CN104154566B - 燃气轮机双燃料喷嘴结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种燃气轮机双燃料喷嘴结构，包括：喷嘴本体、中低热值燃料气旋流器、天然气旋流器和端面旋流器，喷嘴本体包括内径依次增大且相互隔离的轻吹空气筒、天然气筒、喷嘴空气筒及中低热值燃料气筒；端面旋流器设置在喷嘴空气筒的出口端面上；天然气旋流器设在天然气筒的内侧壁；中低热值燃料气旋流器设在中低热值燃料气筒出口端的内侧壁；中低热值燃料气旋流器包括多个叶片，多个叶片连接中低热值燃料气筒的内侧壁与喷嘴空气筒的外侧壁，每个叶片均设有空气道，空气道连通喷嘴空气筒和中低热值燃料气筒的外部空气流道；轻吹空气筒的出口端面设有端面盖板，端面盖板设有多个轻吹空气孔。

Description

燃气轮机双燃料喷嘴结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种燃气轮机双燃料喷嘴结构。

背景技术

发电用重型工业燃气轮机具有高效、低污染等特点，其基本原理为混合压缩空气与燃料，通过燃烧产生高温高压燃气推动透平做功，一部分功用于带动压气机，另一部分功作为功率输出带动发电机。

燃烧室是燃气轮机核心部件之一，在燃烧室中压气机压缩后的气体与燃料混合，在其中近似等压燃烧，将燃料中蕴含的化学能转化为燃气中的热能，燃烧室出口温度是划分燃气轮机等级最重要标志之一。

在清洁利用能源背景下，整体煤气化联合循环(IGCC)为代表的先进能源利用方式中燃气轮机同样为核心部件，此时燃气轮机燃用的燃料并天然气、轻柴油等工业重型燃气轮机典型燃料，而是富氢合成气燃料，根据前端气化工艺的不同，富氢合成气典型的热值范围在5～10MJ/Nm³；类似的燃料有高炉煤气、焦炉煤气等其他气体，它们的共性为热值低，为天然气的1/5至1/10，火焰传播速度快，统称为中低热值燃料气。中低热值燃料气华白数与天然气有较大差异，所以燃烧喷嘴需要进行重新设计。

通常燃气轮机不会针对中低热值燃料气进行初始设计，市场中主流燃用中低热值燃料气燃烧室均为燃烧天然气燃烧室修改而来。对于天然气燃烧室而言，燃料气体积流量占燃烧室空气流量2～3％；而对于中低热值燃料气燃烧室，燃料气体积流量占燃烧室空气流量的10％～20％，因此，由天然气燃烧室改造而成的燃烧室在燃用合成气时，会出现燃烧区域燃料气与空气掺混困难，中低热值燃料气中CO不容易燃烧完全等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供中低热值燃料气与空气较好混合的双燃料喷嘴结构。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃气轮机双燃料喷嘴结构，包括：喷嘴本体、中低热值燃料气旋流器、天然气旋流器和端面旋流器，所述喷嘴本体包括内径依次增大，且相互隔离的轻吹空气筒、天然气筒、喷嘴空气筒及中低热值燃料气筒；所述天然气旋流器设在所述天然气筒出口端的内侧壁；所述中低热值燃料气旋流器设在所述中低热值燃料气筒出口端的内侧壁；所述中低热值燃料气旋流器包括多个叶片，多个所述叶片连接所述中低热值燃料气筒的内侧壁与喷嘴空气筒的外侧壁，每个所述叶片均设有空气道，所述空气道连通所述喷嘴空气筒和所述中低热值燃料气筒的外部空气流道；所述端面旋流器设置在所述喷嘴空气筒的出口端面上；所述轻吹空气筒的出口端面设有端面盖板，所述端面盖板设有多个轻吹空气孔。

