燃气轮机烟气采集系统的分析及性能研究

梁培培 孙中伟 王 辉

（哈尔滨电气集团，哈尔滨 150046）

随着高性能燃气轮机发展以及人们环境保护意识的提升，各国对燃气轮机污染物排放要求也越来越高，DLN燃烧室成为燃气轮机排放物处理的一种主要方式，其中高温烟气采集系统作为污染物浓度检测 方法，重要性不言而喻。燃烧室内烟气温度最高可达1700℃，而采样样品又需要具有代表性，因此采样器不仅要耐高温，而且还要具备多点采样功能，力求减少外接因素干扰，所以采样器设计是否合理性与测量数据准确性息息相关。

1 可移动采样系统

可移动采样系统设计主要以燃气分析法为基础，结构类型多为圆盘混合式摆动取样器。此种取样器分为两部分，即进气采样靶与移动机构。

1.1 混合式多点摆动采样靶

混合式多点采样靶一般是由5～6点进气气路集成为一个靶式结构，并使用水冷结构，如图1所示。取样孔的孔径按照压降的80%发生进行设计，在小孔处确定取样孔的直径，且符合等面积设计要求，开孔位置遵循螺旋线规律，确保样气取样代表性[1]。

混合多点采样靶安装于测量段摆盘上，如图2所示。2只取样器沿X轴对称分布，试验过程中需连续匀速转动摆盘，采集整个截面上各处的烟气。此摆盘可实现上百个采样点测量。试验中，由于分析仪器响应具有滞后性，摆盘每次转动需等待10～15S之后，再开始采集数据。经过实际测试，此种结构的取样器可以在1800℃温度环境下进行取样工作[2]。

该采样器虽然结构复杂、加工难度较大且体积庞大，但操作简单，取样均匀且有代表性，故适合应用于测量段为圆形通道且尺寸较大的全环试验中。

1.2 单点式套管水冷取样器

该取样器在套管式取样探头处设置有三层水冷套管，烟气从最内部套管中抽出，冷却水流经最外层套管再进入中层套管，进而对内管中的烟气进行冷却，取样器结构如图3所示[4]。取样管可以在进水口、出水口还有烟气出口处安装温度传感器，起到调整烟气温度以及冷却水流速的作用。经过计算和试验证明，本装置工作环境温度最高为1200℃。

图1 混合多点采样靶

图2 摆盘示意图

图3 套管取样探头

该取样器通常与环型位移结构相结合，获得不同采样点的烟气，此取样器加工简单，多由于单点采样，操作较为繁琐，可用于测量段为圆形的环型试验中。

2 不可移动采样系统

2.1 十字交叉采集系统

十字交叉采集系统由不锈钢焊接而成，分为进气管路、出气管路和水冷管路，有四个分支，按照45°排列，中间与一个五通圆管连接，抽气小孔位置按照螺旋线布置在十字交叉钢管上，结构如图4、图5所示。

此设计可将测量段改造为非圆形通道，通过法兰固定连接，进出气管与冷却水管成轴向排列，可应用于单管试验或扇形试验等结构较小的试验中。如想进行大型整机试验，可改造为带有转动装置的圆盘结构，目前该系统已成功运用于燃烧室试验中。

图4 十字交叉整体结构

图5 水冷结构示意图

2.2 径向排列式多点探头

径向排列式多点探头与套管单点采样探头结构类似，区别是前者在套管上开有一排抽气孔，布置方式较为灵活，如图6所示。该系统适用于非圆形测量段以及结构尺寸较小的试验中，目前该采样系统已成功适用于某三头部燃烧试验中。

图6 径向采样靶示意图

3 结论

燃烧室高温烟气采集需考虑采样探头的冷却、采样代表性以及采样合理性等因素。其中，可移动多点采样系统设计加工复杂，适合测量出口为圆形且整体尺寸较大的燃烧室试验中；不可移动多点采样系统布局较为灵活，加工简单，适合测量出口为矩形或扇形的非圆形燃烧室试验中。