F級重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器天然氣摻氫全壓試驗(yàn)研究

崔耀欣，劉曉佩，陳明敏

(上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司,上海 200240)

“碳中和”作為一種新型環(huán)保形式，能夠推動綠色的生活、生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)全社會綠色發(fā)展，全球各個(gè)國家已相繼宣布相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略。2020年9月，在第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國首次正式提出將力爭于2030年前達(dá)到碳排放峰值，爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是迄今為止各國中做出的最大程度減少全球變暖預(yù)期的氣候承諾。

實(shí)現(xiàn)碳中和的方法主要有兩種：一是通過特殊方式去除溫室氣體；二是使用可再生能源減少碳排放[1]。氫能具有來源廣、熱值高、零碳排放等優(yōu)勢，成為全球最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗S多國家與地區(qū)都將氫能作為戰(zhàn)略性能源發(fā)展。2017年12月，日本公布了“基本氫能戰(zhàn)略”，主要實(shí)現(xiàn)氫能與其他燃料的成本平價(jià)，建設(shè)加氫站及天然氣發(fā)電等[2]；2020年6月，德國宣布一項(xiàng)為期十年、價(jià)值90億歐元的綠色氫能計(jì)劃；法國也開始著手氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展，計(jì)劃在未來兩年內(nèi)投資20億歐元，目標(biāo)是到2023年在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)10%的脫碳?xì)?，?028年達(dá)到20%至40%[3]。我國氫能源發(fā)展起步相對較晚，《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展路線圖》中提出：到2020年，我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展將取得重大突破，其中，以能源形式利用的氫氣產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)到720億m3。

在氫能源工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)是“全球使用可再生能源在2050年實(shí)現(xiàn)無碳-氫能社會”的關(guān)鍵因素之一。歐盟正在資助一個(gè)為期4年的項(xiàng)目，旨在開發(fā)出世界上首臺配套先進(jìn)燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)的“動力到氫能，再到動力”的工業(yè)演示器[3]；日本三菱電力公司于2020年9月推出了標(biāo)準(zhǔn)化的“氫存儲和網(wǎng)絡(luò)集成解決方案”；GE燃?xì)獍l(fā)電公司宣布在美國長嶺能源碼頭部署7HA.02機(jī)組，規(guī)劃最初可燃燒15%～20%氫氣(體積比)，并具有隨時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)?00%燃?xì)涞哪芰4]。

氫氣的燃燒特性參數(shù)值與天然氣有明顯不同。與天然氣相比，氫氣最小點(diǎn)火能量小，發(fā)熱量高，氣體的擴(kuò)散系數(shù)高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，可進(jìn)行燃燒的濃度范圍廣，火焰溫度高[5-7]。因此傳統(tǒng)運(yùn)行模式下的天然氣燃燒器將不再適用于燃燒含氫氣體，需要進(jìn)行氣動、結(jié)構(gòu)、控制等一系列優(yōu)化改進(jìn)。

燃料組分的變化會導(dǎo)致其化學(xué)和熱物理性質(zhì)的改變，這些性質(zhì)的改變會影響絕熱火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間等火焰性質(zhì)。而這些火焰性質(zhì)的改變進(jìn)一步將會影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行，如熱聲振蕩、回火、吹熄以及排放等問題[8-10]。

根據(jù)熱聲振蕩的時(shí)間延遲模型，影響熱聲振蕩的關(guān)鍵參數(shù)即壓力脈動和熱釋放之間的相位關(guān)系受火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀剂辖M分發(fā)生變化時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣劝l(fā)生變化，進(jìn)而改變壓力脈動和熱釋放之間的相位關(guān)系[11]。根據(jù)Lieuwen[12]基于熱聲振蕩的機(jī)理推導(dǎo)出的熱釋放率方程，熱釋放受反應(yīng)物密度、消耗速率、質(zhì)量熱釋放及火焰面積的影響。當(dāng)燃料組分改變時(shí)以上因素均會受影響，最終導(dǎo)致熱釋放率的變化。根據(jù)Lieuwen[13]推導(dǎo)的時(shí)間延遲模型，對流時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間影響熱釋放和壓力脈動之間的相位關(guān)系，當(dāng)燃料組分變化時(shí)，火焰速度和火焰質(zhì)心均會受影響，從而影響對流時(shí)間；同時(shí)，由于反應(yīng)物化學(xué)及熱物理性質(zhì)的變化，其化學(xué)特征時(shí)間會發(fā)生變化。對流時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間的變化會影響熱釋放和壓力脈動之間的相位關(guān)系，這種變化會使得燃燒從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到不穩(wěn)定狀態(tài)，或者從不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)，也可能使振蕩強(qiáng)度增強(qiáng)或者減弱。

