電站燃氣輪機燃燒室的工作原理與結(jié)構(gòu)分析

電站燃氣輪機燃燒室的工作原理與結(jié)構(gòu)分析燃燒室結(jié)構(gòu)與性能指標燃燒室的結(jié)構(gòu)燃氣輪機燃燒室是一種通常用高溫合金材料制作的燃燒設(shè)備。在整臺燃氣輪機中，它位于壓氣機與燃氣透平之間，它有三種功能：①使燃料與由壓氣機送來的一部分壓縮空氣在其中進行有效的燃燒；②使由壓氣機送來的另一部分壓縮空氣與燃燒后形成的溫度高達1800-2000℃的燃燒產(chǎn)物均勻地摻混，使其溫度降低到燃氣透平進口的初溫水平，以便送到燃氣透平中去作功；③控制NOx的生成，使透平的排氣符合環(huán)保標準的要求。由于這三個功能的作用，燃燒室可以在近乎等壓的條件下，把燃料中的化學(xué)能有效地釋放出來，使之轉(zhuǎn)化成為高溫燃氣的熱能，為其在燃氣透平中的膨脹作功準備好條件。由此可見，燃燒室是燃氣輪機中一個不可缺少的重要部件。為了適應(yīng)燃氣輪機結(jié)構(gòu)輕巧的特點，燃燒室的尺寸都是設(shè)計得很緊湊的。一般來說，在單位時間和單位體積內(nèi)，它能燃燒釋放出比常壓鍋爐大10-300倍的熱能，即：燃燒過程是在高熱強度、高速流動的連續(xù)氣流中進行的。此外，由于進入燃氣透平的燃氣初溫t3*受到金屬材料性能的限制，供入燃燒室中去的空氣流量與燃料流量的比值總是要比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大得多，而且氣流的溫度、壓力和流速都要隨燃氣輪機負荷的改變而發(fā)生較大幅度的變化；有時還要求同一個燃燒室能夠兼燒多種燃料?？傊?，燃氣輪機燃燒室的工作過程具有：①高溫；②高速；③高燃燒強度；④高余氣系數(shù)；⑤運行參數(shù)變化劇烈；⑥要求燃用多種燃料等一系列特點。這些特點使得燃燒過程甚難組織，為此必須采取特殊措施。否則，燃燒室會被燒壞，火焰容易被吹息；燃料不能完全燃燒，火焰會伸得過長，以致燒毀燃氣透平。從結(jié)構(gòu)上來看，燃燒室通常有圓筒型、分管型、環(huán)管型和環(huán)型之分。圖4-1中給出了一種分管型燃燒室，它應(yīng)用與MS6001系列的燃氣輪機中；圖4-2中則給出了該火眼管的結(jié)構(gòu)圖。這個燃燒室是由外殼、火焰管、燃料噴嘴、點火器和燃氣收集器等部件組成的。在火焰管上一般都裝有旋流器、過渡錐頂，并開設(shè)一些一次射流孔和混合射流孔以及冷卻空氣的射流孔。此外，為了把火焰管安裝在外殼中，還設(shè)置有定位元件。在分管型和環(huán)管型燃燒室中，為了點火傳焰和平衡各個燃燒室之間的壓力，還裝設(shè)有聯(lián)焰管，以使各火焰管的燃燒空間能夠彼此溝通。噴油嘴的作用液體燃料是燃氣輪機中常使用的一種燃料。只有當它蒸發(fā)汽化并與空氣適當混合后才能進行燃燒。為了形成適宜燃燒的可燃混合氣，通常是采用噴油嘴將燃料噴散成由大量小直徑的油滴所組成的油霧，這一過程稱為霧化過程。霧化后的小油滴，由于總的表面積大為增加，所以能很快吸熱汽化并與空氣形成可燃混合氣。有人曾進行過這樣的計算，如果將1kg輕柴油(其密度ρf＝840kg/m3)作成球狀，其直徑為131mm，表面積則為0.0543m2，假定將這1kg輕柴油霧化為直徑30mm的油滴群，油滴數(shù)可達842×108個，其表面積之和達238m2，即比原來單個球體的表面積增大4390倍，如此大幅度的增加，可使蒸發(fā)汽化大大加快。在燃氣輪機燃燒室中，燃料逗留的時間是極短的，在有的燃燒室中，僅千分之幾秒，要在如此短暫的時間內(nèi)使燃料充分燃燒，加快燃料的蒸發(fā)汽化極為重要，其中的關(guān)鍵問題就是使燃料很好地霧化。1-燃料噴嘴2-蓋板3-外殼4-點火器5-遮熱筒6-火焰管7-環(huán)腔8-燃氣收集器9-混合區(qū)10-混合射流孔11-一次射流孔12-燃燒區(qū)13-過度錐頂14-配氣蓋板15-旋流器圖4-1MS6001系列燃氣輪機上采用的分管型燃燒室的總成圖1-蓋板2-聯(lián)焰管的接口3-一次射流孔4-冷卻孔進氣環(huán)5-火焰管環(huán)套6-混合孔7-膨脹環(huán)8-固定凸肩圖4-2MS601系列燃氣輪機燃燒室上采用的火焰管火焰管的作用燃燒室出口地燃氣溫度受渦輪葉片所能承受的溫度限制，在目前地材料水平下，對霧冷卻渦輪葉片，能承受地渦輪前燃氣溫度為1200K左右；對于采取冷卻措施的渦輪葉片，能承受的渦輪前燃氣溫度可達1600K。對燃燒室出口燃氣溫度的這種限制給燃燒室設(shè)計帶來特殊的問題，當1kg輕柴油完全燃燒時，理論上需要14.6kg空氣，如燃燒室進口空氣溫度為600K，這時產(chǎn)生的燃氣溫度高達2200K以上，這大大超過渦輪葉片允許的溫度。為了保證燃氣不致?lián)p壞渦輪葉片，最可行的辦法是供給更多的空氣來降低出口燃氣溫度，使之不超過允許值。為了達到這一溫度，根據(jù)計算，1kg輕柴油約需50－60kg空氣。可是實踐表明，按這一比例形成的輕柴油－空氣混合氣由于過分貧油(混合氣中所含燃料偏低)卻是根本不能著火和穩(wěn)定燃燒的。因此，上述兩種要求是矛盾的。為了解決這個矛盾，采用了火焰管這一結(jié)構(gòu)，它可以使空氣沿火焰管上所開的孔分股進入火焰管。一小部分空氣(一般約占總空氣量的25％－30％，成為一次空氣)經(jīng)旋流器和火焰管前部的兩排小孔及一排射流孔(成為主燃孔)進入火焰管。一次空氣與燃料混合燃燒后，可達到很高的燃燒溫度(1800－1900K)。由于溫度高。燃燒化學(xué)反應(yīng)進行得很激烈，使燃燒過程在火焰管頭部附近得燃燒區(qū)內(nèi)基本完成。另外大部分空氣沿火焰管后段得射流孔進入火焰管，并與高溫燃氣摻混，以降低它的溫度，使之適合渦輪所要求的進口溫度，這些射流孔成為摻混孔，在圖4-3中有兩排摻混孔。由摻混孔進入的空氣，通常成為二次空氣。在有些燃氣輪機燃燒室中，在主燃孔和摻混孔之間還有1-2排補燃孔，以引入補充燃燒所需空氣。由于火焰管長期在高溫下工作，因此，如無可靠的冷卻保護措施，火焰管很快就要損壞。目前冷卻保護火焰管的方法主要是沿火焰管壁面開小孔(如圖4-3所示)或作出縫隙，使冷卻空氣沿火焰管內(nèi)壁流過時形成冷卻保護氣膜。例如在圖4-3中，沿火焰管筒身就設(shè)有六道冷卻氣膜。另外，在火焰管外壁流過的空氣也對火焰管起一些冷卻作用。1-外殼2-內(nèi)殼3-火焰管4-擴壓器5-旋流器6-噴油嘴7-點火器圖4-3燃氣輪機環(huán)管型燃燒室簡圖擴壓器的作用為了減少燃氣輪機的尺寸，氣體流過燃氣輪機各個部件的流速就不能過低，例如一般運輸式燃氣輪機壓氣機出口的氣流速度可達50-100m/s，如果將這樣高速的氣流直接引入火焰管，火焰將被吹熄，而且流動損失很大。因此，要在燃燒室進口設(shè)置降低氣流速度的擴壓器，通常要求擴壓器出口的氣流速度降低到40m/s以下。頭部進氣裝置的作用由于擴壓器的尺寸受到一定的限制，因此，擴壓器出口的氣流速度仍相當高，例如可達40m/s左右。在這樣高的流速下，火焰將被吹熄，即出現(xiàn)所謂火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象。解決這個問題的措施是，在火焰管頭設(shè)置穩(wěn)定火焰的頭部進氣裝置，通常采用葉片式旋流器，如圖4-4所示。由于旋流器葉柵的導(dǎo)向作用，氣流在旋流器出口產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)射流運動。