CN102788367A - 燃气轮机柔和燃烧室及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机柔和燃烧室及实现方法，涉及燃烧室技术，该方法，使得空气首先通过冷却燃烧室的火焰筒和燃气导管而使得自身温度提高，然后通过空气喷嘴进入燃烧室形成与燃烧室烟气流动方向相反的高速射流空气，高速射流空气引射卷吸一部分燃烧完的烟气与自身掺混，形成高温低氧空气，并流经燃料喷嘴附近，与喷入燃料掺混形成可燃混合物，然后在燃烧室的燃烧区发生柔和燃烧，燃烧形成烟气流出燃烧区进入掺混段，进入掺混段之前部分烟气又与空气喷嘴进入的高速空气掺混，进入掺混段的烟气又被从掺混孔进入的空气掺混达到燃烧室出口温度要求后，从燃气导管流向燃气轮机的透平。本发明的燃烧室结构简单、控制运行简单、低污染排放、低噪声。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，是一种燃气轮机柔和燃烧室及实现方法。结构简单、控制运行简单、低污染排放、低噪声的燃烧室技术。
背景技术
煤炭是我国主要的一次能源，高效清洁地利用煤炭是缓解我国能源环境压力所急需解决的问题。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中把“煤的清洁高效开发利用、液化及多联产”列为优先主题。整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)中，煤气化后产生合成气，送入燃气轮机发电，避免了煤的直接燃烧，是高效清洁利用煤炭的途径。
合成气中H2的含量受煤炭种类、气化工艺和工况的影响在15～50％之间变化。如果合成气燃气轮机采用预混火焰，H2含量的变化引起预混火焰传播速度波动，导致燃烧不稳定和破坏性的回火现象，影响安全稳定工作，因此燃机厂商大都采用扩散火焰。与稀预混火焰相比，合成气扩散火焰的突出弊端是火焰温度高导致的NOx排放高和H2含量高导致的燃烧噪声大。
柔和燃烧(Mild Combustion)被定义为一种反应物温度高于混合物的自燃温度，而燃烧过程中的最高温升小于其自燃温度的燃烧过程。柔和燃烧中，入口反应物温度高于混合物的自燃温度，不存在燃烧稳定性的问题；温升小，因此火焰温度低和火焰面弥散，NOx排放和噪声都很低。
同时柔和的一些特点也使其适用于燃气轮机燃烧室：火焰的最高温度可控制在材料的耐受温度范围内，减少燃烧室的冷却；不存在火焰稳定性问题，可采用多种流动组织方式来实现；火焰面分散，温度场分布均匀，燃烧室和涡轮叶片的热应力大大降低。
因此如若可以在燃气轮机燃烧室中实现柔和燃烧，将会为现阶段燃气轮机燃烧室中面临的火焰稳定性、NOx排放高、噪声大等问题提供一个有效解决方案，实现安全、稳定、低污染、低噪声燃烧。本发明提供一种燃气轮机柔和燃烧室的实现方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在燃气轮机燃烧室中实现柔和燃烧的方法，从而形成燃气轮机柔和燃烧室，实现安全、稳定、低污染、低噪声燃烧。为现阶段燃气轮机燃烧室所面临的问题提供一个有效的解决方案。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种燃气轮机柔和燃烧室，位于燃气轮机压缩机和燃气轮机透平之间，其柔和燃烧室包括外壳、火焰筒、燃气导管、冷却导流衬套；外壳凸设于燃气轮机压缩机和燃气轮机透平之间，向后斜置，与燃气轮机压缩机和燃气轮机透平密封连接；外壳后端封闭，后端壁外侧有腔式燃料喷嘴部套，燃料喷嘴部套后端壁有通孔，与燃料存储系统相通连；
火焰筒、燃气导管、冷却导流衬套位于外壳内，冷却导流衬套包覆于火焰筒、燃气导管外周圆，冷却导流衬套侧壁上，相对于火焰筒、燃气导管的位置均布有贯通的冲击冷却孔；冷却导流衬套后端直径大于前端直径，与火焰筒、燃气导管外形相适配；冷却导流衬套后端有直角翻边，翻边外周圆固接于外壳后端内壁，靠近后端壁内侧；
