當前發電用燃氣輪機主要採用佈雷登-朗肯聯合迴圈，一方面，靠新增溫度和壓比提高迴圈效能的潜力越來越小且難度越來越大，另一方面，受限於迴圈型式，難以滿足熱電比變化大的用戶需求。濕空氣透平迴圈（Humid Air Turbine，HAT迴圈）相比佈雷登-朗肯聯合迴圈，通過濕化器回收中低品位熱能，回熱器回收高品位熱能，在不新增壓氣機耗功的情况下提高做功介質流量，從而提高迴圈的功率和效率，同時還具有熱電比調節靈活的優勢。HAT迴圈現時面臨的挑戰之一是HAT迴圈熱電比的大幅變化使得燃燒室進口空氣溫度和含濕量變化範圍大，如何保證不同空氣進口條件下寬負荷穩定燃燒。
中國科學院工程熱物理研究所能源動力研究中心團隊提出採用多股高速射流的流場組織管道，卷吸局部高溫煙氣回流並與之快速摻混以穩焰並實現柔和燃燒，提高燃料噴射區域湍流强度促進燃空快速混合，並結合中心值班火焰來拓展濕空氣燃燒室的穩定工况範圍。研究結果發現相同絕熱火焰溫度下，含濕量的新增一方面會抑制熱力型、N2O型和NNH型NO的生成，但同時由於相同出口溫度下當量比的新增，CH基也會新增，使得快速型NO也會相應增大，兩者的相互競爭决定了含濕量對總NOx生成的影響。
該研究探索了濕空氣柔和燃燒模型燃燒室的污染物排放和火焰特徵，研究顯示熱負荷36-63kW下，在含濕量0-0.2 kg/kg範圍內，絕熱火焰溫度為1670-1840 K左右內能保持穩定燃燒，同時NOx排放始終低於3 ppm。在空氣含濕量&Omega；=0.2 kg / kg條件下，燃燒室OH *化學光分佈較為分散，反應區內熱釋放率的空間波動幅度明顯减弱，同時局部峰值熱釋放率明顯减弱，展示出柔和燃燒的特徵。
此外針對高含濕量下燃燒穩定範圍變窄的問題，研究人員探索了新的增穩管道，通過改變燃料分配比來實現預混、擴散和混合三種模式，擴散和混合模式下燃料噴嘴出口能形成局部高溫區，能够為周圍的預混噴嘴提供穩定的著火點。實驗結果表明柔和燃燒擴散模式和混合模式相比於預混模式具有更寬的貧燃邊界。
研究成果發表在Thermal Science上。研究工作得到國家科技重大專項和中國科學院對外合作項目的資助。
圖1不同濕空氣溫度下各類NO生成變化
圖2 NOx排放隨絕熱火焰溫度的變化趨勢
圖3不同出口溫度、含濕量條件下的平均OH*螢光影像
本文版權歸原作者所有，文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系，我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理！