當射流沿火焰管頭部流動時，邊旋轉(zhuǎn)、邊擴張的射流內(nèi)自由表面由于氣體的粘性，把火焰管頭部中心的氣體帶走。在氣流旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力作用下，造成這一區(qū)域壓力的下降，這樣就促使火焰管后段的一部分高溫燃氣回流到這一區(qū)域，而形成一回流區(qū)，由于回流區(qū)的存在，在火焰管頭部附近由一氣流低速區(qū)(見圖4-5所示的火焰管內(nèi)氣流軸向速度分布)；高溫燃氣回流還有利于噴入火焰管內(nèi)的燃料迅速蒸發(fā)汽化，并起點火的作用，這些就為穩(wěn)定火焰創(chuàng)造了必要的條件。圖4-4葉片旋流器圖4-5帶葉片式旋流器的火焰管內(nèi)氣流軸向速度分布起動點火器的作用在燃氣輪機起動時，必須依靠外來點火源點燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣。為此，在燃燒室中設(shè)有起動點火器。當燃燒室內(nèi)可燃混合氣被點燃后就可依靠火焰管內(nèi)回流的高溫燃氣作為點火源，不再需要外來點火源。燃燒室在結(jié)構(gòu)上的其它特點圖4-6蝌蚪形熱膨脹槽示意圖在火焰管前端進行著激烈的燃燒過程，在其后段則進行燃氣的摻混降溫過程，加上火焰管上又開有各種射流孔，因此，整個火焰管的壁溫很不均勻。火焰管是由若干薄鈑沖壓件焊接而成，這些焊接件之間由于溫度不同，故熱膨脹不同，為此必須考慮熱膨脹補償問題，最常見的就是采用蝌蚪形熱膨脹槽，如圖4-6所示。圖4-6蝌蚪形熱膨脹槽示意圖燃燒室外殼與火焰管不僅溫度不同，而且材料也不一樣，因此熱膨脹不相同。為保證火焰管能在外殼內(nèi)自由膨脹，必須采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。在圖4-3所示的燃燒室中，在火焰管頭部裝有定位銷，并以此作為火焰管相對于外殼膨脹時的死點(軸向定位點)，火焰管的徑向和周向的定位則依靠噴油嘴。在噴油嘴和旋流器內(nèi)環(huán)之間有一定的間隙，以保證火焰管熱膨脹的需要。火焰管的尾部用定位環(huán)支承于外殼與內(nèi)殼，并保持一定的間隙，以保證火焰管能沿軸向向后膨脹。通過以上典型燃燒室實例的介紹，可以看出燃氣輪機燃燒室具有以下幾個特點：由于燃燒室進口氣流速度較高，在如此高速下組織燃燒，無論從穩(wěn)定火焰或降低壓力損失方面考慮，都要采取專門措施，如設(shè)置擴壓器、火焰管頭部進氣裝置等。利用火焰管開孔規(guī)律來控制氣流分配，其中一部分空氣(一次空氣)主要是參加燃料的燃燒，另一部分空氣(二次空氣)主要是與高溫燃燒產(chǎn)物摻混，以降低燃燒室出口的燃氣溫度，這樣才能滿足燃燒與渦輪要求的進口溫度。必須組織一部分空氣冷卻火焰管壁面。對液體燃料，必須用噴油嘴將它霧化，以加速其蒸發(fā)汽化，從而迅速形成與空氣混合的可燃混合氣。在燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要仔細考慮熱膨脹問題。從以上介紹可知：從結(jié)構(gòu)上看，燃燒室并不太復(fù)雜，但從其工作過程來看，卻又遠比燃氣輪機其它部件復(fù)雜。它涉及氣體流動、傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)等一系列復(fù)雜過程。即使從氣體流動過程來講，也是很復(fù)雜的，它是一個帶有旋流與回流的三元湍流流動，在流動中還進行著激烈的化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)與湍流之間又存在著至今尚未完全弄清楚的相互影響問題。從傳熱過程來講，它包括熱傳導(dǎo)、對流換熱以及輻射換熱，也極為復(fù)雜。在化學(xué)反應(yīng)方面，對碳氫燃料的燃燒機理至今尚未被化學(xué)家完全弄清楚。由于燃燒過程的復(fù)雜性，人們對燃燒理論的掌握遠遠落后于燃燒技術(shù)的需要，在目前，它基本上還是一門以實驗為主體的學(xué)科。燃燒室主要是通過大量實驗調(diào)整而最后定型的，它還不能較多的依靠理論計算方法設(shè)計。近年來，燃燒理論和計算流體力學(xué)有很大發(fā)展，加上廣泛應(yīng)用了電子計算機，使燃燒室性能的計算預(yù)估方法取得可喜的進展，主要依靠計算而不需要大量調(diào)試就能解決燃燒室設(shè)計問題的前景已經(jīng)出現(xiàn)，這是我們應(yīng)該密切注意的。燃氣輪機對燃燒室的要求燃燒室的工作情況，直接影響燃氣輪機的工作性能。例如燃燒組織不良，就會增大燃氣輪機的單位耗油率和造成排氣對大氣的污染，甚至損傷渦輪葉片。為此，對燃氣輪機燃燒室需提出以下要求。燃燒完全要求送入燃燒室的燃料盡可能在燃燒室內(nèi)燃盡，盡可能把燃料中的化學(xué)能釋放出來轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤约訜峁べ|(zhì)，但是百分之百的完全燃燒(特別是在非設(shè)計工況下)是難以達到的，因此，只能要求在主要工況達到高的燃燒完全程度。常用燃燒系數(shù)ξB(又稱釋熱系數(shù))來衡量燃燒完全程度，即燃料在燃燒室中燃燒時的實際釋放熱量Qf與燃料完全燃燒時的釋放量Q0之比，即(4-1)式中Q0可根據(jù)燃料消耗量qmf(單位為kg/s)及燃料低位熱值Hu，即每公斤燃料完全燃燒時所釋放的熱量(單位位kJ/kg燃料)求出，即(4-2)由于燃燒不完全，，Qf可以由燃氣成分算出。實際上常采用燃燒效率ηB作為衡量燃燒完全程度的指標，它的定義是：燃料實際用于加熱工質(zhì)的熱量(即用于增加燃燒室進、出口氣體總焓的熱量)Qf′與Q0之比。由于存在散熱損失，Qf′<Qf，故ηB低于ξB，但差別很小，在實用上毋需嚴格區(qū)分。由于ηB直接影響燃氣輪機的耗油率，所以總是力求提高它，目前燃氣輪機的ηB可達0.95~0.99。起動點火性能好要求點火可靠，這是把燃燒室點燃，使燃氣輪機迅速起動的必要條件。燃燒穩(wěn)定點火以后的穩(wěn)定燃燒是保證燃氣輪機可靠工作的關(guān)鍵，故要求燃燒室在燃氣輪機一切工況下均能穩(wěn)定燃燒，不發(fā)生熄火及火焰脈動現(xiàn)象。壓力損失小氣流在燃燒室內(nèi)流動與燃燒升溫過程都會產(chǎn)生壓力損失，壓力損失使渦輪進口總壓降低，因而降低了燃氣輪機發(fā)出的功率和增加燃料消耗量。因此，應(yīng)力求降低燃燒室的壓力損失。通常采用燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)σB來表示總壓損失，其定義為：(4-3)式中與分別表示燃燒室進口和出口的總壓。顯然σB越高說明燃燒室壓力損失越小，目前的燃燒室σB一般可達0.92~0.97。燃燒室出口溫度場應(yīng)符合要求這一要求對于保證渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片的安全工作和壽命極為重要，具體要求為：火焰不得伸出燃燒室(但在起動點火過程中，短時間伸出是允許的)。