為何說燃氣輪機燃料適應性好?

純外行 看到很多資料都提到燃氣輪機來啥吃啥都可以工作
不同燃料粘度流動性熱值不是應該是完全對應不同的工況嗎


謝邀 @Dean Rossi 拖了很久才來答……

咱們先來看看有燃氣輪機的燃料適應性有多好。這裡放張表給你們感受下,這些都燃氣輪機燃料的名稱,就不一一翻譯了。但我們能看到不論是氣體的還是液體的燃料,燃機是統統都能燒吶。

然鵝,這還不是全部,不完全地統計燃氣輪機可以使用的燃料可多達50種以上。相比於汽車發動機這樣的內燃機小兄弟,燃氣輪機的靈活性真是「吊打」它們呢。(開玩笑啦,這樣的比較其實沒意義的,畢竟使用的領域不一樣。)

當然,燃機的燃料靈活性還是要歸功於它的機械原理,其他回答的知友也都提到了:即依靠燃料在燃燒後膨脹併產生連續的高壓氣流,推動葉片做功,從而帶動燃氣輪機轉動。

但燃料靈活性並非「能燒就行」。真正的燃料靈活性,在我們看來是需要燃氣輪機「在不降低負荷和電廠可用性的前提下,能夠在運行中立刻切換燃料,而且還要儘可能地降低排放。」

而這可就需要一點科學了!在西門子,我們的專家稱之為創造「完美火焰」的技術。展開講之前,不妨先來個背景介紹:了解下火焰的類別以及燃機的燃燒器是如何工作的。

在燃氣輪機領域,我們一般將燃燒劃分為兩個類別:擴散燃燒和預混燃燒。

擴散燃燒(Diffusion):燃料直接在空氣中燃燒,比如打火機。這種燃燒方式的優點是非常穩定,但是效率低,並會產生很大的排放。

預混燃燒(Premix):燃料與空氣混合後再進行燃燒,比如家中的天然氣爐。預混燃燒一般產生的藍色火焰,這種燃燒方式更為清潔和高效。

曾經,擴散燃燒是燃氣輪機的主要燃燒方式,現在仍然有一些燃機使用擴散燃燒來處理比較難點燃的燃料。但大部分先進的燃氣輪機都採用了預混燃燒的方式,從而實現更高的效率以及更低的排放。

下圖展示了燃機中預混燃燒的過程。

圖中罐狀物就是燃機的燃燒室,圖片中箭頭1和2代表了經過壓氣機的高壓空氣進入燃燒室的路徑。隨後,「非常關鍵」的一步發生在2號箭頭頂部所指的、有黃色氣體的位置,燃燒器的特殊結構會讓進入的空氣與氣體燃料產生「精心安排」的旋轉,讓它們進行混合。最終,混合後的燃料在燃燒室中燃燒,如箭頭3所示。

回到我們的問題,實現真正的燃料靈活性並控制排放的奧義就在於:「針對不同的燃料,我們能夠在預混合階段找到最佳的燃料和空氣比。」

首先,要依靠安裝在燃機內的大量感測器去實時監測燃燒室中的各項數據,並對氣體的色譜進行分析。通過實時監測燃料化學成分的每一次變化,隨時調整使用多少燃料,加入多少空氣。

接下來,我們就要找到讓燃料和空氣更好混合的辦法。西門子的工程師們對燃燒器的構造進行了無數次的研究和測試,比如設計出特殊的導流結構,燃燒器上會設置一些特殊的縫隙,從而讓空氣可以從不同角度進入,最終在預混階段產生特殊的旋渦。燃料和空氣通過旋轉,可以混合的更加徹底。

在這個過程中,我們還採用增材製造技術,也就是被人熟知的3D列印技術,讓以前很多不能實現的特殊結構,現在都可以實現。目前,西門子某些型號燃機上的燃燒器噴嘴,其結構的複雜程度已經超越了傳統製造工藝,僅能夠通過增材製造實現。

