燃烧室的基本原理及结构.ppt

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1、12:18:01,1,第四章燃烧室的原理和结构,12:18:01,2,燃烧室的原理和结构,燃烧室功用 燃烧室的功用就是把燃料中的化学能经过燃烧释放出来，转变为热能，使气体的总焓增大，提高燃气在涡轮和尾喷管中膨胀作功的能力。,12:18:01,3,燃气轮机燃烧室,燃气轮机的性能和可靠性与燃烧室有着密切的关系。例如，燃烧室出口局部温度过高会引起透平叶片的过热和烧毁；燃烧的不稳定会导致熄火；燃烧组织不好，会使燃烧过程的流动损失增加，燃烧效率降低，同时在火焰筒和透平叶片工作表面会产生积炭。火焰筒壁面上积炭会使冷却变坏，造成过热变形甚至开裂，透平叶片上积炭将使叶片的气动性能变坏，降低了透平效率，并会影响

2、转子的平衡，造成燃气轮机的振动。,12:18:01,4,燃气轮机燃烧室,燃烧室工作特点和要求燃烧过程和气流的组织燃烧室的结构和型式燃烧室的变工况特性气体燃料的燃烧技术液体燃料的雾化和喷嘴燃烧室的低NOx燃烧技术,12:18:01,5,燃烧室工作特点和要求,燃烧室工作过程,12:18:01,6,燃烧室工作特点和要求,燃烧室的工作特点 1、燃烧室是一个在连续的、高速气流中及贫油混合气情况下进行的燃烧过程；2、燃烧室在高温、大负荷下工作；3、燃烧室在变工况下工作；4、燃烧室需要具备燃用多种燃料的能力；5、燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程。,12:18:01,7,对燃烧室的基本要求,点火

3、可靠,燃烧稳定要求启动时能迅速、可靠地点火燃烧，并在整个启动、升温过程中不出现熄火、超温和火焰过长等现象。未装点火器的火焰筒，也能借助联焰管迅速、可靠地联焰，保证启动百分之百的成功。点火可靠，燃烧稳定，不发生大幅度脉动。,12:18:01,8,对燃烧室的基本要求,点火可靠,燃烧稳定在各种工况，包括工况急剧变化的过程（过渡过程）,燃烧室应保证稳定燃烧，即不熄火，无燃烧脉动。,空气过量系数：燃烧时实际空气量L与理论上需要的空气量L0的比值，即LL0。,12:18:01,9,对燃烧室的基本要求,燃烧完全在燃气轮机的主要工况下，燃烧室应具有足够高的完全燃烧程度和最小的散热损失。,12:18:01,10

4、,对燃烧室的基本要求,压力损失小工质流过燃烧室时，由于扩压、摩擦、分流、掺混、倒流、热交换等，气体的总压必然下降。流体阻力的大小与燃烧室的结构和加热程度有关。,燃烧室的压力损失系数,12:18:01,11,对燃烧室的基本要求,燃烧室出口温度场符合透平要求温度沿叶片高度的分布，应能保证在最小的叶片重量下，与应力沿叶片高度分布相适应。,温度不均匀系数：,12:18:01,12,对燃烧室的基本要求,尺寸小、质量轻尽可能地提高燃烧热强度，以减小燃烧室的尺寸和重量，以适应整台燃气轮机结构紧凑性的要求。,燃烧热强度：指在单位时间内、在单位体积的燃烧空间中（或在单位面积的燃烧截面上），能够释放出来的热量。,

5、燃烧热强度,体积热强度,面积热强度,12:18:01,13,对燃烧室的基本要求,排气污染小排气无黑烟，含NOx等有害成分少,12:18:01,14,对燃烧室的基本要求,寿命长燃烧室必须具有足够的刚度、强度和气密性，能承受振动负荷。合理地组织燃烧，燃烧室的高温元件冷却良好，避免火焰筒等高温元件局部过热、严重变形、裂纹和积炭等，有助于燃烧室部件可靠性和寿命的提高。目前，重型燃气轮机的翻修寿命要求在2000030000h。,12:18:01,15,燃烧过程和气流的组织,燃烧室中气流流动过程的组织燃烧区中燃料浓度场的组织燃烧区中可燃混合物的形成与燃烧,12:18:01,16,燃烧室中气流流动过程的组织

