RR公司RB211燃气发生器干低排放燃烧技术

2015-06-08侯丽娟王艳郭珍兰

科学中国人 2015年21期

关键词：燃机燃气轮机燃烧室

侯丽娟，王艳，郭珍兰

中国石油管道压缩机组维检修中心

RR公司RB211燃气发生器干低排放燃烧技术

侯丽娟，王艳，郭珍兰

中国石油管道压缩机组维检修中心

应燃气发生器排放新标准，干低排放燃烧技术亟待发展，研究了具代表性的RR公司RB211燃气发生器干低排放燃烧室的设计原理和结构安排，指出了这项技术发展的一些关键点，为我国研究发展此项技术提供借鉴意义。

干低排放；燃烧室；燃气发生器

引言

近年来，随着国内环保立法和环保意识的增强，燃气轮机的污染物排放将越来越受重视，西方国家各燃气轮机厂商早在三、四十年前就展开了这方面的研究，发展了各自的技术并取得了显著成效，如RR、GE、Allison研究了贫油预混串列分级燃烧室、富油-猝熄-贫油燃烧室等低排放燃烧室，NOX排放水平已达到（25-9）x10-6等级。而中国在这方面的研究为之甚少，干低排放燃烧技术亟待发展。本文通过针对性深入研究RR公司RB211航改型燃气轮机的干低排放燃烧室的设计理念，为我国自主研究提供借鉴意义。

1.干低排放技术的原理和优势

根据化学反应公式CH4+2O2+2(3.67)N2=CO2+2H2O+7.52N2,天然气/空气充分燃烧的理想配比值为0.067，在这种配比情况下，能够实现完全充分燃烧，并且不产生其他附带的杂质，即NOX等，但此时的燃烧温度却非常高,而且这种理想的燃烧情况在实际环境中也很难实现。根据CO和NOX随燃烧温度变化值，必须将燃烧温度控制在一定区域，才能实现污染物排放量最小化。干低排放技术指无需使用注水或水蒸气的方法，在不对燃烧稳定性产生不利影响的情况下，通过控制天然气与空气混合物的燃烧温度，从而降低一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）和未燃烧的碳氢化合物（UHC）等的排放量。

干低排放技术的重点在于通过研究天然气与空气的配比量，混合物在进入燃烧室前预混合，降低燃烧室的火焰温度，最终达到低碳和低氮排放。利用这种技术同时增加了燃气轮机的热功率，延长燃机寿命。

2.RB211干低排放燃烧室主要构造

RR自20世纪70年代起，经过十多年的设计实验，最终发展了串列分级贫油预混燃烧室用于RB211，见图1。从传统航空单环管型燃烧室变为了包括有9个径向安装的反向流环管型燃烧室。这种设计应用于RR燃气轮机单元体机构上，只需更改HP单元体以及做其他简单的改动，而对前后单元体及相互安装面不发生变化。

图1.串列分级贫油预混燃烧室

2.1.级燃烧和冷却

这种两级串列贫油预混干低排放燃烧室，和传统燃烧室结构一样，也设置了旋流器，用于充分混合并稳定混合气体的状态。但干低排放用的燃料喷嘴却比传统型大的多，包括预混腔室和大量的预混气体，预混气体占整个燃烧室气体流量的50%—60%。一次燃烧室设两个径向安装的旋流器，用于减少混合区的长度并促进充分混合。一次燃烧形成的火焰流被加速，用于限定一次燃烧区的长度并阻止二次燃烧的火焰流反流入一次燃烧区。二次燃烧预混通道环形包围一次燃烧室，其间另有一提供内壁冷却空气的环形通道介于两者之间。二次预混通道的气流与燃烧室中心线呈一定角度注入腔体，促进与一次燃烧火焰快速完全混合。RR采用了TRANSPLY材料作为内壁冷却管，这种材料具有很高的换热系数，从而需要最少量的冷却空气。

2.2.料注入

RR公司经过一系列模型试验，最终确定了一次和二次燃烧预混通道的燃料注入方法。一次预混通道的内外部旋流器各有8个叶片，每两个叶片之间设有一个燃料棒，每个燃料棒上分别有两组供油孔，每组孔有6个，向旋流通道供应燃料，形成一个紧凑的混合通道，扩散喷嘴位于其中。燃料分配是否均匀关系到最终能否限定CO和NOX的排放。燃料棒上供油孔设设计能够满足最大程度上实现燃料分配均匀。因此二次预混通道同样采取了32个燃料棒供应的方法。

2.3.化气动状态

天然气与空气比的均匀混合，同时需要考虑燃烧室外空气动力问题，即天然气在注入瞬间时的状态。因此采用的方法是，首先降低气流进入喷嘴前的速度，然后对其加速，提高燃料均匀分布程度。同时，预混区非均匀度的减小，能够极大降低燃烧区的温度。

2.4.子控制流量

火炬点火器位于每个燃烧室的头部，并采取电子技术调节油气混合物的燃气量，而不用通过调节空气流量来控制燃烧温度。