補充一點,之前說到的那些燃燒數據,還可以為其他的燃機用戶提供參考,那怕從來沒有用過某一種燃料,只要有了這些數據,我們立刻就能調整到正確的參數。甚至通過機器學習,我們可以打造極為智能的控制系統,來幫助我們控制燃燒。

還有個知識點,燃料靈活性的最大挑戰之一 —— 氫氣

許多氣體由於含有極高的氫含量,以前都會被作為廢氣,直接燒掉。這是因為含氫量高的燃料具有腐蝕性,並且火焰速度非常快,當燃機的燃料供應速度趕不上燃燒速度時,就會反向點燃供應的燃料。

但使用高氫量燃料的需求現在也變得越來越多。比如我們的一家德國煉油廠客戶就希望使用含有15%氫氣的廢氣作為燃料。在過去,這麼高氫含量的燃料絕對會直接被燒掉,這樣顯然既浪費了能源,又浪費了金錢。

解決方法也是通過改進燃燒器。這裡還是要感謝先進的增材製造技術,讓我們可以製造出結構特殊的燃燒器噴嘴。這種全新的設計可以讓燃料以極快的速度注入到燃燒室,從而超過火焰燃燒的速度。

現在,西門子特定型號的燃機可以使用含氫量高達45%的燃料,這也就意味著,我們燃料的選擇又多了一些。

如果你喜歡燃機,這些文章你也許會感興趣

當「製造業皇冠上的明珠」遇上東方之珠,我們放出這篇乾貨滿滿的科普文

下一代燃氣輪機技術是什麼樣?

3D列印在目前應用的領域中具體發展到什麼地步了? - 西門子中國的回答 - 知乎

https://www.zhihu.com/question/43300548/answer/153144057


燃氣輪機只要求燃料能燃燒放熱膨脹就能做功,自然是什麼都能燒。常見的燒航空煤油,緊急情況下可以燒柴油。之前美國人還折騰過燒煤的燃氣輪機【對,燒煤的。細煤粉吹進燃燒室燃燒】只是後來因為含硫太高對葉片不好就沒再搞


設計都是有冗餘度的嘛。


一般來說,燃氣輪機既能燒液體燃料,又能燒氣體燃料,且往往組分範圍比較寬,而這是硬體和軟體(控制策略)共同努力的結果。

反過來說,燃料的靈活性主要受到燃氣輪機能否穩定燃燒的限制,其他還有燃料的腐蝕性和排放。


對於液體燃料,因為是擴散燃燒方式,燃燒比較穩定,限制因素往往是過於「臟」的燃料會污染噴嘴和透平和Nox的排放超標。

而對於氣體燃料,在一定的韋伯指數範圍內,燃料具有可替換性。
對於為了達到低排放採用預混燃燒帶來的燃燒不穩定性問題,則通過多種燃燒模式切換,在線離線調節空燃比和加入燃料預熱輔助系統方式來解決。

以上還是考慮了排放、燃料運行壽命因素後的分析,若不考慮這些,燃氣輪機的燃料適應性會更寬。

而固體燃料不適合燃氣輪機的問題在於燃燒後的顆粒在高速氣流攜帶下沖刷透平葉片,會對透平造成損傷。


燃氣輪機是持續燃燒的,只要點燃就行了,因此理論上任何可燃燒的液體都能用。
不像活塞式內燃機是間斷點火的,汽油機還需要考慮揮發性和辛烷值。


西門子的編輯要加班了


美國大兵說的,M1A1主戰坦克燃料從航空煤油一直到Channel NO.5 香水都可以


燃氣輪機就是靠透平葉片受到連續流動氣體的推動做工的 也就是說只要是一種能夠使氣體產生膨脹流動的燃料就能讓燃氣輪機做工,當然對於一些特殊燃料要設計不一樣的燃燒室
燃氣輪機使用不同的燃料工作情況當然不會相同,但是它至少能工作。。。


推薦閱讀:

燃氣輪機聯合循環 (CCGT)發電,可減少環境污染嗎?

TAG:航空發動機 | 燃氣輪機 | 噴氣發動機 |