DLN1.0+与LEC-NextGen燃烧系统对比

丁阳，刘志敏，徐婷婷

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

20世纪70年代，为满足美国环境保护机构提出的新源性能标准(NOx排放质量浓度低于150 mg/m3)，ABB公司设计制造了EV燃烧系统。随着环保指标的日益严苛，20世纪80年代后期，GE公司研制了DLN1.0燃烧系统[1-2]，Alston公司研制了可替换DLN1.0的LEC-Ⅲ燃烧系统[3]，可用于GE公司的B级和E级燃气轮机，2种燃烧系统均达到了30 mg/m3的NOx排放水平。为了适应更严格的排放标准，GE公司与PSM公司分别推出了DLN1.0+燃烧系统与LEC-NextGen燃烧系统，在原有的设计基础上进行了改进，增加了自动燃烧调整系统[4]，NOx排放质量浓度降至20 mg/m3以下，检修时间间隔延长了1～2倍。本文对2种新型燃烧系统结构进行对比分析，为新一代超低排放燃烧系统的设计提供参考。

1 DLN1.0燃烧系统

1.1 结构设计

DLN1.0燃烧系统采用同心径向分级模式(如图1所示)，系统由燃烧器外壳、火焰筒、过渡段、导流套筒、旋流器、一级燃料喷嘴及燃烧器端盖组合件、二级燃料喷嘴、点火机构、火焰探测器、联焰管等元件组成。

图1 DLN1.0燃烧系统Fig.1 DLN1.0 combustion system

火焰筒是燃烧系统的核心部件，火焰筒壁面上设置一次空气射流孔、冷却孔和二次空气掺混孔。文丘里组合件是燃烧系统中一级燃烧区和二级燃烧区的分界面，在预混状态下，文丘里组合件下游回流区有稳定火焰的作用[5]。

图4 DLN1.0燃烧系统的4种燃烧模式Fig.4 Four combustion modes of DLN1.0 combustion system

一级燃烧区由6个彼此分隔的燃烧空间组成，每个燃烧空间都装设有各自的旋流器和一级燃料喷嘴(如图2所示)。二级燃烧区的燃料喷嘴组合件和旋流器装设在中心部位(如图3所示)。

图2 一级燃料喷嘴Fig.2 Primary fuel nozzles

图3 二级燃料喷嘴Fig.3 Secondary fuel nozzles

1.2 控制方式

分配到每个燃烧器燃料喷嘴的燃料流量与燃烧温度基准(TTRF1)以及进口导叶(IGV)温控模式为函数关系。燃烧天然气时，依据机组负荷的不同，通过MARK Ⅵ 的Speedtronic TM控制软件控制各个燃料喷嘴的流量和火焰所在位置，使这种燃烧系统有一级燃烧模式、贫-贫燃烧模式、二级燃烧模式和预混燃烧模式等4种不同的运行模式(如图4所示)。

2 DLN1.0+燃烧系统

DLN1.0+燃烧系统是GE公司为了应对更严苛的排放标准和提高系统使用寿命而推出的DLN1.0改进型系统。在保证燃料输送系统不变的前提下，通过替换火焰筒、过渡段、支架、一级燃料喷嘴、二级燃料喷嘴、端盖、导流衬套、联焰管组件，增加参数修正控制系统(CPC)、燃烧器动态监测系统(CDM)。DLN1.0燃烧系统可升级为DLN1.0+燃烧系统。相比DLN1.0系统，DLN1.0+系统从预混、材料、冷却、涂层以及值班火焰比例调整几个方面改进了设计。

2.1 喷嘴的改进

DLN1.0+系统改变了一级喷嘴旋流器孔型(如图5所示)，由长圆孔改为椭圆孔，并加大了一级喷嘴的直径，这种设计可减小旋流器孔内的流速，减小掺混损失；一级喷嘴头部由DLN1.0的螺纹链接改为螺纹-法兰连接，并加入了L605涂层，可延长喷嘴使用寿命。

