燃气轮机合成气燃烧室燃料气加湿实验研究

第29卷第1期工程热物理学报Vol 29. No. 12008年1月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJan.2008燃气轮机合成气燃烧室燃料气加湿实验研究雷宇12房爱兵12徐纲1聂超群1黄伟光1(1.中国科学院工程热物理研究所,北京100080;,2.中国科学院研究生院,北京100080)擁要本文针对一种燃用合成气的40MW级燃气轮机燃烧室,进行了该型燃烧室的全压燃料气蒸汽加湿试验研究得到了燃烧室在基本负荷下随加湿量变化污染物排放、燃烧室内动态压力、火焰筒壁面温度等重要参数的变化规律,分析了燃料气加湿对燃气轮机总体性能、污染物排放、火焰筒壁温及燃烧稳定性方面的影响,探讨了燃料气加湿对合成气燃烧中NOx生成的机理性作用,研究表明燃料气加湿是降低燃用合成气的燃气轮机氮氧化物排放的有效方式关键词燃气轮机;合成气燃烧室;燃料气加湿;NOx排放中图分类号:TM61124文献标识码;A文章编号0253231X(2008)01-016104EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE EFFECTSOF FUEL DILUTION WITH STEAM OF ON AGAS TURBINE FIRING SYNGASLEI YU I, 2 FANG Ai-Bing, 2 XU Gang! NIE Chao-Qun HUANG Wei-Guang I(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China)Abstract This paper describes the study focusing on the influence about steam dilution of fuel forreducing the NOr emission. Experimental investigations are conducted on a 40 M gas turbine firedwith syngas. The pollutant emissions, combustor dynamic pressure, metal temperature distribution ofliner and combustion efficiency are measured and analyzed at the base load of gas turbine with differentsteam injection rate to fuel flow for further understandings about NO formation characteristics insteam diluted syngas and its influence on gas turbine performance. The investigation of this paperswork shows that steam dilution is an effective method for NO emission control in practical gas turbinecombustion systems fired with syngas.Key words gas turbine combustor; syngas; fuel dilution with steam; NOr emission1引言以往这方面的技术研究多集中于以天然气和重油为随着整体煤气化燃气-蒸汽联合循环(GCC)燃料的燃气轮机机组中,通过向燃烧室中喷射水或和煤炭联产技术的发展以煤气化过程中产生的合成水蒸汽,在保证机组稳定运行的前提下,最多可获气为燃料的燃气轮机获得了越来越广泛的应用.尽得降低70%NO2排放的效果国. Lupandin2和管合成气作为一种清洁燃料具有几乎不产生SOx、 blevins等针对扩散火焰和预混火焰的加湿燃烧进粉尘、废弃物污染的优良特性,但如何通过合适的行了研究,发现加湿量对NO2和CO排放有显著的手段控制和降低燃烧过程中产生的NOx,使其满足影响. Touchton进行了直接喷射水到燃烧室中的环保法规的要求,仍然是一个不可回避的问题研究,发现过量的喷水会造成燃烧不稳定并降低燃向扩散型燃烧室中喷射水或蒸汽来降低NO=排烧室热效率.Li比较了N2、H2O、CO2和Ar稀放是一种得到广泛应用的燃气轮机污染控制手段释对甲中国煤化工句,认为H2O稀收稿日期:20061201;修订日期:2007-11-27CNMHG作者简介雷宇(1972-)男,湖北宜昌人,助理研究员,博士研究生,主要从事气相燃烧方面的研究工作工程热物理学报29卷释是其中最有效的NOx减排手段分布.