對燃燒室出口溫度場的不均勻程度應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，通常采用以下指標表示溫度場的不均勻程度：不均勻系數(shù)(4-4)最大不均勻度(4-5)徑向不均勻度(4-6)式中:tTmax、tTm——分別為燃燒室出口處燃氣的最高及平均溫度，[tTmax]、[tTm]均為℃；tTrmax——燃燒室出口處沿半徑方向的燃氣最高平均，[tTrmax]為℃；tCm——燃燒室進口處空氣的平均溫度，[tCm]為℃。通常要求：At≤0.10；θt≤0.30~0.35；θr≤0.10。1-理想的分布曲線2-實際的分布曲線圖4-7燃燒室出口處按周向平均的燃氣溫度沿葉高分布為了充分利用渦輪葉片材料的潛力，沿葉高(即徑向)的燃起溫度分布應(yīng)符合一定要求。渦輪工作葉片葉根承受應(yīng)力最大，因此希望燃起溫度低些；葉尖處散熱條件差，而且作得較薄，強度與剛度都較差，所以也希望燃氣溫度低些；在葉片中部(約2/3~3/4葉高處)燃起溫度允許稍高些，這樣的燃起溫度分布可以充分發(fā)揮葉片材料的潛力。根據(jù)上述原則，可預(yù)先給出一燃燒室出口處沿徑向的燃氣平均總溫理想分布圖(圖4-7)。顯然，要完全地得到所希望地理想值是辦不到地，因此，通常是在設(shè)計任務(wù)書上規(guī)定處允許地偏差，并用最大溫度偏差系數(shù)D1-理想的分布曲線2-實際的分布曲線圖4-7燃燒室出口處按周向平均的燃氣溫度沿葉高分布(4-7)式中:tTr——在某一半徑上實際的按周向平均的燃起溫度，[tTr]為℃；tTr′——在該半徑上的理想燃氣溫度，[tTr′]為℃。通常要求Dmax<10%。對裝有多個燃燒室的燃氣輪機，還應(yīng)力爭各燃燒室出口的燃氣平均溫度偏差小于15~20℃。尺寸緊湊為了減輕燃氣輪機的重量和減小其尺寸，這就要求減小燃燒室的尺寸。對運輸式燃氣輪機，減小燃燒室外徑將有利于燃氣輪機在機艙里的布置?？s短燃燒室的長度有利于縮短壓氣機與渦輪之間的距離，從而可減輕機匣和轉(zhuǎn)子的重量，為了燃氣輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得重大好處。但過分減小燃燒室直徑和長度將與燃燒效率和燃燒室出口的燃氣溫度場要求發(fā)生矛盾，故須結(jié)合燃氣輪機總體設(shè)計要求作綜合考慮。所謂燃燒室尺寸緊湊，就意味著要在一定的燃燒空間里或一定的橫截面積下，在單位時間內(nèi)能燒掉較多的燃料。為此常用比容積熱強度qV及比面積熱強度qA來衡量燃燒室空間的利用稱度。它們的定義分別為：(4-8)(4-9)式中qmf——燃料消耗量，[qmf]為kg/s；Vf——火焰管容積，[Vf]為m3；Af——火焰管橫截面積(通常取最大橫截面面積)，[Af]為m2。由于燃燒室中能燃燒的燃料大致與燃燒室工作壓力成正比，為了能比較不同工作壓力的燃燒室設(shè)計緊湊程度，故在qV和qA中都除上了。燃燒室的qV和qA主要與燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、壽命要求、燃料等因素有關(guān)。目前還難于從理論上來計算燃燒室可能達到的qV和qA。各種類型燃燒室的qV和qA統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：固定式燃氣輪機qV=30~200w/(m·N)，qA=35~130W/N，其中下限對應(yīng)于燒重油及低熱值氣體燃料的圓筒型燃燒室；運輸式燃氣輪機qV=100~300w/(m·N)，qA=110~240W/N。排氣污染少為了保護環(huán)境，必須嚴格控制燃燒室排氣中的污染物數(shù)量。這些污染物主要是由NO、CO、尚未燃燒的碳氫化合物、SO2以及冒煙質(zhì)點(微小碳粒)組成。它們會妨礙動植物正常生長，破壞生態(tài)平衡。人類長期接觸含有這些污染物的空氣，會使呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)受到損害，它們也是致癌原因之一。由于排氣污染對環(huán)境有很大影響，各國對排氣污染正在進行廣泛和深入的研究，許多國家對排氣污染還作了法律上的規(guī)定和限制。我國也正在擬訂燃氣輪機排氣污染物限制量的技術(shù)規(guī)定，頒布后將付諸實施。壽命長在燃氣輪機各主要部件中，燃燒室由于工作條件十分惡劣，就常會出現(xiàn)一些致命的故障(如火焰管變形、產(chǎn)生裂紋、掉塊、過熱等)，因此，延長燃燒室壽命對提高燃氣輪機翻修壽命有重大意義。影響燃燒室壽命的主要因素是火焰管壁溫，所以延長壽命主要從火焰管材料、對火焰管采取冷卻保護措施以及防止嚴重積碳等幾方面入手。各種類型燃氣輪機燃燒室的壽命，由于工作條件的差異有很大差別，運輸式燃氣輪機燃燒室使用壽命為3000~6000h，固定式燃氣輪機由于燃燒室熱強度較低，燃燒室的使用壽命可超過20000h。除上述要求外，還有一些要求也很重要，如工藝性好，便于維修等等。歸納起來，這些要求不外是屬于經(jīng)濟性、可靠性以及使用性能等幾方面的要求。但應(yīng)提出：在這許多要求之間又往往存在著矛盾。例如提高qV就與提高ηB和σB等又矛盾，因此，燃燒室的設(shè)計就是正確處理這些矛盾，即根據(jù)不同用途的燃氣輪機特點，在各項要求中首先著眼于主要要求，抓住主要矛盾，并在此基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)其它各項性能指標，以獲得良好的綜合性能。燃燒室的性能指標一個設(shè)計良好的燃燒室應(yīng)該達到以下一些性能指標，即：①燃燒穩(wěn)定性好，在任何運行工況下都不會發(fā)上熄火或強烈的火焰脈動以及振蕩燃燒現(xiàn)象；②燃燒效率高，通常，在滿負荷工況下要求達到99%左右，怠速工況下不宜低于90%；③燃燒火焰短，不致伸入燃氣透平；④出口溫度場均勻，或者按設(shè)計所要求的溫度場規(guī)律分布；⑤流阻損失小，相對總壓降大約為3%-6%；⑥結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、單位時間內(nèi)能在單位體積的燃燒空間內(nèi)燃盡更多的燃料，燃燒熱強度大約是35-190W/(N·m)；⑦點火性能好；⑧高溫元件冷卻良好，嚴防燒壞或發(fā)生翹曲變形，火焰管的最高壁溫一般不超過800℃、最好能控制在700-750℃；⑨火焰管應(yīng)有數(shù)千到上萬小時的使用壽命；⑩排氣中污染的含量符合環(huán)境保護條例的規(guī)定。一個新設(shè)計的燃燒室必須經(jīng)過大量的試驗調(diào)整，才有可能達到上述性能指標。擴散燃燒型燃燒室的工作過程與結(jié)構(gòu)擴散燃燒型燃燒室的工作過程圖4-1所示的就是一種擴散燃燒型的燃燒室。圖4-3中則給出了與之相配的噴油嘴的結(jié)構(gòu)圖。從圖4-1中可以看出：由壓氣機送來的壓縮空氣，在逆流進入遮熱筒與火焰管之間的環(huán)腔7時，因受火焰管結(jié)構(gòu)形狀的制約，將分流成為幾個部分，逐漸流入火焰管，以適應(yīng)空氣流量與燃料流量的比值總是要比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大很多的特點。其中的一部分空氣稱為“一次空氣”，它分別由旋流器15、端部配器蓋板14、過渡椎頂13上的切向孔，以及開在火焰管前段的三排一次射流孔11，進到火焰管前端的燃燒區(qū)12中去。在那兒，它與由燃燒噴嘴1噴射出來的液體燃料或天然氣，進行混合和燃燒，轉(zhuǎn)化成為1500-2000℃的高溫燃氣。