图5 一级喷嘴结构对比Fig.5 Comparison of primary nozzle structure

DLN1.0+取消了二级喷嘴和吹扫空气的法兰连接段，二级喷嘴整体造型更简洁。为了维持火焰稳定，DLN1.0二级喷嘴头部开设了3个直径约1 mm的小孔，流向二级喷嘴旋流器的一部分燃料被分配到这3个小孔喷出，在二级喷嘴头部形成值班火焰，由于温度较高，二级喷嘴头部经常出现烧蚀现象。针对这个问题，在DLN1.0+头部增加了直径1 mm左右的环形冷却空气槽，切换喷嘴的一部分冷却空气被分流至环形冷却空气槽喷出，用以冷却二级喷嘴头部，极大地改善了高温烧蚀现象。除此之外，DLN1.0+还改进了二级喷嘴的密封，减小了燃气泄漏的概率。另外，DLN1.0+二级喷嘴旋流器和值班火焰虽也共用一路燃料管路，但在流向各自喷口的路径中设置有节流孔板，可以分别调节2个喷嘴的燃料流量，有利于控制NOx生成。二级喷嘴结构对比如图6所示。

图6 二级喷嘴结构对比Fig.6 Comparison of secondary nozzle structure

2.2 火焰筒及过渡段的改进

DLN1.0+改进了火焰筒定位块，由弹簧片式改为带涂层的固定式定位块，减小了高频振动下的金属疲劳发生概率。掺混孔由2排改为3排，增加了轴向孔间距并减小了孔径，降低了掺混流速，使掺混射流分布更均匀，减小了掺混损失。文丘里喷嘴喉部由近似直角改为弧形并增加了涂层，有利于减小流动损失，增强文丘里段的耐热水平。二级喷嘴旋流器由直叶片调整为弧形叶片，在出口角度不变的情况下，减小了进口角度，减小了流经旋流器的压力损失。火焰筒中段的稀释孔取消，材质改为Nimonic-263合金，增加了强度和耐热能力。DLN1.0火焰筒和过渡段之间的密封圈很容易因为高频振动而断裂失效，DLN1.0+将单片式Hula密封改为双片式Hula密封，增加了强度，减小了失效概率，如图7所示。

图7 DLN1.0+火焰筒结构对比Fig.7 Comparison of DLN1.0+ flame tube structure

在过渡段组件上，DLN1.0+由插状结构改为榫槽结构，托架由H型改为蝠翼型结构，减小了与过渡段之间的磨损，提高了寿命。过渡段内表面的涂层由B级改为C级，C级涂层较厚，热阻更高，降低了过渡段的温度。用来连接过渡段与一级喷嘴透平的安装架由分体式改为整体式，减轻了高频振动下的磨损。DLN1.0+取消了火焰筒中段的掺混孔，将掺混孔全部布置在过渡段，过渡段靠近进口附近周向布置3个掺混孔，孔径与原DLN1.0火焰筒中段开孔相同。过渡段出口附近布置4个掺混孔，孔径略小，交错排列，边缘加工锥形导流槽，提升冷气入射深度，使出口温度更均匀，如图8所示。

3 LEC-NextGen燃烧系统

3.1 文丘里段以及燃烧一区冷却设计改进

LEC-NextGen是LEC-Ⅲ的改进型号，LEC-Ⅲ燃烧系统可替换DLN1.0燃烧系统，燃料控制策略以及燃烧方式并未做大的改变。LEC-Ⅲ主要对火焰筒接触面表面重新做了硬化处理以及结构优化。文丘里段以及一级燃烧区壁面冷却方式做了较大改进： DLN1.0燃烧系统的文丘里管采用冷却空气顺流火焰筒轴向方向冷却方式，冷却空气先进入文丘里管入口侧外壁冷却，然后沿着文丘里管轴向外侧冷却，最后直接排入燃烧器二区出口处，这种冷却方式容易产生较高的CO。LEC-Ⅲ燃烧系统的文丘里段采用冷却空气逆流火焰筒轴向方向冷却方式(如图9所示)，在一次燃烧模式和贫-贫燃烧模式下，文丘里段前端冷却效果没有DLN1.0 好，而在预混燃烧模式下文丘里管后端冷却比DLN1.0要好，并且冷却后的空气直接流入文丘里管入口侧，加速后进入预混燃烧区，由于不存在淬熄效应，因此LEC-Ⅲ燃烧系统CO排放要低于DLN1.0。

