包文飛，李明，牟影，王巍龍

(沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110043)

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)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(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110043)

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室按干式低污染(DLN)原理設(shè)計，采用徑向燃料分級燃燒技術(shù)，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(jìn)行了燃燒室單管試驗。結(jié)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(shè)計要求。為此，對燃燒室結(jié)構(gòu)、燃料分配特性及模式Ⅱ的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了進(jìn)一步改善燃燒室NOx排放特性的措施和建議。

重型燃?xì)廨啓C(jī)；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?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))是我國第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重型燃機(jī)。其燃燒室按干式低污染(DLN)原理設(shè)計，采用徑向燃料分級燃燒技術(shù)[1]，位于壓氣機(jī)擴(kuò)壓器外側(cè)，是一個包含20個火焰筒的逆流式環(huán)管式結(jié)構(gòu)。每個火焰筒頭部分為環(huán)形區(qū)、均勻區(qū)和擴(kuò)散區(qū)。該燃燒室可在兩種燃燒模式下工作，環(huán)形區(qū)按擴(kuò)散方式燃燒、均勻區(qū)按稀相預(yù)混方式燃燒為模式Ⅰ，兩區(qū)均按稀相預(yù)混方式燃燒為模式Ⅱ。其中模式Ⅱ?qū)榻鉀QNOx排放問題設(shè)計。擴(kuò)散區(qū)設(shè)有值班燃料噴嘴，保證兩種燃燒模式下的火焰穩(wěn)定。

國外發(fā)達(dá)國家燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)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(shù)。其中，以基于稀相預(yù)混的DLN燃燒技術(shù)發(fā)展最為成熟、應(yīng)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(shù)；②燃料經(jīng)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(yù)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(jī)燃燒室的NOx真實排放特性，在低壓模擬條件下進(jìn)行了兩次燃燒室單管試驗。第一次試驗在模式Ⅰ下進(jìn)行，結(jié)果顯示NOx排放很高，與設(shè)計要求相差較大。第二次試驗在模式Ⅱ下進(jìn)行，雖然NOx排放比模式Ⅰ降低了46.8%，但還未能完全滿足設(shè)計要求的51.25 mg/m3(15%余氧狀態(tài))。本文僅針對燃燒室結(jié)構(gòu)、燃料分配特性和模式Ⅱ的工作過程進(jìn)行分析。

2 燃燒室結(jié)構(gòu)和燃料分配

合理的燃燒室結(jié)構(gòu)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(qū)來實現(xiàn)燃料分級供給，每個燃燒區(qū)均具有足夠的空間來進(jìn)行燃料與空氣的預(yù)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(qū)內(nèi)高溫?zé)霟狳c和時間上的瞬時高溫脈動，將各燃燒區(qū)火焰溫度約束在1 670～1 900 K的狹窄范圍內(nèi)，抑制NOx的生成[3]。

2.1 燃燒室結(jié)構(gòu)

R0110重型燃機(jī)燃燒室(圖1)，主要由環(huán)形區(qū)、均勻區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、中心區(qū)、一級回流區(qū)和二級回流區(qū)等組成，軸向布置兩道文丘里式節(jié)流環(huán)，用于收緊火焰和產(chǎn)生回流，防止火焰筒壁溫超標(biāo)和環(huán)形區(qū)回火。

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

環(huán)形區(qū)位于火焰筒頭部外側(cè)，其前壁板上裝有8個微型渦流器。當(dāng)燃燒室以模式Ⅱ工作時，火焰筒內(nèi)、外壁和一級文丘里式節(jié)流環(huán)所組成的空間形成了環(huán)形區(qū)的預(yù)混室，燃料與空氣在該預(yù)混室內(nèi)充分混合，后經(jīng)一級文丘里式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生回流，再與擴(kuò)散區(qū)的值班火焰相遇燃燒。