這部分空氣大約占進入燃燒室的總空氣量的25%；另一部分空氣稱為“冷卻空氣”，它通過許多排開在火焰管壁面上的冷卻射流孔，逐漸進入火焰管的內(nèi)壁部位，并沿著內(nèi)壁的表面流動。這股空氣可以在火焰管的內(nèi)壁附近形成一層溫度較低的冷卻空氣膜，它具有冷卻高溫的火焰管壁、使其免遭火焰燒壞的作用。此外，剩下來的那一部分空氣則稱為“二次空氣”或“摻混空氣”，它是由開在火焰管后段的混合射流孔10，射到由燃燒區(qū)流來的1500-2000℃的高溫燃氣中去的，它具有摻冷高溫燃氣，使其溫度比較均勻地降低到透平前燃氣初溫設(shè)計值的作用。圖4-8所示的是一種雙燃料噴嘴，它既能向燃燒室的火焰管頭部供給天然氣，又能供給液體燃料。為了增強液體燃料的燃燒速度，專門用高壓霧化空氣來幫助液體燃料霧化成為100μm左右的細霧滴。這種細霧滴在進入高溫的燃燒區(qū)后，就會逐漸蒸發(fā)成為氣相燃料，通過擴散和旋流的湍流的混合作用，逐漸與燃燒區(qū)內(nèi)的新鮮空氣摻混，在余氣系數(shù)αf=1的空間范圍內(nèi)起燃，形成一個溫度高達理論燃燒溫度水平的火焰。這種燃料與空氣沒有預(yù)先均勻混合，而是依靠擴散和湍流交換的作用，使她們彼此相互摻混，進而在αf=1的火焰上面上進行燃燒的現(xiàn)象，稱之為“擴散燃燒”。那時，燃燒速度主要取決于燃料與空氣相互擴散和摻混的時間，而不是取決與它們的化學(xué)反應(yīng)所需要的時間。這種燃燒現(xiàn)象的一大特點是，火焰面上的αf=1，其溫度甚高，通常為理論燃燒溫度(它總是高于空氣中的N2與O2起化學(xué)反應(yīng)而生成NOx時的起始溫度1650℃)。因而按這種方式組織的燃燒過程必然會產(chǎn)生數(shù)量較多的“熱NOx”污染物。為解決這類燃燒過程中NOx排放量超過環(huán)保要求問題，可采取三種措施，即：①在高負荷條件下，向擴散燃燒的燃燒室中噴射一定數(shù)量的水或水蒸氣，借以降低燃燒火焰的溫度；②在余熱鍋爐中安裝所謂的選擇性催化還原反應(yīng)器(SCR)；③采用催化燃燒法。1-霧化空氣進口2-噴嘴本體3-天然氣進口4-噴嘴的頂蓋與空氣旋流器5-天然氣噴口6-液體燃料噴嘴的組合件7-霧化空氣切向槽圖4-8MS6001系列燃氣輪機上采用的分管型燃燒室的噴油嘴dCnox為NOx的濃度圖4-9火焰溫度Tf以及dCnox/dτ與燃料/空氣混合化學(xué)當量的關(guān)系眾所周知：燃燒過程中產(chǎn)生的NOx有燃料NOx和熱NOx之分。前者取決于燃料中所含的氮化合物的數(shù)量，燃燒過程中無法控制它的生成。熱NOx則是在燃燒過程的高溫條件下，環(huán)境中所含的N2氣與O2dCnox為NOx的濃度圖4-9火焰溫度Tf以及dCnox/dτ與燃料/空氣混合化學(xué)當量的關(guān)系由上圖可知：NOx的最高生成率發(fā)生在燃燒/空氣混合化學(xué)當量比等于1的地方，那時，燃燒火焰的溫度Tf為最高。因而，倘若能使燃料與較多的空氣相混合，即：在比較稀釋的燃料濃度下進行低溫的燃燒，那么，就能減少NOx排放物的生成。當然，向燃燒火焰區(qū)噴散水或水蒸氣，以迫使降低燃燒火焰的溫度，同樣能夠起到抑制生成NOx的作用。但是，對于采用單個燃料噴嘴的燃燒室來說，借用噴水或噴蒸汽的方法很難使燃燒天然氣時NOx的排放量降低到小于42×10-6(體積分數(shù)，下同)的水平(燒油時為70×10-6)。那時，噴水量大約是燃料消耗量的50%~70%，水質(zhì)還必須經(jīng)過預(yù)先處理，嚴防Na、K鹽的混入，否則會導(dǎo)致燃氣透平葉片的腐蝕。這種方法不僅會增大水處理設(shè)備的投資和運行費用的消耗，還會使機組的熱效率下降1.8%-2.0%左右；燃燒室的檢修間隔和使用壽命也都會縮短。但是它卻能使機組的功率增大3%左右。因而自80年代以后，這個方法已在燃氣輪機中普遍使用。雖然其運行維護費用較高，但方法簡便，NOx的排放量暫且能夠滿足指標不是很高的法定標準。SCR法是在催化劑的作用下向燃燒產(chǎn)物噴散氨水，使與燃燒產(chǎn)物中的NO和NO2反應(yīng)成為N2+NO2，即：4NO+4NH3+O24N2+6H2O；6NO2+8NH37N2+12H2O催化反應(yīng)器的尺寸很大，它被布設(shè)在余熱鍋爐中溫度介于290-400℃的區(qū)段。由于催化反應(yīng)的溫度限定得很嚴，因而只能在負荷工況比較穩(wěn)定的機組中使用。特別是不能在變轉(zhuǎn)速、負荷變化較大的機組(如驅(qū)動天然氣壓縮機的燃氣輪機)中使用。它可以使因擴散燃燒火焰而產(chǎn)生的200~500×10-6含量(體積分數(shù))的NOx脫除90%。但是，其投資費用卻很高，大約是燃氣輪機價格的20%；催化反應(yīng)器的壽命僅4-8年；而且不能燃用含硫量高于1000×10-6(質(zhì)量分數(shù))的燃料，否則催化劑會中毒而失效。因而SCR法使用得還不甚普遍。催化燃燒法是想在燃燒室中布設(shè)催化反應(yīng)床，借以燃燒非常稀釋的燃料/空氣的混合物，它能使NOx的排放量降得非常低。但是，目前催化床和催化劑都尚未過關(guān)，正在開發(fā)之中。短期內(nèi)尚無使用價值?？傊?，在90年代之前燃氣輪機燃燒室主要是按照擴散燃燒的原理進行設(shè)計的。為了實現(xiàn)本章第2節(jié)中提出的一系列性能指標，人們大體上采取以下一些措施，即：合理地選擇燃燒區(qū)內(nèi)的一次空氣流量，確保在怠速工況下燃燒區(qū)內(nèi)的平均溫度不低于900℃，否則需要考慮一次空氣量可以調(diào)節(jié)的配氣機構(gòu)，或者安裝一個燃料供應(yīng)條件不受負荷工況變化的值班噴嘴，以保證整個負荷范圍內(nèi)都能有一個比較高溫的燃燒條件。合理地選擇配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式和火焰管頭部空氣流量的分配關(guān)系，以便在燃燒區(qū)形成一個尺寸適度的回流區(qū)和湍流交換條件，以確?？諝馀c燃料的混合以及燃燒火焰的穩(wěn)定。合理地選擇噴油嘴結(jié)構(gòu)，保證在低負荷工況下液體燃料仍能具有良好的霧化特性，并能在燃燒區(qū)形成合理的燃燒濃度場。對于氣體燃料來說。則應(yīng)控制噴射壓差，以防把燃料噴射到火焰管壁附近的冷卻空氣層中去而無法起燃。噴射壓力過低時。則易發(fā)生振蕩燃燒。為了縮短燃燒火焰，經(jīng)常需要采用多個噴油嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上消除火焰管外二次流道內(nèi)可能產(chǎn)生的氣流的不規(guī)則流動，這是保證火焰管內(nèi)流場對稱性的前提。否則，燃燒火焰不易穩(wěn)定，燃氣出口溫度場不能均勻。合理地選擇火焰管的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻氣流的速度，并配之以合適的耐熱合金材料和涂層，以確?；鹧婀鼙诓恢劣谶^熱、變形和燒壞。合理地選擇摻混空氣量和混合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式與布局關(guān)系，以確保燃燒室的出口溫度場指標達到設(shè)計標準。合理地選擇點火器的結(jié)構(gòu)型式與布置位置，防止其積碳、過熱或燒壞，以確保燃燒室點火的可靠性。