R0110重型燃氣輪機DLN燃燒室NOx排放特性研究

包文飛，李明，牟影，王巍龍

(沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，遼寧沈陽110043)

R0110重型燃氣輪機DLN燃燒室NOx排放特性研究

包文飛，李明，牟影，王巍龍

(沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，遼寧沈陽110043)

R0110重型燃氣輪機燃燒室按干式低污染(DLN)原理設計，采用徑向燃料分級燃燒技術，具有兩種燃燒模式。為檢驗燃燒室的NOx排放特性，在低壓模擬條件下，對模式Ⅰ和模式Ⅱ分別進行了燃燒室單管試驗。結果表明，模式Ⅱ的NOx排放比模式Ⅰ顯著降低，但還未能完全滿足設計要求。為此，對燃燒室結構、燃料分配特性及模式Ⅱ的工作過程進行了詳細分析，提出了進一步改善燃燒室NOx排放特性的措施和建議。

重型燃氣輪機；干式低污染(DLN)燃燒室；燃燒模式；排放特性；分級燃燒

the characteristics of emission；staged combustion

1 引言

R0110重型燃氣輪機(以下簡稱燃機)是我國第一臺具有自主知識產權的重型燃機。其燃燒室按干式低污染(DLN)原理設計，采用徑向燃料分級燃燒技術[1]，位于壓氣機擴壓器外側，是一個包含20個火焰筒的逆流式環管式結構。每個火焰筒頭部分為環形區、均勻區和擴散區。該燃燒室可在兩種燃燒模式下工作，環形區按擴散方式燃燒、均勻區按稀相預混方式燃燒為模式Ⅰ，兩區均按稀相預混方式燃燒為模式Ⅱ。其中模式Ⅱ專為解決NOx排放問題設計。擴散區設有值班燃料噴嘴，保證兩種燃燒模式下的火焰穩定。

國外發達國家燃氣輪機技術較為成熟，在降低NOx排放方面成效顯著，已有多種降低NOx排放的燃燒技術。其中，以基于稀相預混的DLN燃燒技術發展最為成熟、應用最為廣泛，并形成一系列具有代表性的燃燒器，如GE公司的DLN-1和DLN-2x系列，ABB公司的EV燃燒器，西門子公司的HR3和三菱公司的MK8-4等。其共同特點是：①采用徑向燃料分級或多噴嘴的散點式燃料分級技術；②燃料經一系列噴孔分散供入；③來流空氣湍流度高；④有足夠長的預混距離，保證了可燃混合物具有足夠高的空間均勻度和足夠小的濃度脈動[2]。

為驗證R0110重型燃機燃燒室的NOx真實排放特性，在低壓模擬條件下進行了兩次燃燒室單管試驗。第一次試驗在模式Ⅰ下進行，結果顯示NOx排放很高，與設計要求相差較大。第二次試驗在模式Ⅱ下進行，雖然NOx排放比模式Ⅰ降低了46.8%，但還未能完全滿足設計要求的51.25 mg/m3(15%余氧狀態)。本文僅針對燃燒室結構、燃料分配特性和模式Ⅱ的工作過程進行分析。

2 燃燒室結構和燃料分配

合理的燃燒室結構布局和燃料分配方式，是影響NOx生成的一主要因素。DLN燃燒室通過將火焰筒分成若干個燃燒區來實現燃料分級供給，每個燃燒區均具有足夠的空間來進行燃料與空氣的預混，從而獲得具有接近完美混合均勻度的可燃混合氣，消除各燃燒區內高溫熾熱點和時間上的瞬時高溫脈動，將各燃燒區火焰溫度約束在1 670～1 900 K的狹窄范圍內，抑制NOx的生成[3]。

2.1 燃燒室結構

R0110重型燃機燃燒室(圖1)，主要由環形區、均勻區、擴散區、中心區、一級回流區和二級回流區等組成，軸向布置兩道文丘里式節流環，用于收緊火焰和產生回流，防止火焰筒壁溫超標和環形區回火。

圖1 R0110燃機燃燒室頭部剖面圖Fig.1 Dome section of R0110 combustor

環形區位于火焰筒頭部外側，其前壁板上裝有8個微型渦流器。當燃燒室以模式Ⅱ工作時，火焰筒內、外壁和一級文丘里式節流環所組成的空間形成了環形區的預混室，燃料與空氣在該預混室內充分混合，后經一級文丘里式節流環產生回流，再與擴散區的值班火焰相遇燃燒。

