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燃气轮机燃烧室柔和燃烧机理与性能研究取得进展
发稿时间:2016-05-18         作者:黄明明          来源:能源动力研究中心     【字号:

  稀释扩散燃烧技术和DLN燃烧技术是目前主流燃气轮机机型广泛采用的燃烧技术,随着排放法规的日益严格和燃气轮机透平前温的不断升高,这些主流燃烧技术的发展也遇到了瓶颈。目前,各国研究人员一方面继续优化主流机型燃气轮机燃烧室的结构,挖掘主流燃烧技术的减排潜力,另一方面积极探索新型燃烧技术,柔和燃烧是其中之一。 

  柔和燃烧是混合物在温度高、氧含量低气氛中反应的燃烧过程,具备应用于燃气轮机燃烧室的潜力,具有NOxCO排放低、燃烧稳定、压损低、烟气出口温度分布均匀、燃料适用范围广的优势。 

  但是柔和燃烧的实现及其优势的的充分发挥必须建立在反应、流动等条件充分满足的基础上。综合考虑烟气回流、火焰抬升、流动混合等因素认为实现柔和燃烧需要同时满足热力学条件、化学动力学特性和流动条件。 

  由于燃气轮机燃烧室的反应气氛较贫,燃料、负荷、工况变化,结构紧凑,基于燃气轮机燃烧室应用实现柔和燃烧面临着以下难点和挑战:1.燃气轮机燃烧室在贫燃气氛中燃烧,反应区和回流烟气中的氧含量较高,而柔和燃烧要求低氧反应条件,此点意味着贫燃气氛下实现柔和燃烧对烟气回流和流场组织提出了更高的要求,必须考虑反应和流动的合理匹配问题,即需要综合考虑热力学条件、化学动力学特性和流动条件三个方面;2.燃料、负荷、工况对热力学条件、化学动力学特性和流动条件均有一定影响,要在一定燃料、负荷、工况变化范围内实现柔和燃烧需综合考虑这些因素对上述三个方面的影响;3.机理研究阶段可根据解耦的思想分别研究柔和燃烧的热力学条件、化学动力学特性和流动条件,但将柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室时,必须考虑如何耦合这三个方面并在结构紧凑的模型燃烧室内实现柔和燃烧。 

  针对这些问题,研究所能源动力研究中心开展了柔和燃烧的热力学条件、化学动力学特性、流动条件以及模型燃烧室内柔和燃烧的实现与性能研究,并取得了阶段性成果: 

  1. 热力学条件和化学动力学特性研究 

  建立了化学反应网络模型并进行了验证,研究了燃烧室运行条件变化对柔和燃烧热力学条件的影响,确定了B级、E+级、F级燃气轮机工况下实现柔和燃烧所需的烟气回流比例,分析了烟气回流比例对柔和燃烧点火延迟时间的影响,比较了柔和燃烧和传统燃烧的反应速率。结果表明,增加回流比例有利于柔和燃烧反应物初始温度的升高、反应温升的下降、反应速率的降低,导致柔和燃烧的点火延迟时间减少,因此提出了实现柔和燃烧应在热力学条件满足的基础上适当控制烟气回流比例、同时促进火焰抬升。 

  2. 流动条件研究 

  建立了轴向分级概念燃烧室,针对CH4燃料,研究了掺混方式、烟气回流比例影响,针对10MJ/Nm3合成气燃料,分析了燃料射流速度影响。CH4柔和燃烧的研究表明,空气、燃料先分别和主流高温烟气掺混再接触,有利于柔和燃烧的实现;回流比例的增加会延缓掺混区空气、燃料的直接掺混,有利于降低柔和燃烧区的OH*峰值、提高柔和燃烧区的OH*分布均匀性、抑制柔和燃烧区NO的生成,但回流比例过高会导致燃烧稳定性下降。10MJ/Nm3合成气柔和燃烧的研究表明,增加燃料射流速度有利于燃料和“高温低氧”氧化剂的快速混合,促进火焰的抬升、反应区的分散以及NOx排放的下降,但过高的燃料射流速度也会带来压损和CO排放升高的问题;燃料速度在199-299 m/s之间有利于柔和燃烧的实现。 

  3. 模型燃烧室设计 

  开展了冷态和热态计算,研究了燃烧室长宽比、喷嘴相对位置、喷嘴间距、空燃动量比对掺混和燃烧性能的影响。结果表明,燃烧室长宽比主要影响空气速度在燃烧室长度方向上的衰减,长宽比为1.1的模型燃烧室能充分利用燃烧室空间来组织流场,其空气射流速度在燃烧室长度方向上恰好完全衰减。燃料喷嘴远离燃烧室中心线有利于燃料在燃烧室内部的充分燃烧。增加空气、燃料喷嘴间距可推迟空气和燃料的汇合,但考虑到反应物的充分燃烧,增加喷嘴间距的同时也应保证空气喷嘴偏离燃烧室中心线一定距离。降低空燃动量比会推迟空气和燃料的汇合、促进反应区的分散、降低峰值火焰温度和CO排放。总体上,降低空燃动量比有利于柔和燃烧的实现。 

  4. 模型燃烧室性能 

  利用加工的模型燃烧室,开展实验研究了空燃动量比、当量比、空气预热温度、燃料种类对合成气柔和燃烧性能的影响。结果表明,降低空燃动量比有利于主反应区向燃烧室下游移动,促进CO排放降低。当量比影响方面,增加当量比有利于着火时间推迟、反应温度降低和反应区体积增大,贫燃条件下实现了合成气的柔和燃烧。空气预热温度升高会导致NOx排放升高、CO排放降低,但即使空气预热了,燃烧室内部的热力学条件、化学动力学特性和流动条件仍然是满足的,所以合成气在空气预热条件下也能实现柔和燃烧。柔和燃烧室应用于不同热值合成气时,随着热负荷的增加,反应区体积增大,NOx排放保持在低水平,所以综合来看,柔和燃烧适用于不同热值的合成气。 

  上述工作得到了国家973青年科学家项目的支持,相关研究成果已在国际期刊EnergyConversionandManagementAppliedThermalEngineering上发表。 

 
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