R0110重型燃气轮机分级燃烧室NOx排放试验研究

2013-07-07包文飞王巍龙

航空发动机 2013年6期

关键词：燃气轮机燃烧室火焰

包文飞，李明，牟影，王巍龙

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳110043）

R0110重型燃气轮机分级燃烧室NOx排放试验研究

包文飞，李明，牟影，王巍龙

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳110043）

R0110重型燃气轮机是中国第1台具有自主知识产权的重型燃气轮机，其燃烧室按照干式低排放（D ry Low N O x，D LN）原理设计，采用燃料径向分级的燃烧技术。燃烧室设计包括2种分级燃烧模式，第Ⅰ模式为常规燃烧模式，第Ⅱ模式主要是针对N OX排放问题而设计的。2种燃烧模式试验研究结果表明:第Ⅱ模式较第Ⅰ模式在污染物排放方面有显著降低，但2种模式均未满足设计要求。通过对试验结果做简要的阐述及分析，提出可采取调整各燃烧区的燃料分配比例、改进燃烧室结构等措施和建议，以进一步改善燃烧室N OX排放特性。

重型燃机；均匀预混；分级燃烧技术；N OX排放：航空发动机

0 引言

环保意识的增强和排放标准的制定要求航空发动机和工业燃气轮机必须降低氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、未燃碳氢化合物（UHC）的排放[1]。世界发达国家燃气轮机技术较为成熟，在降低污染物排放方面成效显著，其中分级燃烧技术尤其是低NOX燃烧技术应用广泛，现已成功应用于多种燃气轮机机组[2]。

R0110重型燃气轮机燃烧室为逆流环管式结构，采用燃料径向分级燃烧技术，通过向每级燃烧区供入一定量的空气和燃料，燃烧过程按照均匀预混可燃气体的火焰传播方式进行，使燃烧温度被限定在1800 K以下，进而控制高负荷下的NOX生成量[3-4]。R0110重型燃机第Ⅰ模式为常规燃烧模式，环形区在整个工作范围内不熄火；第Ⅱ模式为减排放燃烧模式，环形区在特定状态熄火，作为燃料预混室使用。2种燃烧模式各燃烧区燃料特性基本保持一致。为验证其燃烧室的NOX真实排放特性，该燃气轮机研制完成后，在2006～2011年先后进行了和第Ⅰ、Ⅱ模式单管试验。试验表明：第Ⅱ模式的污染物排放比第Ⅰ模式的显著降低。

本文研究了R0110重型燃气轮机在2种燃烧模式下的试验过程，通过对2种燃烧模式污染物排放结果进行比较分析，提出进一步改善燃烧室特性的措施和建议。

1 试验系统和试验过程

1.1 试验系统

试验系统包括空气系统、天然气供气系统、试验件和测量系统。天然气供气系统如图1所示，来自加温炉的天然气通过过滤器、V锥流量计测量后分为4路进入燃烧室各燃料进口，其中的3条支路都有流量测量装置和流量调节控制阀，用以控制供入不同燃烧区的燃料流量；预燃室点火由于流量小，可通过稳压阀控制天然气的压力来保证流量，不做单独测量。

图1 天然气供气系统流程

图2 采样耙安装位置

为了测量燃烧室排气污染物的排放量，在试验件后端安装了6支7点采样耙，安装位置如图2所示。所需的样气通过采样耙取得后混为1点，经过保温管引到测量仪器即燃气分析仪，具体燃气分析流程如图3所示。

1.2 试验过程

1.2.1 燃烧室结构

R0110重型燃气轮机燃烧室结构剖面如图4所示。该燃烧室主要由环形区、均匀区、扩散区，以及中心区、1级回流区和2级回流区等组成，火焰筒轴向布置2道文丘里式节流环，用于收紧火焰和产生回流，防止火焰筒壁温超标和环形区回火。

