干货!燃气轮机的燃烧技术

燃气动力市场的驱动力和对未来非碳化系统相关性的追求正在推动燃气轮机燃烧设计方法的根本转变。

燃烧是燃气轮机技术的核心。它的核心功能是通过控制大量燃料和空气的燃烧来增加热量,使燃气轮机将化学能转化为机械能,对于发电的燃气轮机,则是将电能转化为机械能。在概念上,一个燃烧器基本上包括一个燃料喷射器和一个容纳火焰的壁。但事实上远非如此简单,该过程必须实现燃料和可用氧气之间的等效比的微妙平衡;火焰的稳定性;以及支持燃气轮机在整个机器负荷下加速和运行的运行稳定性。

追溯到1930年代,汉斯-冯-奥海因和弗兰克-惠特尔爵士分别在德国和英国的实验室里开发他们的喷气发动机。冯-奥海使因使用氢气作为燃料,所以它的火焰速度高,燃烧范围广,在非设计阶段以及瞬时运行(启动和关闭)时取得了良好的性能,并能够加速他的发动机开发,使其首次用于飞机。另一方面,弗兰克爵士选择使用液体燃料并遇到了困难。

即使在那个时候,不同的设计也使用圆柱形罐和环形燃烧室。那个时代的燃烧器(就结构而言,陆上工业装置中使用的筒仓式燃烧器也可以加入其中)可以以其扩散型火焰结构为特征,他们的名声(可以这么说)是他们的稳定性,因为在广泛的可操作性范围内,火焰前部( ~ 1)的反应接近固定不变。然而,它们的致命弱点是火焰温度高和相应的高氮氧化物(NOx)排放,技术开发人员试图通过注入稀释剂,如水或蒸汽(在发电厂)或氮气(在炼油厂的合成气燃烧装置)来控制这些。这些燃烧器可以很容易地燃烧任何燃料气体,其成分包括高达60%(体积)甚至更高。然而,这种好处是以降低性能为代价的,(源于)以牺牲蒸汽轮机输出和水消耗为代价从底层循环中抢走蒸汽。

燃烧器——也被称为燃烧室或 燃烧器——在燃气轮机中起着至关重要的作用,它接收由压缩系统送入的高压和高温空气,并用注入的燃料燃烧这些空气,以显著提高其温度。然后,燃烧器将灼热的高压气流送入涡轮机部件,在那里,复杂的叶片阵列使发电机旋转以产生动力(以及驱动压缩机将更多的高压空气吸入燃烧器)。

为了实现大量热量释放、燃料变化、压缩机气流和其他物理和操作考虑之间的复杂平衡,燃气轮机燃烧器的配置通常分为三类,尽管各制造商的设计有独特的差异。

2. 环形,或环形燃烧器,环形火焰管被放置在圆柱形的衬垫或外壳内,这种结构在航空发动机以及航空衍生品中被广泛发现。

3. 罐式环形,其特点是在一台燃气轮机上有多个 罐,是大多数美国设计的基础,但它也被三菱动力、西门子能源60-Hz机组、H级和安萨尔多的GT36所采用。

从火焰的角度来看,燃烧系统可分为两类。扩散型火焰,燃料和空气的混合通过扩散进行,需要稀释剂进入反应区以控制氮氧化物。筒仓式燃烧器属于扩散式燃烧器,其特点是体积大,燃烧器位于顶部。但正如约翰·居伦在他的2019年燃气轮机入门手册中解释的那样,现代高效燃气轮机的涡轮进口温度越来越高,排放要求越来越严格,使得筒仓式燃烧器越来越不适合实现均匀的温度曲线。

实现干式低氮氧化物(DLN)技术的预混火焰,涉及在燃料贫乏的条件下将燃料与反应区上游的空气混合,以防止产生氮氧化物的高火焰温度。Gülen说,有三种类型的预混合燃烧:贫-贫;富-贫分阶段;以及贫预混合燃烧。他写道:“分阶段是指在轴向将燃料引入燃烧器。”

