微型燃气轮机发展现状及燃烧室的技术特性指标与性能影响因素

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摘要:针对微型燃气轮机燃烧室性能的各种影响因素(进气条件、燃料热值、燃烧室行态等)对燃烧稳定性和燃烧速率单位单位的影响,介绍了国内外相关实验和数值模拟研究现状,分析了燃烧室主要污染物的生成机理和影响因素,以及降低氮氧化物排放浓度的技术法律最好的办法。

微型燃气轮机(micro-turbine或micro gasturbine,MGT)是两种 以燃料(燃气或燃油)和空气为介质的旋转式热力发动机,其功率一般在25~3000kW之间,并具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术行态,被广泛应用于分布式发电、备用电站、热电联产以及民用和军用交通运输等领域。燃烧室是燃气轮机的核心部件之一,发生压气机与涡轮之间,主要由扩压器、火焰筒、燃料喷嘴、旋流器、点火装置以及燃烧室壳体等部件组成。在燃烧室内进行的燃烧反应是2个 复杂性的过程,包括燃料与空气的流动、传热、传质生和熟学反应等。由压气机出来的空气首先经过燃烧室头部的扩压器,使空气入口压力达到进入燃烧室的工作压力,经过旋流器后与由喷嘴进入的燃料混合燃烧,形成高温高压燃气,再进入透平中膨胀做功。整个燃烧过程将燃料的化学能转化为机械能。确保在此过程中燃烧稳定,提高燃烧速率单位单位,降低NOx排放浓度已成为目前对微型燃气轮机燃烧室研究的重点。

1国内外微型燃气轮机发展现状

国外燃气轮机的发展史可追溯到20世纪300年代。1939年第一台发电用燃气轮机和航空燃气轮机先后研制成功。微型燃气轮机的发展结速英语 20世纪300年代,比重型燃气轮机晚了20多年。在1995年美国动力年会上,AlliedSignal、Capstone和Elliott等公司个人所有推出了25~75kW的微型燃气轮机样机,其性能参数如表1所示。30003年在美国召开了机械工程师法学会(ASME)年会,从各厂商发布的微型燃气轮机信息中可看出,当时微型燃气轮机已有了较大发展。

随着科技的进步与发展,微型燃气轮机在行态方面删改一定会了较大的改变。为了减小整个机组的质量和尺寸,采用高速永磁发电机中的空气轴承代替滚动轴承;为了提高机组的热速率单位单位,采用高效紧凑型回热器;为了提高燃烧速率单位单位,采用陶瓷、硅等耐高温材料提高燃烧室入口温度。美国Capstone公司已成功研制了型号为C300、C65和C3000的微型燃气轮机;Honeywell公司研发了75kW的Parallon75型微型燃气轮机;英国Bowman公司研发了35、300和3000kW的微型燃气轮机;瑞典Turbec公司研制了3000kW的T3000型微型燃气轮机。那此产品均已投放市场,并得到广泛应用。

相对而言,国内微型燃气轮机的研究和应用起步较晚,最初是购买国外样机开展试验研究。“十五”期间开展863计划专项“3000kW微型燃气轮机研制”,并成功研制了型号为WDR3000的微型燃气轮机。该燃气轮机设计发电功率为3000kW,发电速率单位单位不低于29%;热电联供热速率单位单位达到3000%以上。上海交通大学成功研制了20kW微型燃气轮机,并与澳大利亚联邦研究院和上海航天能源股份有限公司媒体企业合作,成功研制了300、3000kW低热值微型燃气轮机,与上海理工大学媒体企业合作建成了微型燃气轮机能源岛供能系统实验台。2015年由中航工业哈尔滨东安发动机(集团)有限公司下属哈尔滨东安科技开发公司成功研制了我国首台具有自主知识产权的WDl8微型燃气轮机发电机组,填补了国内微型燃气轮机发展史上的空白。该机功率为18kW,具有体积小、重量轻、发电速率单位单位快、发电品质高、突加载能力强等特点。怎么让,我国目前市场上所供应的大每项微型燃气轮机仍以国外进口为主,主你这个 美国Capstone公司的产品,国内应用近3000台。国内相关企业和科研机构对微型燃气轮机做了一定量研究工作,具备了一定的经验和基础,但可实现商业应用的还较少,仍需进一步研究核心技术以降低生产和研发成本,提高能源利用速率单位单位,不还可不可不都都可以真正将微型燃气轮机产品推向国内外市场,实现商业化应用。

