CN103499097A - 一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法及喷嘴 - Google Patents
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Abstract
一种燃气轮机中低热值燃料气燃烧室喷嘴结构与燃烧组织方法，涉及燃机轮机技术领域。本发明针对中低热值燃料气热值低、火焰传播速度快、在燃烧室内体积流量大的特点，通过改变喷嘴结构，并通过在喷嘴和火焰筒不同部位分配进入燃烧室空气流量与比例，在燃烧室内部组织燃烧过程，有效解决了燃用中低热值燃料气喷嘴头部空气缺乏、燃烧不充分等问题，实现在燃烧室主燃区域大量燃料气与空气高效掺混，确保了稳定、高效、低污染燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种低热值燃料气燃烧室喷嘴及其燃烧组织方法，属于燃气轮机燃烧及设备技术领域。
背景技术
燃气轮机用途广泛，针对工业重型燃气轮机，其主要用途为发电，燃气轮机在效率、经济竞争力、污染物排放控制，尤其是CO2减排上有巨大发展潜力，是发电技术的重要组成部分。
工业发电用重型燃气轮机基本原理为通过空气压缩机压缩空气，送至燃烧室与燃料混合燃烧产生高温高压气体，推动透平输出功率并带动空气压缩机旋转。燃气轮机可以燃用多种燃料并有效控制氮氧化物（NOX）生成。
燃气轮机燃烧室可以燃用多种燃料，典型气体燃料为天然气、典型液体燃料为轻柴油。在整体煤气化联合循环（IGCC）以及高炉煤气、焦炉煤气、化工驰放气利用环境中，燃气轮机的主要燃料为可燃成分包括H2、CO、少量CH4，以及H2O、N2、CO2等惰性气体的混合气体，由于这些气体具有热值低、火焰传播速度快等共性，统称为中低热值燃料气。
中低热值燃料气的体积热值范围约为天然气的1/5至1/10，并不适用于天然气燃烧喷嘴，故需要对气体燃料喷嘴进行改造或者重新设计。
美国专利说明书US005211004A公开了一种燃气轮机喷嘴结构，该喷嘴结构为单喷嘴结构形式，中心为点火使用油喷嘴，外围为燃料通道，最外侧为空气通道。该喷嘴为典型GE公司单喷嘴结构形式，用于天然气、轻柴油等燃料，在燃烧中低热值燃料气时通过调整燃料孔流通面积与数目对该喷嘴进行改造。中国专利文献（申请号200610011661.X）同样公开了一种低热值燃烧室喷嘴结构与燃烧方法。这两种喷嘴结构与燃烧方法通过在喷嘴顶面对燃料气与空气进行部分预混，形成扩散-部分预混燃烧效果。但是由于燃烧室在相同出口温度下中低热值燃料气燃料体积流量约为天然气的5～10倍，燃烧室头部混合方式相比于燃烧天然气有较大差别，出现如下问题：1）燃料体积流量的增加导致喷嘴外层空气通道很难起到部分预混效果，实际上燃料气阻塞空气从喷嘴顶端进入；2）燃料体积流量增加导致头部燃料气与空气并不能充分混合，导致燃烧稳定性低，CO难于燃尽。采用典型的内层燃料、外层空气在喷嘴顶端部分预混的方式并不能完全符合中低热值燃料气在燃烧室内部燃烧要求。头部容易出现没有足够空气与燃料气充分掺混的现象，从而火焰主要存在于火焰筒后端现象。
发明内容
本发明的目的是针对中低热值燃料气热值低、火焰传播速度快、在燃烧室内体积流量大的特点，提供一种应用于燃气轮机燃烧室燃用中低热值燃料气燃烧组织方法与喷嘴结构。
本发明的技术方案如下：一种燃用中低热值燃料气的燃烧室喷嘴，其特征在于：该喷嘴包括中低热值燃料气进气管、中心空气内管、燃料气外管和喷嘴射流出口；所述的中心空气内管外壁与燃料气外管内壁之间形成燃料环腔，所述的喷嘴射流出口包括由外向内依次设置在喷嘴顶面的外侧空气射流出口、燃料气射流出口和中心空气射流出口。
沿喷嘴中心线设置中心空气进气管，该中心空气进气管与中心空气内管相连形成中心空气通道，中心空气通道与所述的中心空气射流出口连通；在喷嘴头部外侧设有外侧旋流空气管，在外侧旋流空气管内设有外侧径向空气旋流器，该外侧径向空气旋流器与外侧空气射流出口相连通；中低热值燃料气进气管采用切向进气管，切向进气管经所述的燃料环腔与燃料气射流出口相连通。
上述技术方案中，所述的外侧空气射流出口、燃料气射流出口以及中心空气射流出口三者位于同一平面上。所述外侧径向空气旋流器的数目为12～20个，流量系数为0.6～0.8。
本发明提供的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1）压气机出口空气的一部分分别通过火焰筒上的掺混孔、主燃孔、头部帽罩和气膜冷却孔逆流进入火焰筒，另一部分空气通过喷嘴进入火焰筒；
