及氮氧化物的生成。GRI-Mech 3.0机理使用600 K及以下温度的甲烷层流火焰传播速度试验数据进行了优化。机理验证过程，文献[13]将基于GRI-Mech 3.0机理的计算值与试验值进行对比分析，GRI-Mech 3.0机理计算值在预热温度小于500 K时的符合度较好，预热温度为550~850 K时，不同当量比的最大相对误差低于15%。2.4工况条件选取典型的轻型燃气轮机燃烧室设计状态工况参数为工况条件。燃烧压力为2.05 MPa，空气温度为770 K，空气流量为89 kg/s，燃料为天然气+氢气，总当量比为0.368，燃烧室出口温度为1 533 K，燃烧效率≥99%，总压损≤5%，NOx排放溶度≤25×10-6，CO排放溶度≤25×10-6，压力波动≤2%。3结果及分析3.1不同参数对绝热火焰燃烧温度的影响不同燃料组分在不同当量比下的绝热火焰燃烧温度如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F004图4不同燃料组分在不同当量比下的绝热火焰燃烧温度由图4可知，随着氢气比例的升高，绝热火焰燃烧温度明显升高；随着当量比的提高，燃烧温度升高的幅度明显增大。当量比小于1且燃料由天然气变为纯氢时，绝热火焰温度增幅低于200 ℃。燃料由天然气变为纯氢，当量比为0.5时，绝热火焰燃烧温度由1 865 K变为2 053 K，升高188 ℃；当量比为1时，绝热火焰燃烧温度由2 561 K变为2 751 K，升高190 ℃。随着当量比从1.1增至2，温度增幅由213 ℃增幅至531 ℃。贫燃预混喷嘴设计当量比为0.45~0.60，温度增幅约160~190 ℃。燃烧室改造设计时应根据增幅降低设计当量比。当量比为0.5时不同氢气比例对绝热火焰温度增幅的影响如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F005图5当量比为0.5时不同氢气比例对绝热火焰温度增幅的影响由图5可知，氢气体积分数低于40%时，温度增幅相对平缓，绝对增幅比例为15.18%；氢气体积分数超过40%时，温度增幅逐步变大；氢气体积分数为80%时，绝对增幅比例为51.7%。从绝热火焰温度的角度分析，氢气体积分数低于40%时，温度升高带来的设计压力不大；氢气体积分数超过40%时，温度对设计压力的影响变得剧烈；氢气体积分数从60%增至80%直至纯氢燃烧时，设备将面临更大的设计挑战。3.2不同参数对层流火焰传播速度的影响燃料组分与当量比对层流火焰传播速度的影响如图6所示。燃料组分与预热温度对层流火焰传播速度的影响如图7所示。燃料组分与压力对层流火焰传播速度的影响如图8所示。火焰传播速度随着氢气比例的升高而增大。氢气体积分数超过90%时，当量比小于0.9时，火焰传播速度增幅较快；当量比大于0.9时，火焰传播速度增幅较缓慢。当量比为0.5时，氢气体积分数以20%为间隔比例在20%~100%范围内逐步增加时，混合燃料的火焰传播速度分别变为甲烷的1.04倍、1.40倍、1.98倍、3.85倍、22.00倍。从火焰传播速度的角度分析，加入20%氢气对预混喷嘴的防回火性能的影响不大；氢气体积分数增至60%时，火焰传播速度约为原来的2倍，后续逐步增加；氢气体积分数超过80%时，层流火焰传播速度急剧上升。当量比发生变化时该趋势依然存在。因此，从高氢到纯氢燃料的变化可能需要对喷嘴进行重新设计，以解决回火问题。氢气体积分数越高，预热温度对火焰传播速度的增速效应越高，氢气体积分数超过60%时，火焰传播速度增速明显。随着压力的升高，火焰传播速度降低。压力超过1 MPa时，火焰传播速度的降低逐步变缓。结果表明，氢气的火焰传播行为与甲烷不同，燃料由天然气变为高氢混合燃料时，燃烧室的适用性存在问题。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F006图6燃料组分与当量比对层流火焰传播速度的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F007图7燃料组分与预热温度对层流火焰传播速度的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F008图8燃料组分与压力对层流火焰传播速度的影响3.3不同参数对着火延迟时间的影响燃料组分与当量比对着火延迟时间的影响如图9所示。当量比为0.4~1.5时，天然气的着火延迟时间约0.042 8~0.089 8 s，氢气的着火延迟时间为0.022 2~0.046 3 s。随着当量比的增大，着火延迟时间降低。随着混合燃料中氢气比例的增加，着火延迟时间呈现先增加后降低的趋势。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F009图9燃料组分与当量比对着火延迟时间的影响不同压力下火焰着火延迟时间的变化趋势如图10所示。燃料与空气混合过程中，混合气的着火延迟时间与压力相关。压力从0.3 MPa升至2 MPa，着火延迟时间从0.118 9 s缩短至0.050 2 s，其中62%的变化量在压力升高至1 MPa之前完成，表明中/全压燃烧试验对混合燃料的贫预混燃烧技术研发具有不可或缺的作用。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.011.F010图10不同压力下火焰着火延迟时间的变化趋势4结语研究某燃气轮机燃料由燃用天然气变为天然气掺混不同比例氢气的混合燃料的燃烧特性，分析得到了不同氢气比例混合燃料的绝热火焰温度、层流预混火焰传播速度和点火延迟时间等燃烧特性参数随当量比、压力和温度的变化规律，主要结论如下：（1）贫燃预混喷嘴设计当量比为0.45~0.60，温度增幅约为160~190 ℃。（2）预热温度对火焰传播速度的增速效应随氢气比例升高而增大，氢气比例超过60%时增速明显。随着压力的升高，火焰传播速度降低；压力超过1 MPa时，降低的速度逐步变缓。（3）随着当量比增大，着火延迟时间降低。压力从0.3 MPa升至2 MPa时，着火延迟时间从0.118 9 s缩短至0.050 2 s，62%的变化量在压力升高至1 MPa之前完成。（4）随着掺氢比例的提高，燃烧特性参数变化速率加快，氢气含量低于20%时相对缓和，20%~60%内变化程度加剧，需要进行燃料适应性改造；超过60%时需要进行综合评估，从80%变为纯氢将面临巨大挑战。（5）探究不同比例混合燃料的燃烧特性及其变化规律为混氢燃料以及纯氢低污染燃烧室改造或结构设计提供参考，后续可以结合混合燃料化学反应路径分析和污染物生成计算进一步深入研究。