其中，所述轻吹空气筒、天然气筒、喷嘴空气筒及中低热值燃料气筒同轴设置。

其中，所述轻吹空气筒与外部雾化空气管道连接；所述天然气筒与外部天然气管道连接；所述中低热值燃料气筒与外部中低热值燃料气管道连接。

其中，所述喷嘴空气筒固定在所述天然气筒出口端部的外侧壁。

其中，所述轻吹空气孔为斜向孔；所述轻吹空气孔的直径为1.5～2.5mm。

其中，所述中低热值燃料气旋流器为翼形旋流器。

其中，所述中低热值燃料气旋流器的旋流角为20～50°；端面旋流器的旋流角为40～60°；所述天然气旋流器的旋流角为30～50°。

其中，所述喷嘴本体由镍合金或者哈氏合金制成。

其中，所述中低热值燃料气筒出口端的边缘设有火焰筒装配边。

其中，所述喷嘴本体的外部设有喷嘴安装法兰。

(三)有益效果

本发明提供的燃烧室双燃料喷嘴结构，具有有益效果：喷嘴从中心线沿径向向外依次形成轻吹空气道、天然气道、旋流空气道和中低热值燃料气道，中低热值燃料气进入燃烧区域时，除了从外层与空气掺混外，还与旋流空气道喷出的空气进行掺混，提高掺混效率；分别组织中低热值燃料气与天然气双燃料所需要的空气分布，使燃烧室在不同负荷下均能较好工作。

附图说明

图1为本发明实施例燃气轮机双燃料喷嘴结构的立体结构图；

图2为本发明实施例燃气轮机双燃料喷嘴结构的俯视图；

图3为图2中沿A-A方向的剖视图。

图中，1：喷嘴本体；2：中低热值燃料气旋流器；3：端面旋流器；4：天然气旋流器；5：喷嘴安装法兰；6：端面盖板；7：火焰筒装配边；11：中低热值燃料气筒；12：天然气筒；13：轻吹空气筒；14：喷嘴空气筒；15：中低热值燃料气连接法兰；16：天然气连接法兰；10：中低热值燃料气道；20：天然气道；30：轻吹空气道；40：空气筒气道；61：轻吹空气孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至3所示，本发明的燃气轮机双燃料喷嘴结构，包括：喷嘴本体1、中低热值燃料气旋流器2、天然气旋流器4和端面旋流器3，喷嘴本体1包括内径依次增大，且相互隔离的轻吹空气筒13、天然气筒12、喷嘴空气筒14及中低热值燃料气筒11，轻吹空气筒13、天然气筒12、喷嘴空气筒14及中低热值燃料气筒11的上部均为开口，作为气体出口，底部均为密闭，四个气筒之间相互隔离。喷嘴空气筒14的轴向长度远小于天然气筒12的长度，喷嘴空气筒14环绕固定在天然气筒12出口端部的外侧壁。优选轻吹空气筒13、天然气筒12、喷嘴空气筒14和中低热值燃料气筒11同轴设置。

天然气筒12通过设置在侧壁上的天然气连接法兰16与外部天然气管道道连接，中低热值燃料气筒11通过设置在侧壁上的中低热值燃料气连接法兰15与外部中低热值燃料气管道连接，轻吹空气筒13通过设置在底部的进口与外部雾化空气管道连接，喷嘴空气筒14与喷嘴本体1外部的空气流道通过空气道22连接，喷嘴空气筒14与天然气筒12的外侧壁之间形成空气筒气道40。喷嘴本体1从内至外依次构成轻吹空气道30、天然气道20、空气筒气道40及中低热值燃料气道10。端面旋流器3设置在喷嘴空气筒14的出口端面上，用于使从喷嘴空气筒14内流出的空气发生旋流。天然气旋流器4设在天然气筒12出口端的内侧壁，位于轻吹空气筒13的外侧壁与天然气筒12的内侧壁之间，即天然气旋流器4设置在天然气道20的出口端，使流出的天然气发生旋流。中低热值燃料气旋流器2设在中低热值燃料气筒11出口端的内侧壁，位于中低热值燃料气筒11内侧壁与喷嘴空气筒14外侧壁之间，即中低热值燃料气旋流器2设在中低热值燃料气道10的出口端，使中低热值燃料气发生旋流。中低热值燃料气旋流器2包括多个叶片21，优选多个叶片21沿中低热值燃料气筒11内侧壁的周向均匀排布。多个叶片21连接中低热值燃料气筒11的内侧壁与喷嘴空气筒14的外侧壁，每个叶片21的内部均设有空气道22，空气道22连通喷嘴空气筒14和中低热值燃料气筒11的外部空气流道，即将空气筒气道40与喷嘴本体1的外部空气流道相连通，使外部空气流道中的空气进入喷嘴空气筒14中。在喷嘴本体1外部流动的空气通过空气道22流入喷嘴空气筒14的空气筒气道40，并通过端面旋流器3流出喷嘴，形成旋流空气。轻吹空气筒13的出口端面设有端面盖板6，端面盖板6设有多个轻吹空气孔61。优选的，轻吹空气孔61为斜向孔，即轻吹空气孔61的轴向与轻吹空气筒6的轴向相交，轻吹空气孔61与端面盖板6的轴线倾斜。每个轻吹空气孔的直径为1.5～2.5mm。

