微型燃氣輪機燃燒室性能影響因素的探討

趙立志 汪軍

摘要：針對微型燃氣輪機燃燒室性能的各種影響因素（進氣條件、燃料熱值、燃燒室結構等）對燃燒穩定性和燃燒效率的影響，介紹了國內外相關實驗和數值模擬研究現狀，分析了燃燒室主要污染物的生成機理和影響因素，以及降低氮氧化物排放濃度的技術措施。

關鍵詞：微型燃氣輪機;燃燒室;燃燒效率;燃燒穩定性;氮氧化物;排放濃度

中圖分類號：TP392文獻標志碼：A

微型燃氣輪機（micro-turbine或micro gasturbine，MGT）是一種以燃料（燃氣或燃油）和空氣為介質的旋轉式熱力發動機，其功率一般在25～300kW之間，并具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特征，被廣泛應用于分布式發電、備用電站、熱電聯產以及民用和軍用交通運輸等領域。燃燒室是燃氣輪機的核心部件之一，位于壓氣機與渦輪之間，主要由擴壓器、火焰筒、燃料噴嘴、旋流器、點火裝置以及燃燒室殼體等部件組成。在燃燒室內進行的燃燒反應是一個復雜的過程，包括燃料與空氣的流動、傳熱、傳質和化學反應等。由壓氣機出來的空氣首先經過燃燒室頭部的擴壓器，使空氣入口壓力達到進入燃燒室的工作壓力，經過旋流器后與由噴嘴進入的燃料混合燃燒，形成高溫高壓燃氣，再進入透平中膨脹做功。整個燃燒過程將燃料的化學能轉化為機械能。確保在此過程中燃燒穩定，提高燃燒效率，降低NOx排放濃度已成為目前對微型燃氣輪機燃燒室研究的重點。

1國內外微型燃氣輪機發展現狀

國外燃氣輪機的發展史可追溯到20世紀30年代。1939年第一臺發電用燃氣輪機和航空燃氣輪機先后研制成功。微型燃氣輪機的發展始于20世紀60年代，比重型燃氣輪機晚了20多年。在1995年美國動力年會上，AlliedSignal、Capstone和Elliott等公司各自推出了25～75kW的微型燃氣輪機樣機，其性能參數如表1所示。2003年在美國召開了機械工程師協會（ASME）年會，從各廠商發布的微型燃氣輪機信息中可看出，當時微型燃氣輪機已有了較大發展。

隨著科技的進步與發展，微型燃氣輪機在結構方面也有了較大的改變。為了減小整個機組的質量和尺寸，采用高速永磁發電機中的空氣軸承代替滾動軸承;為了提高機組的熱效率，采用高效緊湊型回熱器;為了提高燃燒效率，采用陶瓷、硅等耐高溫材料提高燃燒室入口溫度。美國Capstone公司已成功研制了型號為C30、C65和C200的微型燃氣輪機;Honeywell公司研發了75kW的Parallon75型微型燃氣輪機;英國Bowman公司研發了35、60和80kW的微型燃氣輪機;瑞典Turbec公司研制了100kW的T100型微型燃氣輪機。這些產品均已投放市場，并得到廣泛應用。

相對而言，國內微型燃氣輪機的研究和應用起步較晚，最初是購買國外樣機開展試驗研究。“十五”期間開展863計劃專項“100kW微型燃氣輪機研制”，并成功研制了型號為WDR100的微型燃氣輪機。該燃氣輪機設計發電功率為100kW，發電效率不低于29%;熱電聯供熱效率達到80%以上。上海交通大學成功研制了20kW微型燃氣輪機，并與澳大利亞聯邦研究院和上海航天能源股份有限公司合作，成功研制了30、50kW低熱值微型燃氣輪機，與上海理工大學合作建成了微型燃氣輪機能源島供能系統實驗臺。2015年由中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司下屬哈爾濱東安科技開發公司成功研制了我國首臺具有自主知識產權的WDl8微型燃氣輪機發電機組，填補了國內微型燃氣輪機發展史上的空白。該機功率為18kW，具有體積小、重量輕、發電速度快、發電品質高、突加載能力強等特點。但是，我國目前市場上所供應的大部分微型燃氣輪機仍以國外進口為主，主要是美國Capstone公司的產品，國內應用近200臺。國內相關企業和科研機構對微型燃氣輪機做了大量研究工作，具備了一定的經驗和基礎，但可實現商業應用的還較少，仍需進一步研究核心技術以降低生產和研發成本，提高能源利用效率，才能真正將微型燃氣輪機產品推向國內外市場，實現商業化應用。

