R0110重型燃气轮机DLN燃烧室NOx排放特性研究

包文飞，李明，牟影，王巍龙

(沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁沈阳110043)

R0110重型燃气轮机DLN燃烧室NOx排放特性研究

包文飞，李明，牟影，王巍龙

(沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁沈阳110043)

R0110重型燃气轮机燃烧室按干式低污染(DLN)原理设计，采用径向燃料分级燃烧技术，具有两种燃烧模式。为检验燃烧室的NOx排放特性，在低压模拟条件下，对模式Ⅰ和模式Ⅱ分别进行了燃烧室单管试验。结果表明，模式Ⅱ的NOx排放比模式Ⅰ显著降低，但还未能完全满足设计要求。为此，对燃烧室结构、燃料分配特性及模式Ⅱ的工作过程进行了详细分析，提出了进一步改善燃烧室NOx排放特性的措施和建议。

重型燃气轮机；干式低污染(DLN)燃烧室；燃烧模式；排放特性；分级燃烧

the characteristics of emission；staged combustion

1 引言

R0110重型燃气轮机(以下简称燃机)是我国第一台具有自主知识产权的重型燃机。其燃烧室按干式低污染(DLN)原理设计，采用径向燃料分级燃烧技术[1]，位于压气机扩压器外侧，是一个包含20个火焰筒的逆流式环管式结构。每个火焰筒头部分为环形区、均匀区和扩散区。该燃烧室可在两种燃烧模式下工作，环形区按扩散方式燃烧、均匀区按稀相预混方式燃烧为模式Ⅰ，两区均按稀相预混方式燃烧为模式Ⅱ。其中模式Ⅱ专为解决NOx排放问题设计。扩散区设有值班燃料喷嘴，保证两种燃烧模式下的火焰稳定。

国外发达国家燃气轮机技术较为成熟，在降低NOx排放方面成效显著，已有多种降低NOx排放的燃烧技术。其中，以基于稀相预混的DLN燃烧技术发展最为成熟、应用最为广泛，并形成一系列具有代表性的燃烧器，如GE公司的DLN-1和DLN-2x系列，ABB公司的EV燃烧器，西门子公司的HR3和三菱公司的MK8-4等。其共同特点是：①采用径向燃料分级或多喷嘴的散点式燃料分级技术；②燃料经一系列喷孔分散供入；③来流空气湍流度高；④有足够长的预混距离，保证了可燃混合物具有足够高的空间均匀度和足够小的浓度脉动[2]。

为验证R0110重型燃机燃烧室的NOx真实排放特性，在低压模拟条件下进行了两次燃烧室单管试验。第一次试验在模式Ⅰ下进行，结果显示NOx排放很高，与设计要求相差较大。第二次试验在模式Ⅱ下进行，虽然NOx排放比模式Ⅰ降低了46.8%，但还未能完全满足设计要求的51.25 mg/m3(15%余氧状态)。本文仅针对燃烧室结构、燃料分配特性和模式Ⅱ的工作过程进行分析。

2 燃烧室结构和燃料分配

合理的燃烧室结构布局和燃料分配方式，是影响NOx生成的一主要因素。DLN燃烧室通过将火焰筒分成若干个燃烧区来实现燃料分级供给，每个燃烧区均具有足够的空间来进行燃料与空气的预混，从而获得具有接近完美混合均匀度的可燃混合气，消除各燃烧区内高温炽热点和时间上的瞬时高温脉动，将各燃烧区火焰温度约束在1 670～1 900 K的狭窄范围内，抑制NOx的生成[3]。

2.1 燃烧室结构

R0110重型燃机燃烧室(图1)，主要由环形区、均匀区、扩散区、中心区、一级回流区和二级回流区等组成，轴向布置两道文丘里式节流环，用于收紧火焰和产生回流，防止火焰筒壁温超标和环形区回火。

图1 R0110燃机燃烧室头部剖面图Fig.1 Dome section of R0110 combustor

环形区位于火焰筒头部外侧，其前壁板上装有8个微型涡流器。当燃烧室以模式Ⅱ工作时，火焰筒内、外壁和一级文丘里式节流环所组成的空间形成了环形区的预混室，燃料与空气在该预混室内充分混合，后经一级文丘里式节流环产生回流，再与扩散区的值班火焰相遇燃烧。

