丁陽(yáng)，劉志敏，徐婷婷

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

20世紀(jì)70年代，為滿(mǎn)足美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)提出的新源性能標(biāo)準(zhǔn)(NOx排放質(zhì)量濃度低于150 mg/m3)，ABB公司設(shè)計(jì)制造了EV燃燒系統(tǒng)。隨著環(huán)保指標(biāo)的日益嚴(yán)苛，20世紀(jì)80年代后期，GE公司研制了DLN1.0燃燒系統(tǒng)[1-2]，Alston公司研制了可替換DLN1.0的LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)[3]，可用于GE公司的B級(jí)和E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，2種燃燒系統(tǒng)均達(dá)到了30 mg/m3的NOx排放水平。為了適應(yīng)更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，GE公司與PSM公司分別推出了DLN1.0+燃燒系統(tǒng)與LEC-NextGen燃燒系統(tǒng)，在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了自動(dòng)燃燒調(diào)整系統(tǒng)[4]，NOx排放質(zhì)量濃度降至20 mg/m3以下，檢修時(shí)間間隔延長(zhǎng)了1～2倍。本文對(duì)2種新型燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，為新一代超低排放燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 DLN1.0燃燒系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DLN1.0燃燒系統(tǒng)采用同心徑向分級(jí)模式(如圖1所示)，系統(tǒng)由燃燒器外殼、火焰筒、過(guò)渡段、導(dǎo)流套筒、旋流器、一級(jí)燃料噴嘴及燃燒器端蓋組合件、二級(jí)燃料噴嘴、點(diǎn)火機(jī)構(gòu)、火焰探測(cè)器、聯(lián)焰管等元件組成。

圖1 DLN1.0燃燒系統(tǒng)Fig.1 DLN1.0 combustion system

火焰筒是燃燒系統(tǒng)的核心部件，火焰筒壁面上設(shè)置一次空氣射流孔、冷卻孔和二次空氣摻混孔。文丘里組合件是燃燒系統(tǒng)中一級(jí)燃燒區(qū)和二級(jí)燃燒區(qū)的分界面，在預(yù)混狀態(tài)下，文丘里組合件下游回流區(qū)有穩(wěn)定火焰的作用[5]。

圖4 DLN1.0燃燒系統(tǒng)的4種燃燒模式Fig.4 Four combustion modes of DLN1.0 combustion system

一級(jí)燃燒區(qū)由6個(gè)彼此分隔的燃燒空間組成，每個(gè)燃燒空間都裝設(shè)有各自的旋流器和一級(jí)燃料噴嘴(如圖2所示)。二級(jí)燃燒區(qū)的燃料噴嘴組合件和旋流器裝設(shè)在中心部位(如圖3所示)。

圖2 一級(jí)燃料噴嘴Fig.2 Primary fuel nozzles

圖3 二級(jí)燃料噴嘴Fig.3 Secondary fuel nozzles

1.2 控制方式

分配到每個(gè)燃燒器燃料噴嘴的燃料流量與燃燒溫度基準(zhǔn)(TTRF1)以及進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)溫控模式為函數(shù)關(guān)系。燃燒天然氣時(shí)，依據(jù)機(jī)組負(fù)荷的不同，通過(guò)MARK Ⅵ 的Speedtronic TM控制軟件控制各個(gè)燃料噴嘴的流量和火焰所在位置，使這種燃燒系統(tǒng)有一級(jí)燃燒模式、貧-貧燃燒模式、二級(jí)燃燒模式和預(yù)混燃燒模式等4種不同的運(yùn)行模式(如圖4所示)。