2燃烧室的技术行态指标

在燃烧室研究与开发中,通常使用各种技术行态指标衡量燃烧室工作性能的优劣,如:燃烧速率单位单位、总压保持系数、出口温度分布不均匀系数、燃烧稳定性、污染物排放浓度和使用寿命等。

一般状况下,在单个燃烧室机组中,燃烧室出口最高温度非要比出口平均温度高300~3000℃;在多燃烧室共同运行的机组中,还应确保每个燃烧室出口的温度偏差不超过15~20℃。

2.4燃烧稳定性

燃烧稳定性是燃烧室的2个 重要性能指标,它要求在各种可能遇到的工况下燃烧室均能维持燃烧,既不不熄火你这个 会发生强烈的火焰脉动。燃烧室发生两种 熄火间题:富油熄火,即过量空气系数低于富油熄火极限时发生的熄火间题;贫油熄火,即过量空气系数高于贫油熄火极限时发生的熄火间题。发生你这个 2个 界限之内的即为稳定燃烧区。一般来说,贫油熄火极限与富油熄火极限之间的差值越大,燃烧稳定性越好。

通常在燃气轮机中不不发生富油熄火间题,只会冒出贫油熄火,怎么让也还可不可不都都可以 用贫油熄火极限衡量燃烧稳定性。一般要求燃烧室的贫油熄火极限至少 大于25不还可不可不都都可以适应燃气轮机的工作需求。

2.5污染物排放量

燃烧室排气中的污染物主要由NOr、CO、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟组成。随着环境保护标准的提高,有效控制燃烧室污染物排放浓度已成为衡量燃烧室性能的重要指标之一。美国环保局规定:燃用火山岩石石气的燃气轮机,其NO,排放体积分数非要高于2.5×105m3·m3,CO排放体积分数非要高于5.0×105m3·m3。相较于燃用火山岩石石气的燃气轮机,燃用气体 燃料的燃气轮机允许排放浓度的要求要低得多。

2011年,北京市颁布了固定式燃气轮机大气污染物排放标准(DBll/847-2011),规定了NOr最高允许排放质量浓度为300mg·m-3,SO2最高允许排放质量浓度为2mg·m-3,烟尘最高允许排放质量浓度为5mg·m-3。为了更好地适应未来的发展,应尽快立法,制定全国统一的燃气轮机污染物排放标准。

2.6使用寿命

不例如型燃气轮机的使用寿命差距较大。固定式燃气轮机可能其燃烧速率单位单位较低,使用寿命较长,一般为300000~300000h;地面运输式机组使用寿命至少 为30000~30000h;而航空发动机燃烧速率单位单位大,使用寿命仅为3000~30000h。

燃气轮机失效的主要原因分析是燃烧室中高温元件损坏。火焰筒壁面温度高低对燃烧室的寿命有着决定性的影响。一般,规定火焰筒壁面温度要低于材料长期工作所能承受的温度水平。对于工作寿命要求较长的燃烧室,最好能把温度控制在63000~700℃左右,但在你这个 工作寿命较短的燃烧室中,壁面最高温度可能会超过83000℃,甚至局部最高温度会达到900℃。共同,火焰管的温度分布均匀程度对使用寿命删改一定会较大的影响。在温度分布不均匀处,火焰管容易变形或开裂,原因分析其使用寿命降低。

3燃烧室性能影响因素分析

随着微型燃气轮机技术的发展和功率的提高,为了保证在高温、高压工作环境下达到低排放、长寿命、高可靠性的指标要求,燃气轮机的相关研发工作主要集中在提高燃烧初温、提高热速率单位单位和降低NOx排放浓度。提高燃烧初温的关键在于提高动静叶片的耐高温性能;而对于提高热速率单位单位和降低NOx排放浓度,可从进气条件、燃料类型、燃烧室行态等方面进行研究。

3.1进气温度的影响

进气温度对燃烧室性能影响较大。在一定温度范围内,随着燃烧室进气温度上升,燃烧速率单位单位显着提高,燃烧室出口气流温度分布不均匀系数减小;共同燃烧室出口CO、UHC排放浓度显着降低。但可能热阻增大,总压保持系数有所降低。此外,当进气温度超过一定值后,若继续提高进气温度,燃烧速率单位单位的提高则变得缓慢。

冒出上述间题的原因分析在于,随着进气温度上升,燃烧室内的化学反应速率单位单位加快,使得燃烧过程在更短的时间内完成,且可能燃料流量减少,燃烧室过量空气系数增大,使氧气浓度上升,不利于了燃料的删改燃烧;另一方面,随着进气温度上升,燃烧反应速率单位单位减慢,火焰长度变短,高温燃气与空气掺混更加均匀。怎么让,燃烧室出口温度分布更加均匀,温度分布不均匀系数更小。但当进气温度超过一定值后,其对燃烧室燃烧速率单位单位的影响这麼弱。