充分考慮燃燒室結(jié)構(gòu)元件的膨脹特性，避免應(yīng)力集中，力求不使燃燒室承受或傳遞機組的作用力?？紤]燃燒室拆裝、檢查和更換的方便性。燃氣輪機燃燒室的類型從總體結(jié)構(gòu)方案來看，燃氣輪機燃燒室可分為：圓筒型、分管型、環(huán)管型以及環(huán)形等四種。從燃燒室進出口氣流流動方向的變化，燃燒室又可分為順流式和逆流式。圓筒式燃燒室1-外殼1-外殼2-火焰管3-噴油嘴圖4-10R700-1型燃氣輪機燃燒室圓筒型燃燒室的主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、便于維修、使用壽命長。其缺點是：空間利用率差、比容積熱強度較低、因此，不適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的機組。這種燃燒室在調(diào)試時所需風源較大，這也是一個缺點。圓筒型燃燒室廣泛應(yīng)用于小功率燃氣輪機及部分中等功率燃氣輪機，在大功率燃氣輪機中僅少數(shù)機組采用。圖4-10為R700-1型1000kW燃氣輪機所使用的圓筒型燃燒室。此燃燒室為逆流式，空氣自下往上流入燃燒室，然后經(jīng)旋流器、射流孔、氣膜孔、等流入火焰管，空氣與燃料混合燃燒后產(chǎn)生的燃氣(約700℃)，向下流入渦輪進氣渦殼?；鹧婀苡?Cr18Ni9Ti耐熱鋼制成，其錐頂為雙層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)層設(shè)有兩道冷卻氣膜。火焰管筒身部分為雙層多孔壁結(jié)構(gòu)，外層開有520個直徑為5mm的小孔，內(nèi)層則開有1942個直徑為5mm的小孔，由外層孔控制冷卻空氣量，在內(nèi)層孔出口處則形成保護火焰管的冷卻氣膜。分管型燃燒室分管型燃燒室的特點是：在一臺燃氣輪機中設(shè)置若干分開的小燃燒室，燃燒室的數(shù)目通常為8~12個，個燃燒室圍繞燃氣輪機軸線均勻布置。每一燃燒室都有單獨的外殼、火焰管以及噴油嘴而自體系，但點火器僅安裝在個別燃燒室(通常為2個)。燃氣輪機起動時，先將帶有點火器的燃燒室點燃，然后依靠燃燒室之間的聯(lián)焰管點燃其他燃燒室。圖4-11給出了分管型燃燒室的示意圖。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管4-外殼5-聯(lián)焰管圖4-11分管型燃燒室示意圖分管型燃燒室由于是在一給尺寸較小的管形燃燒室內(nèi)進行燃燒，故較易組織良好的燃燒過程，且調(diào)試時所消耗的人力和物力都較少，由于它比較容易從燃氣輪機上拆卸，故對檢修很有利。但分管型燃燒室構(gòu)造較復(fù)雜，空間利用率不高，重量較重，需冷卻保護的火焰管表面相對地較多，起動點火時火焰管間傳焰性能差，出口溫度沿周向不均勻度大，燃燒室與直流布置地壓氣機和渦輪流路不適應(yīng)，故需采用型線復(fù)雜地管道過渡且壓力損失較大。由于上述缺點，目前已較少采用這種燃燒室。圖4-12為PG5301型20000kW工業(yè)型燃氣輪機所使用地逆流式分管型燃燒室。該機組共有10個這樣地燃燒室。燃燒室出口燃氣溫度為900~935℃，燃燒室能燃用氣體及液體燃料，故采用氣-液雙重燃料噴嘴。一次空氣由旋流器及火焰管前段兩排射流孔流入，二次空氣由火焰管后段四只大孔流入?；鹧婀苡面嚮辖疴k材焊成。在火焰管錐頂和筒身均開有密布地魚鱗孔，使冷卻空氣流入時形成冷卻氣膜。燃燒室地點火器能在燃氣輪機起動點火時伸入火焰管以改善點火條件，但機組起動點燃后，在壓力差地作用下自動退出。火焰管頭部支承于燃料噴嘴并被定心，火焰管尾部焊有彈性環(huán)片并將它插入燃氣導(dǎo)管，對火焰管出口端定位。在火焰管頭部焊有三個徑向插座，通過安裝于外殼地插腳，使火焰管相對于外殼作軸向和周向定位。1-燃料噴嘴2-旋流器3-點火器4-外殼5-火焰管6-燃氣導(dǎo)管7-聯(lián)焰管8-徑向插座9-錐頂圖4-12PG5301型燃氣輪機燃燒室環(huán)形燃燒室環(huán)形燃燒室地結(jié)構(gòu)特點是在由燃燒室內(nèi)、外殼體所形成的環(huán)形腔內(nèi)，安裝一由火焰管內(nèi)、外環(huán)所構(gòu)成的火焰管，如圖4-13所示。在環(huán)形火焰管頭部沿周向均勻布置若干旋流器(通常為12~20個)。由于燃燒過程在整個火焰管環(huán)形空間內(nèi)進行，空間利用比較充分，因此燃燒室的尺寸很緊湊，需要冷卻保護的火焰管面積也較少，故能較好地滿足近代燃氣輪機燃燒室要求地溫升大、比容積熱強度高地特點。環(huán)型燃燒室能與直流布置的軸流式壓氣機和渦輪獲得最佳的流路配合。因此，管道型線和結(jié)構(gòu)都較為簡單，壓力損失也小。由于不再需要聯(lián)焰管傳焰，因此，不存在起動點火使的傳焰問題。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管外環(huán)4-燃燒室外殼5-火焰管內(nèi)環(huán)6-燃燒室內(nèi)殼圖4-13環(huán)型燃燒室示意圖它的主要缺點是：調(diào)試時消耗空氣量大、油氣匹配難度大、組織燃燒較難；由于對進口流場比較敏感，故不易獲得穩(wěn)定的出口流場；環(huán)形火焰管由于剛性差，在高溫下易發(fā)生變形；另外從檢修方面看，這種燃燒室的拆卸是比較困難的。環(huán)形燃燒室由于優(yōu)點很突出，所以廣泛應(yīng)用于航空燃氣輪機，在工業(yè)燃氣輪機中也有擴大應(yīng)用的趨勢。1-擴壓器2-噴油嘴3-旋流器4-點火器5-火焰管頭部6-外殼7-火焰管外環(huán)8-火焰管內(nèi)環(huán)9-內(nèi)殼10-導(dǎo)流管圖4-14LM2500型船用燃氣輪機燃燒室圖4-14為LM2500型18400kW(25000馬力)船用燃氣輪機所使用的環(huán)形燃燒室。此機組由航空燃氣輪機改型而來。在燃燒室上裝有30個雙油路離心式噴油嘴，每易噴油嘴都配有相應(yīng)的旋流器。火焰管由導(dǎo)流器、頭部、外環(huán)、內(nèi)環(huán)四部分鉚接而成，其材料為鎳基合金。燃燒室殼體由外殼和內(nèi)殼組成。燃燒室出口燃起溫度為1149℃。一次空氣由旋流器及火焰管內(nèi)、外環(huán)上的兩排孔流入，二次空氣由火焰管外環(huán)上的一排孔及內(nèi)環(huán)上的兩排孔流入?；鹧婀茴^部設(shè)有三道冷卻氣膜，內(nèi)、外環(huán)上則各設(shè)有10道冷卻氣膜，冷卻結(jié)構(gòu)采用鉆孔式。點火器為高能半導(dǎo)體電嘴?；鹧婀茉趯?dǎo)流器處以10根均布的徑向銷釘支承與定位于外殼上，火焰管尾部則通過內(nèi)、外安裝環(huán)插入渦輪導(dǎo)向器，它可以允許火焰管作軸向及徑向膨脹。環(huán)管型燃燒室這種燃燒室的殼體與環(huán)形燃燒室相同，但在由內(nèi)、外殼體所形成的環(huán)形腔內(nèi)，沿周向均勻布置若干管形火焰管(通常為8~12個)，各火焰管之間為了點火傳焰也以聯(lián)焰管相通。由圖4-15可以看出，這種燃燒室在結(jié)構(gòu)上是介于前述兩種燃燒室之間，其優(yōu)、缺點也介于兩者之間。