2）进入喷嘴的另一部分的压缩空气分为两路，其中一路中心空气从中心空气管注入后，沿中心空气通道并通过中心空气射流出口直接射入火焰筒；另一路通过位于喷嘴头部外侧的外侧旋流空气管进入，经外侧径向空气旋流器后形成旋流空气，由外侧空气射流出口进入火焰筒；
3）中低热值燃料气由中低热值燃料气进气管进入，以切向旋流形式进入燃料环腔后，由燃料气射流出口进入火焰筒；中低热值燃料气与旋流空气的旋流方向相反进入火焰筒，在火焰筒中形成富燃料值班火焰，通过剪切作用增强与空气掺混，形成龙卷风形态火焰。
本发明方法中，所述的旋流空气的旋流数优选范围为0.4～0.6；中低热值燃料气的旋流数优选范围为0.25～0.55。
本发明方法的技术特征还在于：旋流空气与中心空气的质量比为4.5～9；中心空气以30m/s～50m/s射流速度射入火焰筒。中低热值燃料气以110m/s～160m/s的射流速度进入火焰筒。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明喷嘴增加了中心空气进气管和外侧旋流空气管，使进入喷嘴空气除了在燃料气外侧形成旋流外，另外一部分进入喷嘴的空气从燃料气内侧射流进入火焰筒，在喷嘴顶端，形成由外至内“空气-燃料-空气”的形态。有效克服了燃烧中低热值燃料气燃烧室头部空气与燃料气不能充分掺混，特别是中心缺少空气参与燃烧的问题。②外侧空气通过径向旋流器后不再与燃料气进行部分预混，进入燃烧室的外侧空气与燃料气的旋流方向相反，从而增强外侧空气与燃料气掺混效果。③在喷嘴顶面中心加入内侧空气，并且内侧空气以射流形式沿火焰筒中心进入燃烧室，目的是在燃料气体积流量为天然气5～10倍条件下增加燃烧室中心空气浓度，在富燃料区注入空气形成值班火焰，该技术路线与传统上将燃料注入空气区域组织燃烧恰好相反，而是通过将空气注入燃料区域来形成火焰。并且该火焰可以有效解决燃烧中低热值燃料气头部空气缺乏，燃烧不充分问题。④为了减少中低热值进入喷嘴燃料气压力损失，在喷嘴顶端不设置旋流器来产生燃料旋流，而是通过采用燃料气切向进入的方式，在喷嘴顶端燃料气射流出口以燃料旋流形式进入火焰筒，燃料气为进入火焰筒空气体积流量2倍以上，使火焰筒内头部形成龙卷风结构。⑤压缩空气一部分分别通过火焰筒上掺混孔、主燃孔、气膜冷却孔、头部帽罩逆流进入燃烧室，剩余空气进入喷嘴，从喷嘴进入燃烧室，通过分配不同部位进入燃烧室空气流量与比例在燃烧室内部组织燃烧过程，形成两层火焰面，燃料气射流外层的火焰面，以及燃料气射流内层的火焰面，两层火焰面可以起到分散火焰面，减少热释放集中区域，稳定燃烧的效果。
附图说明
图1是本发明中燃烧室整体结构示意图。
图2为燃烧室喷嘴的立体结构图。
图3为燃烧室喷嘴的立体结构的剖面示意图。
图4为图3的A-A剖视图（燃烧室喷嘴顶端流道结构示意图）。
图5本发明中燃烧组织方法示意图。
图6为中低热值燃料气燃料旋流形成方法示意图。
图中：1-燃烧室喷嘴；2-火焰筒；11-外侧空气射流出口；12-中心空气射流出口；13-燃料气射流出口；14-中低热值燃料气进气管；15-中心空气进气管；16-燃料气外管；17-中心空气内管；18-外侧旋流空气管；19-燃料气进气管安装法兰；20-喷嘴安装法兰；21-主燃孔；21A-第一排主燃孔；21B-第二排主燃孔；21C-第三排主燃孔；22-掺混孔；23-罩帽；31-压气机出口空气；31A-掺混孔空气；31B-主燃孔空气；31C-冷却罩帽空气；31D-喷嘴旋流器空气；32-中心空气；33-中低热值燃料气；110-外侧径向空气旋流器；111-燃料环腔；121-中心空气流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做进一步的说明。
图1为本发明中燃烧室整体结构示意图，包括由喷嘴1、罩帽和火焰筒2等组成。图2和图3为本发明所述的燃烧室喷嘴结构示意图。所述喷嘴包括中低热值燃料气进气管14、中心空气内管17、燃料气外管16和喷嘴射流出口；所述的中心空气内管17外壁与燃料气外管16内壁之间形成燃料环腔111，所述的喷嘴射流出口包括由外向内依次设置在喷嘴顶面的外侧空气射流出口11、燃料气射流出口13和中心空气射流出口12，三者位于同一平面上；沿喷嘴中心线设置中心空气进气管15，该中心空气进气管15与中心空气内管17相连形成中心空气通道121，中心空气通道121与所述的中心空气射流出口12连通；在喷嘴头部外侧设有外侧旋流空气管18，在外侧旋流空气管18内设有外侧径向空气旋流器110，该外侧径向空气旋流器110与外侧空气射流出口11相连通;外侧径向空气旋流器110的数目一般可为12～20个，流量系数以般为0.6～0.8。中低热值燃料气进气管14采用切向进气管，切向进气管经所述的燃料环腔111与燃料气射流出口13相连通。而是通过燃料管道与喷嘴内部燃料通道偏心布置产生旋流。
