氫燃氣輪機燃燒技術研究進展

呂光普，劉 瀟，張志浩，李圣男，楊文濤，鄭洪濤

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院, 哈爾濱 150001)

為了促進可持續發展，盡快達到全球溫室氣體排放的峰值，力爭在本世紀中葉實現碳中和[1-4]，并將全球平均氣溫控制在《巴黎協定》給出的工業化前水平以上2 ℃之內[5]，世界各國就必須對大部分能源系統進行大幅脫碳。近年來，世界主要經濟體和碳排放大國相繼提出了碳中和的氣候目標[6]，而目前實現碳中和的主要措施分為減排和增匯[6]，其中最有潛力的方向是能源結構的清潔化、低碳化，根本性措施是實現能源生產清潔化和能源消費電氣化[7-9]，清潔能源和可再生能源已然成為能源發展的主要方向[10]。隨著太陽能和風能發電裝機容量份額的日益增加[1-2,11-13]，為了充分利用隨機性、波動性大的可再生能源資源，人們通過電解水得到氫氣并儲存，這就是所謂的電轉氣[14]。

作為一種清潔可持續的能源載體，氫重新受到人們的關注，并被視為實現碳中和的強大動力[15-16]。氫加速了可再生能源在能源結構中占比的提升，已經被認為是大規模長期季節性無碳能源儲存的最有前景的方案[17-18]，還可以促進全球能源系統的區域聯合[19-20]，并完成電氣化難以達到的深度減排[15,21-22]。氫具有提高電力系統靈活性水平和平衡間歇性可再生能源輸出的能力，但這依賴于燃氣輪機提供的可調度電力[16,23-24]。同時，燃氣輪機在未來低碳中的作用，也取決于在氫燃燒技術創新上能達到的更高的裝置效率和碳中和能力[25-26]。因此，氫燃氣輪機在未來保障能源安全和減少電力行業對化石燃料的依賴上將發揮重要作用[27]。

有著零碳排放、靈活可控等優點的氫燃氣輪機將成為碳達峰過程和碳中和時期中新型電網的重要主力[28]，但回火和NOx排放高等問題仍阻礙著氫燃氣輪機的廣泛應用。針對這些問題，目前出現了兩類氫燃燒室發展方向，分別是改進傳統燃燒室和開發新型燃燒室。兩者基本都是通過提高流動速度和降低火焰溫度的方式解決回火和NOx問題，但是這種方法容易引起燃燒不穩定現象[29-30]。這種非定常燃燒與燃燒室內傳播的聲波耦合而產生的破壞性壓力振蕩的現象[30-31]，嚴重影響了氫燃燒室的發展[31-32]。為此須要研究出能夠使用任何含氫量乃至純氫燃料的、與天然氣發動機同樣低NOx排放的、穩定燃燒范圍寬廣的氫燃氣輪機燃燒技術[24,26]。

本文總結了氫燃燒室面對回火、NOx排放和不穩定問題的發展過程和研究現狀。本文結構如下：第1節概述了在傳統天然氣燃氣輪機燃燒室中燃燒氫氣的主要困難；第2節歸納了各大燃氣輪機制造商為燃燒氫氣對燃燒室做出的改進與研發；第3節討論了燃料含氫量對燃燒不穩定性的影響；最后，概括了結論并提出了對未來氫燃氣輪機燃燒技術發展的看法。

1 燃氣輪機中氫燃燒面臨的問題

氫氣與天然氣不同的熱物理和化學性質導致了燃燒特性的差異，這在貧預混燃燒情況下更為顯著。表1比較了在20 ℃和101.325 kPa下氫氣和甲烷的熱物理和化學性質。這些性質中，氫氣較高的絕熱火焰溫度、火焰速度和擴散系數給燃燒室的運行帶來了一些挑戰[18，33-34]，包括回火、自燃以及更高的NOx排放和不穩定特性等。本節將簡要總結在貧預混燃燒室中燃燒氫氣的一些困難。

表1 氫氣和甲烷的熱物理和化學性質[33,35]

