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国家973计划课题“燃气轮机高效清洁柔和燃烧机理及燃烧室基础研究”简介(上)
发稿时间:2014-09-16         作者:邵卫卫 张哲颠          来源:能源动力研究中心     【字号:

  本项目面向国家节能减排和燃气轮机装备发展的重大需求,针对科技部2014973项目申报指南中“能源科学领域”的“燃气轮机高效清洁热功转换理论”选题,开展柔和燃烧技术应用于燃气轮机燃烧室的基础研究。 

  一、能源结构和节能减排要求必须大力发展燃气轮机 

  燃气轮机是国防和国民经济重要的核心动力装备,是代表一个国家科技和工业整体实力的重要标志之一,是涉及“国防安全、能源安全和保持工业竞争能力”的战略性关键产业。 

  随着节能减排的深入发展,能源的清洁利用已成为日益突出的问题。能源结构调整和实现节能减排必须大力发展燃气轮机,我国明确提出将大型燃气轮机、整体煤气化联合循环设备(IGCC)作为重点发展的先进高效电力设备之一。重型燃气轮机联合循环发电效率高、污染排放少、比投资低、建设周期短、用地用水量少、既适合调峰也适合带基本负荷运行,是电网不可或缺的电源。我国天然气、非常规天然气、页岩气和进口天然气的积极发展,为高效低碳利用提供了广阔的燃气轮机市场。我国一次能源以煤为主,整体煤气化联合循环(IGCC)是未来洁净煤技术主流发展方向之一,IGCC技术还可以进一步发展为二氧化碳捕获与埋存(CCS)的近零排放煤基发电系统,对我国具有战略意义。燃用煤气化合成气和氢气的重型燃气轮机是IGCC的核心设备。风能、太阳能等可再生能源发电的间歇性和核电基荷的稳定性,要求发展电网容量15%-20%的调峰机组,燃气轮机是最经济选择。我国鼓励发展热电冷联供和分布式能源发电,以提高能源综合利用效率,燃气轮机是电力工业结构调整的重要动力设备。 

  天然气燃气轮机联合循环电站的二氧化碳排放量是各种先进燃煤电站的大约一半,将对我国在2020年实现“单位GDP的二氧化碳排放减少40-45%”的战略目标做出重要贡献。20131月,一场罕见的严重空气污染侵袭了华北地区,多个城市的PM2.5监测数据浓度创历史新高,其中北京、河北一些站点甚至达到900μg/ m3以上。空气状况从未像现在一样,受到人们如此重视,并频繁成为讨论的话题。其中SO2NOx的排放增长是PM2.5治理的最大威胁。2011年底,国家环保部和质检总局联合发布了最新《火电厂大气污染物排放标准》,其中气体燃料燃气轮机组NOx排放从80mg/m3@15%O2降低到50mg/m3@15%O2。燃气轮机实现高效、清洁、低碳的应用是缓解大气污染的重要途径之一。 

  二、自主研发燃气轮机燃烧室是必然选择 

  由于历史原因,我国至今没有掌握具有自主知识产权的重型燃气轮机的设计与制造技术。目前已基本形成以GE、西门子、三菱、阿尔斯通等寡头对重型燃气轮机的垄断地位。我国发电设备制造业通过打捆招标与合资的方式引进天然气重型燃气轮机发电机组制造技术,但外方坚持不转让燃气轮机设计和热端部件制造等技术,重型燃气轮机的核心技术受制于人,产业发展受到了严重的制约。我国天然气燃料的推广应用与整体煤气化联合循环(IGCC)等洁净煤技术的发展对研发具有自主知识产权燃气轮机提出了市场需求。研制具有自主知识产权的燃气轮机已成为满足我国能源战略需求、提高重大装备制造产业的国际竞争力、推动燃气轮机科学技术研究发展的重大课题。燃烧室作为燃气轮机的两大热端部件之一,其自主研发是突破燃气轮机寡头垄断的关键。 

  能源、环境和装备对燃气轮机燃烧室提出了如下需求:1)提高燃烧室出口温度,进一步提高燃气轮机的效率;2)进一步降低NOx排放;3)适应天然气、非常规天然气、页岩气、过程工艺气、合成气以及纯氢等多种燃料;4)适应从启动到满负荷的快速变工况,并在变工况过程中保持高效、低NOx排放。而燃烧室温度提高易导致NOx增加,与其中降低NOx排放的需求是一对矛盾。 

  天然气燃气轮机燃烧室目前采用的主流燃烧技术是贫燃料预混燃烧,为了获得低NOx排放,需要在燃料贫燃极限附近燃烧,极易产生热声振荡和回火等不稳定现象。贫燃料预混燃烧对燃料热值、组分敏感,不适合合成气、富氢等燃料;在启动和低负荷工况下需要切换到扩散火焰,导致NOx排放急剧增加;另一方面,贫燃料预混燃烧需要燃料分级,控制复杂。 

