微型燃气轮机燃烧室掺氨燃烧性能分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260205

发电技术 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 274-284.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.260205

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微型燃气轮机燃烧室掺氨燃烧性能分析

童志庭¹^,², 樊岳¹^,², 刘新霞¹^,², 张超¹^,²

^1.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室(天津理工大学)，天津市南开区300384
^2.机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学)，天津市南开区 300384

收稿日期:2025-04-17 修回日期:2025-05-19 出版日期:2026-04-30 发布日期:2026-04-21
作者简介:童志庭(1977)，男，博士，副教授，研究方向为叶轮机械设计与数值仿真、综合能源系统，tongzhiting1215@163.com；
樊岳(2000)，男，硕士研究生，研究方向为微型燃气轮机燃烧室数值模拟，fanyue001218@163.com；
刘新霞(1999)，女，硕士研究生，研究方向为叶轮机械设计与数值仿真，17305430523@163.com；
张超(1983)，男，博士，副教授，研究方向为燃气轮机叶片流动与冷却、高效能源动力机械设计，本文通信作者，czhangxj@email.tjut.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(12402324)

Performance Analysis of Ammonia-Doped Combustion in Micro Gas Turbine Combustion Chamber

Zhiting TONG¹^,², Yue FAN¹^,², Xinxia LIU¹^,², Chao ZHANG¹^,²

^1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control (Tianjin University of Technology), Nankai District, Tianjin 300384, China
^2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education (Tianjin University of Technology), Nankai District, Tianjin 300384, China

Received:2025-04-17 Revised:2025-05-19 Published:2026-04-30 Online:2026-04-21
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12402324)

摘要/Abstract

摘要：

目的针对分布式能源中微型燃气轮机碳排放偏高的问题，研究了某10 kW微型燃气轮机燃烧室掺氨条件下的燃烧特性。方法通过计算流体力学数值模拟，耦合Okafor详细机理，分析了不同掺氨比、当量比对燃烧效率和NO、CO排放的影响。结果随着掺氨比从0增大至1.0，燃烧室出口流体速度从62.27 m/s增大至63.69 m/s，总压恢复系数从97.81%降低至97.18%；CO质量分数显著减少至接近0，但NO质量分数从1.16×10^-4增至3.68×10^-4，表明氨燃料虽然降低了CO排放，但增加了NO生成；燃烧效率也略有下降，从98.14%下降至97.64%。当量比对燃烧性能和排放有显著影响，低当量比时NO排放量较低，当量比达到1.0时NO排放达到峰值，富燃条件下NO排放减少，但燃烧效率也降低。结论甲烷/氨气的应用需在总压恢复系数、NO和CO排放、燃烧效率之间寻求平衡，并需要进一步优化设计，以实现高效、低排放的燃烧性能。

关键词: 微型燃气轮机, 甲烷/氨气混合燃料, 燃烧特性, 污染物排放, 数值模拟, 掺氨比, 当量比

Abstract:

Objectives Aiming at the problem of high carbon emission of micro gas turbine in distributed energy, this study investigates the combustion characteristics of a 10 kW micro gas turbine combustion chamber under ammonia-blended conditions. Methods CFD simulations coupled with the detailed Okafor mechanism are conducted to analyze the effects of varying ammonia blending ratios and global equivalence ratios on combustion efficiency, NO and CO emissions. Results As the ammonia ratio increases from ^{0 to 1.0, the fluid velocity in the combustion chamber outlet increases from 62.27 m/s to 63.69 m/s, and the total pressure recovery coefficient decreases from 97.81% to 97.18%. Additionally, CO mass fraction significantly decreases to near 0, while the NO mass fraction increases from 1.16×10^-4 to 3.68×10^-4, indicating that ammonia reduces CO emissions but increases NO formation. Combustion efficiency slightly declines from 98.14% to 97.64%. The equivalence ratio has a notable impact on performance and emissions, with lower NO emissions at low equivalence ratios, NO emissions peaking at an equivalence ratio of 1.0, and decreasing under fuel-rich conditions, though combustion efficiency also declines. Conclusions The application of methane/ammonia mixtures requires a balance among total pressure recovery coefficient, NO and CO emissions, and combustion efficiency. Further design optimization is needed to achieve efficient and low-emission combustion performance.}