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管4-外殼5-內(nèi)殼6-聯(lián)焰管圖4-15環(huán)管型燃燒室示意圖環(huán)管型燃燒室吸取了分管型燃燒室的優(yōu)點，燃燒過程在尺寸較小的火焰管內(nèi)進行，油氣匹配較好，這對組織燃燒有利。在調(diào)試燃燒室時，可在由1~3個火焰管組成的扇形段中進行，由于所需空氣量少，有利于調(diào)試工作。在空間利用方面，它吸取了環(huán)形燃燒室的優(yōu)點，故尺寸比較緊湊。它的主要缺點是燃燒室進口段流動比較復(fù)雜，故擴壓器設(shè)計困難，同時它也存在傳焰問題，但情況比分管型燃燒室為好。在航空燃氣輪機及其改裝工業(yè)型機組常采用順流式環(huán)管型燃燒室，在工業(yè)型燃氣輪機中，為了縮短機組長度，常采用逆流式環(huán)管型燃燒室。不同類型燃燒室的比較圓筒型燃燒室的最大優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；機組的全部空氣流過一個或兩個燃燒室，能適應(yīng)固定式燃氣輪機的結(jié)構(gòu)特點，便于與壓氣機和透平配裝；裝拆容易。由于燃燒室的尺寸比較大，因而在流阻損失較小的前提下，比較容易取得燃燒效率高、燃燒穩(wěn)定性好的效果。其缺點是：燃燒熱強度低；笨重，金屬消耗量大；而且難于作全尺寸燃燒室的全參數(shù)試驗，致使設(shè)計和調(diào)試比較困難。分管型燃燒室的優(yōu)點是：燃燒空間中空氣的流動模型與燃料炬容易配合，燃燒性能較易組織，便于解體檢修和維護。由于流經(jīng)燃燒室的空氣流量只是整個機組進氣總量的1/n(n為該機組中分管型燃燒室的個數(shù))，因而燃燒室便于在試驗臺上作全尺寸和全參數(shù)的試驗，試驗結(jié)果可靠而且節(jié)省費用。它的缺點是：空間利用程度差、流阻損失大，需要用聯(lián)焰管傳焰點火，制造工藝要求高。環(huán)型燃燒室具有體積小、重量輕，流阻損失小，聯(lián)焰方便、排氣冒煙少，火焰管的受熱面積小，發(fā)展?jié)摿Υ蟮纫幌盗袃?yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)形式。它特別適宜與軸流式壓氣機匹配。但是由于燃燒空間彼此溝通，氣流與燃料炬不容易組織，燃燒性能較難控制，燃氣出口溫度場受進氣流場的影響較大而不易保持穩(wěn)定，同時，由于需要用機組的整個進氣量作燃燒試驗，試驗周期長而耗費大，加上結(jié)構(gòu)的剛性差，在機組上又不便于解體檢查，致使這種燃燒室曾長期未獲廣泛使用，但目前正在迅速發(fā)展之中。環(huán)管型燃燒室是一種介于環(huán)型和分管型燃燒室之間的過渡性結(jié)構(gòu)型式。它兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點，但卻繼承了重量較大，火焰管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要用聯(lián)焰管點火，制造工藝要求高等缺點。它適宜與軸流式壓氣機配合工作，能夠充分利用由壓氣機流來的氣流之動能。在目前應(yīng)用得還相當廣泛。由于人們對擴散燃燒型燃燒室比較熟悉，本章就不擬贅述了。讀者若有興趣，可以參考“燃氣輪機燃燒室”一書。干式低污染燃燒室(DLN)的設(shè)計原理隨著環(huán)境污染情況的日益嚴重，人們要求發(fā)展一種不噴水(或蒸汽)的干式低污染(主要是NOx和CO)的燃燒室以敷使用，這已成為工業(yè)型燃氣輪機發(fā)展的一個新的準則。經(jīng)過大量的試驗研究，目前人們已經(jīng)能使燒天然氣的干式低污染燃燒室(DLN)的NOx排放量。降低到25×10-6(體積分數(shù))，并有可能在近期內(nèi)降低到(5-9)×10-6(體積分數(shù))的水平。如前所述：在燃燒過程中若能使燃燒火焰面上的反應(yīng)溫度始終低于生成NOx的起始溫度1650℃，那么，燃燒產(chǎn)物中的NOx必然是很低的。但是，擴散燃燒方式的火焰面溫度總是與αf=1相當?shù)睦碚撊紵郎囟?，它不因燃料與空氣的總摻混比的濃或烯而異，因而NOx的生成有所抑制，但畢竟不能完全解決問題，甚至會帶來一些副作用。為此，需要探索在燃燒過程中能夠控制火焰面的溫度，從而抑制生成NOx的新途徑。這就是摒棄常規(guī)燃燒中的擴散燃燒方式，而改用均相預(yù)混方式的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒āＫ^均相預(yù)混方式的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒ň褪侵福喊讶剂险羝?或天然氣)與氧化劑(空氣)預(yù)先混合成為均相的、稀釋的可燃混合物，然后使之以湍流火焰?zhèn)鞑サ姆绞酵ㄟ^火焰面進行燃燒，那時，火焰面的燃燒溫度與燃料和空氣實時摻混比的數(shù)值相對應(yīng)(不再只是αf=1的理論燃燒溫度了)。通過對燃料與空氣實時摻混比的控制，使火焰面的溫度永遠低于1650℃，這樣就能控制“熱NOx”生成。但是，均相預(yù)混可燃混合物的可燃極限范圍是比較狹窄的，而且在低溫條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低，CO的排放量就會增大。因而為了防止燃燒室熄火，并適應(yīng)燃氣輪機負荷變化范圍很廣的特點，設(shè)計干式低污染燃燒室時，還得采取以下一些措施，即：合理地選擇均相預(yù)混可燃混合物的實時摻混比和火焰溫度。如Lefebvre教授建議的那樣：對于天然氣來說，按火焰溫度為1700-1800K這個標準來選擇燃料/空氣的混合比是比較合適的。這樣才有可能使燃燒室的NOx和CO的排放量都比較低，如圖4-16所示。圖4-16燃燒火焰溫度對NOx和CO排放量的影響關(guān)系適當增大燃燒室的直徑或長度，以適應(yīng)火焰溫度較低時，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低的特點。必要時在低負荷工況下(包括起動點火工況)仍然保留一小股擴散燃燒火焰，以防燃燒室熄火，并使?jié)M足燃氣輪機燃燒室負荷變化范圍很寬的要求。合理地控制均相預(yù)混可燃混合物從調(diào)節(jié)閥門噴口到燃燒區(qū)之間的輸運時間(即可燃混合物的噴射壓比)，不使與燃燒室火焰管的共振周期重合，以防燃燒室發(fā)生振蕩燃燒現(xiàn)象。采用分級燃燒方式以擴大負荷的變化范圍。目前，分級燃燒又有串聯(lián)式分級燃燒和并聯(lián)式分級燃燒兩大類，如圖4-17所示。a)串聯(lián)式b)并聯(lián)式圖4-17串聯(lián)式和并聯(lián)式分級燃燒之示意圖如圖4-17a所示，在串聯(lián)式的分級燃燒室中設(shè)置2-3個彼此串聯(lián)的燃燒區(qū)，每個燃燒區(qū)中都分別供給一定數(shù)量的空氣和燃料。不論機組的負荷量如何變化，流經(jīng)每個燃燒區(qū)的空氣量幾乎是恒定的，但供入各燃燒區(qū)的燃料量卻是根據(jù)機組負荷量的變化而不斷改變的。通常，在機組的起動和低負荷工況下，只向第一級燃燒區(qū)供給燃料，一般，它仍然維持擴散燃燒火焰狀態(tài)，這樣就能保證低負荷工況下燃燒火焰的穩(wěn)定性。隨著負荷的增高，逐漸向第2級和第3級燃燒區(qū)供應(yīng)燃料。