2 DLN1.0+燃燒系統(tǒng)

DLN1.0+燃燒系統(tǒng)是GE公司為了應(yīng)對(duì)更嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)和提高系統(tǒng)使用壽命而推出的DLN1.0改進(jìn)型系統(tǒng)。在保證燃料輸送系統(tǒng)不變的前提下，通過(guò)替換火焰筒、過(guò)渡段、支架、一級(jí)燃料噴嘴、二級(jí)燃料噴嘴、端蓋、導(dǎo)流襯套、聯(lián)焰管組件，增加參數(shù)修正控制系統(tǒng)(CPC)、燃燒器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CDM)。DLN1.0燃燒系統(tǒng)可升級(jí)為DLN1.0+燃燒系統(tǒng)。相比DLN1.0系統(tǒng)，DLN1.0+系統(tǒng)從預(yù)混、材料、冷卻、涂層以及值班火焰比例調(diào)整幾個(gè)方面改進(jìn)了設(shè)計(jì)。

2.1 噴嘴的改進(jìn)

DLN1.0+系統(tǒng)改變了一級(jí)噴嘴旋流器孔型(如圖5所示)，由長(zhǎng)圓孔改為橢圓孔，并加大了一級(jí)噴嘴的直徑，這種設(shè)計(jì)可減小旋流器孔內(nèi)的流速，減小摻混損失；一級(jí)噴嘴頭部由DLN1.0的螺紋鏈接改為螺紋-法蘭連接，并加入了L605涂層，可延長(zhǎng)噴嘴使用壽命。

圖5 一級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.5 Comparison of primary nozzle structure

DLN1.0+取消了二級(jí)噴嘴和吹掃空氣的法蘭連接段，二級(jí)噴嘴整體造型更簡(jiǎn)潔。為了維持火焰穩(wěn)定，DLN1.0二級(jí)噴嘴頭部開(kāi)設(shè)了3個(gè)直徑約1 mm的小孔，流向二級(jí)噴嘴旋流器的一部分燃料被分配到這3個(gè)小孔噴出，在二級(jí)噴嘴頭部形成值班火焰，由于溫度較高，二級(jí)噴嘴頭部經(jīng)常出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在DLN1.0+頭部增加了直徑1 mm左右的環(huán)形冷卻空氣槽，切換噴嘴的一部分冷卻空氣被分流至環(huán)形冷卻空氣槽噴出，用以冷卻二級(jí)噴嘴頭部，極大地改善了高溫?zé)g現(xiàn)象。除此之外，DLN1.0+還改進(jìn)了二級(jí)噴嘴的密封，減小了燃?xì)庑孤┑母怕?。另外，DLN1.0+二級(jí)噴嘴旋流器和值班火焰雖也共用一路燃料管路，但在流向各自噴口的路徑中設(shè)置有節(jié)流孔板，可以分別調(diào)節(jié)2個(gè)噴嘴的燃料流量，有利于控制NOx生成。二級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖6所示。

圖6 二級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.6 Comparison of secondary nozzle structure

2.2 火焰筒及過(guò)渡段的改進(jìn)

DLN1.0+改進(jìn)了火焰筒定位塊，由彈簧片式改為帶涂層的固定式定位塊，減小了高頻振動(dòng)下的金屬疲勞發(fā)生概率。摻混孔由2排改為3排，增加了軸向孔間距并減小了孔徑，降低了摻混流速，使摻混射流分布更均勻，減小了摻混損失。文丘里噴嘴喉部由近似直角改為弧形并增加了涂層，有利于減小流動(dòng)損失，增強(qiáng)文丘里段的耐熱水平。二級(jí)噴嘴旋流器由直葉片調(diào)整為弧形葉片，在出口角度不變的情況下，減小了進(jìn)口角度，減小了流經(jīng)旋流器的壓力損失?；鹧嫱仓卸蔚南♂尶兹∠?，材質(zhì)改為Nimonic-263合金，增加了強(qiáng)度和耐熱能力。DLN1.0火焰筒和過(guò)渡段之間的密封圈很容易因?yàn)楦哳l振動(dòng)而斷裂失效，DLN1.0+將單片式Hula密封改為雙片式Hula密封，增加了強(qiáng)度，減小了失效概率，如圖7所示。