在20世纪90年代,GE率先提出了一个突破性的解决方案,试图将火焰结构从扩散式–即燃料未经混合就被注入,仅使用部分可用的空气在最高火焰温度下燃烧——转变为 预混合 火焰,其过程是在燃料和空气进入燃烧器之前进行预混合,以大幅减少氮氧化物排放,并使用空气作为稀释剂来降低燃烧火焰温度。一些原始设备制造商(OEMs)很快就采用了这种 稀薄预混 燃烧工艺,并通过各种商品名称来称呼它。GE和西门子能源称其为干式低氮氧化物(DLN);罗尔斯-罗伊斯公司将其作为干式低排放(DLE)工艺来推广;而太阳能轮机则作为SoLo NOx工艺。

在随后的三十年里,DLN燃烧器经历了几代(例如,从GE的DLN 1到DLN 2.6+),解决了大部分稳定运行问题。然而,在前60%(净LHV)和如今65%的天然气联合循环效率的情况下,随着燃气轮机轮机进口温度(TIT)的增加,这项任务变得更加困难。与DLN技术早期的1,350C-1,400C(老式F级)的TIT相比,我们现在看到的是来自主要OEMs的“先进级”燃气轮机(H-、HA-、HL-或J级,取决于OEM),TIT逼近1,700C。

在GE,研究工作产生了用于E级燃气轮机的DLN-1解决方案,以及用于F级燃气轮机的DLN-2解决方案;后者也被应用于EC级和H级机器。2015年,GE为新的和现有的7F燃气轮机推出了DLN2.6+燃烧系统,2018年,它宣布了一个 柔性 升级解决方案,它将DLN 2.6+燃烧器与轴向燃料分期(AFS)技术相结合。这与早期的平行或径向燃料分级的方法形成了鲜明的对比,这是贫乏预混燃烧的标志。有趣的是,在单个燃烧器中的轴向燃料分期可以是具有顺序(再热)燃烧的燃气轮机的固有特征,例如,前ABB/Alstom(现在被GE和Ansaldo分割)GT24/26燃气轮机。

最近,GE推出的DLN 2.6e燃烧系统–9HA采用了该系统,但其最新机型7HA.03将在明年上线Hz机器。正如 GE 9HA 2.6e DLN 燃烧团队的首席机械部件所有者Dana Jackson 所说,DLN 2.6e 的核心是 重新设计 GE 的燃料喷嘴——在反应区输送燃料和空气的部件——源自与能源部的大批量氢气燃气轮机项目的合作。

GE对能够在高氢燃料上运行的新燃烧系统的开发已经持续了15年以上。DLN 2.6e燃烧器的特点是采用了增材制造的 微混合器,开启了我们将燃料和空气混合在一起的新方式,从而能够在不影响排放的情况下达到更高的燃烧温度。与允许 将近40%的燃料引入第二级 的AFS系统相配,该技术使GE能够 真正在时间和温度方面解决氮氧化物的产生。

燃烧系统的研究和开发一直强调火焰的稳定性和氮氧化物的控制,这主要是由于燃气发电行业在现代电力系统中的新的转型作用,以提供灵活性来支持可再生能源份额的增加。

燃气轮机的间歇性越来越强–它们支持可再生能源,它们有非常积极的启动时间,燃气轮机的循环率非常高,斜坡率也很高,甚至转差也越来越低。此外,客户希望保证机器在去碳化系统中保持相关性和可靠性,他们要求广泛的燃料灵活性,包括氢气等低碳燃料。

西门子的 最先进的 燃烧技术被安置在其最新的机器上,SGT6-9000HL(一个60Hz的版本),去年在北卡罗来纳州丹佛附近的杜克能源公司的林肯燃烧轮机站开始了为期四年的线 Hz的HL燃气轮机送往英国林肯郡的SSE的Keadby电厂,在2022年上线前进行测试和验证。该机器的效率提高来自于将燃烧温度从1500摄氏度提升到远高于1600摄氏度。这需要改变航空设计,包括燃料-空气混合和冷却空气优化,以保持初级区火焰温度低,避免局部热点,以保持低氮氧化物;研究热分布,确保部件真正满足其寿命要求,考虑这些新的斜坡率。

