CN104727946B - 燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体公开了一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，包括火焰筒、天然气燃料通道、合成气燃料通道和燃料前置系统，燃料前置系统包括天然气吹扫系统和合成气吹扫系统，天然气吹扫系统的入口与天然气来源连接，其出口与天然气燃料通道的入口连接，合成气吹扫系统的入口与中低热值气体来源连接，其出口与合成气燃料管道的入口连接，天然气吹扫系统的上游设有天然气稳压阀，其下游设有三号控制阀，合成气吹扫系统的上游设有合成气稳压阀，其下游设有二号控制阀，三号控制阀的下游与二号控制阀的上游之间设有一号控制阀。本发明有效降低了大量合成气喷出时所需要的喷嘴头部有效射流面积。

Description

燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置及其控制方法。

背景技术

对于燃用中低热值燃料的IGCC燃烧室而言，其使用中低热值燃料的体积流量为燃用天然气燃料体积流量的10倍，占燃烧室内部总气体体积流量的10％～20％，这种大量的体积流量增加会剧烈改变燃烧室头部的流场结构，因此对燃烧室喷嘴的设计提出了挑战。为了保证喷嘴头部燃料射流速度在恰当范围中，喷嘴头部需要的射流面积大大增加，这就需要更大的喷嘴头部尺寸；而喷嘴头部尺寸如果过大，则从喷嘴出来的燃料量会与火焰筒距离过近，进而导致火焰筒壁面冷却不合格。同时，这种燃烧室通常采用高热值燃料(天然气、轻油等)点火并在低负荷条件下燃烧，然后切换成低热值燃料，因此这种燃烧室中存在至少两个燃料通道，至少一个为中低热值燃料气通道，另外一个为高热值燃料气通道，在喷嘴头部顶端，有不同的燃料出口，而进入喷嘴时，也通过不同的法兰进入。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置及其控制方法，在保证合理的燃料射流速度的前提下有效降低了大量合成气喷出时所需要的喷嘴头部有效射流面积。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，包括：火焰筒、天然气燃料通道、合成气燃料通道和燃料前置系统；所述天然气燃料通道和合成气燃料通道相互并联，且出口均与所述火焰筒连接，入口分别与所述燃料前置系统连接；

所述燃料前置系统包括：天然气吹扫系统和合成气吹扫系统；所述天然气吹扫系统的入口与天然气来源连接，其出口与所述天然气燃料通道的入口连接，所述合成气吹扫系统的入口与中低热值气体来源连接，其出口与所述合成气燃料管道的入口连接；

所述天然气吹扫系统的上游设有天然气稳压阀，其下游设有三号控制阀，所述合成气吹扫系统的上游设有合成气稳压阀，其下游设有二号控制阀，所述三号控制阀的下游与所述二号控制阀的上游之间设有一号控制阀。

优选地，所述天然气吹扫系统和合成气吹扫系统采用的吹扫气体为暂冲式，由储气罐供气，所述天然气吹扫系统和合成气吹扫系统与所述储气罐之间设有四号控制阀。

优选地，所述燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置还包括控制系统，所述控制系统与所述天然气稳压阀、合成气稳压阀、一号控制阀、二号控制阀、三号控制阀和四号控制阀连接，所述控制系统用于向各阀门发出控制信号并同时接收各阀门的阀位信息。

优选地，所述天然气燃料通路和合成气燃料通路的顶端均采用燃料孔、轴向旋流器或径向旋流器。

优选地，所述天然气吹扫系统和合成气吹扫系统采用的吹扫气体均为氮气或者二氧化碳。

优选地，所述一号控制阀和三号控制阀的下游设有监测点A，所述二号控制阀的上游设有监测点B，通过监测点A和监测点B能够对气体组分进行实时监测并实时反馈至燃机保护系统中。

本发明还提供了一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换控制方法，燃气轮机启动过程的控制规律为：

S1.从燃气轮机点火、升速、同步、并网至负荷达到负荷点1时，燃气轮机所用燃料为天然气，天然气通过所述天然气稳压阀和三号控制阀控制，然后流经所述天然气燃料通路进入燃烧室，所述天然气稳压阀满足天然气燃料通路内压力随燃气轮机负荷变化的需求，所述三号控制阀调节天然气流量，满足燃气轮机控制规律对燃料的要求，此时，所述合成气燃料通路和其他阀门均关闭；