回火是由于局部湍流火焰速度大于反應物流速導致的，是火焰鋒面從燃燒區向燃燒室與預混段上游傳播的一種有害現象[36]。回火的機理包括[37]：(1)不穩定燃燒引起的火焰傳播；(2)主流中的火焰傳播；(3)邊界層中的火焰傳播；(4)燃燒引起的渦破碎。氫更高的反應活性可能會增加由不穩定燃燒引起的回火，更高的湍流火焰速度則可能會引起主流和邊界層中的回火[38]，氫火焰與渦旋更強的相互作用還可能引起渦破碎回火。回火可能會導致局部火焰滯留在預混通道內，并引起過熱和硬件損壞。

現代燃氣輪機進口壓力和溫度較高，足以發生自燃[25]。自燃是指在預混段無點火源的情況下可燃燃料空氣混合物自發著火。雖然氫氣的自燃溫度略高于天然氣[33]，但須要注意的是氫氣具有更短的點火延遲時間[18,39]。自燃延遲是可燃混合物在沒有點火源的情況下發生反應的時間間隔[40]。如果點火延遲時間短于燃料空氣混合物停留時間就會發生自燃，導致局部火焰滯留并發生回火。

盡管氫燃燒時沒有CO2排放，但是比天然氣更高的絕熱火焰溫度帶來了NOx排放較高的問題。在典型貧預混燃燒室的當量比下，純氫的絕熱火焰溫度比甲烷的高出150 K以上[34]。對于地面燃氣輪機，如果不改變操作工況，例如切換為更貧的當量比，將導致更高的NOx排放[18]。燃料成分的變化也會對貧預混燃燒熱聲不穩定特性產生顯著影響[32]。面對燃氣輪機燒氫遇到的問題，科研人員也進行了不同方向的嘗試和探索，接下來就先介紹氫燃氣輪機燃燒室的發展現狀。

2 氫燃氣輪機燃燒室發展現狀

在氫燃氣輪機燃燒室中首要考慮的是NOx排放問題，同時還必須考慮到回火的風險。針對這兩類問題，目前氫燃氣輪機燃燒室的發展方向可以分為兩類，改進傳統燃燒室和研發設計新型氫燃燒室。

2.1 傳統燃燒室

2.1.1 混合燃料燃燒室

日本的三菱開發并運營了各種含氫燃料類型的燃氣輪機，包括合成氣、煉廠氣、焦爐煤氣和高爐煤氣等。這些燃氫燃氣輪機中的傳統燃燒室多采用向擴散燃燒噴注蒸汽或氮氣的方法降低NOx[41-42]。然而由于NOx排放法規的收緊和提高整體效率的需要，最終推動了氫燃燒系統向預混燃燒發展。目前有兩種氫燃燒發展理念：一種是摻氫天然氣混合燃燒系統，氫體積分數最高達30%；另一種是開發一種純氫燃燒室。混合燃料的概念是基于對2030年發電市場的短期愿景提出的，三菱認為，從經濟和成本的角度考慮，氫發電不可能完全取代目前運行中的天然氣和燃煤發電。即使快速建設氫氣基礎設施，也難以保證作為燃料的氫氣儲量水平。所以先開發含氫量為30%的混合燃燒技術，可以減少對當前基礎設施改動的同時逐漸過渡到純氫發電。

圖1中分別為傳統燃燒室噴嘴和混合燃料燃燒室噴嘴示意圖。如圖所示，傳統天然氣燃燒通過旋流穩燃，使用傳統的燃燒室和噴嘴燃燒混合燃料，當含氫量達到20%時沒有回火，但是當含氫量達到30%時不可避免的出現回火。混合燃料噴嘴通過在旋流器中央部分附加噴射氣流，提高噴嘴出口回流區中心流動速度，降低了回火風險。目前，該方法已經完成了30%含氫量的燃燒室示范實驗，未來將進行燃燒室外輔助部件的開發和燃料混合的運行技術開發。