参见图3，中心空气进气管15与中心空气内管17采用螺栓或者焊接方式进行连接，中间采用密封圈等方式进行密封，从而形成中心空气流道121，中心空气流道121在接近喷嘴顶面时面积减小，通过中心空气射流出口12来控制空气进入燃烧室射流速度为设计值。中心空气内管17的外壁与燃料气外管16的内壁共同形成喷嘴内部燃料环腔111，同样该环腔在靠近喷嘴顶端时面积缩小，形成燃料气射流出口13；燃料气通过燃料气进气管安装法兰19以及中低热值燃料气进气管14进入内部燃料环腔111，中低热值燃料气进气管14的中心线距离喷嘴1中心线一定距离，从而在燃料环腔内部形成旋流。外侧径向空气旋流器110通过端盖安装法兰20与燃料气外管16固定连接。
图4为图3的A-A剖视图，即燃烧室喷嘴顶端流道结构示意图；部分空气从外侧旋流空气管18进入，经设置在其内的外侧径向空气旋流器110后形成旋流空气31D，旋流空气的旋流数范围一般为0.4～0.6，然后由外侧空气射流出口11进入火焰筒；旋流空气31D的旋流方向与中低热值燃料气的旋流方向相反的方向进入火焰筒。
图5为本发明中燃烧组织方法示意图。结合图1和图5说明本发明的燃烧室燃烧组织方法,这种燃烧方法为传统燃烧方法的改进，通过向燃烧室内不同部位注入空气及燃料气，形成燃烧室整体火焰，其具体实施步骤是：
压气机出口空气的一部分首先分别通过火焰筒后端的掺混孔22、主燃孔21、头部帽罩和气膜冷却孔逆流进入火焰筒，另一部分空气通过喷嘴进入火焰筒2；其中主燃孔21分为三排，即第一排主燃孔21A、第二排主燃孔21B、第三排主燃孔21C，主燃孔空气31B通过这三排孔进入火焰筒。火焰筒中罩帽与燃烧室为一体通常采用鱼鳞孔结构进入空气，该结构可以简化为23所示的锥台结构，冷却罩帽空气31C通过该处进入火焰筒。
进入喷嘴的另一部分压缩空气分为两路，其中一路中心空气32从中心空气管15注入后，沿中心空气通道121并通过中心空气射流出口12以30m/s～50m/s射流速度直接射入火焰筒；另一路通过位于喷嘴头部外侧的外侧旋流空气管18进入，经外侧径向空气旋流器110后形成旋流空气31D，由外侧空气射流出口11进入火焰筒。中心空气从喷嘴中心沿中心线直接注入燃烧室，从而保证燃烧区域中心有部分空气参与燃烧。
中低热值燃料气33通过中低热值燃料气进气管14进入喷嘴。喷嘴旋流器空气31D、中心空气32、中低热值燃料气33分别通过外侧空气射流出口11、中心空气射流出口12以及燃料气射流出口13分别进入火焰筒，在进入火焰筒前燃料气与空气不进行掺混，从而避免大体积流量燃料气阻塞喷嘴空气流入燃烧室；在火焰筒中形成富燃料值班火焰，通过剪切作用增强与空气掺混，形成龙卷风形态火焰。该旋流空气31D与中心空气32的质量比优选为4.5～9。旋流空气31D的旋流方向与中低热值燃料气的旋流方向相反的方向进入火焰筒，中心空气32则射流进入火焰筒，从而增加燃烧室头部燃料气与空气掺混效果。
中低热值燃料气33由中低热值燃料气进气管14进入，以切向旋流形式进入燃料环111，旋流数范围为0.25～0.55，之后以110m/s～160m/s射流速度通过燃料气射流出口13进入火焰筒。
图6为中低热值燃料气燃料旋流形成方法示意图。为了减少中低热值燃料气33进入喷嘴后的压力损失，在喷嘴顶端不设置旋流器来产生燃料旋流，而是通过中低热值燃料气进气管14与燃料气外管16的偏心布置来产生旋流，该旋流强度通过调节中低热值燃料气进气管14的中心线与燃料气外管16的中心线距离进行控制。通过燃料气射流出口13进入火焰筒2的流量为通过喷嘴顶端进入火焰筒空气体积流量的2倍以上，火焰筒内头部的龙卷风结构主要通过燃料旋流射流实现。
Claims (8)
1.一种燃用中低热值燃料气的燃烧室喷嘴，其特征在于：该喷嘴包括中低热值燃料气进气管（14）、中心空气内管（17）、燃料气外管（16）和喷嘴射流出口；所述的中心空气内管（17）外壁与燃料气外管（16）内壁之间形成燃料环腔（111），所述的喷嘴射流出口包括由外向内依次设置在喷嘴顶部的外侧空气射流出口（11）、燃料气射流出口（13）和中心空气射流出口（12）；