6、,燃烧区中气流流动过程的组织混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程的组织火焰筒壁冷却过程的组织,12:18:01,17,12:18:01,18,燃烧区中气流流动过程的组织,措施：1、采用扩压器 2、采取气流“分流”的办法 3、采用“火焰稳定器”,12:18:01,19,燃烧区中气流流动过程的组织,1、扩压器及其气流流动,12:18:01,20,燃烧区中气流流动过程的组织,2、气流“分流”的办法,12:18:01,21,燃烧区中气流流动过程的组织,2、气流“分流”的办法,压气机送来的空气,一次空气 25%,冷却空气,二次空气,12:18:01,22,燃烧区中气流流动过程的组织,3、“火焰稳定器”

7、旋流器,12:18:01,23,燃烧区中气流流动过程的组织,4、经火焰筒上孔、缝的气流流动,12:18:01,24,燃烧区中气流流动过程的组织,4、经火焰筒上孔、缝的气流流动,12:18:01,25,燃烧区中气流流动过程的组织,5、燃烧区中的气流流动,12:18:01,26,燃烧区中燃料浓度场的组织,燃料的燃烧方式,预混燃烧,扩散燃烧,气体的燃烧方式,液体的燃烧方式：,雾化燃烧,雾化 蒸发 扩散混合 燃烧 掺冷,12:18:01,27,燃烧区中燃料浓度场的组织,12:18:01,28,燃烧室中燃烧火焰的概况,12:18:01,29,燃烧室中燃烧火焰的概况,12:18:01,30,燃烧室中燃烧火

8、焰的概况,火焰筒内壁与火焰波峰之间的第一区段。在这个区域内，充满了一次新鲜空气和燃料的混合物，它不断地接受由火焰波峰传递过来的热量，以及促使燃烧反应进行的活化分子的交换，从而使可燃混合物逐渐进入着火状态。,12:18:01,31,燃烧室中燃烧火焰的概况,火焰波峰所占的空间范围，即所谓第二区段。在这里，燃料与空气的混合物在火焰波峰范围内发生化学反应作用而逐渐完成燃烧过程。这时，燃料的浓度迅速下降，而燃料和空气混合物的温度将逐渐升高到最高值。这个区段又称为燃烧反应区。,12:18:01,32,燃烧室中燃烧火焰的概况,火焰波峰与火焰筒轴线之间的第三区段，在那里，充满了高温燃烧产物。由喷油嘴喷射出来的

9、燃料，基本上是在这个区域内蒸发变成油气的。,12:18:01,33,燃烧室中二次掺冷空气与高温燃气的掺混,燃烧产物温度太高，温度场也不均匀，必须由二次空气掺冷。火焰筒内外压差一般为0.010.02MPa，二次空气约占空气总流量的7085，二次空气经混合射流孔进人的速度约为80100ms，一般在燃烧完成之后的区域射入火焰筒，不宜过早或过于集中，以免使局部火焰温度过低、燃烧不完全。在较后的区段内，掺冷空气穿插深度需适当，才能掺混均匀使温度场均化，所以火焰筒混合区的气孔开得也较大。,12:18:01,34,燃烧室的结构和型式,燃烧室结构壳体扩压器火焰筒旋流器燃油喷嘴点火器联焰管,12:18:01,3

10、5,燃烧室的结构和型式,1、壳体,燃烧室壳体构成二股气流的通道，是燃气轮机的主要承力件，在设计上必须保证壳体具有足够的强度、刚性。在环管和环型燃烧室中，燃烧室壳体由内、外壳体组成。为了减低燃烧区对外的热辐射，达到提高燃烧区的温度和降低外壳的温度的目的，有时在外壳内还村有一层遮热衬套。,12:18:01,36,燃烧室的结构和型式,2、扩压器,扩压器是由燃烧室内、外壳和火焰街头部构成的一个扩压通道，用它来降低速度，提高压力，保证燃烧的顺利进行和减少压力损失通常，在扩压器中需把压气机的出口流速降低35倍。,12:18:01,37,燃烧室的结构和型式,2、扩压器,扩压器是由燃烧室内、外壳和火焰街头部构

