燃气轮机干式低污染燃烧室DLN的设计原理培训教材

燃气轮机干式低污染燃烧室DLN的设计原理培训教材随着环境污染情况的日益严重，人们要求发展一种不喷水(或蒸汽)的干式低污染(主要是NOx和CO)的燃烧室以敷使用，这已成为工业型燃气轮机发展的一个新的准则。经过大量的试验研究，目前人们已经能使烧天然气的干式低污染燃烧室(DLN)的NOx排放量。降低到25×10-6(体积分数)，并有可能在近期内降低到(5-9)×10-6(体积分数)的水平。如前所述：在燃烧过程中若能使燃烧火焰面上的反应温度始终低于生成NOx的起始温度1650℃，那么，燃烧产物中的NOx必然是很低的。但是，扩散燃烧方式的火焰面温度总是与αf=1相当的理论燃烧温度，它不因燃料与空气的总掺混比的浓或烯而异，因而NOx的生成有所抑制，但毕竟不能完全解决问题，甚至会带来一些副作用。为此，需要探索在燃烧过程中能够控制火焰面的温度，从而抑制生成NOx的新途径。这就是摒弃常规燃烧中的扩散燃烧方式，而改用均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法。所谓均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法就是指：把燃料蒸汽(或天然气)与氧化剂(空气)预先混合成为均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧，那时，火焰面的燃烧温度与燃料和空气实时掺混比的数值相对应(不再只是αf=1的理论燃烧温度了)。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，这样就能控制“热NOx”生成。但是，均相预混可燃混合物的可燃极限范围是比较狭窄的，而且在低温条件下火焰传播速度比较低，CO的排放量就会增大。因而为了防止燃烧室熄火，并适应燃气轮机负荷变化范围很广的特点，设计干式低污染燃烧室时，还得采取以下一些措施，即：合理地选择均相预混可燃混合物的实时掺混比和火焰温度。如Lefebvre教授建议的那样：对于天然气来说，按火焰温度为1700-1800K这个标准来选择燃料/空气的混合比是比较合适的。这样才有可能使燃烧室的NOx和CO的排放量都比较低，如图4-16所示。图4-16燃烧火焰温度对NOx和CO排放量的影响关系适当增大燃烧室的直径或长度，以适应火焰温度较低时，火焰传播速度比较低的特点。必要时在低负荷工况下(包括起动点火工况)仍然保留一小股扩散燃烧火焰，以防燃烧室熄火，并使满足燃气轮机燃烧室负荷变化范围很宽的要求。合理地控制均相预混可燃混合物从调节阀门喷口到燃烧区之间的输运时间(即可燃混合物的喷射压比)，不使与燃烧室火焰管的共振周期重合，以防燃烧室发生振荡燃烧现象。采用分级燃烧方式以扩大负荷的变化范围。目前，分级燃烧又有串联式分级燃烧和并联式分级燃烧两大类，如图4-17所示。a)串联式b)并联式图4-17串联式和并联式分级燃烧之示意图如图4-17a所示，在串联式的分级燃烧室中设置2-3个彼此串联的燃烧区，每个燃烧区中都分别供给一定数量的空气和燃料。不论机组的负荷量如何变化，流经每个燃烧区的空气量几乎是恒定的，但供入各燃烧区的燃料量却是根据机组负荷量的变化而不断改变的。通常，在机组的起动和低负荷工况下，只向第一级燃烧区供给燃料，一般，它仍然维持扩散燃烧火焰状态，这样就能保证低负荷工况下燃烧火焰的稳定性。随着负荷的增高，逐渐向第2级和第3级燃烧区供应燃料。那时，第1级燃烧区将维持恒温运行状态，第2级和第3级燃烧区内则将维持变温度的均相预混可燃混合物的火焰传播燃烧方式。在这类燃烧室中各级燃烧区内燃烧温度的变化关系(也就是燃料供应量的变化关系)如图4-18所示。图4-18典型的三级串联的分级燃烧室中燃烧区内燃烧温度的变化关系由于在串联式的分级燃烧室中，所有级的燃烧过程都是一级紧随着前一级的燃烧区进行的，因而每一级内的可燃物质都能获得充分的预热，这样就能改善均相预混可燃混合物的火焰传播速度和贫油熄火极限(即：降低第2和第3级燃烧区内可燃混合物的贫油熄火温度，如图4-18所示)。显然，这种燃烧方式可以提高低负荷工况下一级燃烧区内的燃烧温度，并使气流的速度减小，有利于改善这些工况下CO的燃尽程度和燃烧火焰的稳定性。当然，在高负荷工况下由于把均相预混可燃混合物的燃烧温度控制在1800K以下，就能达到控制NOx排放量的目的。如图4-17b所示，在并联式的分级燃烧室中可以设置许许多多个彼此并联的燃烧区，每个燃烧区中也都分别供给一定数量的空气和燃料。它们的燃烧过程都是按均相预混可燃气体的火焰传播方式进行组织的；燃烧温度也被限定在1800K以下。因而能够控制高负荷工况下NOx的排放量。显然，并联燃烧区的数目越多，该燃烧室的负荷可调范围就越广。在低负荷工况下，由于只有部分数量的并联燃烧区仍在贫油熄火温度以上的高温(1800K左右)条件下运行，因而燃烧火焰的稳定性和CO的燃尽程度都能得到保证。当然，其熄火特性要比串联式分级燃烧者差。相对来说，串联式分级燃烧