均勻區位于火焰筒頭部內側，由中心旋流器、火焰筒內壁和前壁板等組成。燃料在均勻區內與空氣進行短暫混合后，經中心旋流器攪拌，再與擴散區的值班火焰相遇燃燒。

綜合燃燒室結構看，R0110重型燃機燃燒室雖采用了燃料分級和稀相預混結構設計，但在來流空氣湍流度和預混距離等方面存在不足。環形區雖有足夠的空間來實現燃料與空氣的均勻預混，但8個微型旋流器位于燃料噴嘴下游，且與燃料噴嘴距離很近，這對來流空氣湍流度的強化和預混距離的延長很不利；均勻區與環形區有著同樣的弊端，且預混空間與GE公司的DLN燃燒室相比小很多，很難實現燃料與空氣的完美混合。冷態試驗表明，旋流器出口截面上的燃料濃度分布很不均勻，所測預混非均勻度遠高于一般要求的5%[1，2]。顯然，這對R0110重型燃機燃燒室實現低NOx燃燒不利。

2.2 燃料分配

R0110重型燃機的燃料分配按圖2所示進行(圖中Gf為天然氣流量)，在整個升功率過程中，需兩次調節燃料分配比例，分別為相對功率Ne＝0.3和Ne＝0.7時。

圖2 R0110重型燃機燃燒室燃料特性Fig.2 The fuel properties of R0110 heavy duty gas turbine

從燃料供應量上看，當Ne＝1.0時，環形區、均勻區、擴散區的燃料分配比例分別為39%、58%和3%[4]。結構分析表明，在NOx超標的貢獻度中，均勻區所占比例最大，其次為擴散區和環形區。而燃料分配特性顯示，均勻區的燃料量在三區中最高，這無疑增加了均勻區對NOx超標的貢獻。

從過量空氣系數上看，分級燃燒室只有保證各區的油氣比接近一致，才能實現整個火焰筒燃料與空氣混和的均勻性，避免各區燃燒混合物在中心火焰筒匯集時，因各區油氣比不一致而導致火焰溫度的階躍性變化，從而獲得一個相對穩定的燃燒溫度，有利于控制NOx生成，并保證燃燒室具有較好的燃燒穩定性與較高的燃燒效率。表1示出了R0110重型燃機各燃燒區的過量空氣系數[5]。可見，Ne＝1.0時，環形區、均勻區加擴散區的過量空氣系數分別為2.62和1.15，兩者相差過大，很難滿足燃料與空氣混和均勻性的要求，導致NOx生成量無法達到設計要求。

表1 不同相對功率下各燃燒區的過量空氣系數Table 1 The air coefficient of the relative power

3 模式Ⅱ的工作過程

R0110重型燃機燃燒室點火成功后，隨著相對功率的升高，模式Ⅱ的工作過程主要包括以下幾個階段：

(1)Ne＝0～0.3階段。燃料全部進入環形區，燃燒方式為擴散燃燒，燃料和空氣基本沒有預混，NOx排放較高，但燃燒室在此狀態停留時間很短，不會對NOx排放產生較大影響。

(2)Ne＝0.3階段。燃燒室在此狀態進行第一次燃料切換，均勻區和擴散區開始投入工作，燃料總量保持不變。由于均勻區投入使用，并以稀相預混方式燃燒，減小了擴散燃燒的燃料量，因而燃料切換后的NOx排放較切換前有所降低。

(3)Ne＝0.3～0.4階段。燃燒室按燃料特性曲線繼續提升相對功率。

(4)Ne＝0.4階段。逐步減小環形區的燃料量直至熄火，將減小的燃料量供入均勻區，保持燃料總量不變。確認環形區熄火后，恢復燃料供給，并不再點燃，直至燃料分配比例回歸到Ne＝0.4時的初始狀態。此時環形區作為燃料和空氣的預混室使用，實現了由擴散燃燒向稀相預混燃燒的轉變，NOx排放顯著降低。

(5)Ne＝0.4～0.7階段。燃燒室按燃料特性曲線繼續提升相對功率，環形區的燃料量占主導地位。

(6)Ne＝0.7階段。燃燒室在此狀態進行第二次燃料切換，在降低環形區燃料量的同時，增加均勻區的燃料量，保持燃料總量不變。

(7)Ne＝0.7～1.0階段。燃燒室按燃料特性曲線繼續提升相對功率，均勻區的燃料量占主導地位，NOx排放顯著升高。

綜合模式Ⅱ的整個工作過程看，除Ne＝0.7的燃料切換外，基本符合DLN燃燒室的工作準則。而試驗結果恰恰表明，在Ne＝0～0.7的過程中，NOx排放小于51.25 mg/m3(15%余氧狀態)，滿足設計要求。正是因為Ne＝0.7的燃料切換后，才導致NOx排放逐步升高，最終超出設計要求，這與環形區和均勻區燃料量改變直接相關。結合前文的分析可看出，均勻區的結構設計缺陷是影響NOx排放超標的主要因素，第二次燃料切換加重了該因素的負面影響。

