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軸向燃料分級燃燒技術

發布時間：

2022-02-21

常規貧燃預混燃燒技術隨著燃燒室出口溫度進一步提高，無法滿足NOx進一步降低的標準要求。

　　常規貧燃預混燃燒技術隨著燃燒室出口溫度進一步提高，無法滿足NOx進一步降低的標準要求。而燃料軸向分級是在常規貧燃預混燃燒技術基礎上，對燃料進行了軸向分級。該燃燒技術最早是在上世紀70年代，NASA在清潔燃燒項目上首次提出分級燃燒室可以降低NOx排放，而後Pratt&Whitney和GE公司在航空發動機和燃氣輪機燃燒室都進行了成功應用，NOx最低可以降低到35ppm。真正大規模應用是在2010年前後，GE公司和Ansaldo公司在G/H及燃氣輪機得到了大規模生產(chan) [1]。

　　根據NOx生成機理研究而知，NOx生成速率與(yu) 燃氣在燃燒室停留時間成正比，而燃料分級就是針對這一原理進行的技術開發，即減小二級燃料在燃燒室停留時間[2]。如圖1所示，燃料軸向分為(wei) 兩(liang) 級進入燃燒室燃燒，一級燃燒可以減低溫度，二級燃燒可以減少燃氣停留時間，且兩(liang) 級可以獨立控製，可以采用Lean-Lean策略，Lean-Rich策略或Rich-Lean策略等。頭部一級燃燒一般仍然采用貧預混燃燒策略可以最大程度降低NOx生成。

RYCHEN

圖1 軸向燃料分級原理[2]

Fig. 1 Principle of axial fuel classification

　　燃料分級燃燒室不僅(jin) 可以進一步提高燃燒室溫度，控製NOx排放，還可以拓寬燃燒室熱負荷的調節比範圍，可以對於(yu) 工況要求較多的應用場景進行精細化燃燒控製和策略方麵的優(you) 化。美國普渡大學和德國慕尼黑大學對該技術進行了深入研究，相關(guan) 研究結論用於(yu) 我公司相關(guan) 產(chan) 品的開發。

　　結合Ansaldo公司GT36 H級燃氣輪機燃燒室燃料分級設計理念，介紹該技術在燃氣輪機領域的應用和設計思路，如圖2所示。

RYCHEN

圖2 GT36 H級燃氣輪機[3]

Fig. 2 GT36 H-class gas turbine

　　該燃燒技術應用在燃氣輪機燃燒室中，如圖2所示，根據燃氣輪機整體(ti) 結構而確定的燃燒室結構形式，在此基礎上進行了軸向燃料分級燃燒室設計，詳細細節見圖3。從(cong) 該結構示意圖中可以清楚地了解，軸向燃料分級方法級燃燒區域的燃燒情況。相關(guan) 研究表明，軸向燃料分級燃燒降低NOx排放關(guan) 鍵在於(yu) 調節第一級和第二級之間的燃料分配、空氣分配與(yu) 停留時間分配[2]。

RYCHEN

圖3 GT36 燃燒室細節圖[3]

Fig. 3 GT36 CPSC combustor detailed components

 

參考文獻：

[1] 鄭祥龍. 燃料軸向分級燃燒汙染物排放及其交叉射流火焰特性研究[D].中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所),2020.DOI:10.27540/d.cnki.ggrws.2020.000048.

[2] 李蘇輝,張歸華,吳玉新.麵向未來燃氣輪機的先進燃燒技術綜述[J].清華大學學報(自然科學版),2021,61(12):1423-1437.DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.001.

[3] PENNELL D A,BOTHIEN M R,CIANI A,etal.An introduction to the Ansaldo GT36 constant pressure sequentialcombustor [C]// ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Charlotte,NorthCarolina,USA:ASME,2017.

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