RR公司RB211燃氣發(fā)生器干低排放燃燒技術(shù)

侯麗娟，王艷，郭珍蘭

中國石油管道壓縮機組維檢修中心

RR公司RB211燃氣發(fā)生器干低排放燃燒技術(shù)

侯麗娟，王艷，郭珍蘭

中國石油管道壓縮機組維檢修中心

應(yīng)燃氣發(fā)生器排放新標(biāo)準(zhǔn)，干低排放燃燒技術(shù)亟待發(fā)展，研究了具代表性的RR公司RB211燃氣發(fā)生器干低排放燃燒室的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)安排，指出了這項技術(shù)發(fā)展的一些關(guān)鍵點，為我國研究發(fā)展此項技術(shù)提供借鑒意義。

干低排放；燃燒室；燃氣發(fā)生器

引言

近年來，隨著國內(nèi)環(huán)保立法和環(huán)保意識的增強，燃氣輪機的污染物排放將越來越受重視，西方國家各燃氣輪機廠商早在三、四十年前就展開了這方面的研究，發(fā)展了各自的技術(shù)并取得了顯著成效，如RR、GE、Allison研究了貧油預(yù)混串列分級燃燒室、富油-猝熄-貧油燃燒室等低排放燃燒室，NOX排放水平已達到（25-9）x10-6等級。而中國在這方面的研究為之甚少，干低排放燃燒技術(shù)亟待發(fā)展。本文通過針對性深入研究RR公司RB211航改型燃氣輪機的干低排放燃燒室的設(shè)計理念，為我國自主研究提供借鑒意義。

1.干低排放技術(shù)的原理和優(yōu)勢

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)公式CH4+2O2+2(3.67)N2=CO2+2H2O+7.52N2,天然氣/空氣充分燃燒的理想配比值為0.067，在這種配比情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)完全充分燃燒，并且不產(chǎn)生其他附帶的雜質(zhì)，即NOX等，但此時的燃燒溫度卻非常高,而且這種理想的燃燒情況在實際環(huán)境中也很難實現(xiàn)。根據(jù)CO和NOX隨燃燒溫度變化值，必須將燃燒溫度控制在一定區(qū)域，才能實現(xiàn)污染物排放量最小化。干低排放技術(shù)指無需使用注水或水蒸氣的方法，在不對燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響的情況下，通過控制天然氣與空氣混合物的燃燒溫度，從而降低一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）和未燃燒的碳氫化合物（UHC）等的排放量。

干低排放技術(shù)的重點在于通過研究天然氣與空氣的配比量，混合物在進入燃燒室前預(yù)混合，降低燃燒室的火焰溫度，最終達到低碳和低氮排放。利用這種技術(shù)同時增加了燃氣輪機的熱功率，延長燃機壽命。

2.RB211干低排放燃燒室主要構(gòu)造

RR自20世紀(jì)70年代起，經(jīng)過十多年的設(shè)計實驗，最終發(fā)展了串列分級貧油預(yù)混燃燒室用于RB211，見圖1。從傳統(tǒng)航空單環(huán)管型燃燒室變?yōu)榱税ㄓ?個徑向安裝的反向流環(huán)管型燃燒室。這種設(shè)計應(yīng)用于RR燃氣輪機單元體機構(gòu)上，只需更改HP單元體以及做其他簡單的改動，而對前后單元體及相互安裝面不發(fā)生變化。

圖1.串列分級貧油預(yù)混燃燒室

2.1.級燃燒和冷卻

這種兩級串列貧油預(yù)混干低排放燃燒室，和傳統(tǒng)燃燒室結(jié)構(gòu)一樣，也設(shè)置了旋流器，用于充分混合并穩(wěn)定混合氣體的狀態(tài)。但干低排放用的燃料噴嘴卻比傳統(tǒng)型大的多，包括預(yù)混腔室和大量的預(yù)混氣體，預(yù)混氣體占整個燃燒室氣體流量的50%—60%。一次燃燒室設(shè)兩個徑向安裝的旋流器，用于減少混合區(qū)的長度并促進充分混合。一次燃燒形成的火焰流被加速，用于限定一次燃燒區(qū)的長度并阻止二次燃燒的火焰流反流入一次燃燒區(qū)。二次燃燒預(yù)混通道環(huán)形包圍一次燃燒室，其間另有一提供內(nèi)壁冷卻空氣的環(huán)形通道介于兩者之間。二次預(yù)混通道的氣流與燃燒室中心線呈一定角度注入腔體，促進與一次燃燒火焰快速完全混合。RR采用了TRANSPLY材料作為內(nèi)壁冷卻管，這種材料具有很高的換熱系數(shù)，從而需要最少量的冷卻空氣。

2.2.料注入

RR公司經(jīng)過一系列模型試驗，最終確定了一次和二次燃燒預(yù)混通道的燃料注入方法。一次預(yù)混通道的內(nèi)外部旋流器各有8個葉片，每兩個葉片之間設(shè)有一個燃料棒，每個燃料棒上分別有兩組供油孔，每組孔有6個，向旋流通道供應(yīng)燃料，形成一個緊湊的混合通道，擴散噴嘴位于其中。燃料分配是否均勻關(guān)系到最終能否限定CO和NOX的排放。燃料棒上供油孔設(shè)設(shè)計能夠滿足最大程度上實現(xiàn)燃料分配均勻。因此二次預(yù)混通道同樣采取了32個燃料棒供應(yīng)的方法。

2.3.化氣動狀態(tài)

天然氣與空氣比的均勻混合，同時需要考慮燃燒室外空氣動力問題，即天然氣在注入瞬間時的狀態(tài)。因此采用的方法是，首先降低氣流進入噴嘴前的速度，然后對其加速，提高燃料均勻分布程度。同時，預(yù)混區(qū)非均勻度的減小，能夠極大降低燃燒區(qū)的溫度。

2.4.子控制流量

火炬點火器位于每個燃燒室的頭部，并采取電子技術(shù)調(diào)節(jié)油氣混合物的燃氣量，而不用通過調(diào)節(jié)空氣流量來控制燃燒溫度。

3.結(jié)束語

RR RB211串列分級燃燒室采用貧油預(yù)混燃燒技術(shù)，降低燃燒室火焰溫度，加上合理的構(gòu)型設(shè)計和先進的結(jié)構(gòu)材料，最終能夠完全滿足燃氣輪機降低CO和NOX等的排放，同時增加燃機熱功率，延長了燃機壽命，符合燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢和市場需求。

[1]李孝堂.燃氣輪機的發(fā)展及中國的困局[J].航空發(fā)動機, 2011(3）：1-7.

[2]梁春華.燃氣渦輪發(fā)動機干低排放燃燒室的研制及發(fā)展[J].航空發(fā)動機,2001,(4)：47-50.

[3]周君輝,王力軍.燃燒室貧油多旋流預(yù)混合預(yù)蒸發(fā)特性數(shù)值研究[J].航空發(fā)動機,2011,37(1)：20-23.

[4]Jeff D Willis,Ian J Toon,Tom Schweiger,etc.International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition[C].Cincinnati, Ohio：ASME,1993.