圖7 DLN1.0+火焰筒結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.7 Comparison of DLN1.0+ flame tube structure

在過(guò)渡段組件上，DLN1.0+由插狀結(jié)構(gòu)改為榫槽結(jié)構(gòu)，托架由H型改為蝠翼型結(jié)構(gòu)，減小了與過(guò)渡段之間的磨損，提高了壽命。過(guò)渡段內(nèi)表面的涂層由B級(jí)改為C級(jí)，C級(jí)涂層較厚，熱阻更高，降低了過(guò)渡段的溫度。用來(lái)連接過(guò)渡段與一級(jí)噴嘴透平的安裝架由分體式改為整體式，減輕了高頻振動(dòng)下的磨損。DLN1.0+取消了火焰筒中段的摻混孔，將摻混孔全部布置在過(guò)渡段，過(guò)渡段靠近進(jìn)口附近周向布置3個(gè)摻混孔，孔徑與原DLN1.0火焰筒中段開(kāi)孔相同。過(guò)渡段出口附近布置4個(gè)摻混孔，孔徑略小，交錯(cuò)排列，邊緣加工錐形導(dǎo)流槽，提升冷氣入射深度，使出口溫度更均勻，如圖8所示。

3 LEC-NextGen燃燒系統(tǒng)

3.1 文丘里段以及燃燒一區(qū)冷卻設(shè)計(jì)改進(jìn)

LEC-NextGen是LEC-Ⅲ的改進(jìn)型號(hào)，LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)可替換DLN1.0燃燒系統(tǒng)，燃料控制策略以及燃燒方式并未做大的改變。LEC-Ⅲ主要對(duì)火焰筒接觸面表面重新做了硬化處理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文丘里段以及一級(jí)燃燒區(qū)壁面冷卻方式做了較大改進(jìn)： DLN1.0燃燒系統(tǒng)的文丘里管采用冷卻空氣順流火焰筒軸向方向冷卻方式，冷卻空氣先進(jìn)入文丘里管入口側(cè)外壁冷卻，然后沿著文丘里管軸向外側(cè)冷卻，最后直接排入燃燒器二區(qū)出口處，這種冷卻方式容易產(chǎn)生較高的CO。LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)的文丘里段采用冷卻空氣逆流火焰筒軸向方向冷卻方式(如圖9所示)，在一次燃燒模式和貧-貧燃燒模式下，文丘里段前端冷卻效果沒(méi)有DLN1.0 好，而在預(yù)混燃燒模式下文丘里管后端冷卻比DLN1.0要好，并且冷卻后的空氣直接流入文丘里管入口側(cè)，加速后進(jìn)入預(yù)混燃燒區(qū)，由于不存在淬熄效應(yīng)，因此LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)CO排放要低于DLN1.0。

圖8 過(guò)渡段結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.8 Comparison of transition segment structure

圖9 文丘里段冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.9 Comparison of Venturi cooling structure

DLN1.0火焰筒采用圓形氣膜冷卻直孔，在火焰筒一區(qū)壁面有7 排圓形氣膜冷卻直孔，空氣形成的氣膜沿筒內(nèi)壁流動(dòng)。LEC-Ⅲ火焰筒采用發(fā)散冷卻氣膜，在火焰筒端頭部有5 000個(gè)帶傾角的發(fā)散冷卻孔，總的冷卻孔較多，冷卻氣膜分布更均勻?；鹧嫱怖鋮s結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖10所示。

圖10 燃燒一區(qū)壁面冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.10 Comparison of No.1 combustion zone wall cooling structure

3.2 二級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)