2燃燒室的技術特性指標

在燃燒室研究與開發中，通常使用各種技術特性指標衡量燃燒室工作性能的優劣，如：燃燒效率、總壓保持系數、出口溫度分布不均勻系數、燃燒穩定性、污染物排放濃度和使用壽命等。

一般情況下，在單個燃燒室機組中，燃燒室出口最高溫度不能比出口平均溫度高60～80℃;在多燃燒室同時運行的機組中，還應確保每個燃燒室出口的溫度偏差不超過15～20℃。

2.4燃燒穩定性

燃燒穩定性是燃燒室的一個重要性能指標，它要求在各種可能遇到的工況下燃燒室均能維持燃燒，既不會熄火也不會發生強烈的火焰脈動。燃燒室存在兩種熄火現象：富油熄火，即過量空氣系數低于富油熄火極限時發生的熄火現象;貧油熄火，即過量空氣系數高于貧油熄火極限時發生的熄火現象。位于這兩個界限之內的即為穩定燃燒區。一般來說，貧油熄火極限與富油熄火極限之間的差值越大，燃燒穩定性越好。

通常在燃氣輪機中不會發生富油熄火現象，只會出現貧油熄火，因此也可以用貧油熄火極限衡量燃燒穩定性。一般要求燃燒室的貧油熄火極限至少大于25才能適應燃氣輪機的工作需求。

2.5污染物排放量

燃燒室排氣中的污染物主要由NOr、CO、UHC（未燃碳氫化合物）和冒煙組成。隨著環境保護標準的提高，有效控制燃燒室污染物排放濃度已成為衡量燃燒室性能的重要指標之一。美國環保局規定：燃用天然氣的燃氣輪機，其NO，排放體積分數不能高于2.5×10⁵m³·m³，CO排放體積分數不能高于5.0×10⁵m³·m³。相較于燃用天然氣的燃氣輪機，燃用液體燃料的燃氣輪機允許排放濃度的要求要低得多。

2011年，北京市頒布了固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準（DBll/847-2011），規定了NOr最高允許排放質量濃度為30mg·m^-3，SO2最高允許排放質量濃度為2mg·m^-3，煙塵最高允許排放質量濃度為5mg·m^-3。為了更好地適應未來的發展，應盡快立法，制定全國統一的燃氣輪機污染物排放標準。

2.6使用壽命

不同類型燃氣輪機的使用壽命差距較大。固定式燃氣輪機由于其燃燒強度較低，使用壽命較長，一般為20000～30000h;地面運輸式機組使用壽命大約為1000～1500h;而航空發動機燃燒強度大，使用壽命僅為300～800h。

燃氣輪機失效的主要原因是燃燒室中高溫元件損壞。火焰筒壁面溫度高低對燃燒室的壽命有著決定性的影響。一般，規定火焰筒壁面溫度要低于材料長期工作所能承受的溫度水平。對于工作壽命要求較長的燃燒室，最好能把溫度控制在650～700℃左右，但在某些工作壽命較短的燃燒室中，壁面最高溫度可能會超過850℃，甚至局部最高溫度會達到900℃。同時，火焰管的溫度分布均勻程度對使用壽命也有較大的影響。在溫度分布不均勻處，火焰管容易變形或開裂，導致其使用壽命降低。

3燃燒室性能影響因素分析

隨著微型燃氣輪機技術的發展和功率的提高，為了保證在高溫、高壓工作環境下達到低排放、長壽命、高可靠性的指標要求，燃氣輪機的相關研發工作主要集中在提高燃燒初溫、提高熱效率和降低NOx排放濃度。提高燃燒初溫的關鍵在于提高動靜葉片的耐高溫性能;而對于提高熱效率和降低NOx排放濃度，可從進氣條件、燃料類型、燃燒室結構等方面進行研究。

3.1進氣溫度的影響

進氣溫度對燃燒室性能影響較大。在一定溫度范圍內，隨著燃燒室進氣溫度上升，燃燒效率顯著提高，燃燒室出口氣流溫度分布不均勻系數減小;同時燃燒室出口CO、UHC排放濃度顯著降低。但由于熱阻增大，總壓保持系數有所降低。此外，當進氣溫度超過一定值后，若繼續提高進氣溫度，燃燒效率的提高則變得緩慢。