优选的，喷嘴本体1由镍合金或者哈氏合金制成。中低热值燃料气旋流器2选用翼形旋流器，即中低热值燃料气旋流器2采用多个翼型叶片21构成，每一个翼型叶片都设有空气道22，空气进入到燃烧室后，除去进入罩帽的空气，剩余空气通过空气道22流至空气筒气道40中。翼型叶片可以降低燃烧室通过该叶片的流动分离与压力损失，以更均匀状态进入火焰筒。优选的中低热值燃料气旋流器2为铸造而成；其天然气旋流器4和端面旋流器3均通过机加工然后焊接至喷嘴本体。

中低热值燃料气旋流器2的旋流角为20～50°，基本负荷下中低热值燃料气射流速度为90～170米/秒。端面旋流器3的旋流角为40～60°，进入喷嘴空气筒14的空气量占整个燃烧室空气量5～12％。天然气旋流器4的旋流角为30～50°。中低热值燃料气筒11出口端面及外侧边缘设有火焰筒装配边7，用于将喷嘴安装与火焰筒相连接。喷嘴本体1的外部设有喷嘴安装法兰5，用于将喷嘴安装到燃烧器上。

本喷嘴结构由两级燃料通道、两级空气通道组成，分别为中低热值燃料气与天然气；两级空气分别为喷嘴旋流空气以及轻吹空气。将本发明的喷嘴结构的喷嘴本体插入燃烧室中，通过喷嘴安装法兰5与燃烧室壳体相连接，中低热值燃料气筒11出口端的火焰筒装配边7与火焰筒后端相连接。轻吹空气筒13与外部雾化空气管连接，天然气筒12与外部天然气管道连接，中低热值燃料气筒11与中低热值燃料气管道连接，空气在燃烧室与喷嘴本体1之间的空气流道流动，从空气道22流到空气筒气道40中，并从端面旋流器流出。喷嘴从中心线沿径向向外依次形成轻吹空气道、天然气道、旋流空气道和中低热值燃料气道。从而使中低热值燃料气布置于旋流空气外侧，中低热值燃料气进入燃烧室后，分为两层火焰结构，外侧直接与主燃孔进入的空气形成一层火焰面；内侧与旋流空气形成另一层火焰面。从天然气道20喷出天然气作为燃烧室中使用燃料，当到达特定负荷后，保持燃烧室负荷不变，逐步切换为中低热值燃料气。在喷嘴本体1的中低热值燃料气筒11与天然气筒12之间设有喷嘴空气筒14，中低热值燃料气旋流器2的叶片21设有空气道22，空气从空气道22进入喷嘴空气筒14的空气筒气道40，并使用端面旋流器2使空气发生旋流，形成旋流空气。旋流空气与从主燃烧室进入的空气分别与中低热值燃料气进行掺混，形成双层火焰面，提高掺混效率，使中低热值燃料气中的CO燃烧较为充分。