西门子能源的SGT6-9000HL燃气轮机是其HL级框架的一部分,采用先进的罐式燃烧系统,60Hz的燃气轮机有12个预混燃烧器(50Hz的SGT5-9000HL燃气轮机有16个燃烧器),将能量引入涡轮机模块。该系统的设计支持双燃料能力,它允许更高的燃烧温度,以及更多的操作灵活性。

然而,西门子能源继续完善其燃烧技术,主要是为了在2030年前实现100%的氢气燃烧,这是EUTurbines(欧洲行业协会,包括其他几个燃气轮机制造巨头,包括Ansaldo Energia、MAN Energy Solutions和)制定的承诺的一部分。到目前为止,该公司已经利用其几十年来在不间断扩散火焰、湿式低排放和干式低排放(DLE)燃烧技术方面获得的关键经验。

一个关键的障碍是,在绝热和随机条件下,氢气的火焰温度比甲烷的火焰温度高近300C(572F)。更复杂的是,虽然氢气的层状火焰速度是甲烷的三倍以上,但氢气的自燃延迟时间却比甲烷低三倍以上。西门子能源现在正努力在控制高活性燃料的火焰和保持燃烧系统的完整性之间取得微妙的平衡,同时试图达到理想的排放水平。

Ansaldo Energia说燃烧技术的最终目标是实现高效、灵活、超低排放的燃气轮机,这将是应对全球可靠能源生产挑战和最大限度减少环境影响的关键的电力部门。我们看到了扩大燃气轮机燃料灵活性以结合绿色燃料,特别是氢气和氨气的强劲趋势。

值得注意的是,在顺序燃烧发动机中,第二个燃烧室也可以关闭,允许发动机在非常低的负载下停止,而不会影响排放。在可再生能源满足能源需求的时代,这是一个优势。在这种情况下,燃气轮机可以以非常低的运行成本运行。在需要时,它可以快速响应并迅速提供电力,而无需启动程序。

同样,三菱动力的 M501JAC 燃气轮机模型集成了预混合燃烧器技术,以解决回火(回火)、燃烧压力波动和 NOx排放问题,而 J 系列模型已经能够燃烧天然气和高达它说,30% 的氢气。为了达到 100% 的氢气能力,技术开发人员现在正在探索一种“多簇”燃烧器技术,通过升级的燃料输送喷嘴设计实现氢气和空气的有效混合。

Mitsubishi Power Americas 首席执行官 Paul Browning 在 2 月份告诉 POWER ,该公司的目标是到 2025 年开发 100% 氢气燃烧技术。他们从我们这里购买的任何燃气轮机不仅能够在今天使用 30% 的氢气,而且在未来将能够使用 100% 的氢气,”布朗宁说。

然而,与此同时,三菱电力也在开发一种 40 兆瓦的氨气燃气轮机,目标是在 2025 年前后实现商业化。由于氨的燃烧速度较低,因此需要更大的燃烧室,而且由于氨中含有氮,任何使用它说,它作为一种燃料需要解决它产生的“燃料 NO x ”。该公司已经探索过通过两级燃烧来 降低 NOx ,但它表示更大的燃气轮机会带来“许多技术问题,例如燃烧室的大型化和复杂化”。

从工业燃气轮机的角度来看,MAN 燃烧技术优先级扩展到燃料灵活性,特别是氢和高级碳氢化合物。后者通常存在于压裂气和页岩气中。在同一个项目中,还致力于开发一种低排放的预混燃烧器,它将能够以超低的 NOx 排放量燃烧 100% 的氢气。