Key words: micro gas turbine, methane/ammonia fuel mixture, combustion characteristics, pollutant emissions, numerical simulation, ammonia blending ratios, equivalence ratio

中图分类号:

TK 47

童志庭, 樊岳, 刘新霞, 张超. 微型燃气轮机燃烧室掺氨燃烧性能分析[J]. 发电技术, 2026, 47(2): 274-284.

Zhiting TONG, Yue FAN, Xinxia LIU, Chao ZHANG. Performance Analysis of Ammonia-Doped Combustion in Micro Gas Turbine Combustion Chamber[J]. Power Generation Technology, 2026, 47(2): 274-284.

图/表 19

图1 微型燃气轮机三维模型

Fig. 1 3D model of micro gas turbine

表1 微型燃气轮机主要参数

Tab. 1 Main parameters of micro gas turbine

参数	数值
蒸发管数量/个	6
蒸发管内直径/mm	6.0
火焰筒内、外直径/mm	61.0、117.0
火焰筒高度/mm	137.0
主燃孔1、2直径/mm	1.5、2.0
补燃孔1、2直径/mm	2.0、3.0
掺混孔1、2直径/mm	6.5、4.5
火焰筒壁厚/mm	2.0
燃气轮机外壳内、外直径/mm	48.0、144.0
燃气轮机外壳高度/mm	325.0
燃气轮机外壳厚度/mm	5.5
空气质量流量/(kg/s)	0.11
空气温度/K	430
燃料质量流量/(kg/s)	0.001 837
燃料温度/K	300
压力/kPa	310

图2 燃烧室网格

Fig. 2 Mesh of combustion chamber

图3 网格无关性验证

Fig. 3 Mesh-independent verification

图4 实验与数值计算结果对比

Fig. 4 Comparison of experimental with numerical calculation results

图5 燃烧室出口平均温度和CO2体积分数实验与数值计算结果对比

Fig. 5 Comparison of average temperature and CO2 volumetric fraction at combustion chamber outlet between experimental and numerical results

图6 不同截面速度流线

Fig. 6 Velocity streamline at different sections

图7 主燃区截面速度流线

Fig. 7 Cross-sectional velocity streamline of primary combustion zone

图8 补燃区截面速度流线

Fig. 8 Cross-sectional velocity streamline of supplementary combustion zone

图9 掺混区截面速度流线

Fig. 9 Cross-sectional velocity streamline of mixing zone

图10 燃烧室不同截面温度分布

Fig. 10 Temperature distribution in different sections of combustion chamber

图11 燃烧室出口温度分布

Fig. 11 Temperature distribution at combustion chamber outlet

表2 不同掺氨比下燃烧室燃料流量和低热值

Tab. 2 Fuel flow and lower heating value of combustion chamber with different ammonia blending ratios

掺氨比	燃料质量流量/(kg/s)	燃料低热值/(kJ/kg)
0	0.001 837	50 028.0
0.1	0.001 960	46 885.6
0.2	0.002 101	43 743.2
0.3	0.002 264	40 600.8
0.4	0.002 453	37 458.4
0.5	0.002 678	34 316.0
0.6	0.002 948	31 173.6
0.7	0.003 279	28 031.2
0.8	0.003 692	24 888.8
0.9	0.004 226	21 746.4
1.0	0.004 940	18 604.0

图12 不同掺氨比下燃烧室轴向平均温度

Fig. 12 Axially averaged temperature of combustion chamber with different ammonia blending ratios

图13 不同掺氨比下燃烧室出口燃气速度和总压恢复系数

Fig. 13 Combustion chamber outlet gas velocity and total pressure recovery coefficients at different ammonia blending ratios

