剖析|G/H级燃气轮机燃烧室技术研发-第3页-北极星火力发电网

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DLN2.5H燃烧室可以使用华白数为40.6×(1±10%)的天然气，在45%～100%负荷范围内，采用全预混燃烧模式，生成的NOx体积分数不超过15×10-6，CO不超过5×10-6。此外，火焰筒罩帽采用双层结构，在靠近火焰的内层采用发散冷却方式;火焰筒采用Nimonic合金，采用“2-Cool”结构密封火焰筒与过渡段之间的连接，该密封结构能够提升火焰筒的冷却效果，并为下游的过渡段提供冷却气膜;火焰筒和过渡段采用双层结构，火焰筒上游采用扰流肋片加强对流冷却效果，火焰筒下游采用冲击冷却，过渡段采用冲击冷却;火焰筒和过渡段内表面均喷有热障涂层(ThermalBarrierCoating，简称TBC)，而这些技术都在高参数的F级燃气轮机中得到了验证。

7/9H燃气轮机采用闭环蒸汽冷却方式，使得燃气轮机启动较慢。为了满足燃气轮机电网调峰的市场需求，GE公司研制了全空气冷却的7/9HA系列燃气轮机。7/9HA燃气轮机的压比为22，透平一级动叶前温度为1427℃，折算出的燃烧室出口温度约为1566℃，于2014年10月完成了全负荷的验证，性能超过预期，已开始进入市场。7/9HA燃气轮机融合了9H、7F.05、9F.05三种燃气轮机的先进技术，其中压气机继承于7F.05，燃烧室继承于9F.05，透平继承于9H。

9F.05燃气轮机是当前透平一级动叶前温度最高的F级燃气轮机，采用DLN2.6+燃烧室。DLN2.6+燃烧室融合前述DLN2系列燃烧室的所有优异设计理念，采用了DLN2.6燃烧室的头部喷嘴布局;采用了DLN2+燃烧室喷嘴的“Swozzle”、“IFC”、扩散路旋流杯理念，5个外围喷嘴均采用一级预混燃料路和一级扩散燃料路;采用了DLN2.5H燃烧室只有预混燃料路的中心喷嘴及无“Q”级的设计。DLN2.6+燃烧室的燃料分为四路，如图2所示，5个外围喷嘴的扩散燃料路为“D5”路，中心喷嘴的预混燃料路为“PM1”路，两个不相邻的外围喷嘴为“PM2”路;剩余的三个外围喷嘴为“PM3”路。对应的分级策略为:采用“D5”路点火，点火成功到空载全转速过程中，切入“PM1”路，从空载全转速到部分负荷过程中，切入“PM2”路，同时关闭“D5”路，随着负荷的增加切入“PM3”路，在35%～50%负荷至100%负荷范围内采用“PM1+PM2+PM3”路工作。在变工况过程中，通过增加某个燃料路下喷嘴的当量比保证燃烧的稳定性，并用于控制热声振荡。DLN2.6+燃烧室能够在实现较低的污染排放和压力脉动的同时，保证对燃料组分变化不敏感。对于9F.05燃气轮机，全预混燃烧模式下，生成的NOx体积分数为14×10-6，CO为10×10-6，对于7/9HA燃气轮机，全预混燃烧模式下，生成的NOx、CO体积分数不超过25×10-6。DLN2.6+燃烧室的火焰筒及过渡段冷却方式与DLN2.5H燃烧室相同，且内表面均喷有先进的TBC。

GE公司DLN2系列燃烧室的燃烧组织原理为预混喷嘴自稳火，每个喷嘴均形成局部的低速区域将预混火焰稳定在中心体端壁处。采用Gatecycle软件计算得到9HA燃气轮机的燃烧室总当量比为0.533;由于DLN2.6+燃烧室只有帽罩、密封处消耗冷却气，按典型气量分配，上述两处的冷却气量不超过燃烧室总进气量的4%，所以燃烧区平均温度将超过1920K，该温度已超过热力型NOx开始大量生成的临界温度1850K。基于热力型机理，NOx的生成量与燃烧当量比呈指数关系，因此对于G/H级燃气轮机，优化喷嘴的燃料混合均匀性尤为重要。由于进口压力、燃烧温度明显增加带来的预混火焰传播速度增加，G/H级燃气轮机的自稳火喷嘴更易发生回火。根据边界层回火机理，除了保证气流平均速度大于火焰传播速度(典型气流平均速度大于40m/s)，还应保证气流速度梯度大于回火临界速度梯度。气流速度梯度受喷嘴流道结构影响较大，DLN2.5H、DLN2.6+喷嘴采用翼型旋流叶片以及将旋流叶片与外壁面做成一体，改善了气流速度分布、当量比分布，并避免了局部低速区域的形成。估算的9HA燃气轮机的燃烧室的燃烧温度较9F.05高约150K，进口空气温度增加约60K，二者较F级均增加了8.5%左右。根据火焰筒壁对流传热基本原理，热侧壁温主要受壁面导热系数，热侧、冷侧对流换热系数，燃气温度、进口空气温度的影响。假设壁面导热系数，热侧、冷侧对流换热系数恒定，燃烧温度及进口温度增加8.5%，则热侧壁温也近似增加8.5%，若F级燃烧室的最高壁温达到了1000K，则H级最高壁温可达1085K。因此，DLN2.5H、DLN2.6+燃烧室采用肋片、冲击的方式提高换热系数，并在火焰筒、过渡段内表面涂有能够将壁温降低50～100K的先进TBC涂层。

综上所述，GE公司H级燃气轮机的燃烧室设计大部分继承于其F级的DLN燃烧室技术。H级燃烧室主要是F级天然气燃烧室的喷嘴气动性能及稳定燃烧措施不断优化的结果。气动性能包括燃料/空气混合均匀性、预混通道内的回火裕度，稳定燃烧措施包括喷嘴的扩散燃料路、热声振荡调节措施及燃料分级策略;此外，H级燃烧室的冷却方式在F级基础上进一步提高了冷却效率和采用先进的TBC涂层。

2 Siemens公司G/H级燃烧室的研发

Siemens公司的H级型号有SGT5-8000H、SGT6-8000H共2种，其中，SGT6-8000H为60Hz的型号，SGT5-8000H为50Hz的型号，由于Siemens公司在90年代后期并购了Westinghouse公司的发电设备部，Westinghouse公司的G级燃气轮机W-501G成为其旗下的SGT6-6000G燃气轮机型号，F级的W-501F成为SGT6-5000F燃气轮机型号。

原标题：G/H级燃气轮机燃烧室技术研发的分析

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