均匀区位于火焰筒头部内侧，由中心旋流器、火焰筒内壁和前壁板等组成。燃料在均匀区内与空气进行短暂混合后，经中心旋流器搅拌，再与扩散区的值班火焰相遇燃烧。

综合燃烧室结构看，R0110重型燃机燃烧室虽采用了燃料分级和稀相预混结构设计，但在来流空气湍流度和预混距离等方面存在不足。环形区虽有足够的空间来实现燃料与空气的均匀预混，但8个微型旋流器位于燃料喷嘴下游，且与燃料喷嘴距离很近，这对来流空气湍流度的强化和预混距离的延长很不利；均匀区与环形区有着同样的弊端，且预混空间与GE公司的DLN燃烧室相比小很多，很难实现燃料与空气的完美混合。冷态试验表明，旋流器出口截面上的燃料浓度分布很不均匀，所测预混非均匀度远高于一般要求的5%[1，2]。显然，这对R0110重型燃机燃烧室实现低NOx燃烧不利。

2.2 燃料分配

R0110重型燃机的燃料分配按图2所示进行(图中Gf为天然气流量)，在整个升功率过程中，需两次调节燃料分配比例，分别为相对功率Ne＝0.3和Ne＝0.7时。

图2 R0110重型燃机燃烧室燃料特性Fig.2 The fuel properties of R0110 heavy duty gas turbine

从燃料供应量上看，当Ne＝1.0时，环形区、均匀区、扩散区的燃料分配比例分别为39%、58%和3%[4]。结构分析表明，在NOx超标的贡献度中，均匀区所占比例最大，其次为扩散区和环形区。而燃料分配特性显示，均匀区的燃料量在三区中最高，这无疑增加了均匀区对NOx超标的贡献。

从过量空气系数上看，分级燃烧室只有保证各区的油气比接近一致，才能实现整个火焰筒燃料与空气混和的均匀性，避免各区燃烧混合物在中心火焰筒汇集时，因各区油气比不一致而导致火焰温度的阶跃性变化，从而获得一个相对稳定的燃烧温度，有利于控制NOx生成，并保证燃烧室具有较好的燃烧稳定性与较高的燃烧效率。表1示出了R0110重型燃机各燃烧区的过量空气系数[5]。可见，Ne＝1.0时，环形区、均匀区加扩散区的过量空气系数分别为2.62和1.15，两者相差过大，很难满足燃料与空气混和均匀性的要求，导致NOx生成量无法达到设计要求。

表1 不同相对功率下各燃烧区的过量空气系数Table 1 The air coefficient of the relative power

3 模式Ⅱ的工作过程

R0110重型燃机燃烧室点火成功后，随着相对功率的升高，模式Ⅱ的工作过程主要包括以下几个阶段：

(1)Ne＝0～0.3阶段。燃料全部进入环形区，燃烧方式为扩散燃烧，燃料和空气基本没有预混，NOx排放较高，但燃烧室在此状态停留时间很短，不会对NOx排放产生较大影响。

(2)Ne＝0.3阶段。燃烧室在此状态进行第一次燃料切换，均匀区和扩散区开始投入工作，燃料总量保持不变。由于均匀区投入使用，并以稀相预混方式燃烧，减小了扩散燃烧的燃料量，因而燃料切换后的NOx排放较切换前有所降低。

(3)Ne＝0.3～0.4阶段。燃烧室按燃料特性曲线继续提升相对功率。

(4)Ne＝0.4阶段。逐步减小环形区的燃料量直至熄火，将减小的燃料量供入均匀区，保持燃料总量不变。确认环形区熄火后，恢复燃料供给，并不再点燃，直至燃料分配比例回归到Ne＝0.4时的初始状态。此时环形区作为燃料和空气的预混室使用，实现了由扩散燃烧向稀相预混燃烧的转变，NOx排放显著降低。

(5)Ne＝0.4～0.7阶段。燃烧室按燃料特性曲线继续提升相对功率，环形区的燃料量占主导地位。

(6)Ne＝0.7阶段。燃烧室在此状态进行第二次燃料切换，在降低环形区燃料量的同时，增加均匀区的燃料量，保持燃料总量不变。

(7)Ne＝0.7～1.0阶段。燃烧室按燃料特性曲线继续提升相对功率，均匀区的燃料量占主导地位，NOx排放显著升高。

综合模式Ⅱ的整个工作过程看，除Ne＝0.7的燃料切换外，基本符合DLN燃烧室的工作准则。而试验结果恰恰表明，在Ne＝0～0.7的过程中，NOx排放小于51.25 mg/m3(15%余氧状态)，满足设计要求。正是因为Ne＝0.7的燃料切换后，才导致NOx排放逐步升高，最终超出设计要求，这与环形区和均匀区燃料量改变直接相关。结合前文的分析可看出，均匀区的结构设计缺陷是影响NOx排放超标的主要因素，第二次燃料切换加重了该因素的负面影响。