在本发明中，中低热值燃料气可以与空气直接掺混，提高了掺混效率；同时，由于中低热值燃料气道10与中低热值燃料气旋流器2布置在较大的径向位置上，在火焰筒主燃区域会形成一个轴向回流区，进一步增强反应物之间的相互掺混，由于部分燃气通过卷吸，与未燃反应物掺混，事实上降低了反应区域的氧气浓度，有利于降低NOX的排放。

本发明在喷嘴设置天然气道，当燃烧室处于点火、升速、低负荷状态时，采用燃料为天然气，当燃烧室到达特定负荷后，保证燃烧室出口温度不变，逐步减少天然气流量，同时增加中低热值燃料气流量，完成燃料切换；该通道中天然气，天然气旋流器4形成旋流后进入火焰筒，天然气外侧为喷嘴空气筒14喷出的旋流空气，与传统燃烧室类似。

本发明在喷嘴的天然气道20内侧设有轻吹空气道30，在轻吹空气管13顶端轻吹空气通过轻吹空气孔61进入火焰筒燃烧区域，该轻吹空气的作用为防止火焰附着在喷嘴顶端，同时小流量的空气有助于天然气火焰的稳定。

由本发明的喷嘴结构优点包括：

从中低热值燃料气燃烧组织自身规律出发，在燃烧室主燃区域保证中低热值燃料气与旋流空气及从主燃孔进入的空气充分掺混；

由于充分的掺混以及回流区形成较长停留时间，有助于CO的燃尽；

燃烧室主燃区域存在的两层火焰面有利于减少集中热释放，降低燃烧室由于热释放波动所导致的燃烧不稳定；

分别组织中低热值燃料气与天然气双燃料所需要的空气分布，使燃烧室在不同负荷下均能较好工作；

本发明的喷嘴结构适用于环管型燃烧室单管，应用于单喷嘴燃烧室，也适用于多喷嘴燃烧室。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，包括：喷嘴本体、中低热值燃料气旋流器、天然气旋流器和端面旋流器，所述喷嘴本体包括内径依次增大，且相互隔离的轻吹空气筒、天然气筒、喷嘴空气筒及中低热值燃料气筒；所述天然气旋流器设在所述天然气筒出口端的内侧壁；所述中低热值燃料气旋流器设在所述中低热值燃料气筒出口端的内侧壁；所述中低热值燃料气旋流器包括多个叶片，多个所述叶片连接所述中低热值燃料气筒的内侧壁与喷嘴空气筒的外侧壁，每个所述叶片均设有空气道，所述空气道连通所述喷嘴空气筒和所述中低热值燃料气筒的外部空气流道；所述端面旋流器设置在所述喷嘴空气筒的出口端面上；所述轻吹空气筒的出口端面设有端面盖板，所述端面盖板设有多个轻吹空气孔。

2.如权利要求1所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述轻吹空气筒、天然气筒、喷嘴空气筒及中低热值燃料气筒同轴设置。

3.如权利要求1所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述轻吹空气筒与外部雾化空气管道连接；所述天然气筒与外部天然气管道连接；所述中低热值燃料气筒与外部中低热值燃料气管道连接。

4.如权利要求1所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴空气筒固定在所述天然气筒出口端部的外侧壁。

5.如权利要求1所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述轻吹空气孔为斜向孔；所述轻吹空气孔的直径为1.5～2.5mm。

6.如权利要求1所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述中低热值燃料气旋流器为翼形旋流器。

7.如权利要求1至6任一项所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述中低热值燃料气旋流器的旋流角为20～50°；端面旋流器的旋流角为40～60°；所述天然气旋流器的旋流角为30～50°。

8.如权利要求1至6任一项所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴本体由镍合金或者哈氏合金制成。

9.如权利要求1至6任一项所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述中低热值燃料气筒出口端的边缘设有火焰筒装配边。

10.如权利要求1至6任一项所述的燃气轮机双燃料喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴本体的外部设有喷嘴安装法兰。