目前采用注入氮?dú)饣蛩魵庾鳛橄♂寗┙档蚇Ox的排放[14-15]，該方式僅能將NOx排放降至30～50 mg/m3的水平，且稀釋劑會導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定等問題。采用無稀釋預(yù)混燃燒方式燃燒富氫燃料依然是重要研發(fā)目標(biāo)。但該技術(shù)面臨的主要問題是由熱聲振蕩、自點(diǎn)燃、回火等造成的燃燒不穩(wěn)定問題，尤其是回火，不僅會顯著增加NOx的排放還會帶來安全隱患。而氫氣由于其低密度、高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、寬可燃極限等燃燒特性，使得氫燃料燃燒室的回火問題尤為嚴(yán)重，阻礙了氫燃料旋流貧預(yù)混燃燒技術(shù)的發(fā)展[16]。上海電氣針對F級重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器開展燃?xì)溥m應(yīng)性升級開發(fā)，并通過試驗(yàn)的方法對該燃燒器在全溫、全壓、全流量試驗(yàn)條件下對高氫燃料的適應(yīng)性進(jìn)行性能評估。

1 燃燒器結(jié)構(gòu)介紹

試驗(yàn)中采用的燃燒器為兩級旋流器，如圖1所示，中間級為軸向旋流器，少量空氣和燃料由此進(jìn)入，中間級火焰的主要作用是穩(wěn)定燃燒。軸向旋流器外為斜向旋流器，燃料的噴射方式為葉片開孔，燃料從葉片噴孔噴出，與來流空氣進(jìn)行摻混。絕大部分的燃料和空氣由斜向旋流器進(jìn)入。

圖1 F級重型燃?xì)廨啓C(jī)混合燃燒器

2 試驗(yàn)臺介紹

本次試驗(yàn)在位于意大利托斯卡納地區(qū)的SESTA Lab進(jìn)行，該試驗(yàn)臺是全球頂尖燃燒全壓試驗(yàn)臺之一。試驗(yàn)臺的空氣流量可達(dá)50 kg/s，壓力可達(dá)2 300 kPa，溫度可達(dá)520 ℃，天然氣流量可達(dá)1.5 kg/s。同時(shí)，試驗(yàn)臺還可提供氫氣、一氧化碳等特種燃料。

燃燒試驗(yàn)段采用全溫、全壓、全流量單燃燒器設(shè)計(jì)，依據(jù)實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行曲線設(shè)定試驗(yàn)工況。試驗(yàn)段本體結(jié)構(gòu)及與管路連接安裝如圖2、圖3和圖4所示。試驗(yàn)段本體采用雙層缸設(shè)計(jì)，內(nèi)缸為主要燃燒區(qū)域，其內(nèi)側(cè)布置有陶瓷瓦塊用于熱防護(hù)，外側(cè)有冷卻通道用于冷卻金屬壁面及瓦塊支撐,外缸為主要承壓部件，用于引流燃燒室入口的高溫高壓空氣，雙缸夾層通有冷卻空氣。下游的排氣缸對燃燒排出的氣體進(jìn)行冷卻。

圖2 單燃燒器試驗(yàn)段模型示意圖

圖3 試驗(yàn)臺前端

圖4 試驗(yàn)臺布置

試驗(yàn)過程中為了監(jiān)測近壁面燃?xì)鉁囟群蛢?nèi)缸金屬壁溫，沿內(nèi)缸軸向布置若干熱電偶，且沿周向布置有兩排熱電偶，兩排熱電偶呈180°。同時(shí)，沿內(nèi)缸軸向布置有壓力測點(diǎn)，用于分析試驗(yàn)過程中的壓力分布、壓差變化、火焰轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。在燃燒振蕩監(jiān)測方面，沿火焰筒軸向和周向均布置有動態(tài)壓力傳感器，同時(shí)在火焰筒前段布置有加速度傳感器。

結(jié)合氫氣的特性，天然氣摻入氫氣會使回火的風(fēng)險(xiǎn)提高，為了判斷回火及安全監(jiān)測，在斜向旋流器的出口沿周向布置四根熱電偶監(jiān)測溫度，在軸向旋流器的出口沿周向布置兩根熱電偶，如圖 5所示。試驗(yàn)中若出現(xiàn)熱電偶溫度急速升高，則緊急切斷燃料，避免燃燒器被損壞，出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

圖5 燃燒器出口熱電偶

試驗(yàn)過程中，溫度數(shù)據(jù)由GE90-70PLC進(jìn)行采集，靜態(tài)壓力通過接入PSI公司的9116型壓力掃描閥直接測量，動態(tài)壓力采用Kistler公司的6021A型傳感器進(jìn)行測量，燃燒后的煙氣成分通過西門子Ultramat23進(jìn)行分析，最終所有的數(shù)據(jù)通過SCADA系統(tǒng)進(jìn)行顯示與記錄。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行曲線，計(jì)算單個(gè)燃燒器的輸入?yún)?shù)，最終確定試驗(yàn)所用的工況表。該燃燒器試驗(yàn)的基本負(fù)荷主要參數(shù)如表1所示。