均勻區(qū)位于火焰筒頭部內(nèi)側(cè)，由中心旋流器、火焰筒內(nèi)壁和前壁板等組成。燃料在均勻區(qū)內(nèi)與空氣進(jìn)行短暫混合后，經(jīng)中心旋流器攪拌，再與擴(kuò)散區(qū)的值班火焰相遇燃燒。

綜合燃燒室結(jié)構(gòu)看，R0110重型燃機(jī)燃燒室雖采用了燃料分級和稀相預(yù)混結(jié)構(gòu)設(shè)計，但在來流空氣湍流度和預(yù)混距離等方面存在不足。環(huán)形區(qū)雖有足夠的空間來實現(xiàn)燃料與空氣的均勻預(yù)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(qiáng)化和預(yù)混距離的延長很不利；均勻區(qū)與環(huán)形區(qū)有著同樣的弊端，且預(yù)混空間與GE公司的DLN燃燒室相比小很多，很難實現(xiàn)燃料與空氣的完美混合。冷態(tài)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(yù)混非均勻度遠(yuǎn)高于一般要求的5%[1，2]。顯然，這對R0110重型燃機(jī)燃燒室實現(xiàn)低NOx燃燒不利。

2.2 燃料分配

R0110重型燃機(jī)的燃料分配按圖2所示進(jìn)行(圖中Gf為天然氣流量)，在整個升功率過程中，需兩次調(diào)節(jié)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(jī)燃燒室燃料特性Fig.2 The fuel properties of R0110 heavy duty gas turbine

從燃料供應(yīng)量上看，當(dāng)Ne＝1.0時，環(huán)形區(qū)、均勻區(qū)、擴(kuò)散區(qū)的燃料分配比例分別為39%、58%和3%[4]。結(jié)構(gòu)分析表明，在NOx超標(biāo)的貢獻(xiàn)度中，均勻區(qū)所占比例最大，其次為擴(kuò)散區(qū)和環(huán)形區(qū)。而燃料分配特性顯示，均勻區(qū)的燃料量在三區(qū)中最高，這無疑增加了均勻區(qū)對NOx超標(biāo)的貢獻(xiàn)。

從過量空氣系數(shù)上看，分級燃燒室只有保證各區(qū)的油氣比接近一致，才能實現(xiàn)整個火焰筒燃料與空氣混和的均勻性，避免各區(qū)燃燒混合物在中心火焰筒匯集時，因各區(qū)油氣比不一致而導(dǎo)致火焰溫度的階躍性變化，從而獲得一個相對穩(wěn)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(wěn)定性與較高的燃燒效率。表1示出了R0110重型燃機(jī)各燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)[5]。可見，Ne＝1.0時，環(huán)形區(qū)、均勻區(qū)加擴(kuò)散區(qū)的過量空氣系數(shù)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(dǎo)致NOx生成量無法達(dá)到設(shè)計要求。

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

3 模式Ⅱ的工作過程

R0110重型燃機(jī)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(jìn)入環(huán)形區(qū)，燃燒方式為擴(kuò)散燃燒，燃料和空氣基本沒有預(yù)混，NOx排放較高，但燃燒室在此狀態(tài)停留時間很短，不會對NOx排放產(chǎn)生較大影響。

(2)Ne＝0.3階段。燃燒室在此狀態(tài)進(jìn)行第一次燃料切換，均勻區(qū)和擴(kuò)散區(qū)開始投入工作，燃料總量保持不變。由于均勻區(qū)投入使用，并以稀相預(yù)混方式燃燒，減小了擴(kuò)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(xù)提升相對功率。

(4)Ne＝0.4階段。逐步減小環(huán)形區(qū)的燃料量直至熄火，將減小的燃料量供入均勻區(qū)，保持燃料總量不變。確認(rèn)環(huán)形區(qū)熄火后，恢復(fù)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(tài)。此時環(huán)形區(qū)作為燃料和空氣的預(yù)混室使用，實現(xiàn)了由擴(kuò)散燃燒向稀相預(yù)混燃燒的轉(zhuǎn)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(xù)提升相對功率，環(huán)形區(qū)的燃料量占主導(dǎo)地位。