(a) 傳統燃燒室噴嘴

2.1.2 DLE燃燒室

德國西門子是開發摻氫天然氣混合燃燒技術最活躍的燃氣輪機制造商之一。從其研究成果中可以看出，現有天然氣燃燒室在不做重大變動的情況下可直接使用含氫量最高為15%～20%的摻氫天然氣[44-46]。然而為了防止混合燃料在燃燒過程中出現回火和局部高溫現象，仍須要改變選擇的材料、燃料系統的尺寸和燃燒室操作方式。西門子設計并通過3D打印技術制造了燃燒室和噴嘴，用來實現高含氫量的混合燃燒。圖2中分別是西門子為燃燒摻氫天然氣開發的第3代和第4代干式低排放(DLE)燃燒室示意圖。

(a) 西門子第3代DLE燃燒室

兩代燃燒室的主燃級和值班級都可以使用不同燃料，并在不同的空氣通道中進行摻混。西門子根據燃料成分的變化，采用分別控制每條流道上空氣和燃料的噴射速率的方法優化火焰位置和燃燒溫度。此外，當含氫量增加時一般可以通過提高燃燒室下游軸向流速抵消中心回流區引起的回火風險。到2018年，西門子已經在使用第3代燃燒室的SGT600/700/800型號上成功完成了50%含氫量的燃燒實驗[46]。使用第4代DLE燃燒室的SGT750進行了混合燃料實驗，其NOx排放及不穩定性結果如圖3所示 ，可以看出隨著含氫量的升高，NOx排放急劇上升，在實驗的50%含氫量之內NOx排放就超過了60 mg/m3。如果不對目前使用的第4代DLE燃燒室進行改動，直接使用純氫進行燃燒，其NOx排放必將達到不可承受的地步。

圖3 西門子第4代DLE燃燒室富氫燃料燃燒NOx排放及不穩定水平[48]

2.1.3 多噴嘴燃燒室

擁有全球最多燃氣輪機銷售記錄的美國通用電氣(GE)長期以來都在研究開發含氫燃料的燃燒技術[49-50]。根據GE在2019年發表的報告，目前生產的混合燃料燃燒技術可以分為三種系統，如圖4所示。第一種是航改燃機的環形燃燒室(SAC)，可以燃燒含氫量為30%～85%的混合燃料。第二種是主要用于大型燃氣輪機的多噴嘴燃燒室(MNQC)，目前應用在E級和F級燃氣輪機上，能燃燒89%含氫量的混合燃料，燃燒純氫還在驗證過程中。但前兩種使用的基本都是擴散燃燒，不可避免地帶來大量NOx排放,15%氧含量下最大排放量為410 mg/m3[51]。而在第三種的貧預混干式低NOx燃燒室中，如DLN2.6e，只能使用含氫量為15%的混合燃料，在實際運行中更是將含氫量控制在5%以下。

(a) SAC

為了避免回火，目前使用最先進低NOx技術[25,40,52]的貧預混燃燒室不能直接燃用純氫，一般控制燃料中氫氣體積分數少于30%[24]。使用傳統的擴散燃燒室可以控制回火，但是須要注入大量的蒸汽或氮氣，以減少由較高的擴散燃燒火焰溫度引起的NOx增加[53]，或者附加成本昂貴的NOx減排裝置[18]。然而，世界上先進的燃氣輪機制造商已經開始將新型燃燒室應用或考慮應用在最新一代的氫燃氣輪機上。下一小節將介紹應用于純氫燃燒的新型燃燒室。

2.2 新型燃燒室

2.2.1 微混合燃燒室

微混合燃燒室被認為是防止氫燃氣輪機回火和降低NOx排放量最現實可行的方法，許多先進的制造商都在開發這項技術。亞琛工業大學在20世紀90年代最先開發出微混合燃燒室，并通過連續的兩個歐洲國家項目將氫引入航空輔助動力裝置[54-55]。之后，日本川崎重工開始與亞琛工業大學聯合研究微混合燃燒室，并將其用于神戶的1 MW氫電廠，目前正在進行純氫燃燒微混合燃燒室燃氣輪機應用的最后驗證步驟。

