劉佳琦，趙瑋杰，王 輝

(1. 哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150028；2. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

隨著環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)與燃燒技術(shù)的發(fā)展，環(huán)保法規(guī)對(duì)地面用燃?xì)廨啓C(jī)的污染物(CO、NOx、UHC等)排放要求也越趨嚴(yán)格。其中NOx排放含量是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，成為燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品能否進(jìn)入市場(chǎng)的限制性要求之一。天然氣是地面燃?xì)廨啓C(jī)的主要燃料之一，GB 13223—2011規(guī)定，天然氣燃料排放NOx的上限值是50 mg/m3[1],天津市的地方標(biāo)準(zhǔn)DB 12/ 810—2018更是將標(biāo)準(zhǔn)提高到30 mg/m3[2]。因此，開發(fā)低污染燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家與相關(guān)科研單位的重要責(zé)任。

為了控制NOx排放，國內(nèi)外的燃?xì)廨啓C(jī)工作者先后開發(fā)出：稀釋燃燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)、貧預(yù)混燃燒技術(shù)、分級(jí)燃燒技術(shù)、LDI(lean direct injection)等技術(shù)。其中，貧預(yù)混燃燒技術(shù)由于技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐漸成為地面燃?xì)廨啓C(jī)控制污染物排放的主流技術(shù)[3]。貧預(yù)混燃燒技術(shù)影響NOx與CO生成的主要因素有：燃燒火焰溫度[4]、高溫區(qū)停留時(shí)間[5]、燃料組分、旋流強(qiáng)度[6]和空氣燃料預(yù)混均勻度[7]等。圍繞貧預(yù)混燃燒技術(shù)，世界各主要燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家都開發(fā)出了自己有代表性的產(chǎn)品。例如，GE開發(fā)出DLN-1和DLN-2.x產(chǎn)品。DLN-1噴嘴燃料從旋流通道上的小孔噴出，與旋流空氣混合，以保證燃料與空氣混合均勻。為進(jìn)一步降低NOx排放，DLN-2.x噴嘴燃料以橫向射流的方式噴射，通過加大混合長度與旋流強(qiáng)度等方式強(qiáng)化預(yù)混效果[8]。ALSTOM公司開發(fā)出EV燃燒器，該燃燒器利用錐形旋流結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空氣與燃料均勻摻混[9]。SIEMENS公司開發(fā)出Hybrid燃燒器，該燃燒器燃料通過上游燃料管射入空氣，并在旋流器下游設(shè)置回流區(qū)以加強(qiáng)空氣和燃料的混合[10]。日本三菱公司也開發(fā)出中心導(dǎo)向和外圍多噴嘴調(diào)節(jié)技術(shù)，其核心思想是通過加強(qiáng)旋流和延長預(yù)混時(shí)間來實(shí)現(xiàn)空氣和燃料均勻混合[11]。雖然各廠家燃燒室結(jié)構(gòu)有較大差異，但它們有幾項(xiàng)重要共同點(diǎn)：1) 采用多噴嘴“散點(diǎn)式”燃料分級(jí)或者采用燃料徑向分級(jí)與空氣混合；2) 預(yù)混距離較長，保證燃料與空氣在噴入燃燒室前均勻混合；3) 來流空氣有較高的湍流強(qiáng)度[12]。本課題組在借鑒、吸收現(xiàn)有燃燒室設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)上，結(jié)合本單位已有技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)出一款燃燒天然氣的中小型地面燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，并對(duì)該燃燒室采用常壓模化試驗(yàn)進(jìn)行燃燒特性分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴嘴空氣流路主要由外旋流器、內(nèi)旋流器和中心吹掃氣路構(gòu)成。其中外旋流器為30通道，內(nèi)旋流器為8通道，每個(gè)通道留有一排燃料噴射孔，燃料與空氣在徑向通道邊混合邊轉(zhuǎn)向軸向通道，噴入火焰筒內(nèi)，形成火焰。內(nèi)旋流器出口設(shè)有喇叭形杯罩，用以穩(wěn)定與推舉內(nèi)旋火焰；外旋流器通道出口為漸縮形，這樣可以既加大出口流速，又增強(qiáng)內(nèi)外旋流間的剪切層摻混性能。在內(nèi)外旋流之間，設(shè)有擴(kuò)散燃料噴孔，用于在低工況時(shí)穩(wěn)定火焰。由于內(nèi)外剪切層的作用，擴(kuò)散火焰擁有較好的熱交換與質(zhì)交換能力，可以最大限度減少污染物排放過高的問題。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。本試驗(yàn)臺(tái)主要由試驗(yàn)件系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。下面對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。試驗(yàn)件系統(tǒng)主要由機(jī)匣、點(diǎn)火器、過渡段、測(cè)量段、排氣段、支架等部套組成。部套之間通過法蘭、螺栓方式連接。機(jī)匣部分設(shè)置有玻璃窗，火焰筒采用耐高溫玻璃管代替，以便觀測(cè)火焰形態(tài)，機(jī)匣外包裹石棉保溫棉，減少機(jī)體散熱。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)實(shí)物圖

