合成氣燃燒室

合成氣燃燒室是熱-功轉換類發電設備燃氣輪機的重要組成部分。合成氣燃燒室的燃燒不穩定阻礙著超低NOx燃燒技術套用於IGCC，這直接影響了IGCC性能的提高，所以，減少合成氣燃燒室的燃燒不穩定是提高IGCC性能的關鍵技術。

基本介紹

• 中文名：合成氣燃燒室
• 外文名：Synthesis gas combustion chamber
• 學科：熱力學
• 領域：熱功轉換髮電
• 燃料類型：煤基合成氣
• 技術要點：減少合成氣燃燒室的燃燒不穩定

結構設計

燃氣輪機燃燒室以富氫合成氣為燃料，採用單管式結構設計。部分燃料與空氣在徑向旋流器預混後進入燃燒室燃燒，達到燃燒迅速、穩定，並且能夠控制燃燒區溫度，降低熱力型NO的排放。剩餘燃料通過擴散作用和點火空氣在燃燒室頭部形成火炬，起到順利點火以及穩定火焰的作用;燃料在火焰筒內經二次風的補燃完全燃燒，在摻混空氣摻混降溫後進入渦輪做功;燃燒室採用逆向進氣，通過來流空氣與火焰筒壁面的對流換熱來達到冷卻目的，不再對火焰筒的壁面添加冷卻措施。整個燃燒室的設計如圖。

燃燒室設計

噴嘴設計

到目前研究為止，燃燒室的噴嘴設計探究有兩種，即：單噴嘴和多噴嘴。不管是單噴嘴還是多噴嘴燃燒室，在相同工況和燃料情況下，動態壓力振盪幅值不超過壓力均值的5%，屬於典型的燃燒噪聲，沒有產生強烈的熱聲振盪，所有的燃燒過程都很穩定，說明噴嘴的設計是合理的。多噴嘴燃燒室在相似工況下動態壓力幅值比單噴嘴燃燒室要小一半以上，功率譜曲線相對平滑，說明多噴嘴燃燒室確實能降低燃燒噪聲。單噴嘴和多噴嘴在某些工況都出現了極低頻壓力振盪(10 Hz以下)，且振盪功率相對較大，可能會產生較大的危害，需要進一步研究其產生的機理和抑制方法。中壓實驗基本不能反映整機的動態特性。要控制現場燃氣輪機的動態特性，從實驗上看還需要進一步的全壓全尺寸的測試。

進氣口分布

燃燒室進氣口分布如圖所示，採用值班燃氣穩定燃燒，進氣方式採用旋流噴嘴進氣，強化氣流擾動及高溫煙氣回流以強化燃燒。在火焰管前半部分設有二次風進口，調節火焰管內氣動結構以增大氣流擾動、保證過量空氣係數和保證燃料充分燃燒，同時實現對燃燒室壁的冷卻。在火焰管後部有摻混冷卻孔，保證進入透平做功的高溫燃氣溫度在允許的安全範圍內。

燃燒室結構

燃燒不穩定研究

不穩定描述

燃燒室出現燃燒振盪時，人們通常根據其響度的大小和聲調的高低，運用不同程度的“擬聲詞”感性地描述燃燒不穩定現象。例如，某些燃氣輪機公司不區分頻率，對燃燒室內可聽見的聲學振盪全部用rumble(低沉的隆隆聲)描述;另一些公司對起動或慢車狀態下出現的頻率為50~180Hz的聲學振盪，用rumble或growl描述，而對高速怠速狀態下出現的較高頻率的聲學振盪，用howl或humming(猛烈的嗡嗡聲)描述。有些學者也用chugging(間歇性燃燒)、buzz(嗡嗡聲)和Screaming(或whistling嘯聲)分別描述低頻、中頻和高頻的燃燒不穩定。因為這種描述方法具有很強的主觀性，目前燃燒不穩定現象的描述還沒有規範統一的術語。眾所周知，燃燒不穩定受到燃料種類、燃料一空氣當量比、噴嘴結構和安裝位置、燃燒室幾何、燃燒室溫度和壓力等參數的影響，因此在每個燃燒系統中所表現的特徵都不同。為了更深入地認識和研究燃燒不穩定的機理，學者們還是將這些不同燃燒系統中具有特殊性的燃燒不穩定進行了歸類。