沿喷嘴中心线设置中心空气进气管（15），该中心空气进气管（15）与中心空气内管（17）相连形成中心空气通道（121），中心空气通道（121）与所述的中心空气射流出口（12）连通；
在喷嘴头部外侧设有外侧旋流空气管（18），在外侧旋流空气管（18）内设有外侧径向空气旋流器（110），该外侧径向空气旋流器（110）与外侧空气射流出口（11）相连通；
中低热值燃料气进气管（14）采用切向进气管，切向进气管经所述的燃料环腔（111）与燃料气射流出口（13）相连通。
2.如权利要求1所述的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室喷嘴，其特征在于：所述的外侧空气射流出口（11）、燃料气射流出口（13）以及中心空气射流出口（12）三者位于同一平面上。
3.如权利要求1所述的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室喷嘴，其特征在于：所述外侧径向空气旋流器（110）的数目为12～20个，流量系数为0.6～0.8。
4.采用如权利要求1所述喷嘴的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1）压气机出口空气的一部分分别通过火焰筒上的掺混孔（22）、主燃孔(21)、头部帽罩和气膜冷却孔逆流进入火焰筒，另一部分空气通过喷嘴进入火焰筒（2）；
2）进入喷嘴的另一部分压缩空气分为两路，其中一路中心空气（32）从中心空气管（15）注入后，沿中心空气通道（121）并通过中心空气射流出口（12）直接射入火焰筒；另一路通过位于喷嘴头部外侧的外侧旋流空气管（18）进入，经外侧径向空气旋流器（110）后形成旋流空气（31D），由外侧空气射流出口（11）进入火焰筒；
3）中低热值燃料气(33)由中低热值燃料气进气管(14)进入，以切向旋流形式进入燃料环腔（111）后，由燃料气射流出口（13）进入火焰筒；中低热值燃料气与旋流空气（31D）的旋流方向相反进入火焰筒，在火焰筒中形成富燃料值班火焰，通过剪切作用增强与空气掺混，形成龙卷风形态火焰。
5.根据权利要求4所述的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于：旋流空气（31D）的旋流数范围为0.4～0.6；中低热值燃料气(33)的旋流数范围为0.25～0.55。
6.根据权利要求4或5所述的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于：旋流空气（31D）与中心空气（32）的质量比为4.5～9。
7.根据权利要求4或5所述的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于：中心空气（32）以30m/s～50m/s射流速度射入火焰筒。
8.根据权利要求7所述的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于：中低热值燃料气（33）以110m/s～160m/s的射流速度进入火焰筒。
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Denomination of invention: A kind of combustion chambers burn method for organizing and nozzle that uses medium and low heat value fuel gas Effective date of registration: 20161104 Granted publication date: 20160511 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
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Date of cancellation: 20191211 Granted publication date: 20160511 Pledgee: Tsinghua Holdings Co.,Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co.,Ltd. Registration number: 2016990000853 |