MAN 的旗舰技术是先进的罐式燃烧 (ACC) 系统,该系统采用先进的稀薄预混技术来降低主反应区的峰值火焰温度。“基本目标是在宽负载和环境温度范围内实现最大的燃料灵活性和极低的排放,”它说。该公司指出,它最近为其 MGT 燃气轮机生产线引入了双燃料能力——已经可以燃烧 20% 的天然气中的氢气——以允许使用液体燃料作为备用燃料。“在天然气短缺的情况下,这种能力提高了电力生产的可靠性,”它说。

较小的原始设备制造商也在推进燃烧技术方面取得了重大进展。一个值得注意的例子来自日本科技集团川崎重工 (KHI) 与德国亚琛的工程 B&B-AGEMA 之间的合作,以改进亚琛应用科技大学在 1980 年代开发的微混合燃烧技术。正如 B&B-AGEMA 的 Jens Dickhoff 所说,这项专利技术依赖于多个微型扩散火焰,同时防止回火并抑制 NO x的产生。

2020 年 7 月,在日本新能源和工业技术开发组织 (NEDO) 的支持下,KHI 宣布在日本神户港成功演示了在商业运行条件下的 DLE、100% 氢燃料燃气轮机。燃气轮机燃烧器的验证计划于 2021 年 2 月结束,该燃烧器是由 Obayashi Corp. 开发的创新 1.1 兆瓦(2.8 兆瓦)热电联产系统的一部分,该系统集成了热回收蒸汽发生器。

虽然更严格的排放要求促使OEM了解火焰稳定性、排放、湍流燃烧和燃烧化学,但最近,对提高燃气轮机技术效率的更大兴趣推动了研究和开发,以了解在日益严峻的压力和温度下的这些问题。对近似恒定体积燃烧的循环,例如脉冲爆震或旋转爆震发动机的兴趣正在增长。这激发了在爆轰极限、爆震波动力学以及从爆燃(其中燃烧以亚音速传播)到爆轰(其中燃烧以超音速传播)的过渡方面的工作。

作为当前燃气轮机技术基础的传统布雷顿循环基于(理想的)恒压加热过程。在实践中,这是在压力损失相对较小的燃烧器中完成的,例如 5-6%,Gülen 在 4 月解释道。然而,还有另一个理想的循环,它在热效率方面优于布雷顿循环,其中热量的添加量是恒定的。在此过程中,循环加热(即实际硬件中的燃烧)导致温度和压力升高。因此,无需压缩机的高附加功耗(在布雷顿循环中运行的传统燃气轮机中消耗了近 50% 的涡轮输出),就可以实现较高的涡轮入口温度和压力。

葛兰称之为“压力增益燃烧”的燃气轮机循环和燃烧技术的下一个前沿领域目前依赖于爆震燃烧,尽管它是解决这个棘手(且非常复杂)的工程问题的不完美解决方案。

然而,它的实际实施仍然是在未来。尽管如此,对于陆基发电燃气轮机,通过 PDC 或 RDC 的压力增益燃烧提供了一个机会在不将TIT推到非常高的水平的情况下,将联合循环效率(实际上)提高两个百分点。此外,在飞机有限的空间内,与所有伴随的重量、尺寸、振动等问题的持续爆炸装置相关的许多实际困难和风险在陆基机器中更容易克服。

在短期内,原始设备制造商将重点放在简化组件性能上。在推动燃气轮机系统效率超过 64%”的 GE 公司,增材制造,包括通过直接金属激光熔化(DMLM) 打印零件,使其能够生产出一些我们真正无法做到的燃烧结构过去是不可能的。在过去的五年中,我们在燃烧系统中加入了更多的添加剂制造部件,而我们现在的 DLN2.6e 是我们拥有最多的部件。

与此同时,Intile 表示GE凭借其 DLN2.6e 处于其技术 S 曲线的开端,我们现在面临的真正挑战是材料系统。因为GE的排放能力基本上超越了其材料能力,我们现在正在投资研发、燃烧系统内的新涂层和新材料,以便我们能够赶上排放能力。

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