燃气轮机燃烧优化和氮氧化物排放控制研究

摘要

随着人类社会的进步和工业化进程的不断发展，以煤和石油为主的能源造成的环境污染日趋严重，能源结构转型成为当今社会共同关注的热点问题。天然气作为一种利用效率高、污染少的能源已经逐渐开始取代煤和石油，为人类社会提供清洁能源需求。燃气轮机作为天然气实现能源转换的机械设备，将在人类社会能源发展中发挥重要作用。
　　燃气轮机在燃烧过程中存在燃烧不稳定和NOx排放的问题，是制约国内大型燃气轮机发展的主要原因之一。本文综合分析了国内外燃气轮机NOx排放控制的发展现状，以国内引进瑞士Alstom公司生产的GT13E2型燃气轮机为研究对象，通过分析该型号燃气轮机EV燃烧器和燃烧室的结构特点，重点研究了该燃气轮机燃烧模式切换优化的条件、扩散燃烧和预混燃烧模式下NOx排放的特点、主预混燃烧和辅助预混燃烧天然气比例的变化对火焰稳定特性和NOx排放的影响。
　　论文的主要研究进展如下：
　　（1）在升负荷燃烧模式切换时，燃烧室容易出现低频振荡熄火。通过实验研究确定升负荷燃烧模式切换条件，实验研究结果表明，升负荷切换条件选择在燃气轮机相对额定负荷为58％、43路燃气控制阀延时关闭时间为0.2s时，切换过程燃烧室脉动波动小，脉动峰值低，燃烧火焰稳定，燃烧室不易熄火。
　　（2）在降负荷燃烧模式切换时，燃烧室也容易出现低频振荡熄火，降负荷燃烧模式切换比升负荷燃烧模式切换过程复杂，影响因素更多。通过实验研究降负荷燃烧模式切换优化条件，实验结果表明，降负荷切换条件选择在燃气轮机相对额定负荷57.5%、燃烧模式切换指令激活后41路燃气控制阀延时关闭时间0.5s、42路燃气控制阀延时开启时间0.3s、43路燃气控制阀扩散燃烧天然气流量从零增加到燃烧模式切换后的流量所用的时间1.0s时，切换过程燃烧室脉动波动小，脉动峰值低，燃烧火焰稳定，燃烧室不容易熄火。
　　（3）扩散燃烧研究结果表明，扩散燃烧模式下生成的氮氧化物主要属于热力型氮氧化物，是由于燃料与空气混合不均匀，火焰部分区域天然气浓度过高形成富燃燃烧，局部温度超过1500℃产生的，氮氧化物在燃气轮机空载时超过60ppm，随着燃气轮机负荷的增加而增加，在26%相对额定负荷时达到80ppm，实验中预混燃烧投入后氮氧化物得到有效的控制。
　　（4）预混燃烧研究结果表明，预混燃烧为贫燃燃烧，氮氧化物的生成量低，而预混燃烧中辅助预混燃烧比主预混燃烧的天然气/空气当量比低，火焰温度场分布更加均匀，氮氧化物排放量更低。燃气轮机在混合燃烧模式下，预混燃烧天然气比例的增加可以降低扩散燃烧天然气的比例，进而减少燃烧室内富燃燃烧火焰，降低氮氧化物的排放。实验结果表明，主预混燃烧天然气比例随着燃气轮机负荷增加时，氮氧化物排放量稳定在70ppm，而辅助预混燃烧天然气随着燃气轮机负荷增加时，氮氧化物呈现下降趋势，最低可以降低到30ppm左右。
　　（5）燃气轮机在高负荷区间采用预混燃烧，纯主预混燃烧实验结果表明，燃气轮机在65%相对额定负荷以上，燃烧室氮氧化物排放量超过95ppm，在额定负荷时达到120ppm。辅助预混燃烧实验分别选取燃气轮机在65%、70%、80%、90%相对额定负荷和额定负荷进行实验，通过调节辅助预混燃烧天然气的比例，减少氮氧化物在各个负荷点的排放，实验结果表明，燃气轮机在65%、70%、80%、和90%相对额定负荷，辅助预混燃烧天然气比例分别为18%、20%、22%和22%时，氮氧化物排放量都低于22ppm，在额定负荷工况辅助预混燃烧天然气比例为22%时，氮氧化物排放量约为16ppm，均满足天然气发电厂氮氧化物的排放要求，且燃烧室低频脉动波动小，燃烧稳定。

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第1章 绪 论

1.1 燃气轮机燃烧过程中NOx的来源

1.2 国内外燃气轮机控制NOx排放的研究现状

1.3 论文研究的目的和主要内容

第2章 GT13E2型燃气轮机结构和运行方式介绍

2.1 GT13E2型燃气轮机结构简介

2.2 GT13E2型燃气轮机燃料运输处理和分配系统

2.3 GT13E2型燃气轮机控制模式介绍

2.4 燃烧室的燃烧运行模式

第3章 GT13E2型燃气轮机燃烧优化研究

3.1 燃烧优化实验仪器

3.2 燃烧优化实验方法

3.3 EV燃烧器

3.4 燃烧室

3.6 燃烧模式切换优化研究

3.7 本章小结

第4章 燃气轮机氮氧化物排放控制研究

4.1 实验仪器

4.2 实验方法

4.3 燃气轮机在纯扩散燃烧模式下NOx的排放研究

4.4 燃气轮机在混合燃烧模式下NOx的排放研究

4.5 燃气轮机在纯预混燃烧模式下NOx的排放研究

4.6 本章小结

第5章 燃气轮机氮氧化物排放控制机理探讨

5.1 混合燃烧模式下NOx排放控制机理探讨

5.2 预混燃烧模式下NOx排放控制机理探讨

第6章 结论

6.1结论

6.2存在问题与展望

参考文献

致谢

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