燃气轮机扩散燃烧型燃烧室的工作过程与结构培训教材.doc

燃气轮机扩散燃烧型燃烧室的工作过程与结构培训教材1.1 扩散燃烧型燃烧室的工作过程图4-1所示的就是一种扩散燃烧型的燃烧室。图4-3中则给出了与之相配的喷油嘴的结构图。从图4-1中可以看出：由压气机送来的压缩空气，在逆流进入遮热筒与火焰管之间的环腔7时，因受火焰管结构形状的制约，将分流成为几个部分，逐渐流入火焰管，以适应空气流量与燃料流量的比值总是要比理论燃烧条件下的配比关系大很多的特点。其中的一部分空气称为“一次空气”，它分别由旋流器15、端部配器盖板14、过渡椎顶13上的切向孔，以及开在火焰管前段的三排一次射流孔11，进到火焰管前端的燃烧区12中去。在那儿，它与由燃烧喷嘴1喷射出来的液体燃料或天然气，进行混合和燃烧，转化成为1500-2000的高温燃气。这部分空气大约占进入燃烧室的总空气量的25%；另一部分空气称为“冷却空气”，它通过许多排开在火焰管壁面上的冷却射流孔，逐渐进入火焰管的内壁部位，并沿着内壁的表面流动。这股空气可以在火焰管的内壁附近形成一层温度较低的冷却空气膜，它具有冷却高温的火焰管壁、使其免遭火焰烧坏的作用。此外，剩下来的那一部分空气则称为“二次空气”或“掺混空气”，它是由开在火焰管后段的混合射流孔10，射到由燃烧区流来的1500-2000的高温燃气中去的，它具有掺冷高温燃气，使其温度比较均匀地降低到透平前燃气初温设计值的作用。图4-8所示的是一种双燃料喷嘴，它既能向燃烧室的火焰管头部供给天然气，又能供给液体燃料。为了增强液体燃料的燃烧速度，专门用高压雾化空气来帮助液体燃料雾化成为100m 左右的细雾滴。这种细雾滴在进入高温的燃烧区后，就会逐渐蒸发成为气相燃料，通过扩散和旋流的湍流的混合作用，逐渐与燃烧区内的新鲜空气掺混，在余气系数f=1的空间范围内起燃，形成一个温度高达理论燃烧温度水平的火焰。这种燃料与空气没有预先均匀混合，而是依靠扩散和湍流交换的作用，使她们彼此相互掺混，进而在f=1的火焰上面上进行燃烧的现象，称之为“扩散燃烧”。那时，燃烧速度主要取决于燃料与空气相互扩散和掺混的时间，而不是取决与它们的化学反应所需要的时间。这种燃烧现象的一大特点是，火焰面上的f=1 ，其温度甚高，通常为理论燃烧温度(它总是高于空气中的N2与O2起化学反应而生成NOx 时的起始温度1650)。因而按这种方式组织的燃烧过程必然会产生数量较多的“热NOx”污染物。为解决这类燃烧过程中NOx 排放量超过环保要求问题，可采取三种措施，即：在高负荷条件下，向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸气，借以降低燃烧火焰的温度；在余热锅炉中安装所谓的选择性催化还原反应器(SCR)；采用催化燃烧法。1-雾化空气进口 2-喷嘴本体 3-天然气进口 4-喷嘴的顶盖与空气旋流器 5-天然气喷口 6-液体燃料喷嘴的组合件7-雾化空气切向槽图4-8 MS6001系列燃气轮机上采用的分管型燃烧室的喷油嘴dCnox为NOx的浓度图4-9 火焰温度Tf以及dCnox/d与燃料/空气混合化学当量的关系众所周知：燃烧过程中产生的NOx有燃料NOx和热NOx之分。前者取决于燃料中所含的氮化合物的数量，燃烧过程中无法控制它的生成。热NOx则是在燃烧过程的高温条件下，环境中所含的N2气与O2气化合物而成的产物，它是按Zeldovich机理生成的。热NOx的生成率与燃烧火焰的温度成指数函数关系。在燃烧过程中生成的NOx之总数量则不仅是火焰温度的函数，而且是可燃混合物在火焰温度条件下逗留时间的线性函数。燃料已定时，燃烧火焰的温度则是燃料/空气混合化学当量比的函数。图4-9中给出了2# 蒸馏油与590K的空气混合燃烧时，燃烧火焰的温度Tf 以及NOx 的反应生成率dCNox/d与燃烧/空气混合化学当量比的相互变化关系。由上图可知： NOx的最高生成率发生在燃烧/空气混合化学当量比等于1的地方，那时，燃烧火焰的温度Tf 为最高。