圖5給出了微混合燃燒室工作方式的概略圖[56]。在傳統的燃氣輪機燃燒方式中，火焰廣泛地分布于整個燃燒室，微混合燃燒室則用大量的小火焰取代了整個的大火焰。NOx的生成不僅與燃燒反應過程中的溫度有關，還與反應物在高溫火焰場中停留時間相關。微混合燃燒室減少了反應物停留時間，顯著降低了NOx生成。此外，從混合器出口極小噴嘴噴出的高速射流消除了回火的風險。

(a) 傳統燃燒室

聯合課題組發表的論文[56]中詳細介紹了燃燒室詳細研發過程和核心技術的具體情況。圖6是川崎重工發布的原型微混合燃燒室的圖片。整個燃燒室由410個小火焰組成，每個火焰由直徑為1 mm或更小的燃料噴嘴組成。對微混合燃燒室進行參數優化后在常壓下進行數值和實驗研究，在全工況范圍內燃燒效率均大于99%，NOx排放為個位數[57]。

圖6 川崎微混合燃燒室樣機圖

2.2.2 多簇燃燒室

三菱公司開發和研究燃燒純氫的微型燃氣輪機燃燒室，名為多簇燃燒室，如圖7所示[58]。其燃燒原理與川崎-亞琛工業大學的微混合燃燒室類似，是用很多個小直徑的噴嘴代替一個大噴嘴，通過增加空氣噴射速度降低回火風險，并減少高溫區中煙氣停留時間降低NOx排放量。與川崎的擴散燃燒相比，多簇燃燒室截面有一個短的預混空間，可以讓燃料和空氣預先混合。理論上這種燃燒室能夠直接使用純氫進行燃燒，但其具體的基礎結構還在研究之中，三菱的目標是在2025年開發一種使用這種燃燒方式的氫燃氣輪機[59]。

圖7 三菱多簇燃燒室結構圖

2.2.3 多管燃燒室

GE自2000年來就在開發能夠滿足日益嚴苛NOx排放法規的氫燃燒技術，從2005開始，更是在美國能源部的支持下開展了持續了十多年的“先進IGCC/H2燃機發展計劃”。計劃主要分為兩個階段進行。第一階段是從開始到2007年，制造了約30個旋流預混燃燒室，并對其在氫燃燒系統中的適用性進行了測試。測試結果表明，由于存在回火等問題，現有的旋流預混燃燒室并不能應用于氫發電系統中的大型燃氣輪機。根據第一階段研究結果，GE開發設計了一種降低氫燃燒回火和溫升風險的多管燃燒室，具體結構如圖8所示。與采用旋流的方法相比，這種類似于川崎和三菱的方法能在較短的時間和空間中進行燃料和空氣的摻混，噴嘴出口較高的速度也能防止回火。目前，多管燃燒室已經在DLN2.6e上進行測試。

(a) 單噴嘴

2.2.4 “FlameSheetTM”燃燒室

安薩爾多的子公司Power Systems Mfg.研究開發了一種用于摻氫天然氣的預混燃燒室，叫做“FlameSheetTM”燃燒室[60-61]。不過開發的僅僅是用于傳統大型發電燃氣輪機的燃燒室，如GE的6F、7E、7F、9E、9F和西門子/三菱的501F、501G、701F、701G和西門子的501B/D等，而不是整個燃氣輪機。圖9給出了“FlameSheetTM”燃燒室的幾何結構以及數值模擬的速度和溫度分布。

(a) 燃燒室結構圖

燃燒室分成值班級和主燃級。值班級空氣從外環進入，通過徑向旋流器后與由旋流器葉片進入的燃料混合，燃料空氣混合物進入燃燒室后通過燃燒室中線附近的旋渦穩定。主燃級空氣沿燃燒室壁面的背面流動，經過主燃級噴嘴時與燃料摻混，混合物在180°轉彎后流入燃燒室，最后由空氣動力學渦旋穩定在所需位置。燃燒室通過強回流區將主燃級和值班級火焰分別穩定在相互隔離的位置，而且燃料和空氣的摻混比其他燃氣輪機燃燒室更均勻。此外，由于減少了燃燒室出口面積，增加流量，所以在燃料含氫量增加時保證不回火。鑒于這些優點，將現有7F中燃料含氫量最高為5%的DLN燃燒室替換為“FlameSheetTM”燃燒室之后，燃氣輪機在保持相同NOx排放的基礎上，仍能燃燒含氫量高達40%的含氫燃料。