火焰筒后端以燃料喷嘴板密封，燃料喷嘴板中心设有一启动喷嘴，启动喷嘴外周圆均布多个燃料喷嘴，启动喷嘴、多个燃料喷嘴一一经密封管与燃料喷嘴部套内腔相通连；火焰筒前端设有掺混段，火焰筒直径大于掺混段直径，连接处呈台阶状，形成火焰筒前侧壁，在环形前侧壁上均布多个空气喷嘴；掺混段侧壁上至少设有四个掺混孔；掺混段前端与燃气导管后端固接，燃气导管前端与燃气轮机透平入口相通连；
冷却导流衬套前端固接于燃气导管前端外周圆，冷却导流衬套前端、燃气导管前端、燃气轮机透平入口连接处密封固接。
所述的柔和燃烧室，其所述火焰筒周圆侧壁上，设有冷却肋片，冷却肋片与冷却导流衬套侧壁上的冲击冷却孔叉排布置，以增加换热系数，使空气更有效的利用将火焰筒冷却提高自身温度。
所述的柔和燃烧室，其所述火焰筒，为筒型或环形；空气喷嘴，为渐扩型、渐缩型或直管型。
所述的柔和燃烧室，其所述燃料，为液体燃料、气体燃料。
所述的柔和燃烧室，其所述液体燃料，为柴油、重油、甲醇其中之一，或混合物；气体燃料，为天然气、各种煤制燃料气、氢气、焦炉煤气、高炉煤气其中之一，或混合物。
一种所述的柔和燃烧室实现方法，其包括下列步骤：
a)燃气轮机柔和燃烧室启动时，来自燃气轮机压缩机的空气通过空气喷嘴进入燃烧室，燃料通过启动喷嘴进入燃烧室与空气进行燃烧形成烟气；
b)之后燃气轮机压缩机输出的空气进入燃烧室外壳内腔，通过冷却导流衬套的冲击冷却孔，吹入火焰筒、燃气导管外周圆，使空气自身温度提高；
c)在经多个空气喷嘴进入火焰筒内腔，形成与火焰筒内烟气流动方向相反的高速射流空气，高速射流空气引射卷吸一部分燃烧完的烟气与自身掺混，形成高温低氧空气；
d)高温低氧的空气流向火焰筒后端燃料喷嘴附近，与通过燃料喷嘴喷入的燃料掺混，形成可燃混合物，在火焰筒内腔的燃烧区发生柔和燃烧，之后启动喷嘴关闭；
e)柔和燃烧形成的烟气，向火焰筒前端的掺混段流动，在进入掺混段之前部分烟气被从多个空气喷嘴进入的高速空气引射卷吸并与之掺混后，进入掺混段；
f)进入掺混段的混合烟气，与从掺混孔进入的预热过的空气掺混，达到燃烧室燃气导管出口温度要求后，从燃气导管出口经燃气轮机透平入口，流向燃气轮机透平的燃烧室做功。
所述的柔和燃烧室实现方法，其所述燃气导管出口温度，在800～1600℃之间。
所述的柔和燃烧室实现方法，其所述步骤b)中，燃气轮机压缩机输出的空气通过冷却导流衬套的冲击冷却孔，吹在火焰筒外表面的肋片，肋片与冲击冷却孔叉排布置，使得空气有效的将火焰筒冷却而提高自身温度，并增加冷却效果。
所述的柔和燃烧室实现方法，其所述步骤c)中的高温低氧空气，其高温为温度高于与燃料混合后混合物的自燃温度，低氧为保证混合物的温升小于自燃温度，以使得与燃料形成混合物后发生柔和燃烧；具体温度和氧浓度，根据具体的燃料经过公知的化学热力学计算获得。
本发明的可以在燃气轮机燃烧室中实现柔和燃烧的方法，使得燃烧室实现安全、稳定、低污染、低噪声燃烧，达到节能减排的效果。
附图说明
图1为本发明的燃气轮机柔和燃烧室结构图；
图2为本发明的柔和燃烧室燃料喷嘴布置示意图；
图3为本发明的柔和燃烧室空气喷嘴布置示意图；其中：
图3a为空气喷嘴布置示意图；
图3b为空气喷嘴结构示意图；
图4为本发明的燃气轮机柔和燃烧室的实现流程图。
标号说明：
101燃气轮机柔和燃烧室，102燃气轮机压缩机，103燃气轮机透平；
201燃料喷嘴部套，202火焰筒，203冷却导流衬套，204燃气导管；
301、301a、301b、301c空气喷嘴，302掺混孔，303燃料喷嘴，304冷却肋片，305冲击冷却孔，306启动喷嘴；
401燃料，402空气与烟气的混合物，403来自压缩机进入燃烧室的空气，404燃烧后形成的烟气，405被引射回流的烟气，406通过空气喷嘴进入的高速空气，407燃烧区，408冲击冷却空气，409参加完冷却被加热的空气，410掺混空气，411燃烧室出口烟气。
具体实施方式