出現上述現象的原因在于，隨著進氣溫度上升，燃燒室內的化學反應速率加快，使得燃燒過程在更短的時間內完成，且由于燃料流量減少，燃燒室過量空氣系數增大，使氧氣濃度上升，促進了燃料的完全燃燒;另一方面，隨著進氣溫度上升，燃燒反應速率變快，火焰長度變短，高溫燃氣與空氣摻混更加均勻。因此，燃燒室出口溫度分布更加均勻，溫度分布不均勻系數更小。但當進氣溫度超過一定值后，其對燃燒室燃燒效率的影響越來越弱。

3.2燃料熱值的影響

微型燃氣輪機的燃料一般為天然氣或柴油。鑒于全球石油儲備減少和能源價格上漲，為保障可持續發展，需要開發新能源以替代常規能源。因此，有必要開展對替代能源的研究和應用，以及燃用替代燃料對燃燒室性能的影響研究。國內外很多學者通過實驗和數值模擬的方法對燃用不同熱值燃料的燃燒室性能進行了研究，并對燃燒室結構進行了優化設計。

燃料熱值高低對燃燒穩定性和燃燒效率影響較大。氫氣作為一種優質燃料，在燃燒室燃燒時具有熱值高、反應時間短、蒸發快、擴散快、火焰傳播速度快等特點。Robbio以美國Capstone公司的C30為模型建模，將燃料改為氫氣與天然氣的混合物，研究發現：隨著氫氣占總燃料比重的不斷上升，燃料熱值升高，燃燒效率提高，且NOx排放濃度降低。曹常青等設計了一種以富氫合成氣為燃料的100kW級微型燃氣輪機燃燒室，并對燃燒室內部冷熱流場、燃燒效率、燃燒穩定性等進行數值模擬。結果表明：該燃燒室燃燒效率高達99%，燃燒基本穩定，滿足燃燒室的設計要求。Laranci等以Elliott公司T80微型燃氣輪機燃燒室為模型建模，對分別燃用兩種不同燃料（天然氣和植物油）的燃燒室性能進行了研究，結果表明：由于植物油熱值較低，從功率和燃燒效率的數據對比分析來看，天然氣的相應參數比植物油的參數高出40%左右。

針對生物質氣、低熱值合成氣等燃料燃燒效率低的問題，許多學者對燃燒室內部結構進行適當改進。張巍等將生物質氣應用于原本燃用天然氣的C30微型燃燒室，采用數值模擬方法進行研究，結果表明：由于生物質氣熱值較低，降低了主燃區溫度，顯著降低了NOx排放濃度，但局部高溫區變大;流場前部流速加大，高溫燃氣直接沖擊內筒壁，且出口溫度不均勻系數變大;這些問題仍需在后續研究中進行改進。Sadig等針對兩種不同成分的生物質氣進行研究，在雙燃料模式下采用軸向和徑向兩種注入方式，并采用分級燃燒方式，有效提高了燃燒效率。

研究表明，可采取以下措施改善燃料熱值對燃燒室內燃燒穩定性和燃燒效率的影響：

（1）適當改變摻混孔布局，減少摻混孔數量，以提高燃燒室出口溫度。

（2）適當延長燃燒室軸線長度，使高溫燃氣與空氣在燃燒室內混合更加均勻，增強燃燒穩定性，減小出口溫度分布不均勻系數。

（3）盡量將燃燒工況維持在滿工況狀態，并改進燃燒室外壁的冷卻效果。

3.3燃燒室結構對燃燒室性能的影響

3.3.1噴嘴

在燃用液體燃料的微型燃氣輪機燃燒室中，燃料噴射、霧化以及與空氣的預混均勻程度對燃燒穩定性和燃燒效率有著決定性作用。一般而言，液體燃料的霧化效果好，霧滴顆粒越細且均勻，燃燒效率越高。傳統燃氣輪機燃燒室的噴嘴有離心式噴嘴、空氣霧化噴嘴、甩油盤噴嘴和蒸發管噴嘴。由于微型燃氣輪機燃燒室結構緊湊，在燃用液體燃料時必須確保在有限空間中迅速實現液體燃料的噴射、霧化和預混燃燒，所以，為了確保燃燒穩定性，提高燃燒效率，需要對原噴嘴結構進行優化設計。

