在轴向分级燃烧室的运行过程中,次级燃烧区的燃烧组织方式对燃烧室的燃烧特性有着重大影响,因此,对次级燃烧区的燃烧特性开展研究很有必要.在文献[2,10]的研究中发现,燃烧室出口温度较高时,NOx排放随次级燃料比例的增加而减少,燃烧室出口温度较低时则出现相反规律;王子叶[3]认为,次级当量比高于主级当量比时,次级当量比和次级燃烧区负荷增加均有利于NOx排放的降低;文献[11-12]中发现,在Lean-Lean 燃烧模式下,主级当量比和次级当量比相差过大会导致轴向分级燃烧室低NOx排放优势被削弱.有研究[1,13]表明,主级燃烧区产生的高温烟气和次级预混气或次级燃料的掺混程度对轴向分级燃烧室低排放能力有明显相关性;Winkler等[1]采用3种不同掺混结构作为轴向分级燃烧室的次级喷嘴,研究高温烟气和次级预混气掺混程度对排放的影响,结果表明,掺混效果越好的次级火焰越短,NOx排放能够得到有效降低,但需要保证次级火焰位置尽量靠上游,为CO提供足够的燃尽时间.此外,Ansaldo公司开发的GT36燃烧室采用次级空气在次级燃料之前喷入的燃烧组织方式,Pennell等[9]对其研究发现,次级空气的喷射位置对排放有重要影响:过早喷入,CO燃烧不充分;过晚喷入,高温烟气停留时间过长,NOx排放增加.
在大多数研究中,次级燃烧区常采用贫预混燃烧方式[2-3,11,14⇓ -16],以充分发挥贫预混燃烧降低排放的能力.但是贫预混燃烧方式会导致火焰抵抗外界干扰能力变得脆弱,进而引起燃烧室内热释放脉动与脉动压力发生耦合,引发燃烧振荡现象,最终导致燃气轮机安全稳定运行受到威胁[17⇓-19],并且由于轴向分级燃烧室在轴向上存在两个燃烧区,两个燃烧区的热源相互作用会导致其燃烧振荡特性变得复杂、不易控制[20-21].目前,碳减排已成为大趋势,由于新能源发电量的频繁波动,燃气轮机电站需要根据需求进行补偿,这就要求燃气轮机能够在较低负荷稳定运行;清洁能源氢气的火焰传播速度非常高,预混燃烧时极易发生回火,因此,目前预混燃烧不易适应纯氢燃烧[22].非预混燃烧方式虽然在控制排放方面存在一定缺陷,但是能够有效降低燃烧振荡的强度,增强燃气轮机的燃料适应能力,有利于机组安全稳定运行.若轴向分级燃烧室主级和次级燃烧区均采用非预混燃烧方式,通过主级和次级燃烧区的燃料分配,或许能够实现低排放的目标.
因此,本文针对50 MW某型F级燃气轮机轴向分级燃烧室开展常压全温全尺寸燃烧性能试验研究,考察非预混燃烧模式(以非预混燃烧为主的燃烧方式)下,值班燃料和次级燃料调整对燃烧室排放及燃烧振荡特性的影响,旨在获得非预混燃烧模式下次级燃烧对轴向分级燃烧室排放和燃烧振荡特性的影响规律以及稳定低排放的升负荷方式,拓宽燃烧室低排放运行范围.
1 试验系统及试验工况
1.1 试验系统
轴向分级燃烧室试验系统主要由空气供应系统、燃料供应系统、空气加热系统、测量系统、轴向分级燃烧室以及其他辅助系统组成,如图1所示.头部(值班和主级)和次级空气由同一气源供应,进入燃烧室前进行自由分配;燃料为液化天然气(LNG),值班燃料、主级燃料以及次级燃料由不同管路分别供应;利用柴油-空气热风炉空气预热系统实现燃烧室入口空气预热;试验中采用AVL DITEST Gas 1000气体分析仪(可测量成分:O2、CO、CO2、NOx)测量燃烧室出口排放,采用Kistler Pressure Sensor 6021 脉动压力传感器(频响范围:0.01~10 kHz)测量燃烧室内压力脉动情况.