本发明的燃气轮机柔和燃烧室，通过合理的组织来自燃气轮机压缩机进入燃烧室的空气，使得空气首先通过冷却燃烧室的火焰筒和燃气导管而使得自身温度提高，然后通过特殊的空气喷嘴进入燃烧室形成与燃烧室烟气流动方向相反的高速射流空气，高速射流空气通过引射卷吸一部分燃烧完的烟气与自身掺混，形成高温低氧的空气，并流经燃料喷嘴附近，此时燃料被喷入高温低氧的空气与之掺混并形成可燃混合物，然后在燃烧室的燃烧区发生柔和燃烧，燃烧形成的烟气流出燃烧区进入燃烧室的掺混段，在进入掺混段之前部分烟气将被从空气喷嘴进入的高速空气引射卷吸并与之掺混，进入掺混段的烟气被从掺混孔进入的空气掺混到达燃烧室出口温度要求后从燃气导管流向燃气轮机的透平。
如上所述通过在火焰筒和燃气导管外设置一层冷却导流衬套，使得来自燃烧室的空气通过冷却导流衬套上的小孔进入导流衬套，形成的气流对火焰筒和燃气导管进行冲击冷却，通过冷却使得空气的温度提高，从而更容易实现柔和燃烧所需要的高温条件。为了增加冷却效果、提高空气的温度，火焰筒外表面设置肋片，肋片与冲击冷却孔叉排布置以增加换热系数，而使得空气更有效将火焰筒冷却而提高自身温度。
如上所述的空气喷嘴是指为了在尽量小的压力损失的情况下，使得空气进入燃烧室的速度可以达到要求的速度从而满足掺混烟气的需要。空气喷嘴可以是渐扩型、渐缩型、直管型等等。
如上所述通过空气喷嘴进入燃烧室的高速射流空气通过引射作用卷吸一部分燃烧完的烟气与之掺混从而形成高温低氧的空气。
其中上述的高温低氧空气的高温为温度高于混合燃料后混合物的自燃温度，低氧为保证混合物的温升小于自燃温度，以使得与燃料形成混合物后可发生柔和燃烧。具体温度和氧浓度可根据具体的燃料经过公知的化学热力学计算即可获得。
满足上述条件的高温低氧空气与燃料混合完全后既可以实现柔和燃烧。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见附图1，为本发明的实现方式之一，主要包括安装在燃气轮机压缩机102和燃气轮机透平103之间的燃气轮机柔和燃烧室101。其中燃气轮机柔和燃烧室101主要由燃料喷嘴部套201、火焰筒202、冷却导流衬套203以及燃气导管204组成。
本发明燃烧室实现柔和燃烧的工艺流程，阐述如下：
如图1和图4所示，燃气轮机柔和燃烧室启动时，来自燃气轮机压缩机102的空气403通过空气喷嘴301进入燃烧室101，燃料401通过启动喷嘴306进入燃烧室101与空气进行燃烧形成烟气404，之后来自燃气轮机压缩机102的空气403，首先通过冷却导流衬套203上的冲击冷却孔305对燃烧室101的火焰筒202和燃气导管203进行冲击冷却，同时使得自身温度提高(409)，然后通过渐缩型的空气喷嘴301进入燃烧室101形成与燃烧室烟气404流动方向相反的高速射流空气406，高速射流空气406通过引射卷吸一部分燃烧完的烟气405与自身掺混，形成高温低氧的空气402，并流经燃料喷嘴303附近，此时燃料401经燃料喷嘴303被喷入高温低氧的空气402与之掺混并形成可燃混合物，然后在燃烧室的燃烧区407发生柔和燃烧，此时启动喷嘴关闭，燃烧形成的烟气流出燃烧区进入燃烧室的掺混段，在进入掺混段之前部分烟气将被从空气喷嘴301进入的高速空气引射卷吸并与之掺混，进入掺混段的烟气被从掺混孔302进入的空气掺混到达燃烧室出口温度要求后从燃气导管204流向燃气轮机的透平103。
如图2所示为本发明的燃料喷嘴的实现方式之一，其中周围为燃料喷嘴303，中心为燃烧室启动喷嘴306。
如图3a为空气喷嘴布置示意图；图3b为空气喷嘴结构示意图，图3b所示为本发明的空气喷嘴301的3种实现方式，301a渐缩型空气喷嘴，301b渐扩型空气喷嘴，301c直管型空气喷嘴。
上述实现方式为筒形燃烧室的实现方式，同样环形燃烧室也可以同理实现，不再赘述。
以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的权利要求保护范围内。