4 改善NOx排放的措施和建議

根據前文分析，本文認為，調整好各區之間的燃料比例是降低NOx排放的首選措施。從燃料分配中可看出，原設計的R0110重型燃機燃燒室在模式Ⅱ下，Ne＝1.0時，擴散區的值班燃料，預混較差的均勻區燃料，環形區的稀相預混燃料比例分別為3%、58%和39%。而結構與其相似的DLN-1燃燒室的這三部分燃料比例分別為2%、15%和83%，均勻區燃料比例僅為15%才實現NOx排放小于51.25 mg/m3(15%余氧狀態)。R0110重型燃機燃燒室均勻區的燃料比例比DLN-1燃燒室的高3～4倍，使得均勻區的過量空氣系數過低，接近1.00(見表1)。而變成預混室的環形區的過量空氣系數為2.62，明顯過高。若將均勻區的部分燃料供給環形區，使兩區的過量空氣系數接近或基本一致，則有望進一步降低NOx排放。為此，建議將環形區的過量空氣系數從2.62降為1.60，則其燃料比例提高到67%，均勻區降為30%，擴散區保持3%不變。

此外，適當延長均勻區的預混段，提高預混均勻性，增強環形區和均勻區的擾流來增加來流空氣的湍流強度，也有望進一步改善NOx的排放特性。

5 結論

(1)火焰筒頭部均勻區的預混空間較小，不能滿足DLN燃燒室稀相預混燃燒的需要。

(2)環形區和均勻區的旋流器安裝位置不當，造成燃燒室來流空氣湍流強度不夠。

(3)相對功率為0.7時的燃料切換欠佳，在不改變空氣供應條件的前提下，燃燒室NOx排放超標的主要原因為，均勻區的供氧條件無法滿足低NOx要求，形成了富燃料燃燒。

(4)各區過量空氣系數分配不合理，不能實現火焰筒內燃料與空氣混和的均勻性。

(5)在不改變燃燒室結構的前提下，進一步改善NOx排放特性的建議是：減少均勻區的燃料量，同時增加環形區的燃料量，使兩區的過量空氣系數基本一致。

[1]祁海鷹，李宇紅.干低NOx燃燒室的結構性能演化和關鍵技術分析[R].北京：清華大學，2003.

[2]謝剛，李宇紅，祁海鷹.DLN燃燒室的燃料-空氣預混均勻性問題[J].工程熱物理學報，2006，27(S2)：227—230.

[3]雷俊勇，李宇紅，由長福.重型燃機DLN燃燒室環形區的優化研究[J].燃燒科學與技術，2006，12(4)：340—344.

[4]沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司.R0110發動機燃燒室的計算及其特性[M].2004.

[5]謝剛，祁海鷹，李宇紅，等.R0110重型燃氣輪機燃燒室污染排放性能研究[J].中國電機工程學報，2010，30 (20)：51—57.

NOx Emissions Properties of DLN Combustor of R0110 Heavy Duty Gas Turbine

BAO Wen-fei，LI Ming，MOU Ying，WANG Wei-long
(AVIC Shenyang Liming Aero-engine(Group)Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China)

The combustor of R0110 heavy-duty gas turbine is designed according to the dry-type and low-pollution(DLN)principle.Adopting radial fuel-staged combustion technology,it has two working modes.In order to test the NOx emissions features of combustor,single-tube experiments were conducted to the two modes under the low pressure condition respectively.The results show that the emissions of the NOx of modeⅡ,though evidently lower than that of modeⅠ,still can't meet the design requirements.To solve this problem,the combustion chamber characteristics,fuel distribution and work process of modeⅡwere analyzed in detail,and measures as well as suggestions were put forward to further improve the NOx emis?sion of the combustion chamber.

heavy duty gas turbine；dry-type and low-pollution(DLN)combustor；combustion mode；

TK47

A

1672-2620(2013)01-0040-03

2012-06-01；

2012-08-06

包文飛(1971-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要研究方向為燃氣輪機整體性能及試驗。