图4 R0110重型燃气轮机燃烧室结构剖面

环形区位于火焰筒头部外侧，其前壁板上装有8个微型涡流器。火焰筒的内、外壁和1级文丘里式节流环所组成的空间形成了环形区，燃料与空气在该预混室内充分混合，后经1级文丘里式节流环产生回流后，与扩散区的值班火焰相遇燃烧。均匀区位于火焰筒头部内侧，由中心旋流器、火焰筒内壁和前壁板等组成。燃料在均匀区内与空气进行短暂混合后，经过中心旋流器的搅拌，与扩散区的值班火焰相遇燃烧。

1.2.2 燃料分配过程

燃烧室点火成功后，随着相对功率的升高，供入火焰筒不同燃烧区的燃料量也进行调整。R0110重型燃气轮机燃烧室燃料特性如图5所示。燃烧室2种燃烧模式各区燃料流量配比，在整个升功率过程中基本一致，都需要2次调节燃料分配比例，分别为相对功率Ne＝0.3和0.7。2种燃烧模式区别在于第Ⅱ模式在相对功率Ne＝0.4之后的过程中，环形区熄火作为预混室使用，下面主要以第Ⅱ模式为例，介绍各燃烧区燃料在整个功率范围内的变化特性，具体如下：

图3 燃气分析系统流程

图5 R0110重型燃气轮机燃烧室燃料特性

（1）相对功率Ne＝0～0.3：燃料全部进入环形区，此时，仅环形区工作，燃烧方式为扩散燃烧。

（2）相对功率Ne＝0.3。均匀预混区和扩散区开始工作，此时，进行第1次燃料分配，将3%的燃料供入扩散区，35.3%的燃料供入均匀预混区，61.7%的燃料供入环形区，环形区和扩散区均为扩散燃烧，扩散区火焰实质是值班火焰，为功率进一步提高做好准备。

（3）相对功率Ne＝0.4。环形区熄火，作为燃料和空气的预混室使用。此时，燃料分配比例保持不变，混合气经第1级文丘里式节流环产生回流后，由扩散区值班火焰点燃，在中心区进行燃烧，燃烧室开始由扩散燃烧向预混燃烧转换。

（4）相对功率Ne＝0.4～0.7。燃烧室按燃料特性曲线继续提升相对功率，环形区的燃料量占主导地位。

（5）相对功率Ne＝0.7～1.0。燃料再次进行重新分配，降低环形区燃料量的同时，增加均匀区的燃料量，保持燃料总量不变，最终完成整个燃烧方式的转换。

从燃烧室的整个工作过程可知，在大功率状态下，燃烧室是以大比例（预混占97%，扩散占3%）的预混燃烧进行工作，燃料和空气的良好混合可使燃烧更加充分，燃气经第1、2级文丘里式节流环产生回流后，增加了在火焰筒内的驻留时间，有效地控制了污染物CO的生成；环形区的燃料与空气的混合气经第1级文丘里式节流环产生回流后，与扩散区值班火焰相遇燃烧，并与均匀预混区火焰共同组成中心火焰炬，在第Ⅱ模式下，环形区是熄火状态，因此,其混合气温度较低，对中心火焰炬起到了冷却的作用，使中心火焰炬燃烧温度控制在特定的温度区间内，有效抑制污染物NOX的生成。

2 试验结果与分析

2.1 2种燃烧模式污染物排放结果及分析

燃烧室第Ⅰ、Ⅱ模式试验污染物排放结果见表1、2。从表中可见，第Ⅰ模式在整个功率范围内，燃烧效率都较高，CO、UHC等排放较低，在设计点基本检测不到，但是NOX排放量却远远超标，设计点状态为94.3 mg/N·m3（O2质量分数为15%折算法）；第Ⅱ模式燃烧效率在相对功率Ne＝0.4～0.5小功率状态下较低，NOX的排放也较低，CO、UHC的排放较高，在Ne＝0.7以上功率状态下燃烧效率较高，CO、UHC排放明显降低，但是NOX的排放随之升高，设计点状态为55.99 mg/N·m3（O2质量分数为15%折算值）。