針對微型燃氣輪機燃燒室的開發，許多學者研發了新型噴嘴或對傳統噴嘴進行了適當改進和優化。為了滿足某微型燃氣輪機進行400h的長試要求，馮占祥設計了一種燃油噴嘴，填補了我國在空氣霧化噴嘴技術上的空白;崔運靜等在Danfoss噴嘴基礎上通過外加渦旋方式進行優化，通過實驗驗證了在加入外部渦旋的情況下可增大噴嘴的出口霧化角，降低內部霧滴碰撞再聚合的機率，保證燃燒室內燃燒穩定性;由于傳統噴嘴具有固定的旋流數，所以在低功率工況下會對燃燒性能產生影響。針對該問題，徐永國等設計了一種可在相同雷諾數下得到不同旋流數的渦旋式噴嘴，并采用數值模擬方法驗證了其在低功率工況下的燃燒效率，為噴嘴設計提供了經驗。光輝等設計了一種應用于微型燃氣輪機燃燒室的離心式多孔蒸發管噴嘴，并通過實驗發現：當進入蒸發管的溫度高于480K時，蒸發率達到100%。Rajpara等在現有燃燒室模型的基礎上進行建模，采用反向燃油噴射方式加強燃料與空氣的摻混，研究表明：噴嘴長度對摻混效果、停留時間和污染物排放濃度有較大影響，并存在一個最佳噴嘴長度使燃燒效率和總壓恢復系數達到最佳。

3.3.2旋流器

當氣流流經旋流器時，氣體的流動狀態由軸向運動轉變為旋轉運動，在離心力作用下形成低壓區，從而形成一個回流區穩定燃燒。旋流器還可增大氣流和燃油的相對速度，優化油滴霧化和與空氣的預混，同時為燃燒室頭部提供適量空氣，保證燃燒室頭部具有合適的余氣系數，所以旋流器的選取在燃燒室設計中至關重要。

旋流強度決定了氣流的旋流流動。流場中回流區的形成、發散角度以及氣體在燃燒室中的停留時間均取決于旋流強度。傳統的單級旋流器已不再適用于高推質比發動機，雙級旋流器以及三級旋流器正逐步取代單級旋流器。我國部分學者對雙級旋流器和三級旋流器的旋向進行了研究，發現：在雙級旋流器中，旋向相反時氣流摻混造成較大的能量損失，空氣與燃料的摻混效果變差，且由于預混效果變差導致高溫區增大，NOx排放濃度增大，出口溫度分布不均勻系數增大，燃燒性能不如旋向相同時;但在三級旋流器中，當中間級旋流器和外級旋流器與內級旋流器旋向不同時，空氣與燃料預混均勻性較好，燃燒性能更佳。在對旋流器的研究中還發現，通過改變旋流器安裝角度可改變旋流數大小，選擇適當的旋流數能維持流場和燃燒的穩定性;當旋流數過低時不會形成回流區，燃燒穩定性較差;但當旋流數過高時噴嘴處氣體過于稀薄，回流區氣體容易向上游直沖導致回火，使燃燒過程存在安全隱患。

3.3.3其他結構

燃氣輪機燃燒室復雜的內部結構對其性能有較大影響。因此，國內外許多學者均致力于優化其內部結構來改善性能。Farokhipour等在燃燒室內設置了一些噴水噴頭，結果發現燃燒性能有了較大改善，并在此基礎上對不同的噴頭位置、方向和水的質量流率下的燃燒性能進行了模擬，結果表明：當噴頭位于主燃區末端、噴射角度α=120°、水的質量流率為1kg·s^-1。時，燃燒性能達到最佳。Xing等將一個可調節的燃料供應系統應用于某-30kW級微型燃氣輪機中，通過改變可調節燃料特征數u進行模擬研究，結果表明，隨著u增大，總壓保持系數不變，出口溫度分布不均勻系數減小，且燃燒效率逐漸增大，最大可達99.995%。De Paepe等在Turber T100微型燃氣輪機基礎上，利用先進的濕式燃氣輪機循環概念，在燃燒室中進行廢熱回收優化;由于廢熱回收增加，在恒定轉速時有更高的電力輸出或在輸出相同電能時燃料消耗更少，使發電效率更高。Peng等以氫氣為燃料，采用非預混燃燒方式，研究壁厚和多孔介質對圓柱形微型燃氣輪機燃燒室性能的影響，結果表明：設置多孔介質或增加壁厚可增強熱傳遞，提高燃燒穩定性，有利于改善外壁溫度和提高能源利用率。Ansari等研究了一臺帶有擋板和圓柱組合的新型平面微型燃氣輪機，結果表明：擋板厚度決定了火焰位置;圓柱直徑較小或擋板與圓柱間距過小時會影響燃燒穩定性;擋板長度和壁面導熱率能有效改善燃燒效率和熵產。