图8 过渡段结构对比Fig.8 Comparison of transition segment structure

图9 文丘里段冷却结构对比Fig.9 Comparison of Venturi cooling structure

DLN1.0火焰筒采用圆形气膜冷却直孔，在火焰筒一区壁面有7 排圆形气膜冷却直孔，空气形成的气膜沿筒内壁流动。LEC-Ⅲ火焰筒采用发散冷却气膜，在火焰筒端头部有5 000个带倾角的发散冷却孔，总的冷却孔较多，冷却气膜分布更均匀。火焰筒冷却结构对比如图10所示。

图10 燃烧一区壁面冷却结构对比Fig.10 Comparison of No.1 combustion zone wall cooling structure

3.2 二级喷嘴结构改进

相比于DLN1.0，LEC系列最大的改动在于二级喷嘴喷口结构(如图11所示)。DLN1.0的二级旋流器喷嘴位于中部的轴向6个圆柱上，每个圆柱设置有3个喷口，共计18个喷口；头部的值班火焰喷嘴为3个具有切向速度的喷口。LEC-Ⅲ将二级旋流器喷嘴改为位于圆环上的49个喷口结构，由于喷口数量增加，提高了二级旋流器下游燃料分布的均匀度，降低了中心区火焰温度，并把一部分吹扫空气引入值班火焰喷口之前，值班火焰由扩散燃烧变为预混燃烧，局部当量比降低，温度随之降低，降低了NOx排放质量浓度。

图11 二级喷嘴结构对比Fig.11 Comparison of secondary nozzle structure

LEC-NextGen进一步将二级旋流器喷口数量增至88个，值班火焰喷口数量增至25个，进一步降低了NOx排放质量浓度(如图12所示)。

4 排放和检修间隔对比

表1是3种燃烧系统排放值及检修间隔对比(ω(O2)=15%)，相比于DLN1.0，DLN1.0+与LEC-NextGen大幅度降低了NOx排放质量浓度。3种燃烧系统技术路线各有侧重：DLN1.0+对一级喷嘴旋流器进行了结构优化，对二级喷嘴的值班火焰喷口进行了局部修改，使其变为预混燃烧；LEC-NextGen则大幅修改了二级喷嘴结构，包括二级喷嘴旋流器喷嘴和值班火焰喷嘴，提高了预混均匀度，实现了NOx的超低排放。CO排放方面DLN1.0+改善不大，这可能与文丘里段的冷却方式有关，DLN1.0+的冷却空气直接排入反应区产生的淬熄效应增加了CO产生量。LEC-NextGen采用的逆流冷却方式不存在上述问题，CO排放质量浓度低于1.25 mg/m3。从厂家给出的检修间隔来看，2种改进型燃烧系统均可以达到比DLN1.0长1～2倍的检修时间间隔。

图12 LEC-NextGen的二级旋流器喷嘴与值班喷嘴Fig.12 LEC-NextGen secondary cyclone nozzle and pilot nozzle

表1 3种燃烧系统排放值及检修间隔对比Tab.1 Comparison of emission figures and maintenance intervals between 3 combustion systems

5 结论

相比于DLN1.0燃烧系统，DLN1.0+和LEC-NextGen均采用了多点燃料喷射，将扩散燃烧值班喷嘴改为预混燃烧的方式，降低了局部燃烧温度，配合自动燃烧调整，进一步降低了NOx质量浓度。

DLN1.0+优化了燃烧器内流场结构，减小了流动损失。LEC-NextGen采用的一区发散冷却和文丘里段逆流冷却方式对CO产生有较好的抑制效果。

2种燃烧系统均修改了固定端接触面的结构，增强了抗振动能力。

采用上述改进设计后，DLN1.0+和LEC-NextGen的NOx排放质量浓度不到DLN1.0燃烧系统的一半，检修间隔延长了1～2倍。