試驗(yàn)空氣由1臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)提供，最大供氣壓力49 kPa，流量0.5 kg/s。通過調(diào)節(jié)放氣閥門開度，調(diào)節(jié)供應(yīng)試驗(yàn)件的空氣流量。風(fēng)機(jī)壓縮氣體經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后流入后面空氣管路，以減小羅茨風(fēng)機(jī)振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)管道儀表測(cè)量精度的影響。采用壓差流量計(jì)測(cè)量管路中氣體體積，壓差流量計(jì)測(cè)量范圍為標(biāo)準(zhǔn)狀況下0～400 m3/h，精度±1%。使用2臺(tái)100 kW電加熱器對(duì)空氣進(jìn)行加熱，通過與加熱器并聯(lián)的閥門調(diào)節(jié)電加熱器出口的空氣溫度。高溫空氣分2路進(jìn)入燃燒室試驗(yàn)件，經(jīng)過燃燒或摻混后，經(jīng)過測(cè)量段、冷卻段后通過煙囪排入大氣。

燃料系統(tǒng)原理圖如圖4所示。壓縮天然氣瓶通過匯流排并聯(lián)后進(jìn)入調(diào)壓撬。在調(diào)壓撬內(nèi)經(jīng)過過濾、加溫、一級(jí)減壓、二級(jí)減壓后進(jìn)入燃料母管。燃料母管分3個(gè)支路，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件3路燃料的需求。每個(gè)支路燃料都經(jīng)過調(diào)節(jié)針閥、球閥、流量計(jì)、電磁閥/球閥、單向閥的控制調(diào)節(jié)，進(jìn)入燃燒室試驗(yàn)件指定的供應(yīng)接口，同時(shí)每個(gè)支路還包括一個(gè)放散支路。燃料系統(tǒng)中會(huì)實(shí)時(shí)采集燃料母管的壓力、溫度，各支路流量計(jì)處的壓力、溫度、流量，以及噴嘴進(jìn)口處的壓力和溫度。

圖4 燃料系統(tǒng)原理圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PLC控制柜，采集整個(gè)試驗(yàn)過程中的溫度、壓力和流量信號(hào)。NOx、CO、O2濃度采用Testo350煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量。其中：CO濃度測(cè)量范圍為0～350 mg/m3，精度±5%；NOx濃度測(cè)量范圍為0～940 mg/m3，精度±5%；O2體積濃度測(cè)量范圍為0～25%，精度±0.2%。過渡段高溫?zé)煔馓结槻捎枚ㄖ圃O(shè)計(jì)熱電偶，測(cè)溫范圍為1 000～1 500 ℃，精度±1.5%；系統(tǒng)中其余測(cè)溫?zé)犭娕疾捎肒型熱電偶，測(cè)溫范圍為500～1 300 ℃，精度±1%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 天然氣成分

燃料成分對(duì)燃燒室燃燒特性有重要影響，各地采集天然氣成分物質(zhì)含量也有較大不同[13]。本文采用天然氣成分如表1所示，高位發(fā)熱量為36.7 MJ/m3。

表1 天然氣成分表

1.2.2 實(shí)驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要對(duì)燃燒壓力和燃料質(zhì)量進(jìn)行?；?，保證燃料進(jìn)口溫度、空氣進(jìn)口溫度、絕熱火焰溫度與全壓參數(shù)一致。試驗(yàn)測(cè)試了燃燒室點(diǎn)火、擴(kuò)散燃燒、擴(kuò)散切預(yù)混燃燒、預(yù)混燃燒工況調(diào)整以及燃燒室熄火全過程特性參數(shù)。主要操作流程如下：1)用擴(kuò)散燃料路做燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)；2)根據(jù)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)燃擴(kuò)散火焰，并逐步加大擴(kuò)散火焰至設(shè)計(jì)工況；3)擴(kuò)散燃料達(dá)到設(shè)計(jì)工況后，逐步減少擴(kuò)散燃料，同時(shí)增加預(yù)混燃料路流量，保持?jǐn)U散與預(yù)混燃料總量不變；4)當(dāng)擴(kuò)散燃料流量減為零時(shí)，調(diào)整內(nèi)外預(yù)混燃料流量、空氣流量等進(jìn)行預(yù)混燃燒調(diào)整工況試驗(yàn)；5)逐步減少預(yù)混燃料流量至燃燒室熄火。本文燃料與空氣的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，采用實(shí)際值/設(shè)計(jì)值進(jìn)行無量綱化處理。試驗(yàn)主要參數(shù)范圍如表2所示。

