乾貨！燃氣輪機的燃燒技術

燃氣動力市場的驅動力和對未來非碳化系統相關性的追求正在推動燃氣輪機燃燒設計方法的根本轉變。

燃燒是燃氣輪機技術的核心。它的核心功能是透過控制大量燃料和空氣的燃燒來增加熱量，使燃氣輪機將化學能轉化為機械能，對於發電的燃氣輪機，則是將電能轉化為機械能。在概念上，一個燃燒器基本上包括一個燃料噴射器和一個容納火焰的壁。但事實上遠非如此簡單，該過程必須實現燃料和可用氧氣之間的等效比的微妙平衡；火焰的穩定性；以及支援燃氣輪機在整個機器負荷下加速和執行的執行穩定性。

追溯到1930年代，漢斯-馮-奧海因和弗蘭克-惠特爾爵士分別在德國和英國的實驗室裡開發他們的噴氣發動機。馮-奧海使因使用氫氣作為燃料，所以它的火焰速度高，燃燒範圍廣，在非設計階段以及瞬時執行（啟動和關閉）時取得了良好的效能，並能夠加速他的發動機開發，使其首次用於飛機。另一方面，弗蘭克爵士選擇使用液體燃料並遇到了困難。

即使在那個時候，不同的設計也使用圓柱形罐和環形燃燒室。那個時代的燃燒器（就結構而言，陸上工業裝置中使用的筒倉式燃燒器也可以加入其中）可以以其擴散型火焰結構為特徵，他們的名聲（可以這麼說）是他們的穩定性，因為在廣泛的可操作性範圍內，火焰前部（ ~ 1）的反應接近固定不變。然而，它們的致命弱點是火焰溫度高和相應的高氮氧化物（NOx）排放，技術開發人員試圖透過注入稀釋劑，如水或蒸汽（在發電廠）或氮氣（在煉油廠的合成氣燃燒裝置）來控制這些。這些燃燒器可以很容易地燃燒任何燃料氣體，其成分包括高達60%（體積）甚至更高。然而，這種好處是以降低效能為代價的，（源於）以犧牲蒸汽輪機輸出和水消耗為代價從底層迴圈中搶走蒸汽。

燃燒器——燃氣輪機的心臟

燃燒器——也被稱為燃燒室或 “燃燒器”——在燃氣輪機中起著至關重要的作用，它接收由壓縮系統送入的高壓和高溫空氣，並用注入的燃料燃燒這些空氣，以顯著提高其溫度。然後，燃燒器將灼熱的高壓氣流送入渦輪機部件，在那裡，複雜的葉片陣列使發電機旋轉以產生動力（以及驅動壓縮機將更多的高壓空氣吸入燃燒器）。

為了實現大量熱量釋放、燃料變化、壓縮機氣流和其他物理和操作考慮之間的複雜平衡，燃氣輪機燃燒器的配置通常分為三類，儘管各製造商的設計有獨特的差異。

1。 筒倉，這是一個大型的單圓柱形或雙圓柱形室。

2。 環形，或環形燃燒器，環形火焰管被放置在圓柱形的襯墊或外殼內，這種結構在航空發動機以及航空衍生品中被廣泛發現。

3。 罐式環形，其特點是在一臺燃氣輪機上有多個 “罐”，是大多數美國設計的基礎，但它也被三菱動力、西門子能源60-Hz機組、H級和安薩爾多的GT36所採用。

從火焰的角度來看，燃燒系統可分為兩類。擴散型火焰，燃料和空氣的混合透過擴散進行，需要稀釋劑進入反應區以控制氮氧化物。筒倉式燃燒器屬於擴散式燃燒器，其特點是體積大，燃燒器位於頂部。但正如約翰·居倫在他的2019年燃氣輪機入門手冊中解釋的那樣，現代高效燃氣輪機的渦輪進口溫度越來越高，排放要求越來越嚴格，使得筒倉式燃燒器越來越不適合實現均勻的溫度曲線。

實現乾式低氮氧化物（DLN）技術的預混火焰，涉及在燃料貧乏的條件下將燃料與反應區上游的空氣混合，以防止產生氮氧化物的高火焰溫度。Gülen說，有三種類型的預混合燃燒：貧-貧；富-貧分階段；以及貧預混合燃燒。他寫道：“分階段是指在軸向將燃料引入燃燒器。”

