基于燃气轮机超低浓度瓦斯燃烧实验台设计

常刘勇等

摘 要：结合煤矿低浓度瓦斯利用的不足，及现在分布式能源系统的发展，微型燃机技术受到高度重视，课题根据燃烧室设计原理，自行设计了一款微型燃气轮机系统。在数值建模模拟的基础上搭建了微型燃机系统实验平台，通过燃烧实验对自行设计的燃烧室及整个燃机系统进行性能测试，实验结果表明系统运转正常。通过数值模拟和实验验证了超低浓度瓦斯（模拟风排瓦斯浓度0.8%）在燃机系统中的燃烧利用状况，分析出超低浓度瓦斯的燃烧利用结果，实测燃烧产物中CO只含5.2ppm，NO含量为8.2ppm，烟气温度小于格林曼Ⅰ级，符合国家安全环保规定，证明风排瓦斯在燃机系统中作为掺混燃烧气体的可行性。

关键词：超低浓度瓦斯；微型燃气机；掺混燃烧；可行性

1 试验台总体构造

本课题最初搭建的实验台系统的简单结构示意图如图1所示。

1-高压天然气罐；2-空气压缩机；3-脉冲点火控制系统；4-燃烧室；5-涡轮增压器；6-烟气分析仪；7-减压阀；8-体积流量计；9-压机调节阀

本试验台设计的燃机系统包括燃烧室构成系统，空气及燃料供给系统，点火控制系统，测量调节系统以及烟气冷却测试分析系统。

1.1 燃气轮机压气机及透平系统

本试验台中将涡轮增压器替代该燃机系统的压气机和透平部分，该实验台采用南京依维柯索菲姆8140系列，盖瑞特件号为708162-5001，型号GT17，功率84KW，转速为3600rpm。

1.2 燃气轮机空气及燃料供给系统

空气供给系统由空气压缩机、压力调节阀、流量调节阀及高压通气管构成，空气供给系统的主要作用是保证连续地向燃烧室供给高压足够流量及可调温度的空气。实验采用天然气作为燃机燃料，气瓶出口安装安全防爆阀门，管路上再安装逆止阀防止气体倒流，引起爆炸事故。燃料流量由手動控制阀门及玻璃转子流量计完成。

1.3 燃气轮机燃烧器系统

燃气燃烧器一般由以下主要部分组成：燃气喷嘴、燃气阀系、风机、燃气流量调节阀、空气调节装置、点火装置、燃气压力检测开关、空气压力检测开关及火焰监测装置等。

2 燃机实验台测试系统

燃机运行实验测量系统包括流量测量、温度测量、速度测量、压力测量和燃烧烟气测量分析系统。

2.1 流量测量系统

流量测试主要是燃料流量控制空气流量控制以及超级浓度瓦斯流量控制测量系统，该实验采用玻璃转子流量计来对流量进行控制。经实验，测量当主空气体积流量为219.6m3/h，燃料体积流量为50.4m3/h，通入浓度为0.8%的VAM瓦斯流量为183.6m3/h时，燃烧比较稳定，得到的温度压力实验数据和数值模拟结果比较接近。

2.2 压力测量系统

压力测量系统主要包括压气机进气压力、涡轮增压器上压缩机出口压力及燃烧室出口压力测试。压气机进气压力由进气管道上安装压力表进行控制，涡轮增压器压机出口及燃烧室出口压力由压力传感器测得。测得压气机入口压力为大气压1.013×105Pa，压气机出口压力为2.7×105Pa，涡轮入口压力为2.63×105Pa，涡轮出口压力为大气压1.013×105Pa。与模拟所得结果有一定的偏差。

2.3 速度测量系统

实验台上增压器上的压气机和燃烧室采用圆管连接，管径为30mm，中间留有测量小孔，采用数字微压差计，连接皮托管，对流速进行测量，量程为1～55m/s，精度为0.07m/s，通过阀门改变流量来调节流速，记录10次测量取平均值确定进气流速。

2.4 温度测量系统

燃机燃烧室温度测量内容包括环境温度，压气机出口温度，燃烧室空气进口温度、燃烧室火焰筒壁面温度、燃烧室出口温度及燃烧室外壳壁面温度分布测量。除火焰筒壁面温度测量难度较大外，温度分布相对均匀，可采取单点布置。本实验采用铂铑10-铂S分度号的热电偶进行测量，该热电偶最高使用温度达到1300°，短期测量可使用温度为1600°，基本满足实验需要。

2.4.1 燃烧室火焰筒壁面温度

燃烧室火焰筒壁温的测量通过在火焰筒径向布置4排，轴向布置10个间距分别为20mm的测量点，得到测量数据如下表所示。

由测量及模拟数据分析得出，燃烧室火焰筒壁面温度分布相对较均匀，最大温差小于100摄氏度，基本满足火焰筒热应力要求。

2.4.2 出口温度的测量

对燃烧室出口的温度测量方法采取常用的热电偶测量，分布了9个温度测量点，沿着径向均匀分布3组，每组之间成120度夹角，测量得到出口温度分布数据如下表所示。

由上表通过计算可得，燃烧室出口温度场均匀性处于正常范围，所设计燃烧室火焰筒出口温度最大不均匀度在20%左右，最大不均匀系数在5%左右。

2.4.3 燃烧室外壳温度

参照火焰筒壁温的测量方法，径向布置4排，轴向布置10个间距分别为20mm的测量点，得到测量数据曲线图如下表所示：

2.4.4 烟气污染物监测系统

结合该课题必须通过试验验证超低浓度瓦斯的利用情况，德国的TESTO公司生产的Testo335烟气分析仪能够准确测量很多成分的含量，采用对出口烟气碳氧化物、氮氧化物以及甲烷体积分数进行实时测量。

实验测量结果如下表所示。

根据规定燃烧器在正常工况下稳定运行时，烟气中的CO含量应该不大于125mg/m3，NOX含量应该不大于300mg/m3，CmHn含量应该不大于20mg/m3，含尘量应该不大于50mg/m3，烟气黑度应该不大于林格曼Ⅰ级。因此该燃气污染物排放量符合国家安全环保规定。

3 结论

3.1 燃烧室燃气出口温度分布较均匀，满足出口温度分布均匀性能指数低于20%的要求。

3.2 通过实验验证了超低浓度瓦斯在燃机系统中的燃烧利用状况，分析出超低浓度瓦斯的燃烧利用结果，实测燃烧产物中CO只含5.2ppm，NO含量为8.2ppm，远远低于国家环保规定的燃气污染物排放量，烟气温度也远小于格林曼Ⅰ级，符合国家安全环保规定，证明风排瓦斯在燃机系统中作为掺混燃烧气体的可行性。