表2 試驗(yàn)主要參數(shù)范圍表

1.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法參照《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能試驗(yàn)方法》和《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于燃燒室試驗(yàn)的一般方法處理[14-15]。其中，NOx和CO排放濃度按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中換算方法進(jìn)行，采用公式(1)折算污染物濃度。

(1)

式中：c為大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，mg/m3;c′為實(shí)測(cè)的大氣污染物排放濃度，mg/m3;m′為實(shí)測(cè)的氧含量，%；m為基準(zhǔn)氧含量，%。

本試驗(yàn)中，污染物濃度換算為15%O2濃度值，后文數(shù)據(jù)為處理后結(jié)果，不再贅述。

2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)火特性

試驗(yàn)首先錄取點(diǎn)火當(dāng)量比與空氣相對(duì)流量關(guān)系曲線。點(diǎn)火器采用等離子點(diǎn)火器直接點(diǎn)火，點(diǎn)火電極能量為2 J。點(diǎn)火成功的標(biāo)準(zhǔn)為：點(diǎn)火器停止工作后，火焰能夠穩(wěn)定燃燒15 s以上，或熱電偶測(cè)得的燃燒室溫升大于80 ℃。每次點(diǎn)燃狀態(tài)重復(fù)3次，著火成功率100%的點(diǎn)為著火點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。點(diǎn)火當(dāng)量比隨空氣相對(duì)流量的增大，起始階段呈線性增長，當(dāng)空氣相對(duì)流量達(dá)到72%后，點(diǎn)火當(dāng)量比隨空氣相對(duì)流量增加幾乎不變，主要因?yàn)槿紵尹c(diǎn)火特性受多種因素影響[16],起始階段空氣動(dòng)力學(xué)特性占主導(dǎo)因素，導(dǎo)致點(diǎn)火當(dāng)量比隨空氣相對(duì)流量增加幾乎呈線性增加。當(dāng)空氣相對(duì)流量增大至72%后，點(diǎn)火位置、回流區(qū)等因素也同樣起到重要作用?？梢钥闯觯?00%空氣相對(duì)流量點(diǎn)火當(dāng)量比與72%空氣相對(duì)流量點(diǎn)火當(dāng)量比幾乎相同，說明此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)點(diǎn)火效果較好。

圖5 點(diǎn)火當(dāng)量比隨空氣相對(duì)流量變化

2.2 總壓損失

不同絕熱火焰溫度、不同空氣相對(duì)流量下，燃燒室總壓損失如圖6所示?？傮w而言，燃燒室壓力損失隨著空氣相對(duì)流量增加明顯增大，隨燃燒溫度增加略有增加。在設(shè)計(jì)工況下，旋流方案總壓損失約為3.5%，滿足總壓損失不大于5%的設(shè)計(jì)要求。

圖6 總壓損失系數(shù)隨絕熱火焰溫度變化

2.3 污染物排放

2.3.1 擴(kuò)散工況

燃燒室擴(kuò)散燃燒時(shí)，NOx和CO排放濃度隨絕熱火焰溫度的變化如圖7所示。由圖可知，隨著絕熱火焰溫度的升高，NOx排放濃度逐漸升高，CO排放濃度逐漸降低，呈典型的“X”形態(tài)。擴(kuò)散燃燒按噴嘴100%負(fù)荷設(shè)計(jì)，在低負(fù)荷時(shí)，燃料射流速度低，不利于摻混燃燒，此時(shí)CO排放濃度很高，說明燃燒效率低，由于此時(shí)絕熱火焰溫度較低，所以NOx排放濃度較低。當(dāng)絕熱火焰溫度升至1 350 K時(shí)，CO排放濃度迅速降低，說明此時(shí)燃燒比較完全，此后，NOx排放濃度隨絕熱火焰溫度的升高逐漸升高。在設(shè)計(jì)出口溫度為1 550 K時(shí)，NOx排放濃度為160 mg/m3，CO排放濃度為10.5 mg/m3。