因而，倘若能使燃料与较多的空气相混合，即：在比较稀释的燃料浓度下进行低温的燃烧，那么，就能减少NOx 排放物的生成。当然，向燃烧火焰区喷散水或水蒸气，以迫使降低燃烧火焰的温度，同样能够起到抑制生成NOx的作用。但是，对于采用单个燃料喷嘴的燃烧室来说，借用喷水或喷蒸汽的方法很难使燃烧天然气时NOx的排放量降低到小于42×10-6(体积分数，下同)的水平(烧油时为70×10-6)。那时，喷水量大约是燃料消耗量的50%70%，水质还必须经过预先处理，严防Na、K盐的混入，否则会导致燃气透平叶片的腐蚀。这种方法不仅会增大水处理设备的投资和运行费用的消耗，还会使机组的热效率下降1.8%-2.0%左右；燃烧室的检修间隔和使用寿命也都会缩短。但是它却能使机组的功率增大3%左右。因而自80年代以后，这个方法已在燃气轮机中普遍使用。虽然其运行维护费用较高，但方法简便， NOx的排放量暂且能够满足指标不是很高的法定标准。SCR法是在催化剂的作用下向燃烧产物喷散氨水，使与燃烧产物中的NO和NO2反应成为N2+NO2，即：4NO+4NH3+O24N2+6H2O； 6NO2+8NH37N2+12H2O催化反应器的尺寸很大，它被布设在余热锅炉中温度介于290-400的区段。由于催化反应的温度限定得很严，因而只能在负荷工况比较稳定的机组中使用。特别是不能在变转速、负荷变化较大的机组(如驱动天然气压缩机的燃气轮机)中使用。它可以使因扩散燃烧火焰而产生的200500×10-6 含量(体积分数)的NOx 脱除90%。但是，其投资费用却很高，大约是燃气轮机价格的20%；催化反应器的寿命仅4-8年；而且不能燃用含硫量高于1000×10-6(质量分数)的燃料，否则催化剂会中毒而失效。因而SCR法使用得还不甚普遍。催化燃烧法是想在燃烧室中布设催化反应床，借以燃烧非常稀释的燃料/空气的混合物，它能使NOx的排放量降得非常低。但是，目前催化床和催化剂都尚未过关，正在开发之中。短期内尚无使用价值。总之，在90年代之前燃气轮机燃烧室主要是按照扩散燃烧的原理进行设计的。为了实现本章第2节中提出的一系列性能指标，人们大体上采取以下一些措施，即：(1) 合理地选择燃烧区内的一次空气流量，确保在怠速工况下燃烧区内的平均温度不低于900，否则需要考虑一次空气量可以调节的配气机构，或者安装一个燃料供应条件不受负荷工况变化的值班喷嘴，以保证整个负荷范围内都能有一个比较高温的燃烧条件。(2) 合理地选择配气机构的结构型式和火焰管头部空气流量的分配关系，以便在燃烧区形成一个尺寸适度的回流区和湍流交换条件，以确保空气与燃料的混合以及燃烧火焰的稳定。(3) 合理地选择喷油嘴结构，保证在低负荷工况下液体燃料仍能具有良好的雾化特性，并能在燃烧区形成合理的燃烧浓度场。对于气体燃料来说。则应控制喷射压差，以防把燃料喷射到火焰管壁附近的冷却空气层中去而无法起燃。喷射压力过低时。则易发生振荡燃烧。为了缩短燃烧火焰，经常需要采用多个喷油嘴的结构设计。(4) 从结构设计上消除火焰管外二次流道内可能产生的气流的不规则流动，这是保证火焰管内流场对称性的前提。否则，燃烧火焰不易稳定，燃气出口温度场不能均匀。(5) 合理地选择火焰管的冷却结构和冷却气流的速度，并配之以合适的耐热合金材料和涂层，以确保火焰管壁不至于过热、变形和烧坏。(6) 合理地选择掺混空气量和混合机构的结构型式与布局关系，以确保燃烧室的出口温度场指标达到设计标准。(7) 合理地选择点火器的结构型式与布置位置，防止其积碳、过热或烧坏，以确保燃烧室点火的可靠性。(8) 充分考虑燃烧室结构元件的膨胀特性，避免应力集中，力求不使燃烧室承受或传递机组的作用力。(9) 考虑燃烧室拆装、检查和更换的方便性。1.2 燃气轮机燃烧室的类型从总体结构方案来看，燃气轮机燃烧室可分为：圆筒型、分管型、环管型以及环形等四种。从燃烧室进出口气流流动方向的变化，燃烧室又可分为顺流式和逆流式。1.2.1 圆筒式燃烧室1-外壳 2-火焰管 3-喷油嘴图4-10 R700-1型燃气轮机燃烧室圆筒型燃烧室是由于采用了圆筒形的外壳和火焰管而命名。