4No，排放濃度的影響因素及控制措施

燃氣輪機燃燒室在燃燒過程中產生的污染物主要有CO、CO2、SOx、UHC以及NOx等。其中CO和UHC來源于燃料的未完全燃燒，CO2來源于燃料與O2之間的氧化反應，SOx來源于燃料中s元素與O2之間的反應，NOx來源于空氣中N2與O2，之間的反應。在NOx排放濃度的問題上，美國、日本等發達國家要求將其排放質量濃度限制在2.5mg·m^-3以下;相對而言，我國對燃氣輪機的排放限制較寬，要求NO，最大排放質量濃度為30mg·m^-3。

4.1NOx的形成機理

燃燒過程中產生的NOx可分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。，其中NO約占95%。熱力型NOx是指在高溫條件下O2與N，發生反應生成NO，是燃燒過程中NO形成的主要來源。熱力型NOx的生成與燃燒區溫度、氧氣濃度以及反應物在燃燒區的停留時間等密切相關。當燃燒區溫度超過1800℃時，其排放濃度將急劇增大。快速型NOx是碳氫化合物燃料分解成CH、C2H、CH2等基團后與N，經過一系列復雜的化學反應后生成的NO;燃料型NO，是指當燃料中含有的N元素與碳氫基團發生化學反應，生成NO的過程。其生成原理與快速型NOx的生成原理基本相同。由于微型燃氣輪機的燃料一般為天然氣或柴油，不含氮元素，且燃燒過程中熱力型NOx所占比例較大，所以此處僅分析影響熱力型NOx排放濃度的因素。4.2NOx排放濃度的影響因素

影響燃燒室出口NOx排放濃度的因素有很多。部分學者針對燃燒室入口進氣溫度和壓力進行了實驗和數值模擬研究，結果表明：燃燒室的進氣溫度和壓力對NOx生成的影響較大。隨著進氣溫度的上升，燃料密度發生變化，使燃料在燃燒區的停留時間增加，燃燒更加充分，但燃燒區溫度上升，使NOx排放濃度增大;同時根據理想氣體狀態方程，由于燃燒室體積不變，壓力變化將引起溫度變化，而溫度變化對熱力型NOx生成影響巨大，所以隨著壓力升高，燃燒更加充分，使主燃區溫度上升，NOx排放濃度也隨之上升。

同時，過量空氣系數對燃燒室出口NOx排放濃度也有較大影響。工程實踐中，在主燃區內布置一個內部循環的連續空氣分級器，將燃燒所需的空氣分成兩級送入燃燒室，第一級空氣和全部燃料過濃燃燒，其余空氣作為第二級空氣在火焰下游送人，使燃料完全燃燒。隨著過量空氣系數增加，空氣流量的增加降低了燃燒區內溫度，使NOx排放濃度逐漸下降。

與傳統的擴散燃燒相比，采用預混燃燒可降低主燃區溫度，從而降低燃燒室出口NOx排放濃度。但預混燃燒的燃燒范圍較窄，在低功率工況下燃燒不穩定，甚至會導致熄火，可以考慮加入值班區火焰。值班區火焰采用擴散燃燒的方式，可起到穩定燃燒的作用。值班區與主燃區的燃料配比問題成為這一技術的關鍵所在，要既能保證燃燒穩定性又能降低燃燒室出口NOx排放濃度。研究表明：當值班區燃料配比較低時，燃燒室頭部不會形成高溫區，整個燃燒室溫度場分布均勻，NOx排放濃度也較低，但燃燒效率也相對較低;隨著值班區燃料配比增大，燃燒室頭部的高溫區逐漸擴大，溫度上升，同時NOx排放濃度也隨之急劇上升。所以需要選定一個合適的燃料配比，以盡量避免這些問題的出現。

4.3降低NOx排放濃度的措施

綜上所述，降低燃燒室出口NO，排放濃度的措施有：①在不影響燃燒效率的情況下，盡可能降低進氣溫度和壓力;②選取適宜的值班區與主燃區燃料配比;③設置空氣分級器，適當增大過量空氣系數;④在燃燒區與稀釋區之間合理布置摻混孔。

5結束語

通過分析微型燃氣輪機燃燒室各種影響因素，討論了進氣條件、燃料熱值、燃燒室結構等對燃燒穩定性和燃燒效率的影響;根據燃燒室出口NOx的形成原因，分析了造成熱力型NOx排放濃度較高的影響因素并提出了優化建議，為后續微型燃氣輪機的設計和使用提供借鑒。