那時，第1級燃燒區(qū)將維持恒溫運行狀態(tài)，第2級和第3級燃燒區(qū)內(nèi)則將維持變溫度的均相預(yù)混可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ト紵绞?。在這類燃燒室中各級燃燒區(qū)內(nèi)燃燒溫度的變化關(guān)系(也就是燃料供應(yīng)量的變化關(guān)系)如圖4-18所示。圖4-18典型的三級串聯(lián)的分級燃燒室中燃燒區(qū)內(nèi)燃燒溫度的變化關(guān)系由于在串聯(lián)式的分級燃燒室中，所有級的燃燒過程都是一級緊隨著前一級的燃燒區(qū)進行的，因而每一級內(nèi)的可燃物質(zhì)都能獲得充分的預(yù)熱，這樣就能改善均相預(yù)混可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣群拓氂拖ɑ饦O限(即：降低第2和第3級燃燒區(qū)內(nèi)可燃混合物的貧油熄火溫度，如圖4-18所示)。顯然，這種燃燒方式可以提高低負荷工況下一級燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度，并使氣流的速度減小，有利于改善這些工況下CO的燃盡程度和燃燒火焰的穩(wěn)定性。當然，在高負荷工況下由于把均相預(yù)混可燃混合物的燃燒溫度控制在1800K以下，就能達到控制NOx排放量的目的。如圖4-17b所示，在并聯(lián)式的分級燃燒室中可以設(shè)置許許多多個彼此并聯(lián)的燃燒區(qū)，每個燃燒區(qū)中也都分別供給一定數(shù)量的空氣和燃料。它們的燃燒過程都是按均相預(yù)混可燃氣體的火焰?zhèn)鞑シ绞竭M行組織的；燃燒溫度也被限定在1800K以下。因而能夠控制高負荷工況下NOx的排放量。顯然，并聯(lián)燃燒區(qū)的數(shù)目越多，該燃燒室的負荷可調(diào)范圍就越廣。在低負荷工況下，由于只有部分數(shù)量的并聯(lián)燃燒區(qū)仍在貧油熄火溫度以上的高溫(1800K左右)條件下運行，因而燃燒火焰的穩(wěn)定性和CO的燃盡程度都能得到保證。當然，其熄火特性要比串聯(lián)式分級燃燒者差。相對來說，串聯(lián)式分級燃燒室要比并聯(lián)式者長。為了進一步擴大燃燒室的負荷可調(diào)范圍，還可以利用壓氣機入口的可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉或在燃燒室的旋流器前設(shè)置配氣閥門，來調(diào)節(jié)進入分級燃燒區(qū)的空氣流量。這些措施都是有效的，但這種變幾何燃燒室的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的。GE、ABB、Siemens公司的燃燒室GE公司設(shè)計的DLN燃燒室圖4－19中給出了GE公司設(shè)計的在MS7001EA機組上使用的干式低NOXr燃燒室的結(jié)構(gòu)示圖。這種燃燒室同樣能在MS9001F和FA機組上使用，只是燃燒室的個數(shù)有所增多而已。1-第2級燃燒區(qū)的燃料噴嘴2-第1級燃燒區(qū)的燃料噴嘴和燃燒室的前端蓋3-帽蓋和中心體組合件4-第1級預(yù)混室5-文透里組合件6-導(dǎo)流襯套7-第2級燃燒區(qū)8-過度段9-壓氣機的排氣機殼10-值班噴燃器的旋流器11-燃燒室外殼圖4-19MS7001EA機組上使用的DLN燃燒室圖4－20中則給出了它的示意圖，以便于分析。由圖可知：它是一種兩級串聯(lián)式的預(yù)混稀釋態(tài)的DLN燃燒室。第1級燃燒區(qū)(或預(yù)混室)是由6個彼此分隔開的燃燒空間組成的，每個燃燒室都裝設(shè)各自的旋流器和第1級燃燒區(qū)的燃燒噴嘴。通過中心體組合件，則裝設(shè)一個第2級燃燒區(qū)的燃燒噴嘴和旋流器。在文丘里組合件之后則是第2級燃燒區(qū)。在第1級和第2級燃燒區(qū)的火焰管壁上卻仍然采用常規(guī)的氣膜冷卻方式。需要用火焰監(jiān)察器對第1級和第2級燃燒區(qū)分別進行監(jiān)察。這種燃燒室既可以燃燒天然氣，也可以燃燒輕質(zhì)液體燃料。1-第2級燃燒區(qū)的燃料噴嘴2-第1級燃燒區(qū)的燃料噴嘴3-外殼4-第1級預(yù)混室5-帽蓋和中心體組合件6-第2級燃燒區(qū)7導(dǎo)流襯套8-摻混區(qū)9-文透里組合件10-前端蓋圖4-20MS7001EA機組上使用的DLN燃燒室的示意圖在燃燒天然氣時，依據(jù)機組負荷工況的不同，這種燃燒室中會有四種不同形態(tài)的燃燒方式，如圖4－21所示，即：(1)從機組的起動點火、加速，一直到攜帶20％負荷的階段。全部燃料量都是供給第1級燃燒區(qū)的。那時將在第1級燃燒區(qū)中形成擴散燃燒火焰。這樣才能保證低負荷工況下燃燒火焰的穩(wěn)定性。(2)從20％負荷到40％負荷階段。70％的燃料量供給第1級燃燒區(qū)，30％燃料量則供向第2級燃燒區(qū)。那時，在第1級燃燒區(qū)中將形成稀釋狀態(tài)的擴散火焰，在第2級燃燒區(qū)中將形成一個以一小股擴散火焰為根基的均相預(yù)混燃燒火焰，因而有利于NOX放量的降低。圖4-21不同工況下DLN燃燒室中燃料量的分配和相應(yīng)的燃燒方式(3)當負荷由40%向100％工況過渡時，燃燒方式有一個瞬間的突變狀態(tài)，首先，100％燃料量將全部供入第2級燃燒區(qū)，在那兒形成一個以一小股擴散火焰為根基的均相預(yù)混燃燒火焰。此后，隨著負荷量的逐漸增高，83％的燃料量將供向第一級燃燒區(qū)，而17％的燃料量則供向第2級燃燒區(qū)。那時，第1級燃燒區(qū)因前一階段的熄火而失去了高溫回流的點火源，因而當重新供入83％的燃料量時，第1級燃燒區(qū)內(nèi)就不會再形成擴散燃燒火焰，它只能使供入的燃料量與通過旋流器供入的空氣，彼此混合成為均相預(yù)混的可燃氣體，供到第2級燃燒區(qū)中去進行燃燒。在這種工況下位于第2級燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒火焰是比較奇特的；那時在第2級燃料噴嘴的中間，利用一股小于2％的燃料量來形成一個作為值班點火源的擴散火焰，借以來保證第2級燃燒區(qū)內(nèi)整個燃燒火焰的穩(wěn)定。這股穩(wěn)定的擴散火焰將點燃由第2級燃料噴嘴和旋流器中噴出，并預(yù)混而成的天然氣與空氣的預(yù)混可燃氣體，使之在擴散火焰之外形成一股以火焰?zhèn)鞑シ绞竭M行燃燒的火焰。由第1級燃燒區(qū)中流出的預(yù)混可燃氣體則被這層燃燒火焰點燃，并借助在文透里組合件之后形成的高溫回流區(qū)得以穩(wěn)定燃燒。顯然，在第2級燃燒區(qū)內(nèi)極大部分燃料都是在比較稀釋的狀態(tài)下，以預(yù)混的火焰?zhèn)鞑シ绞竭M行燃燒的，因而它能達到在高負荷工況下控制NOX排放量的目的。試驗表明：文透里組合件的擴張錐角及其冷卻空氣的布設(shè)位置對于其后形成的高溫回流區(qū)的特性，也就是穩(wěn)定點火的功效，有重要的影響。在燃燒柴油時，燃燒方式將與燃燒天然氣有很大的差異。當機組的負荷小于50％工況時，燃燒是在第1級燃燒區(qū)內(nèi)進行的。當負荷超過50％而趨向于100％工況時，燃燒則是在第1級和第2級燃燒區(qū)內(nèi)同時進行的。