F級重型燃氣輪機燃燒器天然氣摻氫全壓試驗研究

崔耀欣，劉曉佩，陳明敏

(上海電氣燃氣輪機有限公司,上海 200240)

“碳中和”作為一種新型環保形式，能夠推動綠色的生活、生產，實現全社會綠色發展，全球各個國家已相繼宣布相關發展戰略。2020年9月，在第七十五屆聯合國大會上，中國首次正式提出將力爭于2030年前達到碳排放峰值，爭取2060年前實現碳中和，是迄今為止各國中做出的最大程度減少全球變暖預期的氣候承諾。

實現碳中和的方法主要有兩種：一是通過特殊方式去除溫室氣體；二是使用可再生能源減少碳排放[1]。氫能具有來源廣、熱值高、零碳排放等優勢，成為全球最具發展潛力的清潔能源，許多國家與地區都將氫能作為戰略性能源發展。2017年12月，日本公布了“基本氫能戰略”，主要實現氫能與其他燃料的成本平價，建設加氫站及天然氣發電等[2]；2020年6月，德國宣布一項為期十年、價值90億歐元的綠色氫能計劃；法國也開始著手氫經濟發展，計劃在未來兩年內投資20億歐元，目標是到2023年在工業中實現10%的脫碳氫，到2028年達到20%至40%[3]。我國氫能源發展起步相對較晚，《中國氫能產業基礎設施發展路線圖》中提出：到2020年，我國氫能產業基礎設施發展將取得重大突破，其中，以能源形式利用的氫氣產能規模將達到720億m3。

在氫能源工業應用領域內，燃氫燃氣輪機是“全球使用可再生能源在2050年實現無碳-氫能社會”的關鍵因素之一。歐盟正在資助一個為期4年的項目，旨在開發出世界上首臺配套先進燃氫燃氣輪機的“動力到氫能，再到動力”的工業演示器[3]；日本三菱電力公司于2020年9月推出了標準化的“氫存儲和網絡集成解決方案”；GE燃氣發電公司宣布在美國長嶺能源碼頭部署7HA.02機組，規劃最初可燃燒15%～20%氫氣(體積比)，并具有隨時間轉變為100%燃氫的能力[4]。

氫氣的燃燒特性參數值與天然氣有明顯不同。與天然氣相比，氫氣最小點火能量小，發熱量高，氣體的擴散系數高，火焰傳播速度快，可進行燃燒的濃度范圍廣，火焰溫度高[5-7]。因此傳統運行模式下的天然氣燃燒器將不再適用于燃燒含氫氣體，需要進行氣動、結構、控制等一系列優化改進。

燃料組分的變化會導致其化學和熱物理性質的改變，這些性質的改變會影響絕熱火焰溫度、火焰傳播速度、化學反應特征時間等火焰性質。而這些火焰性質的改變進一步將會影響燃氣輪機運行，如熱聲振蕩、回火、吹熄以及排放等問題[8-10]。

根據熱聲振蕩的時間延遲模型，影響熱聲振蕩的關鍵參數即壓力脈動和熱釋放之間的相位關系受火焰傳播速度的影響，燃料組分發生變化時，火焰傳播速度發生變化，進而改變壓力脈動和熱釋放之間的相位關系[11]。根據Lieuwen[12]基于熱聲振蕩的機理推導出的熱釋放率方程，熱釋放受反應物密度、消耗速率、質量熱釋放及火焰面積的影響。當燃料組分改變時以上因素均會受影響，最終導致熱釋放率的變化。根據Lieuwen[13]推導的時間延遲模型，對流時間和化學反應時間影響熱釋放和壓力脈動之間的相位關系，當燃料組分變化時，火焰速度和火焰質心均會受影響，從而影響對流時間；同時，由于反應物化學及熱物理性質的變化，其化學特征時間會發生變化。對流時間和化學反應特征時間的變化會影響熱釋放和壓力脈動之間的相位關系，這種變化會使得燃燒從穩定狀態轉變到不穩定狀態，或者從不穩定狀態轉變到穩定狀態，也可能使振蕩強度增強或者減弱。