S2.燃气轮机负荷到达负荷点1后，保持负荷点1负荷不变，逐步减少天然气流量，增加中低热值气体流量，进行燃料切换，直至天然气流量降为0；

S3.继续增加中低热值气体流量，直至燃机功率达到负荷点2，此阶段，所述天然气吹扫系统工作，关闭所述天然气稳压阀，保持所述三号控制阀开启，对所述天然气燃料通路进行吹扫；

S4.燃气轮机负荷到达负荷点2且完成置换后，关闭所述三号控制阀，打开所述一号控制阀，使一部分中低热值气体进入所述天然气燃料通路中，而另一部分仍然在所述合成气燃料通路中，此过程通过调节所述一号控制阀和二号控制阀的开度调节进入两个燃料通路的燃料量，直至达到基本负荷。

优选地，燃气轮机停机过程的控制规律为：

S1.降低负荷至负荷点2，而后关闭所述一号控制阀，继续降低负荷至负荷点1；

S2.从负荷点2到负荷点1的过程，对所述天然气燃料通路进行吹扫；

S3.当到达负荷点1后，保持负荷点1负荷不变，打开所述天然气稳压阀和三号控制阀增加天然气流量，通过调节所述二号控制阀的开度减小合成气流量，逐步关闭低热值合成气流量。

优选地，燃气轮机甩负荷过程的控制规律为：

S1.紧急关闭所述二号控制阀；

S2.调节所述合成气稳压阀和一号控制阀，在短时间内调节合成气至全速空载状态。

优选地，所述负荷点1的范围为30％～50％负荷，所述负荷点2的范围为50％～80％负荷。

(三)有益效果

本发明的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置及其控制方法具有以下优点及突出性的技术效果：针对燃用中低热值燃料的IGCC燃烧室提出燃烧室喷嘴及前置系统的布置方式以及相应的启动、停机、甩负荷控制方法，在保证合理的燃料射流速度的前提下有效降低了大量合成气喷出时所需要的喷嘴头部有效射流面积，实现了一种低热值燃气轮机工作策略，该策略可以优化低热值燃烧室设计，提供更多设计空间，拓宽燃烧室安全工作范围。

附图说明

图1为本发明实施例的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置的连接框图；

图2为燃气轮机燃料流量随负荷变化示意图。

图中，11：天然气燃料通路；12：合成气燃料通路；21：火焰筒；31：燃料前置系统；32：天然气吹扫系统；42：合成气吹扫系统；321：储气罐；SV-1：天然气稳压阀；SV-2：合成气稳压阀；GV-1：一号控制阀；GV-2：二号控制阀；GV-3：三号控制阀；GV-4：四号控制阀。

具体实施方式

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

如图1所示，本实施例的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，包括：火焰筒21、天然气燃料通道11、合成气燃料通道12和燃料前置系统31；天然气燃料通道11和合成气燃料通道12相互并联，且出口均与火焰筒21连接，入口分别与燃料前置系统31连接；

燃料前置系统31包括：天然气吹扫系统32和合成气吹扫系统42；天然气吹扫系统32的入口与天然气来源连接，其出口与天然气燃料通道11的入口连接，合成气吹扫系统42的入口与中低热值气体来源连接，其出口与合成气燃料管道12的入口连接；

天然气吹扫系统32的上游设有天然气稳压阀SV-1，其下游设有三号控制阀GV-3，合成气吹扫系统42的上游设有合成气稳压阀SV-2，其下游设有二号控制阀GV-2，三号控制阀GV-3的下游与二号控制阀GV-2的上游之间设有一号控制阀GV-1。

天然气首先通过天然气稳压阀SV-1稳压，流经三号控制阀GV-3进入天然气燃料通路11中进入火焰筒21,合成气经过合成气稳压阀SV-2稳压后，通过一号控制阀GV-1以及二号控制阀GV-2进行二次分配，一路合成气经二号控制阀GV-2进入燃烧室合成气燃料通路12,另外一路合成气在高负荷时通过一号控制阀GV-1进入天然气燃料通路11中进入火焰筒21，一号控制阀GV-1位于三号控制阀GV-3的下游以及二号控制阀GV-2的上游，在天然气稳压阀SV-1下游以及三号控制阀GV-3上游设置天然气吹扫系统32，在合成气稳压阀SV-2下游以及二号控制阀GV-2上游设置合成气吹扫系统42，此结构可以实现在高负荷条件下，将部分合成气切换到天然气燃料通路11，从而增加了高流量合成气条件下的燃料射流面积，有效减小喷嘴头部尺寸，同时可以保证高热值燃料通道始终有气体喷出，防止火焰停留在喷嘴上燃烧。