Claims (9)
1.一种燃气轮机柔和燃烧室，位于燃气轮机压缩机和燃气轮机透平之间，其特征在于，柔和燃烧室包括外壳、火焰筒、燃气导管、冷却导流衬套；外壳凸设于燃气轮机压缩机和燃气轮机透平之间，向后斜置，与燃气轮机压缩机和燃气轮机透平密封连接；外壳后端封闭，后端壁外侧有腔式燃料喷嘴部套，燃料喷嘴部套后端壁有通孔，与燃料存储系统相通连；
火焰筒、燃气导管、冷却导流衬套位于外壳内，冷却导流衬套包覆于火焰筒、燃气导管外周圆，冷却导流衬套侧壁上，相对于火焰筒、燃气导管的位置均布有贯通的冲击冷却孔；冷却导流衬套后端直径大于前端直径，与火焰筒、燃气导管外形相适配；冷却导流衬套后端有直角翻边，翻边外周圆固接于外壳后端内壁，靠近后端壁内侧；
火焰筒后端以燃料喷嘴板密封，燃料喷嘴板中心设有一启动喷嘴，启动喷嘴外周圆均布多个燃料喷嘴，启动喷嘴、多个燃料喷嘴一一经密封管与燃料喷嘴部套内腔相通连；火焰筒前端设有掺混段，火焰筒直径大于掺混段直径，连接处呈台阶状，形成火焰筒前侧壁，在环形前侧壁上均布多个空气喷嘴；掺混段侧壁上至少设有四个掺混孔；掺混段前端与燃气导管后端固接，燃气导管前端与燃气轮机透平入口相通连；
冷却导流衬套前端固接于燃气导管前端外周圆，冷却导流衬套前端、燃气导管前端、燃气轮机透平入口连接处密封固接。
2.根据权利要求1所述的柔和燃烧室，其特征在于，所述火焰筒周圆侧壁上，设有冷却肋片，冷却肋片与冷却导流衬套侧壁上的冲击冷却孔叉排布置，以增加换热系数，使空气更有效的将火焰筒冷却以提高自身温度。
3.根据权利要求1所述的柔和燃烧室，其特征在于，所述火焰筒，为筒型或环形；空气喷嘴，为渐扩型、渐缩型或直管型。
4.根据权利要求1所述的柔和燃烧室，其特征在于，所述燃料，为液体燃料、气体燃料。
5.根据权利要求1所述的柔和燃烧室，其特征在于，所述液体燃料，为柴油、重油、甲醇其中之一，或混合物；气体燃料，为天然气、各种煤制燃料气、氢气、焦炉煤气、高炉煤气其中之一，或混合物。
6.一种根据权利要求1所述的柔和燃烧室实现方法，其特征在于，包括下列步骤：
a)燃气轮机柔和燃烧室启动时，来自燃气轮机压缩机的空气通过空气喷嘴进入燃烧室，燃料通过启动喷嘴进入燃烧室与空气进行燃烧形成烟气；
b)之后燃气轮机压缩机输出的空气进入燃烧室外壳内腔，通过冷却导流衬套的冲击冷却孔，吹入火焰筒、燃气导管外周圆，使空气自身温度提高；
c)在经多个空气喷嘴进入火焰筒内腔，形成与火焰筒内烟气流动方向相反的高速射流空气，高速射流空气引射卷吸一部分燃烧完的烟气与自身掺混，形成高温低氧空气；
d)高温低氧的空气流向火焰筒后端燃料喷嘴附近，与通过燃料喷嘴喷入的燃料掺混，形成可燃混合物，在火焰筒内腔的燃烧区发生柔和燃烧，之后启动喷嘴关闭；
e)柔和燃烧形成的烟气，向火焰筒前端的掺混段流动，在进入掺混段之前部分烟气被从多个空气喷嘴进入的高速空气引射卷吸并与之掺混后，进入掺混段；
f)进入掺混段的混合烟气，与从掺混孔进入的预热过的空气掺混，达到燃烧室燃气导管出口温度要求后，从燃气导管出口经燃气轮机透平入口，流向燃气轮机透平的燃烧室做功。
7.根据权利要求6所述的柔和燃烧室实现方法，其特征在于，所述燃气导管出口温度，在800～1600℃之间。
8.根据权利要求6所述的柔和燃烧室实现方法，其特征在于，所述步骤b)中，燃气轮机压缩机输出的空气通过冷却导流衬套的冲击冷却孔，吹在火焰筒外表面的肋片，肋片与冲击冷却孔叉排布置，使得空气有效的利用将火焰筒冷却而提高自身温度，并增加冷却效果。
9.根据权利要求6所述的柔和燃烧室实现方法，其特征在于，所述步骤c)中的高温低氧空气，其高温为温度高于与燃料混合后混合物的自燃温度，低氧为保证混合物的温升小于自燃温度，以使得与燃料形成混合物后发生柔和燃烧；具体温度和氧浓度，根据具体的燃料经过公知的化学热力学计算获得。
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