样本气体在除湿器内简单的除湿后,流经伴针对合成气的加湿燃烧研究近年来日益受到重热管线进入分析仪,伴热管线恒温保持在150°C,视.Aen等研究了CO/H2O/N2混合物的氧化反排气分析装置使用 MRU VarioLus增强型烟气分析应机理. Charlston-Goch(等利用激光诱导荧光技仪进行测量.该仪器在试验前后均按GB/T183451术(LI)进行了预混合成气火焰中的Nox生成机理2001要求用标准气样进行了现场标定与校核.可测研究. Daniel 8A5H针对合成气扩散对冲火焰进行了量排气中的NO=、CO、UHC、COz及O2等排N2、H2O和CO2稀释降低NO2的数值计算比较,气组分浓度,火焰筒壁面上布置了50支K型热电认为H2O稀释仍是降低合成气燃烧NO2排放的最偶,用来监测火焰筒的壁面温度.一支 Kulite动态有效手段,其原因在于水蒸气的较大比热以及其对压力传感器布置在火焰筒的联焰管处,用来测量燃反应中间产物CH根的降低作用. Tomczyk等在烧室内的压力振荡,监测燃烧过程的稳定性.燃烧室燃气轮机全压实验台上进行了向天然气燃料中掺烧内压力振荡的特征频率一般在几十至二三百赫兹的不同比例氢气模拟合成气的燃气轮机性能试验,并范围内,而此动态压力传感器的频响在100kHz以监测了火焰筒壁温、燃烧室动态压力和NO=排放特上,能够满足测量的需要性,发现由于氢气的加入将显著增加NO2的排放目前关于合成气燃气轮机的全压燃料气加湿试验结果还鲜有报道,由于实型机组的全压实验能够直接考评燃料气加湿对机组性能、污染物排放、燃烧稳燃烧室冂1进气阀站定性等方面的影响,因而能更加全面地反映燃料气顶萄透平脱硫后甲醇加湿用加湿对降低燃气轮机NO排放的作用,并对一体化合成气弛放气蒸汽快速截止阀的湿化合成气喷嘴设计提供帮助加热用本文针对一种燃用合成气的燃气轮机燃烧室,进蒸汽行了该型燃烧室的全压燃料气蒸汽加湿试验研究,得到了燃烧室在基本负荷下随加湿量变化污染物排放、燃烧室内动态压力、火焰筒壁面温度等重要参燃料气加热器减压阀C燃料气流量计数的变化规律,分析了燃料气加湿对燃气轮机总体图1燃料气加湿系统图性能、污染物排放、火焰筒壁温及燃烧稳定性方面的影响,探讨了燃料气加湿对合成气燃烧中NOx生23实验参数与性能指标的定义成的机理性作用(1)相对加湿度2实验简介相对加湿度DOH是加湿燃烧的关键参数,下面给出其定义21总体介绍DOH=水/蒸汽质量流址×107%试验在某型合成气燃气轮机机组上进行.燃料气燃料气质量流量加湿通过向机组合成气母管注入过热蒸汽来实现蒸(2)燃气分析成分与参考氧浓度汽来源于机组余热锅炉,蒸汽压力为37MPa,温度实验过程中通过燃气分析仪直接获得的结果是为44°C.试验过程中调整燃料气加热器加热功率各成分的实测浓度,使用下面的公式把各成分的实保证混合后阀站进口的合成气温度保持在150°C.测浓度转化为统一参考氧浓度下的相对浓度,其中加湿后的燃料气中的水蒸汽不产生凝结,无液态成C代表各成分的相对浓度,参考氧浓度取为16%:分进入燃烧室.燃料气加湿试验系统图如图1所示21-参考氧浓度2.2试验测量装置x实测浓度21-燃气中残留氧浓度拟测量的主要燃烧特性参数包括:排气污染物24试验组织浓度(NOx,CO,UHC)、火焰筒壁面温度和燃烧室进行了燃气轮机基本负荷下的燃料气加湿试内动态压力验,研究了燃料气加湿对燃气轮机总体性能、污染燃气采样系统由采样探头、除湿器、带加热装物排中国煤化工等方面的影响置的样气管线、燃气分析仪构成,排气采样探头使调整燃机负用取平均值的多孔探头,在机组排气道内呈等间距荷CNMH个加湿试验过程雷宇等:燃气轮机合成气燃烧室燃料气加湿实验研究中透平出口温度保持在温控线设定值536°C左右,CH2+N2→HCN+NH由于试验过程中燃机负荷保持40MW不变,这样也就保证了试验过程中燃烧室出口温度稳定不变,从生成物HCN、NH和N再被氧化为NO,它与而便于比较不同加湿量对燃气轮机污染物排放的影热力型NO不同,对温度的依赖性低,空气加湿燃响.实验工况如下表所示烧使火焰温度下降,从而减少了热力型NO生成另外火焰中的水蒸汽降低了CH根的浓度,从而减表1试验工况表少了快速型NO生成蒸汽流量(kg/)006811220932燃料气加湿对火焰筒壁温的影响172图3表示了燃料加湿量对火焰筒壁温的影响实验过程中,布置于火焰筒壁面上的50支热电偶使3实验结果和讨论用1Hz采样频率进行连续的温度采集.图中选取了有代表性的沿轴向的壁温分布点进行绘制。壁温监31然料气加湿对排气污染物排放的影响测表明,随着加湿量的增加,火焰筒的壁温总体壁温图2为排气中的污染物浓度与燃料气加湿量的分布趋势并无明显变化,但存在火焰后移的现象关系曲线.