圖7 污染物排放濃度隨絕熱火焰溫度變化

2.3.2 切換工況

擴(kuò)散燃燒達(dá)到100%熱負(fù)荷時(shí)，逐步減少擴(kuò)散燃料，增加預(yù)混燃料，進(jìn)行燃料切換試驗(yàn)，在切換過程中保持燃料總量恒定，切換工況污染物排放如圖8所示。燃燒室在各切換點(diǎn)切換過程光滑，火焰穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)壓力最大值約為800 Pa，沒有出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定情況，出口平均溫度波動(dòng)很小。在噴嘴燃燒模態(tài)由擴(kuò)散向預(yù)混切換過程中，噴嘴CO和NOx排放濃度隨預(yù)混燃料上升都在下降。在100%預(yù)混燃燒時(shí)，噴嘴NOx排放濃度達(dá)到14.5 mg/m3，滿足50 mg/m3的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 污染物排放濃度隨總?cè)剂现蓄A(yù)混氣占比變化

2.3.3 流量拓展工況

為進(jìn)一步了解該燃燒室可以穩(wěn)定工作的范圍，特進(jìn)行流量拓展試驗(yàn)。流量拓展工況試驗(yàn)的基本流程是：1)在設(shè)計(jì)工況附近改變空氣與燃料流量，使燃燒絕熱火焰溫度與設(shè)計(jì)工況絕熱火焰溫度相等；2)在全預(yù)混燃燒模態(tài)下，調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，每次約5%，向上至產(chǎn)生熱聲振蕩工況，向下至熄火工況，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。總體而言，空氣相對(duì)流量在81%～113%變化范圍內(nèi)，CO排放濃度隨絕熱火焰溫度升高降低，NOx排放濃度隨絕熱火焰溫度升高而升高的趨勢(shì)保持不變，且都能夠很好的滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，相對(duì)于流量變化，燃燒室污染排放沒有顯示出明顯的變化趨勢(shì)，說明此燃燒室的污染排放性能對(duì)于燃燒室入口流量在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)變化不敏感。

(a) CO排放濃度隨絕熱火焰溫度變化

2.4 壓力脈動(dòng)

燃燒室壓力脈動(dòng)測(cè)量位于玻璃火焰筒壁面上，基本與內(nèi)壁面平齊，沒有冷卻，軸向上位于三維計(jì)算時(shí)回流區(qū)最寬的位置。燃燒室在試驗(yàn)過程中，在變負(fù)荷和變流量的情況下沒有出現(xiàn)明顯的燃燒振蕩現(xiàn)象，燃燒平穩(wěn)，火焰剛性強(qiáng)，具有明顯的強(qiáng)旋流火焰特征。最高熱負(fù)荷(113%)振動(dòng)特性如圖10所示。

圖10 最高熱負(fù)荷壓力脈動(dòng)特性

2.5 燃燒室熄火特性

保持全預(yù)混燃燒模態(tài)，降低噴嘴外旋流器燃料流量，熄火特性如圖11所示?？梢钥吹絿娮旆€(wěn)定工作邊界能達(dá)到設(shè)計(jì)當(dāng)量比的75%左右，各空氣相對(duì)流量下熄火邊界較為平穩(wěn)。噴嘴由于內(nèi)預(yù)混保持當(dāng)量比，能夠幫助穩(wěn)定火焰，熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較寬，能夠在75%熱負(fù)荷穩(wěn)定燃燒。當(dāng)然，此次是壓力?；囼?yàn)，由于燃燒室熱負(fù)荷的急劇下降，火焰穩(wěn)定范圍會(huì)變窄，在全壓試驗(yàn)或真實(shí)機(jī)組上，一般會(huì)有所拓寬。

圖11 不同空氣相對(duì)流量下熄火當(dāng)量比

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一款中小型燃燒天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，并對(duì)其燃燒特性進(jìn)行常壓模化試驗(yàn)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1) 燃燒室在設(shè)計(jì)工況下NOx排放濃度為 14.5 mg/m3, CO排放濃度為2.2 mg/m3，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)排放要求。

(2) 燃燒室空氣相對(duì)流量在81%～113%之間，相同熱負(fù)荷下NOx和CO排放濃度相差不大，變化趨勢(shì)相同。

(3) 燃燒室在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)，振動(dòng)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯特征振動(dòng)頻率。

本試驗(yàn)結(jié)果證明，在常壓下，燃燒室污染物排放、壓力脈動(dòng)、空氣流量、燃料流量等主要參數(shù)可調(diào)裕度寬，可以對(duì)該燃燒室開展全壓試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究。