根據壓力振盪關聯燃燒系統部件的多寡，定義了三種主要類型:固有燃燒不穩定、燃燒室腔體不穩定和燃燒系統不穩定。

固有燃燒不穩定主要指化學動力學不穩定、熱擴散不穩定或水力學不穩定。前面闡述的開放空間的燃燒噪聲，可能主要是固有燃燒不穩定的貢獻;後面討論的聲波、渦和火焰面相互作用也主要影響的是固有燃燒不穩定。

燃燒室腔體不穩定是指在燃燒室內燃燒熱釋放波動導致的壓力振盪，且該熱致發聲過程未波及燃燒室以外的部件。固有燃燒不穩定可能是燃燒室腔體不穩定的誘導因素之一。

燃燒系統不穩定是指在燃燒室內燃燒熱釋放波動與壓力振盪的相互作用受到系統其它部分的影響，包括壓氣機排氣系統、燃料供應系統和燃燒室排氣系統(即透平進口導葉)。在許多實際的燃燒系統中，包括稀態預混(LPM)燃氣輪機中，主要出現的是燃燒室腔體不穩定和燃燒系統不穩定。

不穩定機理

燃燒室中策動燃燒不穩定的幾個主要機理如下:水力學不穩定(即流動不穩定)、當量比波動、聲-火焰面相互作用和燃燒產生物“熱斑”(即嫡波)。

(1)水力學不穩定

流體的水力學不穩定(即流動不穩定或渦-火焰相互作用)對燃燒熱釋放的影響在許多文獻都有研究。衝壓發動機dump型燃燒室內，流動在強烈的剪下作用下經常形成大尺度相似(相干)的結構或渦。所謂dump型燃燒室，其特徵是未燃氣體在燃燒室入口存在突擴流動、火焰利用後台階或鈍體等結構產生的回流區穩定。上世紀50年代，Kashan, Rogers和Marble等學者指出渦脫落可能是一種策動燃燒不穩定的機理。

(2)當量比波動

近幾年越來越多的研究者認識到當量比波動在燃燒不穩定中的重要作用，普遍認為當量比波動是影響火焰熱釋放和火焰速度的主要因素之一。

許多人首先研究了預混燃燒室中當量比波動的產生機理和輸運規律。文獻指出當量比不均勻性或波動的產生機理主要有兩種:一是，燃料和空氣的預混空間和預混時間有限，導致兩者在進入火焰前沿之前未能充分預混;二是，預混器或燃料注入位置的壓力波動改變了燃料和空氣的注入條件，導致兩者質量流量不同比例的波動。

(3)聲-火焰面相互作用

許多學者為研究火焰面和壓力振盪(或流動擾動)的直接耦合付出了很多努力。Mason和Chu都是較早研究聲波在平面火焰上透射和反射問題的學者。理想的平面火焰通常在實際中不存在，層流火焰在固有火焰不穩定的作用下產生皺褶或不穩定，導致火焰前沿面積的增加或自湍流燃燒。

(4)嫡波

嫡波是指流體的某些局部偏離均嫡狀態後以平均流速流動的物理現象。在燃燒室中，嫡波是指已燃氣中出現的規律性“熱斑”( hot spots)隨主流流動的物理現象，它起源於燃燒熱釋放的波動或氣體質量流量的波動。嫡波作為物質波，在本質上是以燃燒室主流速度傳播的周期性溫度波(或密度波)。嫡波經過通流面積突縮的裝置(如噴嘴或透平導葉等)時，形成向上下游傳播的壓力波，從而影響燃燒室的穩定性。另有文獻指出，嫡波存在時氣流溫度和氣流密度的不均勻都會影響聲波的傳播，二者之間的相互作用也將影響燃燒室的穩定性。