从图中可以看出在不加湿时,排气中的可能的原因为蒸汽加入使得燃料整体流量增大,造NO2浓度为405mg/Nm3016%O2,随着燃料气相对成旋流器出口轴向速度增加,使得燃烧区变长和后加湿量的增加,当相对加湿量为17:%时,燃机排气移中的NO=排放可降至119mg/Nm3@16%O2,而排气中的CO浓度也由56mg/Nm3降至125mg/Nm3由此表明燃料气加湿能够显著地降低机组污染物排2 600H+DOH-1.2%放水平DOH=11.0%DOH=8.9%DOH=0.0%300距喷嘴端面的轴向距离/mm100图3燃料加湿量对火焰筒壁温的影响相对加湿量3.3燃料加湿对燃烧室内动态压力的影响燃烧室内的动态压力波动是监测燃烧室工作状图2燃料气加湿对排气污染物浓度的影响况的重要指标,该参数主要用以反映燃烧室内的火焰燃烧及稳定特性,试验中利用一只高频响的 KuliteNO生成机理有热力型(2 Zeldovich)、快速型动态压力传感器由联焰管伸入燃烧室测量不同加湿( Thermal Prompt)和燃料型(主要指含氮燃料)量下的燃烧室动态压力特性热力型NO生成机理如下:试验中动态压力采样频率为5120Hz,图4显O+N2→NO+N示了对不同燃料加湿量下的燃烧室内动态压力信号进行频谱分析的结果.频谱分析采用快速傅立叶变N+O2→NO+O换(FFT),窗口长度为1024点,燃烧室内动态压力热力型NO主要在燃烧区下游的高温区生成.监测表明随加湿量增加燃烧室内动态压力的震荡主快速型NO是经HCN、NH和N等中间产物而形频稳定在335Hz左右,在试验范围内加湿过程对燃成的,而这些中间产物又是由烃类化合物中的活性烧振荡主频并无明显影响,而动态压力的振幅随加碳化氢与N2反应生成的湿量中国煤化工对燃烧震荡现象有CNMHG湿化燃烧火焰温CH+N2→HCN+N度较低伺工程热理学报29卷随加湿量的增加而减小参考文献门赵黛青,等译新井纪男,主编.燃烧生成物的发生与抑制技术,北京科学出版社出版,2001,408411320Lupandin V, et al. Design, Development and Testing of°动态压力a Gas Turbine Steam Injection and Water Recovery Sys-特征频率tem.ASME2001-GT0111,2001[3] Blevins L G, et al. An Experimental Study of NOz Re蒸汽流量/kg/sin Laminar Diffusion Flames by Addition of HighLevels of Steam. ASME 95-GT-327, 19954 Touchton G L. Influence of Gas Turbine Combustor De图4燃料加湿量对燃烧室内动态压力的影响sign and Operating Parameters on Effectiveness of NOxSuppression by Injected Steam of Water. ASME 84-4结论[5] Li SC, et al. NOz Formation in Two-Stage Methane-AirFlames. Combust Flame, 1999, 118: 399-414(1)燃料气加湿能够显著降低合成气燃烧室的[6] Allen MT, et al. High Pressure Studies of Moist Car-bon Monoxide/Nitrous Oxide Kinetics. Combust FlamNOx排放浓度,其原因在于加湿燃烧使火焰温度下1997,109:449470降,减少了热力型NO生成;与此同时火焰中水蒸7 Charston-Goch D,etal. Laser-induced Fluorescence气的存在降低了CH根的浓度,抑制快速型NO生Measurements And Modeling of Nitric Oxide in Pre-mixed Flames of Co+H2+CH4 and Air at High Pres-成sures. Combust Flame, 2001, 125: 729-743(2)火焰筒壁面温度的动态监测结果表明随加湿[8 Daniel E Giles, et al. No Emission Characteristics of量的增加火焰筒的壁温总体壁温分布趋势并无明显Counterflow Syngas Diffusion Flames with Airstream Di-lution.Fuel,2006,85:172-1742变化,但存在火焰后移的迹象tion of a Gas Turbine Com-(3)燃烧室内动态压力监测表明在试验范围内加bustion System Fired with Mixtures of Natural Gas andHydrogen. IFRF Combustion Journal, Article Number湿对燃烧振荡频率无明显影响,而动态压力的振幅200207,2002中国煤化工CNMHG