表1 全壓試驗(yàn)基本負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)過程中采用天然氣點(diǎn)火，按照工況表升至全轉(zhuǎn)速空載后開始加入氫氣。試驗(yàn)過程中所采用的燃料為天然氣和氫氣按體積比混合后的燃料，下文中所提到的氫含量均為體積分?jǐn)?shù)。由于試驗(yàn)過程中燃料量較大，氫氣和天然氣比例穩(wěn)定調(diào)節(jié)需要時(shí)間較長，故在試驗(yàn)過程中先對10%氫含量進(jìn)行測試，測試過程中按照工況表升至基本負(fù)荷。完成10%氫含量的測試后，將氫氣比例切換到20%，按照相同的試驗(yàn)流程進(jìn)行20%氫含量的測試。

試驗(yàn)過程中重點(diǎn)關(guān)注了氫含量對排放、燃燒器出口溫度、以及嗡鳴和振蕩等性能的影響。

氫含量對排放的影響如圖 6所示。其中BL表示基本負(fù)荷，85%BL表示85%負(fù)荷。在測試的負(fù)荷段內(nèi)，在天然氣中加入10%～20%的氫氣均可使NOx排放維持在50 mg/m3以內(nèi)，同時(shí)在75%負(fù)荷到100%負(fù)荷段可實(shí)現(xiàn)低于30 mg/m3的排放。

圖6 氫含量對排放的影響

對于10%氫含量和20%氫含量，在所測試的大部分負(fù)荷段，其排放差別不大。在45%負(fù)荷和50%負(fù)荷，兩者的排放出現(xiàn)明顯差別。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是此負(fù)荷段處在火焰轉(zhuǎn)換附近，火焰處在一個(gè)相對不穩(wěn)定的狀態(tài)，氫含量的影響比較明顯，導(dǎo)致排放出現(xiàn)變化。

氫氣相比于天然氣，其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，這一特性使燃燒過程中回火風(fēng)險(xiǎn)提高，本文中通過監(jiān)測燃燒器的出口溫度判斷回火的風(fēng)險(xiǎn)。本文中共監(jiān)測6個(gè)不同位置的溫度。其中：2個(gè)位于軸向旋流器出口，分別位于12點(diǎn)和6點(diǎn)方向，T_axial1表示位于12點(diǎn)方向熱電偶的溫度，T_axial2表示位于6點(diǎn)方向位置熱電偶的溫度；4個(gè)位于斜向旋流器出口，周向位置分別位于12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)方向，T_burner1、T_burner2、T_burner3和T_burner4分別為12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)方向的熱電偶溫度。氫含量對不同位置溫度的影響如圖 7和圖8所示。其中，所測量的溫度以軸向旋流器出口溫度T_axial1在氫含量為10%且25%負(fù)荷時(shí)的溫度為參考溫度進(jìn)行歸一化處理。

圖8為氫含量對斜向旋流器出口溫度的影響，其影響趨勢與軸向旋流器的影響趨勢一致。在所測試的負(fù)荷段內(nèi)，氫含量的變化對燃燒器出口溫度的影響較小，斜向旋流器出口的溫度主要隨負(fù)荷的升高而升高。綜合氫含量對軸向旋流器和斜向旋流器出口溫度的影響，氫含量從10%增加到20%，溫度未出現(xiàn)明顯的升高，未發(fā)生回火。

(a)T_axial1溫度變化

(a)T_burner1溫度變化

試驗(yàn)過程中為了監(jiān)測氫氣的加入，燃燒熱聲嗡鳴對試驗(yàn)段整體振動的影響，在燃燒筒前端布置了加速度傳感器。試驗(yàn)過程中加速度幅值的變化如圖 9所示，可見全負(fù)荷段加速度值均小于1 g。在25%到50%負(fù)荷范圍內(nèi)，氫含量的增加有利于穩(wěn)定性。隨著負(fù)荷升高，10%氫含量的加速度幅值先降后升，20%氫含量時(shí)的加速度幅值隨負(fù)荷的變化，逐漸升高。因此在高負(fù)荷段，增加氫含量不利于燃燒穩(wěn)定性。

圖9 氫含量對熱聲振蕩特性的影響

4 結(jié)論

本文對F級重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器進(jìn)行了全溫、全壓、全流量天然氣摻氫燃燒試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注了氫含量對排放、回火及穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

1)氫含量在10%到20%范圍內(nèi)時(shí)，氫含量的變化對NOx排放的影響較小，在75%～100%負(fù)荷間，NOx排放可以控制在30 mg/m3以內(nèi)；

2)氫含量從10%增加到20%，在各個(gè)負(fù)荷下，燃燒器均未出現(xiàn)回火現(xiàn)象；

3)氫含量對燃燒穩(wěn)定性的影響與負(fù)荷段有關(guān)，未發(fā)生燃燒振蕩。

綜合以上，F(xiàn)級重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器在全溫、全壓試驗(yàn)條件下，加入20%以內(nèi)氫含量，可滿足排放、回火及穩(wěn)定性的要求。