F级重型燃气轮机燃烧器天然气掺氢全压试验研究

崔耀欣，刘晓佩，陈明敏

(上海电气燃气轮机有限公司,上海 200240)

“碳中和”作为一种新型环保形式，能够推动绿色的生活、生产，实现全社会绿色发展，全球各个国家已相继宣布相关发展战略。2020年9月，在第七十五届联合国大会上，中国首次正式提出将力争于2030年前达到碳排放峰值，争取2060年前实现碳中和，是迄今为止各国中做出的最大程度减少全球变暖预期的气候承诺。

实现碳中和的方法主要有两种：一是通过特殊方式去除温室气体；二是使用可再生能源减少碳排放[1]。氢能具有来源广、热值高、零碳排放等优势，成为全球最具发展潜力的清洁能源，许多国家与地区都将氢能作为战略性能源发展。2017年12月，日本公布了“基本氢能战略”，主要实现氢能与其他燃料的成本平价，建设加氢站及天然气发电等[2]；2020年6月，德国宣布一项为期十年、价值90亿欧元的绿色氢能计划；法国也开始着手氢经济发展，计划在未来两年内投资20亿欧元，目标是到2023年在工业中实现10%的脱碳氢，到2028年达到20%至40%[3]。我国氢能源发展起步相对较晚，《中国氢能产业基础设施发展路线图》中提出：到2020年，我国氢能产业基础设施发展将取得重大突破，其中，以能源形式利用的氢气产能规模将达到720亿m3。

在氢能源工业应用领域内，燃氢燃气轮机是“全球使用可再生能源在2050年实现无碳-氢能社会”的关键因素之一。欧盟正在资助一个为期4年的项目，旨在开发出世界上首台配套先进燃氢燃气轮机的“动力到氢能，再到动力”的工业演示器[3]；日本三菱电力公司于2020年9月推出了标准化的“氢存储和网络集成解决方案”；GE燃气发电公司宣布在美国长岭能源码头部署7HA.02机组，规划最初可燃烧15%～20%氢气(体积比)，并具有随时间转变为100%燃氢的能力[4]。

氢气的燃烧特性参数值与天然气有明显不同。与天然气相比，氢气最小点火能量小，发热量高，气体的扩散系数高，火焰传播速度快，可进行燃烧的浓度范围广，火焰温度高[5-7]。因此传统运行模式下的天然气燃烧器将不再适用于燃烧含氢气体，需要进行气动、结构、控制等一系列优化改进。

燃料组分的变化会导致其化学和热物理性质的改变，这些性质的改变会影响绝热火焰温度、火焰传播速度、化学反应特征时间等火焰性质。而这些火焰性质的改变进一步将会影响燃气轮机运行，如热声振荡、回火、吹熄以及排放等问题[8-10]。

根据热声振荡的时间延迟模型，影响热声振荡的关键参数即压力脉动和热释放之间的相位关系受火焰传播速度的影响，燃料组分发生变化时，火焰传播速度发生变化，进而改变压力脉动和热释放之间的相位关系[11]。根据Lieuwen[12]基于热声振荡的机理推导出的热释放率方程，热释放受反应物密度、消耗速率、质量热释放及火焰面积的影响。当燃料组分改变时以上因素均会受影响，最终导致热释放率的变化。根据Lieuwen[13]推导的时间延迟模型，对流时间和化学反应时间影响热释放和压力脉动之间的相位关系，当燃料组分变化时，火焰速度和火焰质心均会受影响，从而影响对流时间；同时，由于反应物化学及热物理性质的变化，其化学特征时间会发生变化。对流时间和化学反应特征时间的变化会影响热释放和压力脉动之间的相位关系，这种变化会使得燃烧从稳定状态转变到不稳定状态，或者从不稳定状态转变到稳定状态，也可能使振荡强度增强或者减弱。

目前采用注入氮气或水蒸气作为稀释剂降低NOx的排放[14-15]，该方式仅能将NOx排放降至30～50 mg/m3的水平，且稀释剂会导致燃烧不稳定等问题。采用无稀释预混燃烧方式燃烧富氢燃料依然是重要研发目标。但该技术面临的主要问题是由热声振荡、自点燃、回火等造成的燃烧不稳定问题，尤其是回火，不仅会显著增加NOx的排放还会带来安全隐患。而氢气由于其低密度、高火焰传播速度、宽可燃极限等燃烧特性，使得氢燃料燃烧室的回火问题尤为严重，阻碍了氢燃料旋流贫预混燃烧技术的发展[16]。上海电气针对F级重型燃气轮机燃烧器开展燃氢适应性升级开发，并通过试验的方法对该燃烧器在全温、全压、全流量试验条件下对高氢燃料的适应性进行性能评估。

1 燃烧器结构介绍

试验中采用的燃烧器为两级旋流器，如图1所示，中间级为轴向旋流器，少量空气和燃料由此进入，中间级火焰的主要作用是稳定燃烧。轴向旋流器外为斜向旋流器，燃料的喷射方式为叶片开孔，燃料从叶片喷孔喷出，与来流空气进行掺混。绝大部分的燃料和空气由斜向旋流器进入。

图1 F级重型燃气轮机混合燃烧器

2 试验台介绍

本次试验在位于意大利托斯卡纳地区的SESTA Lab进行，该试验台是全球顶尖燃烧全压试验台之一。试验台的空气流量可达50 kg/s，压力可达2 300 kPa，温度可达520 ℃，天然气流量可达1.5 kg/s。同时，试验台还可提供氢气、一氧化碳等特种燃料。