图14 不同掺氨比下燃烧室NO、CO排放量

Fig. 14 NO and CO emissions from combustion chamber with different ammonia blending ratios

表3 不同掺氨比下燃烧室的性能指标

Tab. 3 Performance indicators of combustion chamber with different ammonia blending ratios

掺氨比	ξ_OTDF	总压恢复系数/%	燃烧效率/%
0	0.43	97.81	98.14
0.1	0.43	97.75	98.05
0.2	0.42	97.70	97.99
0.3	0.41	97.53	97.98
0.4	0.39	97.50	97.93
0.5	0.38	97.46	97.90
0.6	0.36	97.41	97.82
0.7	0.34	97.38	97.79
0.8	0.30	97.34	97.76
0.9	0.28	97.29	97.75
1.0	0.24	97.18	97.64

图15 不同当量比和掺氨比下的燃烧效率

Fig. 15 Combustion efficiency at different equivalence ratios and ammonia blending ratios

图16 不同当量比下NO排放量

Fig. 16 NO emissions at different equivalence ratios

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微型燃气轮机燃烧室掺氨燃烧性能分析

Performance Analysis of Ammonia-Doped Combustion in Micro Gas Turbine Combustion Chamber

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[1]	徐义巍, 洪岩, 赵晓鹏, 隋炳伟. 煤氨混燃对燃煤锅炉受热面传热特性影响分析[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 1022-1031.
[2]	郭前鑫, 李建波, 王虎, 梁银堂, 韩新建, 阮雄伟, 卢啸风. 准东煤灰的动态沉积与脱落特性数值模拟研究[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 829-838.
[3]	张帅柠, 高明明, 王勇权, 王唯铧, 于浩洋, 黄中. 循环流化床锅炉宽负荷一体化脱硫建模研究[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 849-856.
[4]	张立栋, 杨智翔, 李文锋, 冯江哲, 张博, 任淮辉, 陈哲, 王兆新. 导流板对水平轴风力机气动特性影响的数值模拟研究[J]. 发电技术, 2025, 46(2): 336-343.
[5]	张立峰, 董祥虎. 基于鲁棒正则化极限学习机的声学层析温度分布重建[J]. 发电技术, 2025, 46(2): 361-369.
[6]	李凯, 章平衡, 孟志浩, 曹允宁, 徐尧, 刘莉, 李廉明. SCR外置烟道飞灰沉积特性与流场优化数值仿真[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 145-153.
[7]	王凯卉, 刘斌, 折晓会, 刘伟, 范昊, 康宗耀, 徐礼. 氨氢混合燃烧在旋流燃烧器中的动力学特性与NO _x 减排机理研究[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 171-179.
[8]	曾宪民, 李柏云, 沈向阳, 陈嘉澍, 丁力行. 半周受热下太阳能吸热器横纹管的热应力分析[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 190-199.
[9]	刘卓, 陈冬林, 汪淑奇, 杨仪江, 闫优洋, 杨展. 减缓脱硫塔除雾器堵塞的流场优化方法[J]. 发电技术, 2024, 45(6): 1087-1094.
[10]	屠楠, 刘家琛, 徐静, 方嘉宾, 马彦花. 管壳式相变蓄热器的蓄释热过程性能分析[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 508-516.
[11]	高忠明, 朱德敖, 陈雨佳, 刘三举, 王勤辉. 农林废弃物循环流化床空气气化特性实验研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 535-544.
[12]	刘学, 李国栋, 张瑞颖, 侯一晨, 陈磊, 杨立军. 电站空冷岛轴流风机模型研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 545-557.
[13]	蒋海威, 高明明, 李杰, 于浩洋, 岳光溪, 黄中. 生物质振动炉排炉燃烧过程建模及动态特性分析[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 250-259.
[14]	龚思琦, 云再鹏, 许明, 敖乐, 李初福, 黄凯, 孙晨. 基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 331-340.
[15]	郑妍, 姚宣, 陈训强. 生物质气化耦合发电体系的合成气组分与能量分析[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 859-864.