11、成的一个扩压通道，用它来降低速度，提高压力，保证燃烧的顺利进行和减少压力损失通常，在扩压器中需把压气机的出口流速降低35倍。,12:18:01,38,燃烧室的结构和型式,3、火焰筒,火焰筒是燃烧室的核心构件。火焰筒筒体的结构应保证合理进气与燃料混合，形成回流区，便于点火和稳定燃烧。筒体壁面上设置一次空气和二次空气射流孔。火焰筒受高温燃气辐射和对流换热的影响，应注意筒壁的冷却问题和火焰简各组成部分之间的热变形协调问题。,12:18:01,39,燃烧室的结构和型式,3、火焰筒,12:18:01,40,燃烧室的结构和型式,4、旋流器,旋流器位于火焰筒的头部，大多为环状围绕燃料喷嘴安装，可多个使用，也

12、可以多个并列或同心组合应用，以改善燃烧过程或缩短火焰长度。旋流器可使一次空气沿火焰筒内壁作螺旋状的旋转运动，有的旋流器能把一部分空气射入雾化油锥内，可以减少积炭。叶片式旋流器在结构上又分为：（a）平面旋流器；（b）径向旋流器；（c）包角旋流器,12:18:01,41,燃烧室的结构和型式,（a）平面旋流器,12:18:01,42,燃烧室的结构和型式,（b）径向旋流器,12:18:01,43,燃烧室的结构和型式,（c）包角旋流器,其特点是叶片在出口处的外径逐渐减小，即叶片径向高度逐渐减小，使流出的旋转气流呈向内包的趋势，对燃用重油较为有利。,12:18:01,44,液体燃料的雾化和喷嘴,液体燃料的

13、雾化燃油喷嘴影响喷嘴喷雾特性的因素,12:18:01,45,12:18:01,46,液体燃料的雾化,一、雾化机理,12:18:01,47,液体燃料的雾化,一、雾化机理,12:18:01,48,液体燃料的雾化,二、雾化质量的评定 1、雾化细度 a、质量中间直径MMD b、索太尔（Sauter）平均直径 2、雾化均匀度 3、雾化锥角,12:18:01,49,燃油喷嘴,1、直射式喷嘴2、离心式喷嘴3、气动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴）4、蒸发管式喷嘴5、甩油盘式喷嘴,12:18:01,50,燃油喷嘴,1、直射式喷嘴,12:18:01,51,燃油喷嘴,2、离心式喷嘴,12:18:01,52,燃油喷嘴,3、气

14、动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴）,12:18:01,53,燃油喷嘴,4、蒸发管式喷嘴5、甩油盘式喷嘴,12:18:01,54,影响喷嘴喷雾特性的因素,1、喷嘴的结构特点2、喷油压降3、燃油物理性质4、喷雾空间中气体介质参数,12:18:01,55,点火装置,点火装置的作用是在启动时向燃烧室提供初始点火炬。当燃烧室主燃区能连续、稳定地燃烧时，点火装置即停止工作。点火设备要位于气体流速较低，油气浓度较合适处，并要能提供足够的能量才能点着。,12:18:01,56,点火装置,电站燃气轮机常用的点火器（1）电火花塞点火器 利用电极高压放电或半导体表面放电，点燃燃料空气混合物。,12:18:01,57,点火装

15、置,电站燃气轮机常用的点火器（2）火焰点火器 用电火花点燃点火燃料（如汽油、煤油、柴油等），形成火炬，喷入燃烧室点燃主喷嘴。这种装置，点火能量大，反应迅速，工作可靠，各种类型燃烧室均可采用。,12:18:01,58,点火装置,由于燃料的物理化学性能是影响点火性能的主要因素，挥发性好的燃料点火容易，所以，燃用重质燃料的燃烧室，点火时先用轻质燃料，着火后再切换成重油。,12:18:01,59,联焰管,在分管和环管燃烧室中装有联焰管，用来传递火焰筒燃烧区之间的火焰，并均衡各火焰筒间的压力。,12:18:01,60,联焰管,传焰管的轴向位置应设置在回流区直径最大的地方，因为这里容易点火。传焰管的直径应

16、足够大，以保证传焰的可靠性，但又不能过分的大，因为贯穿在二股气流中的大尺寸传焰管会在其下游产生强烈的旋涡，影响火焰筒壁面的冷却。分管燃烧室的联焰管伸出燃烧室外套，因此，必须解决好联焰管同外套的密封和联焰管本身的冷却问题。环管燃烧室的联焰管包围在二股气流中，因此结构较简单。,12:18:01,61,燃气收集器,在设计中应保证燃气收集器具有一定的强度和刚度，使能承受热冲击应力和振动负荷而不致开裂。燃气收集器出口流场的均匀性将随收集器如收敛度之增大而得到改善。收敛度的增大虽然可以缩短收集器的长度，但是却会使型面的变化比较剧烈，在热冲击下容易产生较大的内应力。,12:18:01,62,燃气收集器,在分

