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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(下)
发稿时间:2014-10-15         作者:邵卫卫 张哲颠          来源:能源动力研究中心     【字号:

  一、 拟解决的关键科学问题和主要研究内容 

  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,结合我国能源结构及利用的特点,开展了多燃料、宽工况、高效清洁的柔和燃烧机理研究和柔和燃烧室基础研究。针对柔和燃烧室研制中“热力学和化学动力学条件、流体动力学实现条件和方法、燃烧室尺寸的设计原则”存在的技术瓶颈,本项目凝练出三个关键科学问题,并围绕关键科学问题设置了主要研究内容,如下图所示。 

  关键科学问题如下: 

  1)燃机工况下柔和燃烧机理。柔和燃烧是一种在高温、低氧浓度条件下产生稀薄无明显峰面火焰的燃烧技术,源自高温空气燃烧技术,因其峰值火焰温度低、温度场均匀、噪声低等特点而广泛应用于工业炉。燃气轮机燃烧室与工业炉存在很大不同,具体表现在:燃气轮机燃烧室近似于绝热燃烧状态,工作在高压条件下,燃烧前甚至在燃烧产物中氧气浓度仍然很高,燃烧强度高,因此,开展柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室的研究首先需要研究燃机典型工况下柔和燃烧实现的条件以及变工况、变燃料对实现条件和化学动力学特性的影响机理,具体包含:实现柔和燃烧的热力学和化学动力学条件;燃料组分、工作压力对柔和燃烧实现条件及化学动力学特性的影响机制。(2)未燃气/烟气卷吸掺混机理。实现柔和燃烧除了要满足热力学和化学动力学的条件,也需从流体动力学的角度合理组织新鲜的燃料、空气以及回流的高温烟气的流动和它们间的相互作用。通过高速新鲜未燃气来卷吸高温烟气从而形成“高温低氧”的气氛是实现柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室的重要途径,其难点是如何保证新鲜未燃气在有限时间内能够卷吸合适的高温烟气量并与之完成快速高效掺混,而且在掺混过程中避免较大的压力损失。为此,需要深入系统地研究未燃气与高温烟气之间包含卷吸和掺混过程的相互作用机理。 

  3)流体动力学与燃烧强度耦合机理。实现柔和燃烧以及与之相关的低NOx排放的关键条件就是在有限空间、有限时间内完成未燃气和被卷吸烟气的强烈混合,并避免在烟气稀释未燃气之前发生直接燃烧。高燃烧强度意味着更短的流场特征时间,易导致燃烧不够完全,CO排放增加;另外,高燃烧强度还将导致高速未燃气速度亏损的几何空间更小,此时如何保证未燃气对足够高温烟气量的卷吸是需要解决的难点,必须从流体动力学角度通过精细的流场组织来实现。因此,需对流体动力学与燃烧强度的耦合机理开展专门研究。 

  围绕上述关键科学问题,本项目研究团队将开展以下几个方面的研究: 

  1)柔和燃烧机理研究。包含柔和燃烧的热力学及化学动力学特性研究、燃料组分与流体动力学特性的耦合作用机制、压力对柔和燃烧化学动力学特性影响研究。 

  2)烟气/未燃气卷吸掺混机理和特性研究。包含高温烟气与新鲜未燃气的卷吸掺混机理、高温烟气与新鲜未燃气的掺混方式研究、模型燃烧室柔和燃烧特性研究。 

  3)柔和燃烧室实现方式和燃烧室设计基础问题研究。包含燃烧室结构尺寸对压损和掺混度的影响、柔和燃烧强度特性、柔和燃烧火焰筒冷却特性研究。 

  二、创新点与特色 

  本项目从燃气轮机系统分析出发,结合基础理论系统地研究将柔和燃烧应用于燃机的优点以及存在的问题,回答以往研究没有涉及又迫切需要解决的一些机理问题,例如柔和燃烧的热力学特性、化学动力学特性、流体动力学特性、化学反应机理以及对燃料组分变化的适应性,起到连接燃烧基础理论与燃气轮机燃烧技术的桥梁作用,并将柔和燃烧的关键问题——高温烟气与新鲜未燃气的掺混特性作为专题进行研究,从建立掺混模型、实验研究掺混对柔和燃烧性能影响规律、分析提炼流场、燃烧场特征层面下掺混的流场特征到最终获得燃烧室的结构和运行工况设计指导制定了完整的研究方案。本工作将为柔和燃烧在燃气轮机燃烧室上的应用提供理论依据和基础数据。 

  三、项目阶段性成果 

  截至目前,项目团队搭建了柔和燃烧基础研究实验台,正在建设全尺寸柔和燃烧室试验平台,在柔和燃烧热力学条件和模型燃烧室设计、燃烧性能方面开展了研究,已发表文章5篇,其中SCI收录4篇,申请发明专利1项。 

 
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