向傳統燃氣輪機燃燒室的燃料中加入氫氣會提高火焰溫度，導致NOx排放量升高，同時帶來回火的風險，這些問題隨著燃料中含氫量的增加而加劇。目前開發的燃燒室普遍通過提高進氣流速的方式降低回火風險，同時還能減小燃燒產物在高溫區的停留時間。此外還將火焰分散開以減小火焰面積，解決了NOx排放問題和回火問題。但是由此帶來的穩定性問題顯得至關重要，科研人員對這部分問題開展了廣泛的基礎研究，這將在下一節中進行介紹。

3 燃料含氫量對穩定性的影響

前文中詳細介紹了目前發展的氫燃燒室，接下來將討論由此引發的含氫量對燃燒室穩定性的影響，包括動態特性、火焰結構和火焰位置以及燃燒動力學引發的回火的影響等。

3.1 含氫量對火焰結構和火焰位置的影響

在燃燒室運行中最能直觀表現穩定狀態的就是火焰結構和火焰位置，一些研究人員[62]對加氫導致的火焰結構和火焰位置與火焰動力學變化之間的關系進行了研究，發現火焰形狀和燃燒模態轉變之間有強烈聯系[63]。許多研究人員都發現了隨著含氫量的增大，火焰變得更短更緊湊[64-68]，同時還伴有火焰形態的轉變，包括從V形到M形[64-65,69-73]、M形到V形[66,74]或M形到Π形[67]，不同形態轉變對不穩定性的影響不同。還有文獻中提到了不穩定性對含氫量的變化十分敏感[68,75]。

在研究含氫量升高導致火焰從V形轉變到M形的同時，研究人員還發現火焰形態轉變發生的當量比降低，如圖10所示，其原因是氫分子較大的擴散率導致的更高熄火拉伸率以及氫燃燒更高的絕熱火焰溫度[65,69]。Shanbhogue等人[69]發現不同形態火焰的穩燃機制不同，而在不同含氫量下發生的不穩定前，角渦都開始著火，這意味著M形火焰是不穩定的。不同的是，Lantz等人[71]的工作表明M形火焰抑制了不穩定，如圖11所示。Subash等人[64]在此基礎上發現純氫火焰內剪切層中火焰鋒面波動明顯小于純天然氣火焰，Guo等人[76]的研究中也發現加氫會導致燃燒室中軸向速度脈動的降低，Kim等人[65]證實了M形火焰的一個特點是能夠抑制燃燒室中的流體擾動，其他研究[77-79]中也提到了富氫火焰能夠削弱燃燒不穩定性。

圖10 不同含氫量下火焰形態隨當量比的變化[69]

(a) 含氫量為0%

與上述研究相反，部分研究[66,74]發現富氫會導致火焰從M形轉為V形。Ge等人[66]在常壓下研究了含氫量最高為26%的富氫天然氣的燃燒性能。火焰圖像顯示當含氫量增加到11%以上時火焰變得更加緊湊。隨著含氫量的增加，角渦回流區中的火焰逐漸減弱并消失，燃燒室則變得更加穩定。這些結果與角渦回流區中瑞利指數值的下降相對應，這表明角渦回流區中存在的火焰可能是不穩定的原因。Chterev等人[74]發現隨著含氫量的升高，火焰從旋流穩定的M形火焰轉變為剪切層穩定的V形火焰，同時還得到壓力升高會導致火焰縮短的結論，如圖12所示。

圖12 不同壓力和含氫量對火焰形態的影響[74]

Liu等人[67]的研究中還發現了加氫導致火焰從M形向其他形狀轉變。圖13給出了不同含氫量下對應火焰形狀的時均OH*圖像，可以發現隨著含氫量的增加，火焰從M形轉變為Π形，同時火焰狀態的改變影響了回火機制。