DLN的演變

在20世紀90年代，GE率先提出了一個突破性的解決方案，試圖將火焰結構從擴散式——即燃料未經混合就被注入，僅使用部分可用的空氣在最高火焰溫度下燃燒——轉變為 “預混合 ”火焰，其過程是在燃料和空氣進入燃燒器之前進行預混合，以大幅減少氮氧化物排放，並使用空氣作為稀釋劑來降低燃燒火焰溫度。一些原始裝置製造商（OEMs）很快就採用了這種 “稀薄預混 ”燃燒工藝，並透過各種商品名稱來稱呼它。GE和西門子能源稱其為乾式低氮氧化物（DLN）；羅爾斯-羅伊斯公司將其作為乾式低排放（DLE）工藝來推廣；而太陽能輪機則作為SoLo NOx工藝。

“在隨後的三十年裡，DLN燃燒器經歷了幾代（例如，從GE的DLN 1到DLN 2。6+），解決了大部分穩定執行問題。然而，在前60%（淨LHV）和如今65%的天然氣聯合迴圈效率的情況下，隨著燃氣輪機輪機進口溫度（TIT）的增加，這項任務變得更加困難。與DLN技術早期的1，350C-1，400C（老式F級）的TIT相比，我們現在看到的是來自主要OEMs的“先進級”燃氣輪機（H-、HA-、HL-或J級，取決於OEM），TIT逼近1，700C。

在GE，研究工作產生了用於E級燃氣輪機的DLN-1解決方案，以及用於F級燃氣輪機的DLN-2解決方案；後者也被應用於EC級和H級機器。2015年，GE為新的和現有的7F燃氣輪機推出了DLN2。6+燃燒系統，2018年，它宣佈了一個 ”柔性 “升級解決方案，它將DLN 2。6+燃燒器與軸向燃料分期（AFS）技術相結合。這與早期的平行或徑向燃料分級的方法形成了鮮明的對比，這是貧乏預混燃燒的標誌。有趣的是，在單個燃燒器中的軸向燃料分期可以是具有順序（再熱）燃燒的燃氣輪機的固有特徵，例如，前ABB/Alstom（現在被GE和Ansaldo分割）GT24/26燃氣輪機。”

最近，GE推出的DLN 2。6e燃燒系統——9HA採用了該系統，但其最新機型7HA。03將在明年上線時首次引入60Hz機器。正如 GE 9HA 2。6e DLN 燃燒團隊的首席機械部件所有者Dana Jackson 所說，DLN 2。6e 的核心是 “重新設計 GE 的燃料噴嘴”——在反應區輸送燃料和空氣的部件——源自與能源部的大批次氫氣燃氣輪機專案的合作。

GE對能夠在高氫燃料上執行的新燃燒系統的開發已經持續了15年以上。DLN 2。6e燃燒器的特點是採用了增材製造的 “微混合器”“，開啟了我們將燃料和空氣混合在一起的新方式，從而能夠在不影響排放的情況下達到更高的燃燒溫度。與允許 將近40%的燃料引入第二級 的AFS系統相配，該技術使GE能夠 真正在時間和溫度方面解決氮氧化物的產生。

迎合不斷變化的市場

燃燒系統的研究和開發一直強調火焰的穩定性和氮氧化物的控制，這主要是由於燃氣發電行業在現代電力系統中的新的轉型作用，以提供靈活性來支援可再生能源份額的增加。

燃氣輪機的間歇性越來越強——它們支援可再生能源，它們有非常積極的啟動時間，燃氣輪機的迴圈率非常高，斜坡率也很高，甚至轉差也越來越低。此外，客戶希望保證機器在去碳化系統中保持相關性和可靠性，他們要求廣泛的燃料靈活性，包括氫氣等低碳燃料。

西門子的 ”最先進的 “燃燒技術被安置在其最新的機器上，SGT6-9000HL（一個60Hz的版本），去年在北卡羅來納州丹佛附近的杜克能源公司的林肯燃燒輪機站開始了為期四年的真實條件測試專案。2020年6月，西門子還將一臺50 Hz的HL燃氣輪機送往英國林肯郡的SSE的Keadby電廠，在2022年上線前進行測試和驗證。該機器的效率提高來自於將燃燒溫度從1500攝氏度提升到遠高於1600攝氏度。這需要改變航空設計，包括燃料-空氣混合和冷卻空氣最佳化，以保持初級區火焰溫度低，避免區域性熱點，以保持低氮氧化物；研究熱分佈，確保部件真正滿足其壽命要求，考慮這些新的斜坡率。