图1
1.2 轴向分级燃烧室
某型燃气轮机轴向分级燃烧室如图2所示.整个燃烧室划分为3个燃烧区域:值班燃烧区、主级燃烧区、次级燃烧区.其中,值班燃烧区作为主级燃烧区的点火源,用于稳定主燃火焰,因此采用非预混燃烧组织方式;为了发挥贫预混燃烧技术降低排放的能力,主级燃烧区采用贫预混燃烧组织方式;次级燃烧区采用部分预混燃烧组织方式.
图2
1.3 试验工况
试验在常压(1 atm,1 atm=101 325 Pa)下进行.燃料入口温度为常温25 ℃,空气入口温度保持在350 ℃,调整空气流量及燃料总流量以达到对应负荷,具体试验工况如表1所示.表中:负荷为功率和总功率之比;Tout为燃烧室出口温度;Φs为次级当量比.此外,在每个负荷下均有仅开启值班燃料和开启值班+次级燃料两种燃料分配方式的工况,相同负荷条件下,次级当量比增高,头部当量比会降低.在整个试验过程中不开启主级燃料.
表1 试验工况
Tab.1
| 燃料分配方式 | 负荷/ % | Tout/ ℃ | 空气流量/ 设计点 空气流量 | 头部 当量比 | Φs |
|---|---|---|---|---|---|
| 值班、值班+次级 | 20 | 850 | 1.18 | 0.40~0.46 | 0~0.12 |
| 30 | 940 | 1.15 | 0.41~0.50 | 0~0.19 | |
| 40 | 1 030 | 1.09 | 0.39~0.56 | 0~0.35 | |
| 50 | 1 100 | 1.04 | 0.53~0.58 | 0~0.10 |
加入次级燃料后,用次级当量比表征次级燃烧区空气燃料比例:
式中:qf,s为次级燃料质量流量;qa,s为次级空气质量流量.
2 结果分析
2.1 次级燃烧对排放的影响
在非预混燃烧模式下,空气和燃料在燃烧前的掺混情况对燃烧后的NOx和CO排放水平起到关键性作用.设排放水平φ为O2体积分数为15%时排放物的体积分数,分别以φ(CO)和φ(NOx)表示.在轴向分级燃烧室中,负荷不变的情况下,次级燃料的加入能够分担头部值班燃烧区的负荷,对排放的生成速率产生一定的影响.图3为非预混燃烧模式下,不同燃烧室出口温度加入次级燃料对CO排放的影响结果.在仅开启值班燃料的情况下,轴向分级燃烧室类似于富油燃烧-淬熄-贫油燃烧(Rich-Burn/Quench/Lean-Burn,RQL)燃烧室[23⇓-25],但是因为轴向分级燃烧头部通常采用贫燃的燃烧方式,所以当头部产生的高温烟气经过次级空气的掺混后,温度会直接降低,直至排出燃烧室.燃烧室出口温度为850 ℃或更高时,值班燃烧区的燃烧温度足够高,因此在次级空气喷入之前就已基本燃烧完全, CO排放均维持在φ(CO)=1×10-5以下,但是在轴向分级燃烧室设计过程中应注意次级空气淬熄作用可能会导致燃烧效率降低的问题.在Tout=850 ℃时加入次级燃料,出现CO排放急剧增加的现象,高达2.68×10-4,其原因有两点:一是在燃烧室出口温度较低时将部分燃料分配到次级燃烧区,值班燃烧区当量比降低,燃烧温度随之降低,CO消耗过程受到一定抑制;二是部分燃料分配到次级燃烧区使值班燃烧区产生的高温烟气温度降低,使得在下游依靠高温烟气实现自点火[26-27]的次级燃烧区点火延迟时间被大大延长,CO在燃烧室内没有足够的时间燃尽,导致 CO排放剧增.燃烧室出口温度相对较高时,值班燃烧区产生高温烟气温度较高,次级燃烧区自点火延迟时间缩短,因此,在较高的燃烧室出口温度区间内加入次级燃料,CO排放也均维持在φ(CO)=1×10-5以下,与仅开启值班燃料的CO排放相比,没有明显的变化.