17、管型和环管型燃烧室中，需要用燃气收集器（又称燃气过渡段）把火焰简出口的圆形截面过渡并转变为透平喷嘴前的扇形截面。,12:18:01,63,燃气收集器,为了提高燃气收集器的工作可靠性，在型面变化剧烈的地方，可以局部地开启一些冷却小孔，使壁面获得冷却保护，并适当减弱一些这个部位的刚度，以消除一部分内应力。,12:18:01,64,燃烧室的型式,联管燃烧室,燃烧室分类,按气流流程,顺流式,逆流式,按布置方式,圆筒燃烧室,单（分）管燃烧室,环型燃烧室,12:18:01,65,燃烧室的型式,单（分）管燃烧室、联管燃烧室、环型燃烧室、圆筒燃烧室,12:18:01,66,燃烧室的型式,顺流式燃烧室,空气自燃

18、烧室的前端流入，燃烧后燃气直接由后端排出，这时压力损失较小。,12:18:01,67,燃烧室的型式,逆流式燃烧室,逆流分管燃烧室通常布置在压气机或透平外围。圆筒型逆流式燃烧室布置在机组上，其形式可为顶立、顶卧、侧立、切向等，机组轴向长度较短，还能使燃烧空气得到火焰筒内燃气的预热，有利于燃烧，但因气流往返而压力损失较大。,12:18:01,68,按燃烧室布置方式分类,1、圆筒型燃烧室 圆筒型燃烧室指一个或两个分置于燃气轮机机组近旁或直接座于机体之上的燃烧室。圆筒形燃烧室在工业燃气轮机中被广泛应用。,12:18:01,69,燃烧室的基本类型,圆筒型燃烧室,12:18:01,70,按燃烧室布置方式分

19、类,1、圆筒型燃烧室 圆筒型燃烧室最大优点是结构简单，机组的全部空气在一个或两个燃烧室中完成燃烧加热过程，装拆容易。由于在工业型机组中空间限制并不很严，燃烧室可以做得大些，因而燃烧过程比较容易组织，燃烧效率高，流阻损失小，还宜于燃用重质燃料。它的缺点是：燃烧热强度低，金属材料消耗量较大，而且难于做全尺寸燃烧室的全参数试验，致使设计和调整比较困难。,12:18:01,71,按燃烧室布置方式分类,ABB公司GT13H2燃气轮机中采用的圆筒形燃烧室采用逆流式布置采用包角旋流器作为一次空气配气机构。在火焰筒上采用了挂片式冷却结构；在混合区采用了两排共16个圆形喷管式燃气混合机构。只要更换燃料供应机构，

20、就可以燃烧液体燃料（包括重油和原油），也可以燃烧天然气。,12:18:01,72,分管型燃烧室,分管型燃烧室一般采用414个并联的分管燃烧室，围绕在压气机和透平之间的主轴四周来布置。,12:18:01,73,分管型燃烧室,分管型燃烧室的主要优点是：燃烧室轴向尺寸减小，结构布置紧凑，燃烧空气可以得到预热。每个燃烧室都可以独立地进行调整试验，燃烧比较容易组织；由于流经燃烧室的空气流量只是整个机组进气总量的1n，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。它的缺点是：流阻损失大，需要用联焰管传焰点火。,12:18:01,74,分管型燃烧室,GE公司的MS9001E燃气轮机上采用的逆

21、流式分管式燃烧室结构的特点：,（1）在该机组上总共装有14个分管型燃烧室，以联焰管相连；（2）采用平面旋流器和两排一次射流孔作为一次空气的配气机构；,12:18:01,75,分管型燃烧室,GE公司的MS9001E燃气轮机上采用的逆流式分管式燃烧室结构的特点：,（3）采用冷却鱼鳞孔来冷却火焰筒壁及其过渡锥顶；（4）在混合区采用四个尺寸较大的射流孔作为燃气混合机构；,12:18:01,76,分管型燃烧室,GE公司的MS9001E燃气轮机上采用的逆流式分管式燃烧室结构的特点：,（5）采用高压空气雾化喷嘴或机械一空气雾化喷嘴分别雾化重油和轻油燃料，以改善雾化质量；（6）这个燃烧室既可以燃烧液体燃料又可