但是它們都是擴散燃燒火焰，并非預(yù)混的均相燃燒火焰，因而并無明顯地降低NOX的作用。為了控制NOX，則必須向燃燒室噴水或噴蒸汽。圖4－22上則給出了GE公司的DLN燃燒室在MS7001EA機組上分別燃燒天然氣和柴油時，NOX和CO的排放量隨負荷而變化的實測結(jié)果。由此可見，燒天然氣時當負荷超過50％后，DLN燃燒室才有可能使NOX和CO的排放含量(體積分數(shù))控制在25×10-6左右。在燒柴油時，只有向燃燒室噴水或噴蒸汽，才能使NOX的體積分數(shù)控制在42×10-6左右。a)燃燒天然氣時b)燃燒柴油時φ(NOx)、φ（CO)、分別為在氧汗量（體積分數(shù))為15%時NOx、CO的體積分數(shù)圖4-22DLN燃燒室在燃燒天然氣和柴油時，NOx與CO含量(體積分數(shù))隨負荷變化關(guān)系GE公司預(yù)言，在進一步采取措施后，DLN燃燒室在燒天然氣時，有可能把NOX和CO的排放含量(體積分數(shù))控制在一位數(shù)值范圍內(nèi)，即≤9×10-6。目前，GE公司已在F型燃氣輪機上獲得了應(yīng)用干式低NOX燃燒室的充分經(jīng)驗，累計運行總時數(shù)已達13萬h，但也發(fā)現(xiàn)有些燃燒室的第一級預(yù)混室會被燒壞。經(jīng)研究表明：這是由于某些天然氣中含有比較多的高階碳氫化合物的緣故。這些高階碳氫化合物的自燃溫度比較低，摻混在天然氣中將使天然氣總的露點降低。這樣就會在燃料溫度比較低的條件下，高階的碳氫化合物就會以液體狀體凝結(jié)在燃燒室、管道甚至噴嘴等硬件上，并逐漸發(fā)生自燃而致故障。為了解決這個問題有兩種方法可循，即：①在天然氣系統(tǒng)中加裝凝聚過濾器，以便除去凝結(jié)下來的高階碳氫化合物的液體；②在天然氣系統(tǒng)中加裝一個加熱器，它可以用聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽進行加熱天然氣，以便使燃料的溫度超過其露點。實踐表明：在最壞的情況下，天然氣的溫度可能比露點低11℃，而天然氣的過熱裕度最好不低于27.8℃，因而天然氣加熱器的溫升值應(yīng)該按38.9℃來設(shè)計。ABB公司設(shè)計的環(huán)境型(EV)燃燒室ABB公司設(shè)計的EV(Enviromental環(huán)境)型燃燒室是一種并聯(lián)式的分級燃燒的DLN燃燒室。圖4－23中給出了在一個圓筒型燃燒室中并聯(lián)地配置19~54個EV型燃燒器的示圖。圖4－24中則給出了在一個環(huán)型燃燒室中配置許多排EV型燃燒器的情況。在這種燃燒室中EV型燃燒器是一個彼此并聯(lián)的、最基本的均相預(yù)混燃燒方式的燃燒單元。圖4－25中給出了一個EV型燃燒器的照片示圖。圖4－26中則給出了在一個EV型燃燒器中燃燒空氣、天然氣以及液體燃料供入錐體內(nèi)，逐漸形成均相預(yù)混可燃氣體的旋流的情況。由圖4－25和圖4－26可知：EV型燃燒器是由兩個彼此錯開一定位置的半錐體組成的，由于錯位，就會以兩個半錐體的邊線形成兩個沿軸線方向彼此等距離的開縫(如圖4－27a所示)。圖4-23在一個圓筒型燃燒室中配置EV型燃燒器的情況圖4-24在一個環(huán)型燃燒室中配置EV型燃燒器的情況圖4-25EV型燃燒器的照片圖4-26EV型燃燒器中天然氣、液體燃料以及燃燒空氣的混合情況a)由兩個半錐體錯位而成的兩個進氣開縫b)由天然氣和空氣形成的均相預(yù)混可燃氣體的旋轉(zhuǎn)氣流圖4-27EV型燃燒器中因空氣進入和天然氣噴射所形成的旋轉(zhuǎn)氣流之示意圖燃燒空氣就是從這兩道開縫中進到錐體內(nèi)去的，由此形成旋流強度越益加強的旋轉(zhuǎn)氣流(由于旋流半徑逐漸加大的緣故)，如圖4－27b所示。天然氣則是從開縫邊上的許多小孔中噴出，逐漸摻混到旋轉(zhuǎn)氣流中去，從而形成了稀釋狀態(tài)的均勻預(yù)混可燃氣體(參見圖4－26)。當這股均相預(yù)混可燃氣體的旋流在錐體的出口邊脫離時，就會在那兒生成作為穩(wěn)定點火源的回流，由此形成以火焰?zhèn)鞑シ绞竭M行的燃燒火焰。試驗表明：這種火焰的溫度可以比擴散火焰的溫度低500℃，因而具有降低NOX排放含量的效應(yīng)。當燃燒柴油時，液體燃料將從錐體根部的噴油嘴中噴出，經(jīng)過霧化、蒸發(fā)，也逐漸與進入的空氣組成可燃混合物，但由于液體燃料不可能在錐體出口處完全蒸發(fā)成為蒸汽，因而所形成的火焰仍然帶有相當程度的擴散火焰的性質(zhì)，而且其燃燒火焰溫度要比燒天然氣的預(yù)混氣體的高，所以，為了控制NOx的排放含量，必須向錐體內(nèi)的混合區(qū)段噴射一定數(shù)量的水或水蒸氣。為了擴大負荷可調(diào)范圍，就必須增多并聯(lián)的燃燒器數(shù)目。在GT－13E2燃氣輪機中，共裝有72個EV型燃燒器，每排18個，它們的布置情況如圖4－28所示。隨著負荷的變化，投入工作的燃燒器的數(shù)目則如圖4－28a、圖4－28b和圖4－28c所示。a)從點火到50%負荷工況時的運行情況b)從50%到70%負荷工況時的運行情況c)從70%到100%負荷工況時的運行情況圖4-28GT-13E2燃氣輪機中EV燃燒器的布置情況以及燃燒器的投入情況隨負荷的變化關(guān)系燃燒天然氣時，裝有EV燃燒器的燃燒室的NOX排放含量(體積分數(shù))可以達到25×10-6，燃燒柴油時經(jīng)噴水后，則能達到42×10-6的水平。Siemens公司設(shè)計的干式低NOX的混合型燃燒室圖4－29中給出了Siemens公司設(shè)計的干式低NOX的混合型燃燒器。在一個燃氣輪機的燃燒室中則可以并聯(lián)地安裝多個這樣的燃燒器。a)燃燒氣體燃料時的配氣情況b)燃燒液體燃料時的配氣情況圖4-29Siemens公司的干式低NOx的混合型燃燒器圖4-30Siemens公司DLN混合型燃燒器的立體圖圖4-30中則給出了該燃燒器的立體視圖。該燃燒器的設(shè)計思想是：①用氣體燃料或液體燃料在燃燒器的中心部位建立一個值班擴散火焰。供給值班火焰的燃料量是恒定不變的，它不隨機組負荷工況的改變而變化。這樣就能在燃燒器根部形成一個穩(wěn)定的點火源；以確保在任何負荷工況下，不會發(fā)生火焰熄滅故障；②當燃燒氣體燃料時，可以在值班火焰的外側(cè)再供給一定數(shù)量的氣體燃料，它與供給值班火焰的那股氣體燃料，共有一個軸向的空氣旋流器，以便在低負荷工況下于燃燒器的中心部位，形成一個穩(wěn)定的擴散火焰。當燃燒液體燃料時，值班火焰的供油量可以增大，它本身就是一個擴散火焰；③在高負荷工況下，將氣體燃料或已經(jīng)氣化了的液體燃料供入角向旋流器，以便與進入該旋流器的空氣混合形成均相預(yù)混的可燃混合物，隨后在前兩層火焰之外的燃燒空間中，以湍流火焰?zhèn)鞑シ绞竭M行燃燒。由于這種火焰的溫度比較低，故能控制“熱NOX圖4-30Siemens公司DLN混合型燃燒器的立體圖圖4－31中給出了Siemens公司的上述混合型燃燒器在按擴散火焰方式或預(yù)混火焰方式工作時，燃燒區(qū)內(nèi)不同余氣系數(shù)(也就是反應(yīng)溫度)的波及范圍。從圖中可以明顯地看到：當改為預(yù)混火焰的燃燒方式后α<1.0和1.0<α<1.6的范圍將大大縮小，那時，大部分地區(qū)為α>1.6的低溫燃燒區(qū)，這必將有利于減少“熱NOx”的生成。a