相比于DLN1.0，LEC系列最大的改動(dòng)在于二級(jí)噴嘴噴口結(jié)構(gòu)(如圖11所示)。DLN1.0的二級(jí)旋流器噴嘴位于中部的軸向6個(gè)圓柱上，每個(gè)圓柱設(shè)置有3個(gè)噴口，共計(jì)18個(gè)噴口；頭部的值班火焰噴嘴為3個(gè)具有切向速度的噴口。LEC-Ⅲ將二級(jí)旋流器噴嘴改為位于圓環(huán)上的49個(gè)噴口結(jié)構(gòu)，由于噴口數(shù)量增加，提高了二級(jí)旋流器下游燃料分布的均勻度，降低了中心區(qū)火焰溫度，并把一部分吹掃空氣引入值班火焰噴口之前，值班火焰由擴(kuò)散燃燒變?yōu)轭A(yù)混燃燒，局部當(dāng)量比降低，溫度隨之降低，降低了NOx排放質(zhì)量濃度。

圖11 二級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.11 Comparison of secondary nozzle structure

LEC-NextGen進(jìn)一步將二級(jí)旋流器噴口數(shù)量增至88個(gè)，值班火焰噴口數(shù)量增至25個(gè)，進(jìn)一步降低了NOx排放質(zhì)量濃度(如圖12所示)。

4 排放和檢修間隔對(duì)比

表1是3種燃燒系統(tǒng)排放值及檢修間隔對(duì)比(ω(O2)=15%)，相比于DLN1.0，DLN1.0+與LEC-NextGen大幅度降低了NOx排放質(zhì)量濃度。3種燃燒系統(tǒng)技術(shù)路線各有側(cè)重：DLN1.0+對(duì)一級(jí)噴嘴旋流器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)二級(jí)噴嘴的值班火焰噴口進(jìn)行了局部修改，使其變?yōu)轭A(yù)混燃燒；LEC-NextGen則大幅修改了二級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)，包括二級(jí)噴嘴旋流器噴嘴和值班火焰噴嘴，提高了預(yù)混均勻度，實(shí)現(xiàn)了NOx的超低排放。CO排放方面DLN1.0+改善不大，這可能與文丘里段的冷卻方式有關(guān)，DLN1.0+的冷卻空氣直接排入反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的淬熄效應(yīng)增加了CO產(chǎn)生量。LEC-NextGen采用的逆流冷卻方式不存在上述問(wèn)題，CO排放質(zhì)量濃度低于1.25 mg/m3。從廠家給出的檢修間隔來(lái)看，2種改進(jìn)型燃燒系統(tǒng)均可以達(dá)到比DLN1.0長(zhǎng)1～2倍的檢修時(shí)間間隔。

圖12 LEC-NextGen的二級(jí)旋流器噴嘴與值班噴嘴Fig.12 LEC-NextGen secondary cyclone nozzle and pilot nozzle

表1 3種燃燒系統(tǒng)排放值及檢修間隔對(duì)比Tab.1 Comparison of emission figures and maintenance intervals between 3 combustion systems

5 結(jié)論

相比于DLN1.0燃燒系統(tǒng)，DLN1.0+和LEC-NextGen均采用了多點(diǎn)燃料噴射，將擴(kuò)散燃燒值班噴嘴改為預(yù)混燃燒的方式，降低了局部燃燒溫度，配合自動(dòng)燃燒調(diào)整，進(jìn)一步降低了NOx質(zhì)量濃度。

DLN1.0+優(yōu)化了燃燒器內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，減小了流動(dòng)損失。LEC-NextGen采用的一區(qū)發(fā)散冷卻和文丘里段逆流冷卻方式對(duì)CO產(chǎn)生有較好的抑制效果。

2種燃燒系統(tǒng)均修改了固定端接觸面的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了抗振動(dòng)能力。

采用上述改進(jìn)設(shè)計(jì)后，DLN1.0+和LEC-NextGen的NOx排放質(zhì)量濃度不到DLN1.0燃燒系統(tǒng)的一半，檢修間隔延長(zhǎng)了1～2倍。