圖13 不同含氫量對應火焰形狀的時均OH*圖像[67]

對于含氫燃料火焰形態轉變引起不穩定特性改變的原因，研究人員[32,68,80-81]進行了深入研究。Zhang等人[80]發現加氫會增加穩定火焰的火焰鋒面褶皺；對于不穩定火焰，加氫能加強火焰和渦旋的相互作用，并加強釋熱振蕩和不穩定壓力波動之間的耦合。增大含氫量還會導致影響釋熱率的局部火焰面積增大，并引起燃燒不穩定驅動區和阻尼區的位置和強度變化，從而會影響熱聲不穩定性[32,68,81]。

在低旋流火焰中同樣有人研究了富氫對火焰形態的影響。與傳統旋流穩燃的燃燒室不同，低旋流燃燒室不存在用于穩定火焰的中心回流區，而是通過中心射流抑制渦破碎，并促進中心擴散區域的形成，從而產生穩定的托舉火焰[82]。Emadi等人[83]發現隨著壓力和含氫量的增加，火焰鋒面的褶皺增多，并且在高壓下含氫量對火焰褶皺的影響更強。Therkelsen等人[84]發現隨著含氫量升高，火焰從碗狀轉變為典型的M形，An等人[85]發現再升高含氫量則會產生冠狀火焰，如圖14所示。在此基礎上，Davis等人[86]發現含氫量較低時，火焰在脫落的渦旋中燃燒，較高含氫量時則持續燃燒，這表明了不同火焰不穩定產生機制不同。

圖14 不同來流速度和含氫量下火焰穩定圖及對應特征火焰形態[85]

還有學者在微混合燃燒室中研究了含氫燃料對火焰形態的影響。如圖15所示，Jin等人[87]通過實驗研究發現隨著含氫量的增加，原本相互強烈作用的小火焰逐漸分離并收緊，火焰鋒面上的褶皺也減少。

圖15 微混合燃燒室中不同含氫量下OH化學發光圖像和火焰鋒面[87]

上述研究表明，燃料含氫量變化對火焰形態及其轉變有著顯著影響。在傳統燃燒室中，隨著含氫量增加，火焰會變得更短更緊湊，火焰形態轉變發生的當量比降低。不同火焰形態對應的穩定性也因燃燒室不同而不同，這與氫氣較高的反應活性導致穩燃機制的變化有關。在微混合燃燒室中，含氫量升高導致小火焰之間的相互作用減弱，火焰面褶皺減少。

3.2 含氫量對火焰動態特性的影響

燃燒室內火焰動態特性反應了燃燒穩定狀態，可以用來定量分析并解釋燃燒場的不穩定現象。為了解燃料含氫量的變化會對燃燒室內動態特性造成何種影響，科研人員就含氫燃料的自激和外激不穩定特性進行了深入研究。

在研究含氫量對自激不穩定性影響的過程中，一些研究人員[62,70,80,84,88]發現隨著含氫量的增加，發生不穩定時的當量比和壓力幅值降低。在此基礎之上，有人[34,63,80,89]發現了加氫會導致發生動態模態轉變的當量比降低，如圖16所示。這是由于加入氫之后，可燃混合物的反應速度更快，對流時間尺度更小，影響了壓力波動和非穩態釋熱之間的關系。許多研究[34,63,70,90-91]中都發現了加氫能拓寬貧熄火極限，其原因是氫火焰較高的熄火拉伸率。

(a) 氫氣體積分數為0%

一些學者研究了含氫量變化引起的聲學諧振頻率之間的模態轉換，發現含氫量增加激發了更高頻率的不穩定[47,68,71,84,92-95]，如圖17所示。這是因為隨著含氫量上升，層流火焰速度增加，導致化學反應時間和火焰長度縮短，壓力和釋熱波動的時間更短，振蕩周期也相應縮短，激發的頻率升高。

