軸向燃料分級燃燒技術
發布時間：
2022-02-21
常規貧燃預混燃燒技術隨著燃燒室出口溫度進一步提高，無法滿足NOx進一步降低的標準要求。
常規貧燃預混燃燒技術隨著燃燒室出口溫度進一步提高，無法滿足NOx進一步降低的標準要求。而燃料軸向分級是在常規貧燃預混燃燒技術基礎上，對燃料進行了軸向分級。該燃燒技術最早是在上世紀70年代，NASA在清潔燃燒項目上首次提出分級燃燒室可以降低NOx排放，而后Pratt&Whitney和GE公司在航空發動機和燃氣輪機燃燒室都進行了成功應用，NOx最低可以降低到35ppm。真正大規模應用是在2010年前后，GE公司和Ansaldo公司在G/H及燃氣輪機得到了大規模生產[1]。
根據NOx生成機理研究而知，NOx生成速率與燃氣在燃燒室停留時間成正比，而燃料分級就是針對這一原理進行的技術開發，即減小二級燃料在燃燒室停留時間[2]。如圖1所示，燃料軸向分為兩級進入燃燒室燃燒，一級燃燒可以減低溫度，二級燃燒可以減少燃氣停留時間，且兩級可以獨立控制，可以采用Lean-Lean策略，Lean-Rich策略或Rich-Lean策略等。頭部一級燃燒一般仍然采用貧預混燃燒策略可以最大程度降低NOx生成。
圖1 軸向燃料分級原理[2]
Fig. 1 Principle of axial fuel classification
燃料分級燃燒室不僅可以進一步提高燃燒室溫度，控制NOx排放，還可以拓寬燃燒室熱負荷的調節比范圍，可以對于工況要求較多的應用場景進行精細化燃燒控制和策略方面的優化。美國普渡大學和德國慕尼黑大學對該技術進行了深入研究，相關研究結論用于我公司相關產品的開發。
結合Ansaldo公司GT36 H級燃氣輪機燃燒室燃料分級設計理念，介紹該技術在燃氣輪機領域的應用和設計思路，如圖2所示。
圖2 GT36 H級燃氣輪機[3]
Fig. 2 GT36 H-class gas turbine
該燃燒技術應用在燃氣輪機燃燒室中，如圖2所示，根據燃氣輪機整體結構而確定的燃燒室結構形式，在此基礎上進行了軸向燃料分級燃燒室設計，詳細細節見圖3。從該結構示意圖中可以清楚地了解，軸向燃料分級方法級燃燒區域的燃燒情況。相關研究表明，軸向燃料分級燃燒降低NOx排放關鍵在于調節第一級和第二級之間的燃料分配、空氣分配與停留時間分配[2]。
圖3 GT36 燃燒室細節圖[3]
Fig. 3 GT36 CPSC combustor detailed components
參考文獻：
[1] 鄭祥龍. 燃料軸向分級燃燒污染物排放及其交叉射流火焰特性研究[D].中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所),2020.DOI:10.27540/d.cnki.ggrws.2020.000048.
[2] 李蘇輝,張歸華,吳玉新.面向未來燃氣輪機的先進燃燒技術綜述[J].清華大學學報(自然科學版),2021,61(12):1423-1437.DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.001.
[3] PENNELL D A,BOTHIEN M R,CIANI A,etal.An introduction to the Ansaldo GT36 constant pressure sequentialcombustor [C]// ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Charlotte,NorthCarolina,USA:ASME,2017.
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