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揭示燃气轮机燃烧机理 助力重型燃气轮机制造——国家973计划青年科学家专题项目“燃气轮机高效清洁柔和燃烧机理及燃烧室基础研究”负责人张哲巅研究员

2018-09-20

 

对燃机的排放起决定作用。中国科学院工程热物理研究所能源动力研究中心副主任张哲巅研究员及其团队长期从事燃气轮机燃烧方面的研究工作,在湿空气燃烧、合成气稀释扩散燃烧、柔和燃烧、全尺寸燃烧室的实验和数值研究方面取得了诸多创新成果,为我国下一代燃气轮机燃烧室的研究与制造提供了理论基础和技术支持。

一、中低热值燃料气燃烧室研发

张哲巅研究员及其团队独创性地提出中低热值燃料气多喷嘴燃烧室方案,油和合成气喷嘴独立设置,合成气为多个稀释扩散燃烧喷嘴,油为一个空气雾化喷嘴,具有燃料热值适应性宽、低排放、低噪声和结构简单等特点。

二、天然气ELN燃烧室研发

针对天然气DLN燃烧室低负荷NOx排放高的问题,结合中低热值燃料燃烧室的研发经验,独创性地提出了利用系统低品位余热实现稀释扩散燃烧值班的贫预混燃烧室(ELN),实现系统高效的全负荷范围内低NOx排放,在全负荷范围内NOx达标的前提下,还可进一步提高系统效率。

三、柔和燃烧机理研究及燃烧室研发

围绕将柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室时存在的基础研究问题,以突破柔和燃烧应用于燃机时化学动力学机理、掺混机理和燃烧室设计基础数据三大关键技术瓶颈为目标,利用数值和试验相结合的办法,开展柔和燃烧机理研究、烟气与未燃气掺混机理和特性研究以及柔和燃烧室实现方式和燃烧室设计基础问题研究。

(一)燃机工况下柔和燃烧实现条件和低NOx机理探索

开展柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室的研究首先需要进行燃机典型工况下柔和燃烧实现的热力学条件及其化学动力学机理研究,具体包括:实现柔和燃烧的热力学条件和化学动力学机理;燃料组分、压力对柔和燃烧实现条件及化学动力学特性的影响机制。张哲巅团队首先从热力学和化学平衡的角度研究了实现柔和燃烧的工作条件,包括空气和燃料的进口温度、燃料组分、氧浓度、燃气的组分和温度以及空气和燃气的掺混比,并且遴选出燃气轮机柔和燃烧特点的工况。针对代表性工况,分析温度、压力和燃料组分对化学反应速率、点火延迟时间等燃烧特性的影响规律,研究了停留时间对CO、NOx等污染物生成的影响机制,获得了柔和燃烧的化学动力学机理,为燃气轮机柔和燃烧室的设计提供了基础数据。

(二)烟气/未燃气卷吸掺混方式研究

实现柔和燃烧除了要满足热力学条件,还需要结合化学动力学机理、传热传质学等在燃烧室结构内合理组织流动,使得新鲜的燃料、空气以及回流的高温烟气有效流动和相互反应。通过烟气与未燃气温度、速度、动量比、相对位置等参数从传热传质学角度,研究了高速未燃气对高温烟气的卷吸机理;建立了高温烟气与新鲜未燃气的掺混度(掺混度是掺混程度的表征参数)连续可调的物理模型,通过涡系结构分析研究烟气/未燃气的掺混机理以及掺混度对柔和燃烧的燃烧效率、出口污染物排放、压力损失、稳定工作范围、燃烧噪声等性能的影响规律;研究了不同高温烟气与新鲜未燃气掺混度下的流场、燃烧场特征,继而获得掺混度的表征方法。

(三)柔和燃烧室实现方式和燃烧室设计基础问题研究

实现柔和燃烧以及与之相关的低NOX排放的关键条件就是在有限空间、有限时间内完成未燃气和被卷吸烟气的强烈混合,避免在烟气稀释未燃气之前发生直接燃烧。因此,需对流体动力学与燃烧强度的耦合机理开展专门研究。通过对不同燃料柔和燃烧的热力学、化学动力学和流体动力学特性的研究,形成了燃机工况下柔和燃烧机理;通过对高温烟气与未燃气的掺混方式、掺混度的研究,形成了高效低压损掺混机理;为柔和燃烧室的气动热力设计提供了基础数据。通过开展火焰筒结构尺寸对流动掺混、燃烧强度、火焰筒冷却的影响研究,形成了流体动力学与燃烧强度耦合机理,为燃烧室几何结构设计提供了基础数据。基于高效柔和燃烧机理,项目团队完成了针对天然气燃气轮机柔和燃烧室原理样机,样机在50%100%工况范围内NOx排放小于10ppm(@15%O2)。完成了燃气轮机柔和燃烧室全尺寸试验件,并在中国科学院工程热物理研究所的全尺寸燃烧室试验台上进行了试验,为下一步的工程化应用打下了基础。

在以上核心技术研发的基础上,张哲巅研究员团队积极地将这些创新成果应用到重型燃气轮机装备的制造中。他们研制的重型燃气轮机中低热值燃料燃烧室采用自主创新的多喷嘴燃料稀释燃烧技术,研制形成B级、E级、E+级、F级燃烧室系列产品,打破国际上对这一核心技术的高度控制和垄断,为我国自主发展重型燃气轮机装备作出了不可替代的创新贡献。该团队所在的先进能源动力研究中心同时从事气化和燃气轮机技术两大核心技术研发,是国内先进动力循环、整体煤气化联合循环、分布式供能等系统优化、集成成套和实践的领先团队,为国内多个煤的新一代高效洁净综合利用工程项目提供技术方案,为分布式供能提供解决方案。他们建成的重型燃气轮机多燃料全温高压全尺寸燃烧室试验装置,为全国多家企业开展了先导试验研究服务,并以此为基础承担了国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”建设项目。

专家简介

张哲巅,博士,中国科学院工程热物理研究所研究员,能源动力研究中心副主任。长期从事燃气轮机燃烧方面的研究工作,研究内容包括湿空气燃烧、合成气稀释扩散燃烧的机理研究、柔和燃烧、全尺寸燃烧室的实验和数值研究等,先后负责国家863计划联产重大项目中燃气轮机燃烧室潞安示范工程中燃烧室的研制和示范任务、E级及F级燃烧室的技术研发任务以及黎明R0110燃烧室的研发任务。