(a) 層流火焰速度對不穩定聲學模態的影響

Wicksall和Agrawal[91]在研究含氫量引起不穩定的聲學模態轉變過程時，發現了隨著含氫量的增加，不穩定能量更集中。圖18給出了不同含氫量的燃燒功率譜密度圖，從中可以看出，隨著含氫量的增加，頻譜從多峰分布轉變為幅值很大的單一窄峰。燃燒純甲烷時在450 Hz和600 Hz有兩個峰值，在600 Hz上集中了大部分聲功率。隨著含氫量的增加，總聲功率逐漸從600 Hz轉移到450 Hz。當含氫量達到40%時，600 Hz的頻率基本消失，450 Hz的振幅強度比低含氫量高了一個數量級。

(a) 氫氣體積分數為0%

在研究含氫量對外激不穩定性的影響上，研究人員[96-99]發現含氫量升高增大了外激頻率響應范圍，但在不同外激頻率范圍內，含氫量升高對于不穩定性的影響不同。如圖19所示，研究人員[96-98]分析認為由于不同頻率下含氫量變化影響了火焰與渦旋的相互作用，改變了擾動傳遞時間，從而改變了釋熱和壓力波動的相位，對不穩定性造成了不同影響。這也意味著通過外加激勵和改變燃料組分對不穩定性進行主動控制的可能。

圖19 不同頻率激勵和含氫量下OH*化學發光和流線圖[98]

有關微混合燃燒室中燃料含氫量對火焰動力學的影響，Kim等人[87,100-101]進行了實驗研究，結果如圖20所示。作者使用低階熱聲網絡模型計算出了燃燒室不同長度時對應的前幾階本征模態，從圖中可以看出隨著含氫量的升高，自激不穩定的振蕩頻率更高，激發的壓力振蕩的幅值也更大。這種自激不穩定的頻率與微混合燃燒室的單噴嘴直徑密切相關。此外，氫會導致小火焰優先耦合到較高頻率的聲學模態中，觸發高頻不穩定的氫火焰系統可能會在低頻區域保持完全穩定。

圖20 微混合燃燒室不同含氫量和燃燒室長度下的自激不穩定頻率及歸一化的壓力釋熱振幅[87]

從以上研究中可以總結出，對于傳統燃燒室，含氫量變化會導致不穩定區域和動態模態發生轉變，含氫量增加還會導致轉變發生的當量比降低，還能引起間歇不穩定區域的出現，同時會增加穩定燃燒到不穩定燃燒的轉變趨勢。加氫會引起燃燒不穩定頻率在固有模態之間轉換，還可能激發更高頻率的不穩定或者使不穩定能量更集中。可以在較低當量比下通過加氫維持燃燒，實現低NOx排放，拓寬貧熄火極限。在微混合燃燒室中，含氫量的增加會導致不穩定頻率和振幅升高。這些研究中關注的基本都是中頻不穩定，還有些文獻中提到了低頻不穩定，這與回火有關，將在下一小節中介紹。

3.3 含氫量對回火的影響

回火是指火焰向上游逆流傳播到預混段中，不僅會導致嚴重的硬件損壞，還會增加污染物排放[102-103]。火焰速度更高的含氫燃料在燃燒時更容易發生回火，文獻[104-105]中還有提到周期回火與熱聲不穩定性間的強相關性，學者細致研究了含氫量對回火的影響。

Tuncer等人[104]對最高含氫量為50%的混合燃料進行了實驗研究。加氫導致壓力脈動幅值增加，當含氫量從20%增加到25%，主頻向更低頻率的方向移動，這與開始回火的條件一致。圖21中給出了壓力、釋熱和回火的頻譜圖，從圖中能看出純甲烷時沒有回火，含氫量為40%的火焰出現了47 Hz的回火信號。在更高的含氫量下發現，周期回火信號和釋熱波動具有相同相位，并發生在壓力振蕩頻率下。對此現象的理解是，發生周期回火時火焰在預混段內產生振蕩，此時壓力和釋熱波動的位置近似重合，壓力和釋熱波動之間幾乎沒有時間差，即具有相同相位。