图3
图3
不同燃烧室出口温度次级燃烧对CO排放的影响
Fig.3
Effect of secondary combustion on CO emission at different combustor outlet temperatures
图4
图4
次级当量比对NOx排放的影响(Tout=1 030 ℃)
Fig.4
Effect of secondary equivalence ratio on NOx emission (Tout=1 030 ℃)
考虑到次级燃烧对NOx排放影响的一般性,本文开展了不同燃烧室出口温度下加入次级燃料对NOx排放影响规律的试验.图5为非预混燃烧模式下,不同燃烧室出口温度加入次级燃料对NOx排放的影响结果.仅开启值班燃料时,在不同燃烧室出口温度下,NOx排放无明显变化规律.加入次级燃料后,部分负荷被次级燃烧区承担,值班当量比降低,值班燃烧区部分局部热点得到消除,且值班燃烧区的燃烧温度降低,高温区域变小,NOx的产生过程受到抑制;此外,次级燃烧区采用部分预混燃烧组织方式,次级燃料和次级空气进入燃烧室之前有一定的掺混,对NOx产生过程也会有一定的抑制作用.因此,在不同燃烧室出口温度下,NOx排放都有一定程度的降低.从燃烧室出口温度在850~1 030 ℃区间内的NOx排放可以看出,随着燃烧室出口温度的升高,即使增高次级当量比,次级燃烧降低NOx排放的能力逐渐被削弱,NOx排放在仅开启值班燃料的基础上降低的比例从54%跌至17%.因此,在次级燃烧区为部分预混燃烧组织方式的前提下,在高的燃烧室出口温度(高负荷)采用开启值班+次级燃料的燃烧组织方式无法充分发挥轴向分级燃烧降低排放的优势.
图5
图5
不同燃烧室出口温度次级燃烧对NOx排放的影响
Fig.5
Effect of secondary combustion on NOx emission at different combustor outlet temperatures
2.2 次级燃烧对燃烧振荡的影响
在常规单级非预混燃烧模式下,燃烧振荡现象可能并不明显,但是在轴向分级燃烧过程中,流场、温度场会因次级燃料或空气的加入发生变化,进而对燃烧室燃烧振荡特性产生影响.值班、值班+次级两种燃烧方式下的燃烧振荡结果如图6所示.由图可见,在试验过程中,压力脉动信号在80和190 Hz两个频率表现出明显的幅值,为燃烧室燃烧振荡的特征频率;随着工况的变化,对应的特征频率在以上两个特征频率左右偏移,产生75~90 Hz和175~210 Hz的燃烧振荡频带.
图6
图6
燃烧振荡特征频率(Tout=850 ℃)
Fig.6
Characteristic frequency of combustion oscillation (Tout=850 ℃)
Tout=1 030 ℃时,次级当量比对燃烧振荡影响的结果如图7所示.在仅开启值班燃料时,轴向分级燃烧室在频带1(75~90 Hz)和频带2(175~210 Hz)内出现了燃烧振荡现象.加入次级燃料后,两个频带内的燃烧振荡频率升高、强度降低.此外,随着次级当量比的增高,两个频带内的燃烧振荡频率逐渐升高,频带1内的燃烧振荡幅值有降低的趋势,而频带2内的燃烧振荡幅值变化不明显.
图7
图7
次级当量比对燃烧振荡的影响(Tout=1 030 ℃)
Fig.7
Effect of secondary equivalence ratio on combustion oscillation (Tout=1 030 ℃)
在不同燃烧室出口温度下,两个频带均出现燃烧振荡情况,但次级燃烧对燃烧室内不同频带燃烧振荡的影响存在差异.图8为非预混燃烧模式下,燃烧室内燃烧振荡情况.从图8(a)可以看出,次级燃料的加入会使燃烧室在频带1的燃烧振荡情况得到改善;次级当量比降低会导致次级燃烧区的燃烧组织方式趋近贫预混燃烧,削弱其燃烧稳定性,因此当次级当量比较低时,振荡幅值明显升高,反之降低.从图8(b)也可以看出,若次级当量比低于0.19时,次级燃料的加入对频带2内的燃烧振荡情况反而有增强的效果.这说明轴向分级燃烧室更加趋向于高频的燃烧振荡,加入次级燃料会降低频率较低的振荡主频对整个燃烧振荡的贡献;在次级当量比较高时,次级燃烧对频率较高的燃烧振荡才会有抑制效果,有利于实现燃烧室更加安全稳定的运行.