在每台燃气轮机中，一般装置12个这种燃烧室。为了使结构布置紧凑，多半采用逆流式结构。根据燃气轮机总体布置要求，燃烧室可直立于燃气轮机侧面或采用其它布置方案。圆筒型燃烧室的主要优点是：结构简单、便于维修、使用寿命长。其缺点是：空间利用率差、比容积热强度较低、因此，不适用于要求结构紧凑的机组。这种燃烧室在调试时所需风源较大，这也是一个缺点。圆筒型燃烧室广泛应用于小功率燃气轮机及部分中等功率燃气轮机，在大功率燃气轮机中仅少数机组采用。图4-10为R700-1型1000kW燃气轮机所使用的圆筒型燃烧室。此燃烧室为逆流式，空气自下往上流入燃烧室，然后经旋流器、射流孔、气膜孔、等流入火焰管，空气与燃料混合燃烧后 产生的燃气(约700)，向下流入涡轮进气涡壳。火焰管由1Cr18Ni9Ti耐热钢制成，其锥顶为双层结构，在内层设有两道冷却气膜。火焰管筒身部分为双层多孔壁结构，外层开有520个直径为5mm的小孔，内层则开有1942个直径为5mm的小孔，由外层孔控制冷却空气量，在内层孔出口处则形成保护火焰管的冷却气膜。1.2.2 分管型燃烧室分管型燃烧室的特点是：在一台燃气轮机中设置若干分开的小燃烧室，燃烧室的数目通常为812个，个燃烧室围绕燃气轮机轴线均匀布置。每一燃烧室都有单独的外壳、火焰管以及喷油嘴而自体系，但点火器仅安装在个别燃烧室(通常为2个)。燃气轮机起动时，先将带有点火器的燃烧室点燃，然后依靠燃烧室之间的联焰管点燃其他燃烧室。图4-11给出了分管型燃烧室的示意图。1-喷油嘴 2-旋流器 3-火焰管 4-外壳 5-联焰管图4-11 分管型燃烧室示意图分管型燃烧室由于是在一给尺寸较小的管形燃烧室内进行燃烧，故较易组织良好的燃烧过程，且调试时所消耗的人力和物力都较少，由于它比较容易从燃气轮机上拆卸，故对检修很有利。但分管型燃烧室构造较复杂，空间利用率不高，重量较重，需冷却保护的火焰管表面相对地较多，起动点火时火焰管间传焰性能差，出口温度沿周向不均匀度大，燃烧室与直流布置地压气机和涡轮流路不适应，故需采用型线复杂地管道过渡且压力损失较大。由于上述缺点，目前已较少采用这种燃烧室。图4-12为PG5301型20000kW工业型燃气轮机所使用地逆流式分管型燃烧室。该机组共有10个这样地燃烧室。燃烧室出口燃气温度为900935，燃烧室能燃用气体及液体燃料，故采用气-液双重燃料喷嘴。一次空气由旋流器及火焰管前段两排射流孔流入，二次空气由火焰管后段四只大孔流入。火焰管用镍基合金钣材焊成。在火焰管锥顶和筒身均开有密布地鱼鳞孔，使冷却空气流入时形成冷却气膜。燃烧室地点火器能在燃气轮机起动点火时伸入火焰管以改善点火条件，但机组起动点燃后，在压力差地作用下自动退出。火焰管头部支承于燃料喷嘴并被定心，火焰管尾部焊有弹性环片并将它插入燃气导管，对火焰管出口端定位。在火焰管头部焊有三个径向插座，通过安装于外壳地插脚，使火焰管相对于外壳作轴向和周向定位。1-燃料喷嘴 2-旋流器 3-点火器 4-外壳 5-火焰管 6-燃气导管 7-联焰管 8-径向插座 9-锥顶图4-12 PG5301型燃气轮机燃烧室1.2.3 环形燃烧室环形燃烧室地结构特点是在由燃烧室内、外壳体所形成的环形腔内，安装一由火焰管内、外环所构成的火焰管，如图4-13所示。在环形火焰管头部沿周向均匀布置若干旋流器(通常为1220个)。由于燃烧过程在整个火焰管环形空间内进行，空间利用比较充分，因此燃烧室的尺寸很紧凑，需要冷却保护的火焰管面积也较少，故能较好地满足近代燃气轮机燃烧室要求地温升大、比容积热强度高地特点。环型燃烧室能与直流布置的轴流式压气机和涡轮获得最佳的流路配合。因此，管道型线和结构都较为简单，压力损失也小。由于不再需要联焰管传焰，因此，不存在起动点火使的传焰问题。1-喷油嘴 2-旋流器 3-火焰管外环 4-燃烧室外壳 5-火焰管内环 6-燃烧室内壳图4-13 环型燃烧室示意图它的主要缺点是：调试时消耗空气量大、油气匹配难度大、组织燃烧较难；由于对进口流场比较敏感，故不易获得稳定的出口流场；环形火焰管由于刚性差，在高温下易发生变形；另外从检修方面看，这种燃烧室的拆卸是比较困难的。