22、以燃烧气体燃料，而且在机组的运行过程中可以任意地自动切换。,12:18:01,77,燃烧室的基本类型,环型燃烧室,12:18:01,78,环型燃烧室,环型燃烧室由于燃烧室间彼此沟通，气流与燃料不容易组织，燃烧性能较难控制，燃气出口温度场受这气流场的影响较大而不易保持稳定，而且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，致使这种燃烧室曾长期末获广泛使用。,12:18:01,79,环型燃烧室,但是，最近投放市场的如Siemens的“3A”系列、Alstom的GT24型、GT26型燃气轮机燃烧室设计一反常态，改用新的环形燃烧室设计。其主要优点是减少了燃烧室表面积（与圆筒式

23、燃烧室比较），进而减少了NOx的排放和提高了热效率。看来，大功率重型燃气轮机的燃烧室设计的发展趋势是环形燃烧室设计取代了圆筒形燃烧室设计。,12:18:01,80,环型燃烧室,Siemens公司的“3A”系列燃气轮机上采用的环型燃烧室HBR（Hybrid Burner Ring）。其特点：,（1）采用双层壳体的结构。（2）该燃烧室的环形燃烧空间是用敷有陶瓷涂层的高温合金钢制成的遮热板组合而成的；（3）环形燃烧室由24个预混式低Nox燃烧器组成，可以燃用天然气和液体燃料。（4）在所有的燃烧室上都有人孔。,12:18:01,81,环型燃烧室,12:18:01,82,环管型燃烧室,环管型燃烧室是一种

24、介于环型和分管型燃烧室之间的过渡性结构型式。结构特点基本上与分管型燃烧室相同。它也有火焰筒，而且每个火焰筒之间也是用联焰管相连的，但是，这些火焰筒被统一地安装在同一个环形内腔中。进入燃烧室的空气就是在这个环形内腔中流动，并通过每个火焰筒上的开孔逐渐进到火焰筒中去的。,12:18:01,83,燃烧室的变工况特性,在燃气轮机的实际运行中，燃烧室会经常在偏离设计工况的条件下工作。那时，流经燃烧室的空气流量、温度、压力、速度以及燃料消耗量都会发生变化，相应地，燃烧室的工作性能，如燃烧效率B、压力损失系数B、壁面温度、出口温度场等，都会发生一定的变化。,12:18:01,84,燃烧室的变工况特性,描述燃

25、烧室性能的指标有：燃烧室效率B压力损失系数B 熄火极限,12:18:01,85,燃烧室的变工况特性,熄火极限富油熄火：小到一定限度后造成的熄火。此时，燃料过浓，空气不足。富油熄火时的过量空气系数叫作“富油熄火极限”，用min表示。贫油熄火：在大到一定程度以后，这时空气供应过量，燃料过少，造成所谓“贫油熄火”。它对应的过量空气系数称之为“贫油熄火极限”，用max表示。,min与max之间差值越大，燃烧的稳定性越好。,12:18:01,86,气体燃料的燃烧技术,在工业上可使用的气体燃料有天然气、炼焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气以及由地下煤层气化而得到的地下煤气等，每一种气体燃料都是由多种气体混合而

26、成的。,12:18:01,87,气体燃料的燃烧技术,气体燃料,高热值煤气热值大于15.07MJ/m3,中热值煤气热值自6.28MJ/m3至15.07MJ/m3,低热值煤气热值小于6.28MJ/m3,12:18:01,88,天然气的燃烧,天然气的主要成分为甲烷（CH4）和乙烷（C2H4）等饱和碳氢化合物。上述各种碳氢化合物在天然气中的含量在90以上，除了碳氢化合物以外，天然气中还有少量的CO2、N2、H2S、SO2、H2、C0等，因此，天然气的发热量很高，一般为3344041800kJ/m3或更高。,12:18:01,89,天然气的燃烧,一般来说，天然气燃料比较容易燃烧，但由于天然气中CH4含量