(a) 氫氣體積分數為0%

García-Armingol和Ballester等人[105]在含氫量為50%的混合燃料實驗中，同樣觀察到回火與燃燒室聲模態之間的耦合。盡管沒有像Tuncer等人[104]工作中得到的模態轉換，但是發現了50%含氫量的壓力脈動幅值比純甲烷的高出兩個數量級。在不穩定圖像中觀察到的周期回火證實了燃燒不穩定和振蕩回火之間發生耦合。

這些研究不僅強調了天然氣中加氫增加了由回火導致的低頻熱聲不穩定，還表明了周期性回火與熱聲不穩定性發生耦合的可能。

4 結論與展望

氫燃氣輪機燃燒技術將在未來發揮至關重要的作用，面對燃氣輪機中氫燃燒帶來的問題，通過改進傳統燃燒室和設計新型燃燒室，研究人員在控制回火和NOx排放上取得了較大進展，但由此導致的不穩定問題顯得格外突出。氫的加入對燃燒室的穩定性產生了深遠的影響，氫氣較高的反應活性導致了火焰結構和動態特性上的明顯差異，但加氫使得燃燒室變得穩定還是不穩定，還取決于具體的燃燒室結構設計、運行工況和操作參數。認識到氫氣對燃燒不穩定性的影響，并且在燃燒室的改進和設計中考慮這些影響是非常重要的。

現階段氫燃燒室的發展方向大體可分為兩類，分別是改進傳統燃燒室和設計新型燃燒室。為了防止回火并控制NOx排放，傳統貧預混燃燒室會調控進口燃料和空氣流量，擴散燃燒室則須要噴注蒸汽或氮氣，但是都無法直接燃燒純氫。新型燃燒室在設計時就考慮到氫燃燒帶來的問題，通過提高燃燒室進口流量，優化預混路徑和燃燒室形狀，將火焰穩定在預計位置，還通過最小化高溫燃燒場面積降低平均火焰溫度。但是這兩種方式都不可避免地會遇到不穩定問題。

最能直觀表現燃燒穩定狀態的就是火焰形態，而燃料中含氫量的變化會對火焰結構和火焰位置造成顯著影響。隨著含氫量的增加，火焰會變得更短更緊湊。在傳統燃燒室中，含氫量變化會導致火焰形態的轉變，并隨著含氫量增加，轉變發生的當量比降低。不同文獻中火焰形態的轉變不盡相同，對不穩定的影響也不同，這可能是因為文獻中使用的燃燒室和工況參數不同。在微混合燃燒室中，含氫量升高導致小火焰之間作用減弱，火焰面褶皺減少。

通過火焰動態特性能夠定量分析不穩定問題，并可以幫助理解不穩定現象的發生。傳統燃燒室中含氫量變化會導致不穩定區域和動態模態發生轉變，含氫量增加還會導致轉變發生的當量比降低，還能引起間歇不穩定區域的出現，同時會增加穩定燃燒到不穩定燃燒的轉變趨勢。加氫會引起燃燒不穩定頻率在固有模態之間轉換，還可能激發更高頻率的不穩定或者使不穩定能量更集中。可以在較低當量比下通過加氫維持燃燒，實現低NOx排放，拓寬貧熄火極限。氫能增加由燃燒動力學引起的回火趨勢，可以促進周期性回火與熱聲不穩定性的耦合，導致低頻不穩定的發生。在微混合燃燒室中，含氫量的增加會導致不穩定頻率和振幅升高。

最后，綜合氫燃燒室和氫燃燒動態特性的研究現狀，從長期和短期兩個角度出發，對氫燃氣輪機燃燒技術的未來發展提出展望。相比于傳統燃燒室，新型氫燃燒室從設計上大幅降低了回火的可能性，其不穩定特性也更為簡單。從長期來看，新型氫燃燒室必將是未來氫燃燒的發展方向。但從現階段碳達峰減排的迫切需求來講，改進傳統燃燒室具有速度快、成本低和基礎廣等優勢，仍是目前大力發展的方向，這就須要研究開發出能有效控制回火和不穩定的方法。