3.2燃料热值的影响

微型燃气轮机的燃料一般为火山岩石石气或柴油。鉴于全球石油储备减少和能源价格上涨,为保障可持续发展,还可不可不都都可以 开发新能源以替代常规能源。怎么让,有必要开展对替代能源的研究和应用,以及燃用替代燃料对燃烧室性能的影响研究。国内外你这个 学者通过实验和数值模拟的法律最好的办法对燃用不同热值燃料的燃烧室性能进行了研究,并对燃烧室行态进行了优化设计。

燃料热值高低对燃烧稳定性和燃烧速率单位单位影响较大。气体 作为两种 优质燃料,在燃烧室燃烧时具有热值高、反应时间短、析出快、扩散快、火焰传播速率单位单位快等特点。Robbio以美国Capstone公司的C300为模型建模,将燃料改为气体 与火山岩石石气的混合物,研究发现:随着气体 占总燃料比重的不断上升,燃料热值升高,燃烧速率单位单位提高,且NOx排放浓度降低。曹常青等设计了两种 以富氢合成气为燃料的3000kW级微型燃气轮机燃烧室,并对燃烧室内部内部结构冷热流场、燃烧速率单位单位、燃烧稳定性等进行数值模拟。结果表明:该燃烧室燃烧速率单位单位高达99%,燃烧基本稳定,满足燃烧室的设计要求。Laranci等以Elliott公司T3000微型燃气轮机燃烧室为模型建模,对分别燃用两种 不同燃料(火山岩石石气和植物油)的燃烧室性能进行了研究,结果表明:可能植物油热值较低,从功率和燃烧速率单位单位的数据对比分析来看,火山岩石石气的相应参数比植物油的参数高出40%左右。

针对生物质气、低热值合成气等燃料燃烧速率单位单位低的间题,你这个 学者对燃烧室内部内部结构行态进行适当改进。张巍等将生物质气应用于以前燃用火山岩石石气的C300微型燃烧室,采用数值模拟法律最好的办法进行研究,结果表明:可能生物质气热值较低,降低了主燃区温度,显着降低了NOx排放浓度,但局部高温区变大;流场前部流速加大,高温燃气直接冲击内筒壁,且出口温度不均匀系数变大;那此间题仍需在后续研究中进行改进。Sadig等针对两种 不同成分的生物质气进行研究,在双燃料模式下采用轴向和径向两种 注入法律最好的办法,并采用分级燃烧法律最好的办法,有效提高了燃烧速率单位单位。

研究表明,可采取以下法律最好的办法改善燃料热值对燃烧室内燃烧稳定性和燃烧速率单位单位的影响:

(1)适当改变掺混孔布局,减少掺混孔数量,以提高燃烧室出口温度。

(2)适当延长燃烧室轴线长度,使高温燃气与空气在燃烧室内混合更加均匀,增强燃烧稳定性,减小出口温度分布不均匀系数。

(3)尽量将燃烧工况维持在满工况状况,并改进燃烧室外壁的冷却效果。

3.3燃烧室行态对燃烧室性能的影响

3.3.1喷嘴

在燃用气体 燃料的微型燃气轮机燃烧室中,燃料喷射、雾化以及与空气的预混均匀程度对燃烧稳定性和燃烧速率单位单位有着决定性作用。一般而言,气体 燃料的雾化效果好,雾滴颗粒越细且均匀,燃烧速率单位单位越高。传统燃气轮机燃烧室的喷嘴有离心式喷嘴、空气雾化喷嘴、甩油盘喷嘴和析出管喷嘴。可能微型燃气轮机燃烧室行态紧凑,在燃用气体 燃料时还可不可不都都可以 确保在有限空间中飞快实现气体 燃料的喷射、雾化和预混燃烧,你这个 ,为了确保燃烧稳定性,提高燃烧速率单位单位,还可不可不都都可以 对原喷嘴行态进行优化设计。