27、大，燃烧速度较慢，以及密度小等原因，在燃气轮机燃烧室中，天然气的可燃范围比较窄（在1=0.61.6之间可以燃烧）。如果空气与天然气的混合过程组织不当，就有可能出现熄火或火焰脉动等燃烧不稳定现象，燃烧效率也不容易很高，而且当天然气遇到冷空气后，还会发生析炭，致使燃烧室的排气冒黑烟。,12:18:01,90,天然气的燃烧,天然气燃烧方式,预先混合式,扩散燃烧式,12:18:01,91,预先混合式的燃烧方案,预先混合式的燃烧方案就是把天然气与一次空气预先混合后，再供到火焰筒中去燃烧。,12:18:01,92,预先混合式的燃烧方案,这种燃烧方案的特点：（1）燃烧火焰比较短，因而燃烧室的容热强度相当高；

28、（2）燃烧稳定性则比较差，一般在1=2.63.0之间，当115左右时燃烧室就容易熄火；（3）在低负荷工况下燃烧效率有较大幅度的降低。比如当11时，B 9495，但当1增加到2时，B却降至8283。,12:18:01,93,预先混合式的燃烧方案,造成这些特点的主要原因都应归咎于：在燃烧之前天然气与空气已经混合得相当均匀的缘故。因为当它们均匀混合后，在机组负荷降低时，燃烧区的燃料浓度就会普遍地降低，这样，就会导致燃烧区温度全面下降，有时还会使燃料浓度低于天然气的可燃范围。,12:18:01,94,预先混合式的燃烧方案,解决方法：在旋流器的中心部位安装一个值班天然气喷嘴在空气旋流器前面加装一个可以调

29、整一次空气量的调节机构。,12:18:01,95,扩散燃烧式的燃烧方案,扩散燃烧式的燃烧方案就是把天然气与空气分别供入燃烧区，一边混合、一边进行燃烧的方案。主天然气的供给方式是模拟液体燃料的喷射而设计的，这种方式可以使天然气在燃烧空间的浓度分布规律大体与液体燃料的分布规律相似，这样就可使同一个燃烧室在燃用液体燃料或天然气时都能获得良好的燃烧性能。,12:18:01,96,扩散燃烧式的燃烧方案,燃烧方案的特点是：燃料在着火之前需要依靠紊流扰动与氧化剂混合，而混合过程比燃烧过程缓慢得多，因此它的火焰要比预混式的长，但燃烧稳定范围却要宽得多，燃烧效率随负荷降低的程度也不那么严重。在组织这种燃烧过程时

30、必须特别注意一次空气与天然气的配合关系，应防止把过多的天然气喷到缺氧的地段中去，否则就容易出现析炭和冒黑烟现象。,12:18:01,97,扩散燃烧式的燃烧方案,注意：当天然气与空气混合物的容积浓度处在514范围内时，一旦突然点着，就会发生爆炸效应。,12:18:01,98,扩散燃烧式的燃烧方案,解决这个问题的措施：在天然气的供气管路上安装双重阀门，保证机组停运时不使天然气漏到燃烧室中去；在启动过程中必须使机组在点火转速下先通风5min左右，力求把滞留在燃烧室中的天然气吹扫干净，然后才能点火升速，这样就能保证机组安全可靠地运行。,12:18:01,99,低热值气体燃料的燃烧,燃用热值低于天然气的

31、气体燃料，对燃气轮机出力有显著影响。为了提供所需要的热量输入，燃料的热值较低时，就必须加大流量。质量流量的这一增加，不经过压气机加压，却能提高透平轴输出，而压气机的功率基本上不变。,12:18:01,100,低热值气体燃料的燃烧,几个副作用：（1）透平流量增大，将使压气机的压比提高，从而影响压气机喘振限值。（2）较高的透平功率需要更大的发电机和其他附属设备，并可能超过故障力矩限值。（3）燃料体积流量的增大，要加大燃料管道及阀的尺寸（从而增加费用）。低或中等热值的煤气，经常以高温供应，因而其流量进一步增加。（4）较低热值的气体，在供至燃气轮机入口前常含有大量水份，这增加了燃烧物质的导热系数，从而