4 改善NOx排放的措施和建议

根据前文分析，本文认为，调整好各区之间的燃料比例是降低NOx排放的首选措施。从燃料分配中可看出，原设计的R0110重型燃机燃烧室在模式Ⅱ下，Ne＝1.0时，扩散区的值班燃料，预混较差的均匀区燃料，环形区的稀相预混燃料比例分别为3%、58%和39%。而结构与其相似的DLN-1燃烧室的这三部分燃料比例分别为2%、15%和83%，均匀区燃料比例仅为15%才实现NOx排放小于51.25 mg/m3(15%余氧状态)。R0110重型燃机燃烧室均匀区的燃料比例比DLN-1燃烧室的高3～4倍，使得均匀区的过量空气系数过低，接近1.00(见表1)。而变成预混室的环形区的过量空气系数为2.62，明显过高。若将均匀区的部分燃料供给环形区，使两区的过量空气系数接近或基本一致，则有望进一步降低NOx排放。为此，建议将环形区的过量空气系数从2.62降为1.60，则其燃料比例提高到67%，均匀区降为30%，扩散区保持3%不变。

此外，适当延长均匀区的预混段，提高预混均匀性，增强环形区和均匀区的扰流来增加来流空气的湍流强度，也有望进一步改善NOx的排放特性。

5 结论

(1)火焰筒头部均匀区的预混空间较小，不能满足DLN燃烧室稀相预混燃烧的需要。

(2)环形区和均匀区的旋流器安装位置不当，造成燃烧室来流空气湍流强度不够。

(3)相对功率为0.7时的燃料切换欠佳，在不改变空气供应条件的前提下，燃烧室NOx排放超标的主要原因为，均匀区的供氧条件无法满足低NOx要求，形成了富燃料燃烧。

(4)各区过量空气系数分配不合理，不能实现火焰筒内燃料与空气混和的均匀性。

(5)在不改变燃烧室结构的前提下，进一步改善NOx排放特性的建议是：减少均匀区的燃料量，同时增加环形区的燃料量，使两区的过量空气系数基本一致。

[1]祁海鹰，李宇红.干低NOx燃烧室的结构性能演化和关键技术分析[R].北京：清华大学，2003.

[2]谢刚，李宇红，祁海鹰.DLN燃烧室的燃料-空气预混均匀性问题[J].工程热物理学报，2006，27(S2)：227—230.

[3]雷俊勇，李宇红，由长福.重型燃机DLN燃烧室环形区的优化研究[J].燃烧科学与技术，2006，12(4)：340—344.

[4]沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司.R0110发动机燃烧室的计算及其特性[M].2004.

[5]谢刚，祁海鹰，李宇红，等.R0110重型燃气轮机燃烧室污染排放性能研究[J].中国电机工程学报，2010，30 (20)：51—57.

NOx Emissions Properties of DLN Combustor of R0110 Heavy Duty Gas Turbine

BAO Wen-fei，LI Ming，MOU Ying，WANG Wei-long
(AVIC Shenyang Liming Aero-engine(Group)Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China)

The combustor of R0110 heavy-duty gas turbine is designed according to the dry-type and low-pollution(DLN)principle.Adopting radial fuel-staged combustion technology,it has two working modes.In order to test the NOx emissions features of combustor,single-tube experiments were conducted to the two modes under the low pressure condition respectively.The results show that the emissions of the NOx of modeⅡ,though evidently lower than that of modeⅠ,still can't meet the design requirements.To solve this problem,the combustion chamber characteristics,fuel distribution and work process of modeⅡwere analyzed in detail,and measures as well as suggestions were put forward to further improve the NOx emis⁃sion of the combustion chamber.

heavy duty gas turbine；dry-type and low-pollution(DLN)combustor；combustion mode；

TK47

A

1672-2620(2013)01-0040-03

2012-06-01；

2012-08-06

包文飞(1971-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，主要研究方向为燃气轮机整体性能及试验。