西門子能源的SGT6-9000HL燃氣輪機是其HL級框架的一部分，採用先進的罐式燃燒系統，60Hz的燃氣輪機有12個預混燃燒器（50Hz的SGT5-9000HL燃氣輪機有16個燃燒器），將能量引入渦輪機模組。該系統的設計支援雙燃料能力，它允許更高的燃燒溫度，以及更多的操作靈活性。

然而，西門子能源繼續完善其燃燒技術，主要是為了在2030年前實現100%的氫氣燃燒，這是EUTurbines（歐洲行業協會，包括其他幾個燃氣輪機制造巨頭，包括Ansaldo Energia、MAN Energy Solutions和）制定的承諾的一部分。到目前為止，該公司已經利用其幾十年來在不間斷擴散火焰、溼式低排放和乾式低排放（DLE）燃燒技術方面獲得的關鍵經驗。

一個關鍵的障礙是，在絕熱和隨機條件下，氫氣的火焰溫度比甲烷的火焰溫度高近300C（572F）。更復雜的是，雖然氫氣的層狀火焰速度是甲烷的三倍以上，但氫氣的自燃延遲時間卻比甲烷低三倍以上。西門子能源現在正努力在控制高活性燃料的火焰和保持燃燒系統的完整性之間取得微妙的平衡，同時試圖達到理想的排放水平。

燃燒脫碳燃料

Ansaldo Energia說

燃燒技術的最終目標是實現高效、靈活、超低排放的燃氣輪機，這將是應對全球可靠能源生產挑戰和最大限度減少環境影響的關鍵的電力部門。我們看到了擴大燃氣輪機燃料靈活性以結合綠色燃料，特別是氫氣和氨氣的強勁趨勢。

值得注意的是，在順序燃燒發動機中，第二個燃燒室也可以關閉，允許發動機在非常低的負載下停止，而不會影響排放。在可再生能源滿足能源需求的時代，這是一個優勢。在這種情況下，燃氣輪機可以以非常低的執行成本執行。在需要時，它可以快速響應並迅速提供電力，而無需啟動程式。

同樣，三菱動力的 M501JAC 燃氣輪機模型集成了預混合燃燒器技術，以解決回火（回火）、燃燒壓力波動和 NOx排放問題，而 J 系列模型已經能夠燃燒天然氣和高達它說，30% 的氫氣。為了達到 100% 的氫氣能力，技術開發人員現在正在探索一種“多簇”燃燒器技術，透過升級的燃料輸送噴嘴設計實現氫氣和空氣的有效混合。

Mitsubishi Power Americas 執行長 Paul Browning 在 2 月份告訴 POWER ，該公司的目標是到 2025 年開發 100% 氫氣燃燒技術。他們從我們這裡購買的任何燃氣輪機不僅能夠在今天使用 30% 的氫氣，而且在未來將能夠使用 100% 的氫氣，”布朗寧說。

然而，與此同時，三菱電力也在開發一種 40 兆瓦的氨氣燃氣輪機，目標是在 2025 年前後實現商業化。由於氨的燃燒速度較低，因此需要更大的燃燒室，而且由於氨中含有氮，任何使用它說，它作為一種燃料需要解決它產生的“燃料 NO x ”。該公司已經探索過透過兩級燃燒來 降低 NOx ，但它表示更大的燃氣輪機會帶來“許多技術問題，例如燃燒室的大型化和複雜化”。

尋求工業燃氣輪機的靈活性

從工業燃氣輪機的角度來看，MAN 燃燒技術優先順序擴充套件到燃料靈活性，特別是氫和高階碳氫化合物。後者通常存在於壓裂氣和頁岩氣中。在同一個專案中，還致力於開發一種低排放的預混燃燒器，它將能夠以超低的 NOx 排放量燃燒 100% 的氫氣。