32、增加透平中的金属温度。（5）随着热值的降低，烧料所需要的空气增多。燃烧温度较高的燃气轮机，燃用低热值的气体将有困难。,12:18:01,101,重油燃料燃烧技术,所谓重油燃料（又称为渣油）是指在原油中提取了沸点低、分子量较轻的汽油、煤，油和柴油后残余下来的重质碳氢化合物。它的特点是分子结构复杂而粘度大，沸点高而挥发性差，同时还含有大量的由硫、铅、钾、钠、镁、钙、铁、钒、锌等元素的化合物组成的灰分。,12:18:01,102,燃气轮机燃用重油时产生的问题,燃烧上的问题结垢问题腐蚀问题,12:18:01,103,燃烧上的问题,由于重油燃料中的重质碳氢化合物的分子结构复杂，粘度大，难以蒸发和醛化成为

33、简单的、便于燃烧的碳氢化合物，因此它要比轻质液体燃料和气体燃料难于燃烧。当重油的燃烧过程组织不当时，火焰容易过长，火焰筒壁温度却会由于辐射换热强度的增大而升高，在机组负荷变动时，则容易出现积炭、积焦，甚至排气冒黑烟等现象。,12:18:01,104,燃烧上的问题,（1）由于雾化不良，重油液滴颗粒过大，因而在低负荷工况下，很容易未经完全燃烧就被带离高温燃烧区，最后以液体状态积存在火焰筒尾部的壁面上，经高温燃气烘烤，而逐渐形成积焦或积炭。（2）由于燃烧区内过量空气系数过大，即燃烧区的温度过低，致使重油燃料来不及充分燃烧而被带走，它同样为火焰筒尾部的积炭提供了条件。（3）由于燃料与空气混合不好，致使

34、重油燃料不能及时地得到新鲜空气的助燃而析炭。（4）由于火焰筒壁温度太低，沾上油滴后，就无法使油滴充分燃烧而逐渐形成积炭。,12:18:01,105,结垢问题,由于重油中含有大量灰分和杂质，当它们被高温燃气带着流过透平时，就会在叶片的表面上逐渐积存起来，使流道通流面积减小。这样就会降低透平的功率和效率。,12:18:01,106,结垢问题,（1）由于燃烧不完全而形成的炭黑和沥青等，与燃料中的灰分混合所形成的结垢。（2）由燃料灰分中的钾、钠、镁等杂质，与燃烧后产生的SO2和S03化合而成的硫酸盐或亚硫酸盐所形成的结垢。（3）由燃料灰分中的钒盐，在温度低于1200的条件下与氧气化合形成的V2O5，以

35、及由V2O5与各种金属氧化物相互作用而形成的复杂化合物。,12:18:01,107,腐蚀问题,积存在透平叶片上的灰分，由于各种复杂的原因，会与叶片的金属元素逐渐起化学或物理作用，使叶片腐蚀损坏，这将严重地影响到机组的寿命和运行可靠性。,12:18:01,108,喷油嘴方面应采取的措施,预热重油燃料，使其粘度下降，为重油雾化提供条件。采用雾化空气喷油嘴，以确保在低负荷工况下，能把重油燃料雾化成为很细的颗粒。在火焰简直径较小的燃烧室中燃用重油时，喷油锥角应取为50 80，否则重油液滴容易甩到火焰筒壁上去形成积炭。重油燃料喷嘴容易磨蚀，因而必须选用优质材料制造,12:18:01,109,燃烧室方面应

36、采取的措施,合理地控制进入燃烧区的空气量，以确保在低负荷工况下，燃烧区的平均温度不低于10501200，而在满负荷工况时1=1.151.20 左右。选择合适的旋流器结构型式，以求获得比较合理的燃烧区温度场的分布特性。应适当地延长油滴在火焰筒中的逗留时间，因而重油燃烧室的容热强度应该取得小一些。增强气流的紊流扰动强度，以提高重油的燃烧速度。重油燃烧室的壁温不宜太低。,12:18:01,110,防止结垢和腐蚀的措施,防止结垢和腐蚀现象的主要措施有两个方面：一是对重油燃料进行必要的处理；二是在重油中加入适量的防腐添加剂。,12:18:01,111,燃烧室的排气污染及其控制,污染物生成机理及消除途径常

37、规的燃烧室低NOx措施干式低NOx（DLN）燃烧室,12:18:01,112,污染物生成机理及消除途径,污染物种类CO的生成UHC(未燃碳氢化合物)的生成NOX的生成烟粒的生成,12:18:01,113,污染物生成机理及消除途径,1.污染物种类:SO2,CO2,CO,UHC,NOX,烟粒,12:18:01,114,污染物生成机理及消除途径,2.CO的生成,供氧不足启动时供油压力低,雾化不良大量冷空气过深地掺入燃烧的气体微团在燃烧室停留时间缩短,12:18:01,115,污染物生成机理及消除途径,3.UHC的生成,UHC：未燃烧的碳氢化合物 高沸点大分子烃在在燃烧室停留时间短,来不及蒸发就排出去