  合成气燃气轮机燃烧室大都采用稀释扩散燃烧,合成气是H2CON2CO2等构成的多组分燃料,其热值和燃烧特性与燃气轮机的传统燃料天然气有很大差别,合成气中H2的含量受煤炭种类、气化工艺和工况的影响在15~50%之间变化。H2含量的变化引起预混火焰传播速度波动,导致燃烧不稳定和破坏性的回火现象,影响安全稳定工作,因此燃机厂商大都采用扩散燃烧。与贫燃料预混燃烧相比,合成气扩散火焰的突出弊端是火焰温度高导致的NOx排放高和H2含量高导致的燃烧噪声大。因此需要一种新的燃烧方式实现合成气和氢气的高效清洁燃烧。 

  采用柔和燃烧技术的柔和燃烧室(MILD Combustor ,反应物温度高于反应物的自燃温度,不存在燃烧稳定性的问题;温升小,因此火焰温度低和火焰面弥散,NOx排放和噪声都很低;可以采用非预混的燃烧方式,因此不会发生回火、热声振荡等燃烧不稳定现象;由于采用扩散燃烧的方式对燃料和变工况范围适应性宽;火焰的最高温度有可能控制在材料的耐受温度范围内,减少燃烧室的冷却;不存在火焰稳定性问题,可采用多种流动组织方式来实现;火焰面分散,温度场分布均匀,燃烧室和涡轮叶片的热应力大大降低。因此,若能在燃气轮机中实现柔和燃烧,将会为燃气轮机机燃烧室在宽的工况范围内实现稳定、高效、低NOx排放燃烧提供一个有效解决方案;应用柔和燃烧技术可以开发出针对不同燃料的不同型号燃烧室,同一型号燃烧室也可以适应更宽的热值波动范围。 

  三、 研究的科学意义 

  燃气轮机燃烧室效率高达99%以上,但由于不可逆,燃烧室损失了燃料火用的1/3以上。燃烧室的不可逆的主要原因是燃烧反应热释放过程的高温度梯度及内部热交换。降低燃烧过程火用损失的主要方法是合理控制物理过程和化学反应,获得燃气轮机高的火焰温度和低的温度梯度,从而提高燃气轮机效率、降低排放,改善燃烧室火焰筒壁温。燃气轮机透平入口温度的提高,可以提高火焰温度,减少化学反应火用损失,从而提高燃气轮机的效率,但是随之而来的是NOx排放的急剧增加。因此减少燃烧室火用损失最重要的途径是减少由于温度梯度导致内部混合造成的火用损失。在燃烧室内部,通过组织低温度梯度的燃烧,可以同时保证高效燃烧和低NOx排放。 

  柔和燃烧(MILD Combustion)是一种反应物的温度高于反应物自燃温度、而燃烧过程中的最高温低于自燃温度的燃烧过程。柔和燃烧由于高的反应物温度和低的燃烧温升,使得燃烧过程的温度梯度很小,减少了燃烧过程中的熵产。另外柔和燃烧的实现方式也与烟气回流纯氧燃烧的特点较为契合。柔和燃烧过程的温度梯度较小,因此造成反应速度慢、功率密度小,应用于燃气轮机结构紧凑的燃烧室还存在很多值得研究的基础问题。根据国内外的研究现状,柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室的柔和燃烧机理尚不清楚,缺乏烟气和未燃气的高效低压损掺混机理,柔和燃烧室设计的基础问题和数据缺乏。因此,开展柔和燃烧机理研究及其应用于燃气轮机燃烧室的基础研究非常必要。 

  在燃气轮机燃烧室实现柔和燃烧,达到燃气轮机适应多燃料、宽负荷、高效和低NOx排放,需要突破柔和燃烧机理、未燃气与烟气卷吸掺混机理以及流体动力学与燃烧强度耦合机理三个关键科学问题。 

  燃机工况下的柔和燃烧机理是解决柔和燃烧的热力学和化学动力学实现条件和柔和燃烧特性的关键,是对低氧环境、低温升、均质燃烧的反应动力学和燃烧学的扩充和发展。 

  未燃气与烟气卷吸掺混机理是解决柔和燃烧流体力学实现条件的关键,是对流体动力学和传质学的发展,对其它动力装置中的高效、低压损掺混也具有普遍的指导意义。 

  流体动力学与燃烧强度耦合机理是解决柔和燃烧室几何结构和尺寸等设计原则的关键,是对传质学与燃烧学的扩充。 

 
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