MAN 的旗艦技術是先進的罐式燃燒 （ACC） 系統，該系統採用先進的稀薄預混技術來降低主反應區的峰值火焰溫度。“基本目標是在寬負載和環境溫度範圍內實現最大的燃料靈活性和極低的排放，”它說。該公司指出，它最近為其 MGT 燃氣輪機生產線引入了雙燃料能力——已經可以燃燒 20% 的天然氣中的氫氣——以允許使用液體燃料作為備用燃料。“在天然氣短缺的情況下，這種能力提高了電力生產的可靠性，”它說。

較小的原始裝置製造商也在推進燃燒技術方面取得了重大進展。一個值得注意的例子來自日本科技集團川崎重工 （KHI） 與德國亞琛的工程 B&B-AGEMA 之間的合作，以改進亞琛應用科技大學在 1980 年代開發的微混合燃燒技術。正如 B&B-AGEMA 的 Jens Dickhoff 所說，這項專利技術依賴於多個微型擴散火焰，同時防止回火並抑制 NO x的產生。

2020 年 7 月，在日本新能源和工業技術開發組織 （NEDO） 的支援下，KHI 宣佈在日本神戶港成功演示了在商業執行條件下的 DLE、100% 氫燃料燃氣輪機。燃氣輪機燃燒器的驗證計劃於 2021 年 2 月結束，該燃燒器是由 Obayashi Corp。 開發的創新 1。1 兆瓦（2。8 兆瓦）熱電聯產系統的一部分，該系統集成了熱回收蒸汽發生器。

燃燒進步的下一個前沿

燃燒的未來植根於更好理解的基本燃燒特性。

雖然更嚴格的排放要求促使OEM瞭解火焰穩定性、排放、湍流燃燒和燃燒化學，但最近，對提高燃氣輪機技術效率的更大興趣推動了研究和開發，以瞭解在日益嚴峻的壓力和溫度下的這些問題。對近似恆定體積燃燒的迴圈，例如脈衝爆震或旋轉爆震發動機的興趣正在增長。這激發了在爆轟極限、爆震波動力學以及從爆燃（其中燃燒以亞音速傳播）到爆轟（其中燃燒以超音速傳播）的過渡方面的工作。

作為當前燃氣輪機技術基礎的傳統布雷頓迴圈基於（理想的）恆壓加熱過程。在實踐中，這是在壓力損失相對較小的燃燒器中完成的，例如 5-6%，Gülen 在 4 月解釋道。然而，還有另一個理想的迴圈，它在熱效率方面優於布雷頓迴圈，其中熱量的新增量是恆定的。在此過程中，迴圈加熱（即實際硬體中的燃燒）導致溫度和壓力升高。因此，無需壓縮機的高附加功耗（在布雷頓迴圈中執行的傳統燃氣輪機中消耗了近 50% 的渦輪輸出），就可以實現較高的渦輪入口溫度和壓力。

葛蘭稱之為“壓力增益燃燒”的燃氣輪機迴圈和燃燒技術的下一個前沿領域目前依賴於爆震燃燒，儘管它是解決這個棘手（且非常複雜）的工程問題的不完美解決方案。

然而，它的實際實施仍然是在未來。儘管如此，對於陸基發電燃氣輪機，透過 PDC 或 RDC 的壓力增益燃燒提供了一個機會在不將TIT推到非常高的水平的情況下，將聯合迴圈效率（實際上）提高兩個百分點。此外，在飛機有限的空間內，與所有伴隨的重量、尺寸、振動等問題的持續爆炸裝置相關的許多實際困難和風險在陸基機器中更容易克服。

在短期內，原始裝置製造商將重點放在簡化元件效能上。在推動燃氣輪機系統效率超過 64%”的 GE 公司，增材製造，包括透過直接金屬鐳射熔化（DMLM） 列印零件，使其能夠生產出一些我們真正無法做到的燃燒結構過去是不可能的。在過去的五年中，我們在燃燒系統中加入了更多的新增劑製造部件，而我們現在的 DLN2。6e 是我們擁有最多的部件。

與此同時，Intile 表示GE憑藉其 DLN2。6e 處於其技術 S 曲線的開端，我們現在面臨的真正挑戰是材料系統。因為GE的排放能力基本上超越了其材料能力，我們現在正在投資研發、燃燒系統內的新塗層和新材料，以便我們能夠趕上排放能力。