图8
图8
不同燃烧室出口温度次级燃烧对燃烧振荡的影响
Fig.8
Effect of secondary combustion on combustion oscillation at different combustor outlet temperatures
2.3 升负荷方式
在轴向分级燃烧室正常升负荷过程中,燃料的开启顺序一般为:低负荷开启值班燃料(非预混燃烧模式)、较高负荷开启值班+主级燃料(预混燃烧模式)、高负荷开启值班+主级+次级燃料(预混燃烧模式).但是,在较高负荷开启值班+次级燃料时,主级燃烧区为预混燃烧组织方式,且主级当量比相对较低,因此可能会引发剧烈的燃烧振荡.例如,试验数据显示,在预混燃烧模式下,39%负荷燃烧振荡幅值为非预混燃烧模式的5~8倍(未在文章列出).因此,考虑到燃烧室安全稳定运行,需要对较高负荷范围内的升负荷方式提供备选方案.由前两节中非预混燃烧模式下次级燃烧对轴向分级燃烧室燃烧特性影响结果的分析可得排放较低、燃烧较稳定的备选升负荷方式,如图9所示.
图9
因为在Tout=850 ℃时加入次级燃料会导致CO排放剧增,所以在该燃烧室出口温度对应的20%负荷选用仅开启值班燃料的非预混燃烧方式.在燃烧室出口温度为940~1 100 ℃(30%~50%负荷)内,由于次级当量比增高会降低较低频率的燃烧振荡强度,且次级当量比高于0.19时,次级燃料的加入会对高频燃烧振荡产生抑制效果,所以为了实现轴向分级燃烧抑制燃烧振荡的作用,在升负荷过程中将次级当量比保持在0.19以上(稳定性裕度设为10%).考虑到排放因素,即使次级当量比保持在0.19以上,仍有部分负荷下的NOx排放不能达到排放要求,因此需要继续增高次级当量比使NOx排放降低至φ(NOx)=2.5×10-5以下(NOx-低排放裕度设为10%);且随着负荷的增加,轴向分级燃烧较低NOx排放的能力被削弱,因此较高负荷下的次级当量比应更高以保证更大程度地降低NOx排放.此外,由于负荷一定时,若不断增高次级当量比,值班燃烧区燃烧温度降低,可能会引发次级燃烧区燃烧不完全问题,所以次级当量比存在上限保证CO低排放(CO-低排放裕度设为10%)运行;随着负荷的增加,燃料量增加,空气量降低,在保证值班燃烧区产生足够高温度的高温烟气前提下,次级燃烧区分配到更多的燃料(次级当量比上限更高)也可保证CO维持在较低水平.通过上述方式提供一种非预混燃烧模式下的升负荷方式,可拓宽轴向分级燃烧室低排放的运行范围,最终可为机组升负荷过程中的稳定低排放运行提供参考.
3 结论
选用50 MW某型F级燃气轮机轴向分级燃烧室,研究了在非预混燃烧模式下,次级燃烧对燃烧室排放及燃烧振荡特性的影响,主要结论为:
(1) 在较低燃烧室出口温度下加入次级燃料,高温烟气温度偏低,CO没有足够的时间燃尽,会导致CO排放剧增(φ(CO)=2.68×10-4);次级燃料的加入及次级当量比的增高有利于NOx排放降低,但其过度增高会使头部燃烧区产生的高温烟气温度变低,导致次级燃烧区燃烧不完全,CO排放剧增;当燃烧室出口温度从850 ℃升高到 1 100 ℃(负荷从20%增加到50%)过程中,采用值班+次级燃料的燃烧方式,NOx排放在仅开启值班燃料的基础上降低的比例从54%跌至17%.
(2) 次级燃料的加入以及次级当量比的增高会使燃烧室燃烧振荡主频升高;较低频带(75~90 Hz)内的燃烧振荡情况会因次级燃料的加入以及次级当量比的增高得到改善,次级当量比增高时,次级燃料的加入才会对较高频带(175~210 Hz)内燃烧振荡起到抑制作用,反之增强.因此,可通过提高次级当量比实现燃烧室安全稳定运行.
(3) 在非预混燃烧模式下,综合考虑排放、燃烧振荡等因素,获得了轴向分级燃烧室在较高负荷区间(20%~50%负荷)内的低排放、稳定燃烧的升负荷方式,拓宽了燃烧室低排放的运行范围.
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