针对微型燃气轮机燃烧室的开发,你这个 学者研发了新型喷嘴或对传统喷嘴进行了适当改进和优化。为了满足某微型燃气轮机进行300h的长试要求,冯占祥设计了两种 燃油喷嘴,填补了我国在空气雾化喷嘴技术上的空白;崔运静等在Danfoss喷嘴基础上通过外加涡旋法律最好的办法进行优化,通过实验验证了在加入内部内部结构涡旋的状况下可增大喷嘴的出口雾化角,降低内部内部结构雾滴碰撞再聚合的机率,保证燃烧室内燃烧稳定性;可能传统喷嘴具有固定的旋流数,你这个 在低功率工况下会对燃烧性能产生影响。针对该间题,徐永国等设计了两种 可在相同雷诺数下得到不同旋流数的涡旋式喷嘴,并采用数值模拟法律最好的办法验证了其在低功率工况下的燃烧速率单位单位,为喷嘴设计提供了经验。光辉等设计了两种 应用于微型燃气轮机燃烧室的离心式多孔析出管喷嘴,并通过实验发现:当进入析出管的温度高于43000K时,析出率达到3000%。Rajpara等在现有燃烧室模型的基础上进行建模,采用反向燃油喷射法律最好的办法加强燃料与空气的掺混,研究表明:喷嘴长度对掺混效果、等候时间和污染物排放浓度有较大影响,并发生2个 最佳喷嘴长度使燃烧速率单位单位和总压恢复系数达到最佳。

3.3.2旋流器

当气流流经旋流器时,气体 的流动状况由轴向运动转变为旋转运动,在离心力作用下形成低压区,从而形成2个 回流区稳定燃烧。旋流器还可增大气流和燃油的相对速率单位单位,优化油滴雾化和与空气的预混,共同为燃烧室头部提供适量空气,保证燃烧室头部具有至少 的余气系数,你这个 旋流器的选用 在燃烧室设计中至关重要。

旋流速率单位单位决定了气流的旋流流动。流场中回流区的形成、发散宽度以及气体 在燃烧室中的等候时间均取决于旋流速率单位单位。传统的单级旋流器已不再适用于高推质比发动机,双级旋流器以及三级旋流器正逐步取代单级旋流器。我国每项学者对双级旋流器和三级旋流器的旋向进行了研究,发现:在双级旋流器中,旋向相反时气流掺混造成较大的能量损失,空气与燃料的掺混效果变差,且可能预混效果变差原因分析高温区增大,NOx排放浓度增大,出口温度分布不均匀系数增大,燃烧性能不如旋向相共同;但在三级旋流器中,当上方级旋流器和外级旋流器与内级旋流器旋向不共同,空气与燃料预混均匀性较好,燃烧性能更佳。在对旋流器的研究中还发现,通过改变旋流器安装宽度可改变旋流数大小,选用 适当的旋流数能维持流场和燃烧的稳定性;当旋流数不足英文时不不形成回流区,燃烧稳定性较差;但当旋流数不足英文时喷嘴处气体 过于稀薄,回流区气体 容易向上游直冲原因分析回火,使燃烧过程发生安全隐患。

3.3.3你这个 行态

燃气轮机燃烧室复杂性的内部内部结构行态对其性能有较大影响。怎么让,国内外你这个 学者均致力于优化其内部内部结构行态来改善性能。Farokhipour等在燃烧室内设置了你这个 喷水喷头,结果发现燃烧性能有了较大改善,并在此基础上对不同的喷头位置、方向和水的质量流率下的燃烧性能进行了模拟,结果表明:当喷头发生主燃区末端、喷射宽度α=120°、水的质量流率为1kg·s-1。时,燃烧性能达到最佳。Xing等将2个 可调节的燃料供应系统应用于某-300kW级微型燃气轮机中,通过改变可调节燃料行态数u进行模拟研究,结果表明,随着u增大,总压保持系数不变,出口温度分布不均匀系数减小,且燃烧速率单位单位逐渐增大,最大可达99.995%。De Paepe等在Turber T3000微型燃气轮机基础上,利用先进的湿式燃气轮机循环概念,在燃烧室中进行废热回收优化;可能废热回收增加,在恒定转速时有更高的电力输出或在输出相同电能时燃料消耗更少,使发电速率单位单位更高。Peng等以气体 为燃料,采用非预混燃烧法律最好的办法,研究壁厚和多孔介质对圆柱形微型燃气轮机燃烧室性能的影响,结果表明:设置多孔介质或增加壁厚可增强热传递,提高燃烧稳定性,不不利于改善外壁温度和提高能源利用率。Ansari等研究了一台蕴含挡板和圆柱组合的新型平面微型燃气轮机,结果表明:挡板宽度决定了火焰位置;圆柱直径较小或挡板与圆柱间距过小一定会影响燃烧稳定性;挡板长度和壁面导热率能有效改善燃烧速率单位单位和熵产。