38、,12:18:01,116,污染物生成机理及消除途径,4.NOX的生成 N2 2N N+O2 NO+O N+OH NO+H,生成机理：热力型 快速型 燃料型,12:18:01,117,热力型（高温）,12:18:01,118,快速型（1）燃料型（含氮量）,12:18:01,119,污染物生成机理及消除途径,燃机燃烧室NOx排放量,三种燃料：气、液、固三类机理：热力、快速、燃料三个因素：温度 时间 空气过量系数,12:18:01,120,常规的燃烧室低NOx措施,1向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸汽在高负荷条件下，向扩散燃烧燃烧室的燃烧区按照一定比例注人水或蒸汽，可以降低最高燃烧火焰的

39、温度，有效地抑制NOx的产生量，这是目前一种比较成熟而能有效减少燃气轮机NOx排放的方法。,12:18:01,121,常规的燃烧室低NOx措施,2、在余热锅炉中安装氨选择性催化还原（SCR）,12:18:01,122,常规的燃烧室低NOx措施,3、在燃烧室中采用催化燃烧法 催化燃烧法是在燃烧室中布设催化反应床，使燃料与空气在催化剂表面进行反应，借以燃烧非常稀释的燃料空气的混合物，由于反应（燃烧）温度可以控制得相应较低，从一开始便减少了N0 x的生成量。,12:18:01,123,干式低NOx（DLN）燃烧室,目前，优化燃烧室结构和合理组织燃烧来抑制生成NOx的新途径的研究重点已转向干式低NOx

40、（DLN）燃烧室的研制。这就是摒弃常规燃烧室中的扩散燃烧方式，而改用均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法。,12:18:01,124,干式低NOx（DLN）燃烧室,研究表明，在燃烧过程中N0 x的生成率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。NOx的最高生成率发生在燃料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度的燃烧，那么，就能减少N0 x排放物的生成。,12:18:01,125,干式低NOx（DLN）燃烧室,

41、所谓均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法就是指，把燃料蒸汽（或天然气）与氧化剂（空气）预先混合成为均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧。那时，火焰面的燃烧温度与燃料和空气实时掺混比的数值相对应（不再只是f1的理论燃烧温度了）。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650，这样就能控制NOx的生成。,12:18:01,126,干式低NOx（DLN）燃烧室,为了防止燃烧室熄火，并适应燃气轮机负荷变化范围很广的特点，设计干式低污染燃烧室时，还得采取一些具体措施。,12:18:01,127,GE公司的串联式分级燃烧室,12:18:01,128,GE

42、公司的串联式分级燃烧室,12:18:01,129,GE公司的串联式分级燃烧室,12:18:01,130,Alstom公司的EV燃烧器,12:18:01,131,Siemens公司设计的干式低NOx混合型燃烧器,12:18:01,132,Siemens公司设计的干式低NOx混合型燃烧器,12:18:01,133,Alstom公司的EV燃烧器,12:18:01,134,三菱的变几何燃烧室,12:18:01,135,低污染的燃烧室方案,分级供油、分区燃烧的燃烧室方案,12:18:01,136,低污染的燃烧室方案,可控涡扩压器和预混蒸发型的燃烧室方案,12:18:01,137,燃烧系统技术的新发展和应

43、用,高性能燃烧室的研究与发展先进的设计方法和先进的燃烧诊断技术,12:18:01,138,高性能燃烧室的研究与发展关键技术是火焰筒材料燃烧室结构方面要求燃烧性能好、结构质量轻、冷却用气量少、热疲劳强度高a、双层燃烧室 b、浮壁式燃烧室 c、高温差多孔型燃烧室设计方面实现接近化学恰当比燃烧的燃烧室,12:18:01,139,高性能燃烧室的研究与发展,12:18:01,140,12:18:01,141,先进的设计方法和先进的燃烧诊断技术燃烧室内三维紊流两相流动和燃烧的计算机数值模拟先进的燃烧诊断技术激光多普勒仪（LDV）颗粒图象测速仪（PIV）二维及三维相位多普勒仪（PDPA）反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术,