(6)Ne＝0.7階段。燃燒室在此狀態(tài)進(jìn)行第二次燃料切換，在降低環(huán)形區(qū)燃料量的同時，增加均勻區(qū)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(xù)提升相對功率，均勻區(qū)的燃料量占主導(dǎo)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(zhǔn)則。而試驗結(jié)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(tài))，滿足設(shè)計要求。正是因為Ne＝0.7的燃料切換后，才導(dǎo)致NOx排放逐步升高，最終超出設(shè)計要求，這與環(huán)形區(qū)和均勻區(qū)燃料量改變直接相關(guān)。結(jié)合前文的分析可看出，均勻區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷是影響NOx排放超標(biāo)的主要因素，第二次燃料切換加重了該因素的負(fù)面影響。

4 改善NOx排放的措施和建議

根據(jù)前文分析，本文認(rèn)為，調(diào)整好各區(qū)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(shè)計的R0110重型燃機(jī)燃燒室在模式Ⅱ下，Ne＝1.0時，擴(kuò)散區(qū)的值班燃料，預(yù)混較差的均勻區(qū)燃料，環(huán)形區(qū)的稀相預(yù)混燃料比例分別為3%、58%和39%。而結(jié)構(gòu)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(qū)燃料比例僅為15%才實現(xiàn)NOx排放小于51.25 mg/m3(15%余氧狀態(tài))。R0110重型燃機(jī)燃燒室均勻區(qū)的燃料比例比DLN-1燃燒室的高3～4倍，使得均勻區(qū)的過量空氣系數(shù)過低，接近1.00(見表1)。而變成預(yù)混室的環(huán)形區(qū)的過量空氣系數(shù)為2.62，明顯過高。若將均勻區(qū)的部分燃料供給環(huán)形區(qū)，使兩區(qū)的過量空氣系數(shù)接近或基本一致，則有望進(jìn)一步降低NOx排放。為此，建議將環(huán)形區(qū)的過量空氣系數(shù)從2.62降為1.60，則其燃料比例提高到67%，均勻區(qū)降為30%，擴(kuò)散區(qū)保持3%不變。

此外，適當(dāng)延長均勻區(qū)的預(yù)混段，提高預(yù)混均勻性，增強(qiáng)環(huán)形區(qū)和均勻區(qū)的擾流來增加來流空氣的湍流強(qiáng)度，也有望進(jìn)一步改善NOx的排放特性。

5 結(jié)論

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

(2)環(huán)形區(qū)和均勻區(qū)的旋流器安裝位置不當(dāng)，造成燃燒室來流空氣湍流強(qiáng)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(yīng)條件的前提下，燃燒室NOx排放超標(biāo)的主要原因為，均勻區(qū)的供氧條件無法滿足低NOx要求，形成了富燃料燃燒。

(4)各區(qū)過量空氣系數(shù)分配不合理，不能實現(xiàn)火焰筒內(nèi)燃料與空氣混和的均勻性。

(5)在不改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)的前提下，進(jìn)一步改善NOx排放特性的建議是：減少均勻區(qū)的燃料量，同時增加環(huán)形區(qū)的燃料量，使兩區(qū)的過量空氣系數(shù)基本一致。

[1]祁海鷹，李宇紅.干低NOx燃燒室的結(jié)構(gòu)性能演化和關(guān)鍵技術(shù)分析[R].北京：清華大學(xué)，2003.

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

[3]雷俊勇，李宇紅，由長福.重型燃機(jī)DLN燃燒室環(huán)形區(qū)的優(yōu)化研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2006，12(4)：340—344.

[4]沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司.R0110發(fā)動機(jī)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?xì)廨啓C(jī)燃燒室污染排放性能研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)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?xì)廨啓C(jī)整體性能及試驗。