目前采用注入氮氣或水蒸氣作為稀釋劑降低NOx的排放[14-15]，該方式僅能將NOx排放降至30～50 mg/m3的水平，且稀釋劑會導致燃燒不穩定等問題。采用無稀釋預混燃燒方式燃燒富氫燃料依然是重要研發目標。但該技術面臨的主要問題是由熱聲振蕩、自點燃、回火等造成的燃燒不穩定問題，尤其是回火，不僅會顯著增加NOx的排放還會帶來安全隱患。而氫氣由于其低密度、高火焰傳播速度、寬可燃極限等燃燒特性，使得氫燃料燃燒室的回火問題尤為嚴重，阻礙了氫燃料旋流貧預混燃燒技術的發展[16]。上海電氣針對F級重型燃氣輪機燃燒器開展燃氫適應性升級開發，并通過試驗的方法對該燃燒器在全溫、全壓、全流量試驗條件下對高氫燃料的適應性進行性能評估。

1 燃燒器結構介紹

試驗中采用的燃燒器為兩級旋流器，如圖1所示，中間級為軸向旋流器，少量空氣和燃料由此進入，中間級火焰的主要作用是穩定燃燒。軸向旋流器外為斜向旋流器，燃料的噴射方式為葉片開孔，燃料從葉片噴孔噴出，與來流空氣進行摻混。絕大部分的燃料和空氣由斜向旋流器進入。

圖1 F級重型燃氣輪機混合燃燒器

2 試驗臺介紹

本次試驗在位于意大利托斯卡納地區的SESTA Lab進行，該試驗臺是全球頂尖燃燒全壓試驗臺之一。試驗臺的空氣流量可達50 kg/s，壓力可達2 300 kPa，溫度可達520 ℃，天然氣流量可達1.5 kg/s。同時，試驗臺還可提供氫氣、一氧化碳等特種燃料。

燃燒試驗段采用全溫、全壓、全流量單燃燒器設計，依據實際機組的運行曲線設定試驗工況。試驗段本體結構及與管路連接安裝如圖2、圖3和圖4所示。試驗段本體采用雙層缸設計，內缸為主要燃燒區域，其內側布置有陶瓷瓦塊用于熱防護，外側有冷卻通道用于冷卻金屬壁面及瓦塊支撐,外缸為主要承壓部件，用于引流燃燒室入口的高溫高壓空氣，雙缸夾層通有冷卻空氣。下游的排氣缸對燃燒排出的氣體進行冷卻。

圖2 單燃燒器試驗段模型示意圖

圖3 試驗臺前端

圖4 試驗臺布置

試驗過程中為了監測近壁面燃氣溫度和內缸金屬壁溫，沿內缸軸向布置若干熱電偶，且沿周向布置有兩排熱電偶，兩排熱電偶呈180°。同時，沿內缸軸向布置有壓力測點，用于分析試驗過程中的壓力分布、壓差變化、火焰轉換等現象。在燃燒振蕩監測方面，沿火焰筒軸向和周向均布置有動態壓力傳感器，同時在火焰筒前段布置有加速度傳感器。

結合氫氣的特性，天然氣摻入氫氣會使回火的風險提高，為了判斷回火及安全監測，在斜向旋流器的出口沿周向布置四根熱電偶監測溫度，在軸向旋流器的出口沿周向布置兩根熱電偶，如圖 5所示。試驗中若出現熱電偶溫度急速升高，則緊急切斷燃料，避免燃燒器被損壞，出現危險情況。

圖5 燃燒器出口熱電偶

試驗過程中，溫度數據由GE90-70PLC進行采集，靜態壓力通過接入PSI公司的9116型壓力掃描閥直接測量，動態壓力采用Kistler公司的6021A型傳感器進行測量，燃燒后的煙氣成分通過西門子Ultramat23進行分析，最終所有的數據通過SCADA系統進行顯示與記錄。

