燃氣輪機煙氣采集系統(tǒng)的分析及性能研究

梁培培 孫中偉 王 輝

（哈爾濱電氣集團，哈爾濱 150046）

隨著高性能燃氣輪機發(fā)展以及人們環(huán)境保護意識的提升，各國對燃氣輪機污染物排放要求也越來越高，DLN燃燒室成為燃氣輪機排放物處理的一種主要方式，其中高溫?zé)煔獠杉到y(tǒng)作為污染物濃度檢測 方法，重要性不言而喻。燃燒室內(nèi)煙氣溫度最高可達1700℃，而采樣樣品又需要具有代表性，因此采樣器不僅要耐高溫，而且還要具備多點采樣功能，力求減少外接因素干擾，所以采樣器設(shè)計是否合理性與測量數(shù)據(jù)準確性息息相關(guān)。

1 可移動采樣系統(tǒng)

可移動采樣系統(tǒng)設(shè)計主要以燃氣分析法為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)類型多為圓盤混合式擺動取樣器。此種取樣器分為兩部分，即進氣采樣靶與移動機構(gòu)。

1.1 混合式多點擺動采樣靶

混合式多點采樣靶一般是由5～6點進氣氣路集成為一個靶式結(jié)構(gòu)，并使用水冷結(jié)構(gòu)，如圖1所示。取樣孔的孔徑按照壓降的80%發(fā)生進行設(shè)計，在小孔處確定取樣孔的直徑，且符合等面積設(shè)計要求，開孔位置遵循螺旋線規(guī)律，確保樣氣取樣代表性[1]。

混合多點采樣靶安裝于測量段擺盤上，如圖2所示。2只取樣器沿X軸對稱分布，試驗過程中需連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動擺盤，采集整個截面上各處的煙氣。此擺盤可實現(xiàn)上百個采樣點測量。試驗中，由于分析儀器響應(yīng)具有滯后性，擺盤每次轉(zhuǎn)動需等待10～15S之后，再開始采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過實際測試，此種結(jié)構(gòu)的取樣器可以在1800℃溫度環(huán)境下進行取樣工作[2]。

該采樣器雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度較大且體積龐大，但操作簡單，取樣均勻且有代表性，故適合應(yīng)用于測量段為圓形通道且尺寸較大的全環(huán)試驗中。

1.2 單點式套管水冷取樣器

該取樣器在套管式取樣探頭處設(shè)置有三層水冷套管，煙氣從最內(nèi)部套管中抽出，冷卻水流經(jīng)最外層套管再進入中層套管，進而對內(nèi)管中的煙氣進行冷卻，取樣器結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。取樣管可以在進水口、出水口還有煙氣出口處安裝溫度傳感器，起到調(diào)整煙氣溫度以及冷卻水流速的作用。經(jīng)過計算和試驗證明，本裝置工作環(huán)境溫度最高為1200℃。

圖1 混合多點采樣靶

圖2 擺盤示意圖

圖3 套管取樣探頭

該取樣器通常與環(huán)型位移結(jié)構(gòu)相結(jié)合，獲得不同采樣點的煙氣，此取樣器加工簡單，多由于單點采樣，操作較為繁瑣，可用于測量段為圓形的環(huán)型試驗中。

2 不可移動采樣系統(tǒng)

2.1 十字交叉采集系統(tǒng)

十字交叉采集系統(tǒng)由不銹鋼焊接而成，分為進氣管路、出氣管路和水冷管路，有四個分支，按照45°排列，中間與一個五通圓管連接，抽氣小孔位置按照螺旋線布置在十字交叉鋼管上，結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

此設(shè)計可將測量段改造為非圓形通道，通過法蘭固定連接，進出氣管與冷卻水管成軸向排列，可應(yīng)用于單管試驗或扇形試驗等結(jié)構(gòu)較小的試驗中。如想進行大型整機試驗，可改造為帶有轉(zhuǎn)動裝置的圓盤結(jié)構(gòu)，目前該系統(tǒng)已成功運用于燃燒室試驗中。

圖4 十字交叉整體結(jié)構(gòu)

圖5 水冷結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 徑向排列式多點探頭

徑向排列式多點探頭與套管單點采樣探頭結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別是前者在套管上開有一排抽氣孔，布置方式較為靈活，如圖6所示。該系統(tǒng)適用于非圓形測量段以及結(jié)構(gòu)尺寸較小的試驗中，目前該采樣系統(tǒng)已成功適用于某三頭部燃燒試驗中。

圖6 徑向采樣靶示意圖

3 結(jié)論

燃燒室高溫?zé)煔獠杉杩紤]采樣探頭的冷卻、采樣代表性以及采樣合理性等因素。其中，可移動多點采樣系統(tǒng)設(shè)計加工復(fù)雜，適合測量出口為圓形且整體尺寸較大的燃燒室試驗中；不可移動多點采樣系統(tǒng)布局較為靈活，加工簡單，適合測量出口為矩形或扇形的非圓形燃燒室試驗中。