4No,排放浓度的影响因素及控制法律最好的办法

燃气轮机燃烧室在燃烧过程中产生的污染物主要有CO、CO2、SOx、UHC以及NOx等。其中CO和UHC来源于燃料的未删改燃烧,CO2来源于燃料与O2之间的氧化反应,SOx来源于燃料中s元素与O2之间的反应,NOx来源于空气中N2与O2,之间的反应。在NOx排放浓度的间题上,美国、日本等发达国家要求将其排放质量浓度限制在2.5mg·m-3以下;相对而言,我国对燃气轮机的排放限制较宽,要求NO,最大排放质量浓度为300mg·m-3。

4.1NOx的形成机理

燃烧过程中产生的NOx可分为热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。,其中NO约占95%。热力型NOx是发生高温条件下O2与N,发生反应生成NO,是燃烧过程中NO形成的主要来源。热力型NOx的生成与燃烧区温度、氧气浓度以及反应物在燃烧区的等候时间等密切相关。当燃烧区温度超过130000℃时,其排放浓度将急剧增大。快速型NOx是碳氢化合物燃料分解成CH、C2H、CH2等基团后与N,经过一系列复杂性的化学反应后生成的NO;燃料型NO,是指当燃料蕴蕴含的N元素与碳氢基团发生化学反应,生成NO的过程。其生成原理与快速型NOx的生成原理基本相同。可能微型燃气轮机的燃料一般为火山岩石石气或柴油,不含氮元素,且燃烧过程中热力型NOx所占比例较大,你这个 此处仅分析影响热力型NOx排放浓度的因素。4.2NOx排放浓度的影响因素

影响燃烧室出口NOx排放浓度的因素有你这个 。每项学者针对燃烧室入口进气温度和压力进行了实验和数值模拟研究,结果表明:燃烧室的进气温度和压力对NOx生成的影响较大。随着进气温度的上升,燃料密度发生变化,使燃料在燃烧区的等候时间增加,燃烧更加充分,但燃烧区温度上升,使NOx排放浓度增大;共同根据理想气体 状况方程,可能燃烧室体积不变,压力变化将引起温度变化,而温度变化对热力型NOx生成影响巨大,你这个 随着压力升高,燃烧更加充分,使主燃区温度上升,NOx排放浓度也随之上升。

共同,过量空气系数对燃烧室出口NOx排放浓度删改一定会较大影响。工程实践中,在主燃区内布置2个 内部内部结构循环的连续空气分级器,将燃烧所需的空气分成两级送入燃烧室,第一级空气和删改燃料过浓燃烧,其余空气作为第二级空气在火焰下游送人,使燃料删改燃烧。随着过量空气系数增加,空气流量的增加降低了燃烧区内温度,使NOx排放浓度逐渐下降。

与传统的扩散燃烧相比,采用预混燃烧可降低主燃区温度,从而降低燃烧室出口NOx排放浓度。但预混燃烧的燃烧范围较窄,在低功率工况下燃烧不稳定,甚至会原因分析熄火,还可不可不都都可以 考虑加入值班区火焰。值班区火焰采用扩散燃烧的法律最好的办法,可起到稳定燃烧的作用。值班区与主燃区的燃料配比间题成为你这个 技术的关键所在,要既能保证燃烧稳定性又能降低燃烧室出口NOx排放浓度。研究表明:当值班区燃料配比较低时,燃烧室头部不不形成高温区,整个燃烧室温度场分布均匀,NOx排放浓度也较低,但燃烧速率单位单位也相对较低;随着值班区燃料配比增大,燃烧室头部的高温区逐渐扩大,温度上升,共同NOx排放浓度也随之急剧上升。你这个 还可不可不都都可以 选定2个 至少 的燃料配比,以尽量补救那此间题的冒出。

4.3降低NOx排放浓度的法律最好的办法

综上所述,降低燃烧室出口NO,排放浓度的法律最好的办法有:①在不影响燃烧速率单位单位的状况下,尽可能降低进气温度和压力;②选用 适宜的值班区与主燃区燃料配比;③设置空气分级器,适当增大过量空气系数;④在燃烧区与稀释区之间合理布置掺混孔。

5结速英语 语

通过分析微型燃气轮机燃烧室各种影响因素,讨论了进气条件、燃料热值、燃烧室行态等对燃烧稳定性和燃烧速率单位单位的影响;根据燃烧室出口NOx的形成原因分析,分析了造成热力型NOx排放浓度较高的影响因素并提出了优化建议,为后续微型燃气轮机的设计和使用提供借鉴。

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