3 試驗結果分析

按照機組實際的運行曲線，計算單個燃燒器的輸入參數，最終確定試驗所用的工況表。該燃燒器試驗的基本負荷主要參數如表1所示。

表1 全壓試驗基本負荷試驗參數

試驗過程中采用天然氣點火，按照工況表升至全轉速空載后開始加入氫氣。試驗過程中所采用的燃料為天然氣和氫氣按體積比混合后的燃料，下文中所提到的氫含量均為體積分數。由于試驗過程中燃料量較大，氫氣和天然氣比例穩定調節需要時間較長，故在試驗過程中先對10%氫含量進行測試，測試過程中按照工況表升至基本負荷。完成10%氫含量的測試后，將氫氣比例切換到20%，按照相同的試驗流程進行20%氫含量的測試。

試驗過程中重點關注了氫含量對排放、燃燒器出口溫度、以及嗡鳴和振蕩等性能的影響。

氫含量對排放的影響如圖 6所示。其中BL表示基本負荷，85%BL表示85%負荷。在測試的負荷段內，在天然氣中加入10%～20%的氫氣均可使NOx排放維持在50 mg/m3以內，同時在75%負荷到100%負荷段可實現低于30 mg/m3的排放。

圖6 氫含量對排放的影響

對于10%氫含量和20%氫含量，在所測試的大部分負荷段，其排放差別不大。在45%負荷和50%負荷，兩者的排放出現明顯差別。導致這種現象的主要原因是此負荷段處在火焰轉換附近，火焰處在一個相對不穩定的狀態，氫含量的影響比較明顯，導致排放出現變化。

氫氣相比于天然氣，其火焰傳播速度較快，這一特性使燃燒過程中回火風險提高，本文中通過監測燃燒器的出口溫度判斷回火的風險。本文中共監測6個不同位置的溫度。其中：2個位于軸向旋流器出口，分別位于12點和6點方向，T_axial1表示位于12點方向熱電偶的溫度，T_axial2表示位于6點方向位置熱電偶的溫度；4個位于斜向旋流器出口，周向位置分別位于12點、3點、6點和9點方向，T_burner1、T_burner2、T_burner3和T_burner4分別為12點、3點、6點和9點方向的熱電偶溫度。氫含量對不同位置溫度的影響如圖 7和圖8所示。其中，所測量的溫度以軸向旋流器出口溫度T_axial1在氫含量為10%且25%負荷時的溫度為參考溫度進行歸一化處理。

圖8為氫含量對斜向旋流器出口溫度的影響，其影響趨勢與軸向旋流器的影響趨勢一致。在所測試的負荷段內，氫含量的變化對燃燒器出口溫度的影響較小，斜向旋流器出口的溫度主要隨負荷的升高而升高。綜合氫含量對軸向旋流器和斜向旋流器出口溫度的影響，氫含量從10%增加到20%，溫度未出現明顯的升高，未發生回火。

(a)T_axial1溫度變化

(a)T_burner1溫度變化

試驗過程中為了監測氫氣的加入，燃燒熱聲嗡鳴對試驗段整體振動的影響，在燃燒筒前端布置了加速度傳感器。試驗過程中加速度幅值的變化如圖 9所示，可見全負荷段加速度值均小于1 g。在25%到50%負荷范圍內，氫含量的增加有利于穩定性。隨著負荷升高，10%氫含量的加速度幅值先降后升，20%氫含量時的加速度幅值隨負荷的變化，逐漸升高。因此在高負荷段，增加氫含量不利于燃燒穩定性。

圖9 氫含量對熱聲振蕩特性的影響

4 結論

本文對F級重型燃氣輪機燃燒器進行了全溫、全壓、全流量天然氣摻氫燃燒試驗，重點關注了氫含量對排放、回火及穩定性的影響，主要結論如下：

1)氫含量在10%到20%范圍內時，氫含量的變化對NOx排放的影響較小，在75%～100%負荷間，NOx排放可以控制在30 mg/m3以內；

2)氫含量從10%增加到20%，在各個負荷下，燃燒器均未出現回火現象；

3)氫含量對燃燒穩定性的影響與負荷段有關，未發生燃燒振蕩。

綜合以上，F級重型燃氣輪機燃燒器在全溫、全壓試驗條件下，加入20%以內氫含量，可滿足排放、回火及穩定性的要求。