环形燃烧室由于优点很突出，所以广泛应用于航空燃气轮机，在工业燃气轮机中也有扩大应用的趋势。1-扩压器 2-喷油嘴 3-旋流器 4-点火器 5-火焰管头部6-外壳 7-火焰管外环 8-火焰管内环 9-内壳 10-导流管图4-14 LM2500型船用燃气轮机燃烧室图4-14为LM2500型18400kW(25000马力)船用燃气轮机所使用的环形燃烧室。此机组由航空燃气轮机改型而来。在燃烧室上装有30个双油路离心式喷油嘴，每易喷油嘴都配有相应的旋流器。火焰管由导流器、头部、外环、内环四部分铆接而成，其材料为镍基合金。燃烧室壳体由外壳和内壳组成。燃烧室出口燃起温度为1149。一次空气由旋流器及火焰管内、外环上的两排孔流入，二次空气由火焰管外环上的一排孔及内环上的两排孔流入。火焰管头部设有三道冷却气膜，内、外环上则各设有10道冷却气膜，冷却结构采用钻孔式。点火器为高能半导体电嘴。火焰管在导流器处以10根均布的径向销钉支承与定位于外壳上，火焰管尾部则通过内、外安装环插入涡轮导向器，它可以允许火焰管作轴向及径向膨胀。1.2.4 环管型燃烧室这种燃烧室的壳体与环形燃烧室相同，但在由内、外壳体所形成的环形腔内，沿周向均匀布置若干管形火焰管(通常为812个)，各火焰管之间为了点火传焰也以联焰管相通。由图4-15可以看出，这种燃烧室在结构上是介于前述两种燃烧室之间，其优、缺点也介于两者之间。1-喷油嘴 2-旋流器 3-火焰管 4-外壳 5-内壳 6-联焰管图4-15 环管型燃烧室示意图环管型燃烧室吸取了分管型燃烧室的优点，燃烧过程在尺寸较小的火焰管内进行，油气匹配较好，这对组织燃烧有利。在调试燃烧室时，可在由13个火焰管组成的扇形段中进行，由于所需空气量少，有利于调试工作。在空间利用方面，它吸取了环形燃烧室的优点，故尺寸比较紧凑。它的主要缺点是燃烧室进口段流动比较复杂，故扩压器设计困难，同时它也存在传焰问题，但情况比分管型燃烧室为好。在航空燃气轮机及其改装工业型机组常采用顺流式环管型燃烧室，在工业型燃气轮机中，为了缩短机组长度，常采用逆流式环管型燃烧室。1.3 不同类型燃烧室的比较圆筒型燃烧室的最大优点是：结构简单；机组的全部空气流过一个或两个燃烧室，能适应固定式燃气轮机的结构特点，便于与压气机和透平配装；装拆容易。由于燃烧室的尺寸比较大，因而在流阻损失较小的前提下，比较容易取得燃烧效率高、燃烧稳定性好的效果。其缺点是：燃烧热强度低；笨重，金属消耗量大；而且难于作全尺寸燃烧室的全参数试验，致使设计和调试比较困难。分管型燃烧室的优点是： 燃烧空间中空气的流动模型与燃料炬容易配合，燃烧性能较易组织，便于解体检修和维护。由于流经燃烧室的空气流量只是整个机组进气总量的1/n(n为该机组中分管型燃烧室的个数)，因而燃烧室便于在试验台上作全尺寸和全参数的试验，试验结果可靠而且节省费用。它的缺点是：空间利用程度差、流阻损失大，需要用联焰管传焰点火，制造工艺要求高。环型燃烧室具有体积小、重量轻，流阻损失小，联焰方便、排气冒烟少，火焰管的受热面积小，发展潜力大等一系列优点，是一种很有发展前途的结构形式。它特别适宜与轴流式压气机匹配。但是由于燃烧空间彼此沟通，气流与燃料炬不容易组织，燃烧性能较难控制，燃气出口温度场受进气流场的影响较大而不易保持稳定，同时，由于需要用机组的整个进气量作燃烧试验，试验周期长而耗费大，加上结构的刚性差，在机组上又不便于解体检查，致使这种燃烧室曾长期未获广泛使用，但目前正在迅速发展之中。环管型燃烧室是一种介于环型和分管型燃烧室之间的过渡性结构型式。它兼备两者的优点，但却继承了重量较大，火焰管结构复杂，需要用联焰管点火，制造工艺要求高等缺点。它适宜与轴流式压气机配合工作，能够充分利用由压气机流来的气流之动能。在目前应用得还相当广泛。由于人们对扩散燃烧型燃烧室比较熟悉，本章就不拟赘述了。读者若有兴趣，可以参考“燃气轮机燃烧室”一书。