表1 第Ⅰ模式燃烧室排气污染试验结果

表2 第Ⅱ模式燃烧室排气污染试验结果

从燃烧室整个工作过程分析，在小功率工作状态下，燃料与空气预混后在主燃区分布比较均匀，燃料质量分数较低，从化学反应速率角度来讲，燃料质量分数过低导致化学反应速度减慢（即燃烧速率降低），因此，部分燃料还未来得及燃烧就离开了燃烧室，使燃烧效率下降，CO、UHC的排放较高[6]。对于NOx排放特性，在第Ⅱ模式下，除相对功率Ne＝0.7的燃料调整外，其余状态基本符合DLN燃烧室的工作准则。而试验结果表明：在相对功率Ne＝0～0.7的过程中，NOx排放较小。正是因为相对功率Ne＝0.7的燃料调整后，才导致了NOx排放的逐步升高，最终超出设计要求，这与环形区和均匀区燃料量的改变有直接关系。

从燃烧室的结构上分析，R0110重型燃气轮机燃烧室虽然采用了燃料分级和稀相预混结构设计，但在来流空气湍流度、预混距离等方面存在不足。第Ⅱ模式环形区虽然有了足够的空间来实现燃料与空气的均匀预混，但是，8个微型旋流器位于燃料喷嘴的下游，且与燃料喷嘴距离很近，这对来流空气湍流度的强化和预混距离的延长很不利。均匀区有着同样的弊端，并且预混空间比GE公司的DLN燃烧室的小很多，很难实现燃料与空气的完美混合，第2次的燃料切换加重了此因素的负面影响。

2.2 改善NOx排放的措施和建议

通过分析认为，调整好各区之间的燃料比例是降低NOx排放的首选措施。从燃料分配中可见，R0110重型燃气轮机燃烧室在模式Ⅱ下，相对功率Ne＝1.0时，扩散区的值班燃料、预混较差的均匀区燃料和环形区的稀相预混燃料比例分别为3%、58%和39%，而结构与之相似的GE公司DLN-1燃烧室的3部分燃料比例则为2%、15%和83%，预混较差的均匀区燃料比例仅为15%，才实现了NOx排放<25 mg/N· m3（15%余氧状态）的要求。R0110重型燃气轮机燃烧室均匀区的燃料比例比DLN-1燃烧室的高3～4倍，使均匀区过量空气系数过低，而变成预混室的环形区过量空气系数又显得过高。二者均偏出DLN燃烧室所要求的过量空气系数为1.5～1.6的范围。显然，如将均匀区的部分燃料供给环形区，使2区的过量空气系数相互接近或基本一致，有望进一步降低NOx排放。此外，适当的延长均匀区的预混段，提高预混均匀性，增强环形区和均匀区的扰流进而增加来流空气的湍流强度，有望进一步改善NOx排放特性。

3 结束语

在设计点状态，2种燃烧模式NOX排放量均超标，虽然第Ⅱ模式NOX排放量比第Ⅰ模式的有明显降低，但是仍然不能达到小于25 mg/N·m3（15%余氧状态）的设计要求。这说明燃烧室的设计存在缺陷，除了要重新调整各燃烧区的燃料分配比例，在结构上，环形区和均匀区的旋流器安装位置不当，造成燃烧室的来流空气湍流强度与预混距离不够等问题也是需要重新考虑的因素。

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Experimental Research on NOXEmission of Staged Combustor for R0110 Heavy-duty Gas Turbine

BAO Wen-fei,LI Ming,MOU Ying,WANG Wei-long
（AVIC Shenyang Limnig Aero-engine(Group)Co.Ltd.,Shenyang 110015,China）

The R0110 heavy-duty gas turbine is the first self-developed in China,which the combustor is designed according to the Dry Low NOx (DLN)principle.The fuel of the gas turbine was staged radially.Two kinds of staged combustion mode were included in combustor design,the modeⅠwas the routine mode and the modeⅡwas mainly designed for resolving the NOx emission.Test results for two kinds of combustion mode show that the modelⅡwas significantly reduced in pollutant emissions than the mode,but both modes did not meet the design requirements.Based on analysis of the test results briefly,the further measures and suggestions on reducing NOx emission are put forward that fuel distribution ratio in the various stages are adjusted and combustor structure is improved.

heavy-duty gas turbine;uniform premixed;staged combustion technology;NOx emission;aeroengine