燃烧试验段采用全温、全压、全流量单燃烧器设计，依据实际机组的运行曲线设定试验工况。试验段本体结构及与管路连接安装如图2、图3和图4所示。试验段本体采用双层缸设计，内缸为主要燃烧区域，其内侧布置有陶瓷瓦块用于热防护，外侧有冷却通道用于冷却金属壁面及瓦块支撑,外缸为主要承压部件，用于引流燃烧室入口的高温高压空气，双缸夹层通有冷却空气。下游的排气缸对燃烧排出的气体进行冷却。

图2 单燃烧器试验段模型示意图

图3 试验台前端

图4 试验台布置

试验过程中为了监测近壁面燃气温度和内缸金属壁温，沿内缸轴向布置若干热电偶，且沿周向布置有两排热电偶，两排热电偶呈180°。同时，沿内缸轴向布置有压力测点，用于分析试验过程中的压力分布、压差变化、火焰转换等现象。在燃烧振荡监测方面，沿火焰筒轴向和周向均布置有动态压力传感器，同时在火焰筒前段布置有加速度传感器。

结合氢气的特性，天然气掺入氢气会使回火的风险提高，为了判断回火及安全监测，在斜向旋流器的出口沿周向布置四根热电偶监测温度，在轴向旋流器的出口沿周向布置两根热电偶，如图 5所示。试验中若出现热电偶温度急速升高，则紧急切断燃料，避免燃烧器被损坏，出现危险情况。

图5 燃烧器出口热电偶

试验过程中，温度数据由GE90-70PLC进行采集，静态压力通过接入PSI公司的9116型压力扫描阀直接测量，动态压力采用Kistler公司的6021A型传感器进行测量，燃烧后的烟气成分通过西门子Ultramat23进行分析，最终所有的数据通过SCADA系统进行显示与记录。

3 试验结果分析

按照机组实际的运行曲线，计算单个燃烧器的输入参数，最终确定试验所用的工况表。该燃烧器试验的基本负荷主要参数如表1所示。

表1 全压试验基本负荷试验参数

试验过程中采用天然气点火，按照工况表升至全转速空载后开始加入氢气。试验过程中所采用的燃料为天然气和氢气按体积比混合后的燃料，下文中所提到的氢含量均为体积分数。由于试验过程中燃料量较大，氢气和天然气比例稳定调节需要时间较长，故在试验过程中先对10%氢含量进行测试，测试过程中按照工况表升至基本负荷。完成10%氢含量的测试后，将氢气比例切换到20%，按照相同的试验流程进行20%氢含量的测试。

试验过程中重点关注了氢含量对排放、燃烧器出口温度、以及嗡鸣和振荡等性能的影响。

氢含量对排放的影响如图 6所示。其中BL表示基本负荷，85%BL表示85%负荷。在测试的负荷段内，在天然气中加入10%～20%的氢气均可使NOx排放维持在50 mg/m3以内，同时在75%负荷到100%负荷段可实现低于30 mg/m3的排放。

图6 氢含量对排放的影响

对于10%氢含量和20%氢含量，在所测试的大部分负荷段，其排放差别不大。在45%负荷和50%负荷，两者的排放出现明显差别。导致这种现象的主要原因是此负荷段处在火焰转换附近，火焰处在一个相对不稳定的状态，氢含量的影响比较明显，导致排放出现变化。

氢气相比于天然气，其火焰传播速度较快，这一特性使燃烧过程中回火风险提高，本文中通过监测燃烧器的出口温度判断回火的风险。本文中共监测6个不同位置的温度。其中：2个位于轴向旋流器出口，分别位于12点和6点方向，T_axial1表示位于12点方向热电偶的温度，T_axial2表示位于6点方向位置热电偶的温度；4个位于斜向旋流器出口，周向位置分别位于12点、3点、6点和9点方向，T_burner1、T_burner2、T_burner3和T_burner4分别为12点、3点、6点和9点方向的热电偶温度。氢含量对不同位置温度的影响如图 7和图8所示。其中，所测量的温度以轴向旋流器出口温度T_axial1在氢含量为10%且25%负荷时的温度为参考温度进行归一化处理。

图8为氢含量对斜向旋流器出口温度的影响，其影响趋势与轴向旋流器的影响趋势一致。在所测试的负荷段内，氢含量的变化对燃烧器出口温度的影响较小，斜向旋流器出口的温度主要随负荷的升高而升高。综合氢含量对轴向旋流器和斜向旋流器出口温度的影响，氢含量从10%增加到20%，温度未出现明显的升高，未发生回火。

(a)T_axial1温度变化

(a)T_burner1温度变化

试验过程中为了监测氢气的加入，燃烧热声嗡鸣对试验段整体振动的影响，在燃烧筒前端布置了加速度传感器。试验过程中加速度幅值的变化如图 9所示，可见全负荷段加速度值均小于1 g。在25%到50%负荷范围内，氢含量的增加有利于稳定性。随着负荷升高，10%氢含量的加速度幅值先降后升，20%氢含量时的加速度幅值随负荷的变化，逐渐升高。因此在高负荷段，增加氢含量不利于燃烧稳定性。

图9 氢含量对热声振荡特性的影响

4 结论

本文对F级重型燃气轮机燃烧器进行了全温、全压、全流量天然气掺氢燃烧试验，重点关注了氢含量对排放、回火及稳定性的影响，主要结论如下：

1)氢含量在10%到20%范围内时，氢含量的变化对NOx排放的影响较小，在75%～100%负荷间，NOx排放可以控制在30 mg/m3以内；

2)氢含量从10%增加到20%，在各个负荷下，燃烧器均未出现回火现象；

3)氢含量对燃烧稳定性的影响与负荷段有关，未发生燃烧振荡。

综合以上，F级重型燃气轮机燃烧器在全温、全压试验条件下，加入20%以内氢含量，可满足排放、回火及稳定性的要求。