天然气吹扫系统32和合成气吹扫系统42采用的吹扫气体为暂冲式，由储气罐321供气，天然气吹扫系统32和合成气吹扫系统42与储气罐321之间设有四号控制阀GV-4，四号控制阀GV-4进行控制，在完成一次吹扫后，四号控制阀GV-4关闭，当储气罐321内压力低于一定值(不足以满足一次吹扫)后，对该储气罐321进行充气，通过该天然气吹扫系统32通入的吹扫气体的体积为天然气燃料通路11流通体积的5倍或以上，对天然气燃料通路中的全部气体进行置换，确保安全工作。

本实施例的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置还包括：所述控制系统，控制系统与天然气稳压阀SV-1、合成气稳压阀SV-2、一号控制阀GV-1、二号控制阀GV-2、三号控制阀GV-3和四号控制阀GV-4连接，所述控制系统用于向各阀门发出控制信号并同时接收各阀门的阀位信息。

天然气燃料通路11和合成气燃料通路12的顶端均可以采用燃料孔、轴向旋流器或径向旋流器等多种型式。

天然气吹扫系统32和合成气吹扫系统42采用的吹扫气体均可以为氮气或者二氧化碳。

一号控制阀GV-1和三号控制阀GV-3的下游设有监测点A(见图中A点)，二号控制阀GV-2的下游设有监测点B(见图中B点)，对监测点A以及监测点B的气体组分进行实时监测，实时反馈至燃机保护系统中，作为控制系统进行燃料切换的必要条件，当A、B监测点数据与燃烧室设定顺控工作模式不符时，系统应报警、直至燃料遮断处理，保证燃机安全运行。

本实施例的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换控制方法，其在上述燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置的基础上进行相应的控制，其中主要包括“启动、停机、甩负荷”三个过程的控制规律，具体控制规律如下：

(1)燃气轮机启动过程的控制规律为：

在燃气轮机开机前天然气吹扫系统32以及合成气吹扫系统42工作，对所有管道进行吹扫，将管路中原有气体进行置换，通过检测A、B两点气体组分确定燃料前置系统31内为惰性气体，保证燃料管路内不同气体成分被惰性气体隔开，防止燃料管路发生爆炸；

S1.从燃气轮机点火、升速、同步、并网至负荷达到负荷点1时，燃气轮机所用燃料为天然气，天然气通过天然气稳压阀SV-1和三号控制阀GV-3控制，然后流经天然气燃料通路进入燃烧室，天然气稳压阀SV-1满足天然气燃料通路内压力随燃气轮机负荷变化的需求，三号控制阀GV-3调节天然气流量，满足燃气轮机控制规律对燃料的要求，此时，合成气燃料通路和其他阀门均关闭；

S2.燃气轮机负荷到达负荷点1后，保持负荷点1负荷不变，逐步减少天然气流量，增加中低热值气体流量，进行燃料切换，直至天然气流量降为0；所述中低热值合成气的热值范围为5～10MJ/Nm^3，氢含量的体积分数占总燃料量的20～80％

S3.继续增加中低热值气体流量，直至燃机功率达到负荷点2，此阶段，天然气吹扫系统工作，关闭天然气稳压阀SV-1，保持三号控制阀GV-3开启，对天然气燃料通路进行吹扫；打开四号控制阀GV-4持续数秒，对天然气燃料通路11进行吹扫，保证通过该天然气吹扫系统32通入的吹扫气体的体积为天然气燃料通路11流通体积的5倍以上，确保管路中原有气体全部被置换；

S4.燃气轮机负荷到达负荷点2且完成置换后，关闭三号控制阀GV-3，打开一号控制阀GV-1，使一部分中低热值气体进入天然气燃料通路中，而另一部分仍然在合成气燃料通路中，此过程通过调节一号控制阀GV-1和二号控制阀GV-2的开度调节进入两个燃料通路的燃料量，直至达到基本负荷。

由于从负荷点2点开始，喷嘴天然气燃料通路逐步通入中低热值燃料气，使得中低热值燃料气在高流量条件下具有更大的出口面积，进而有效利用了喷嘴的头部面积。

需要在燃料前置系统31中实时监测A、B两点的气体燃料组分，作为所述控制系统进行燃料切换的必要条件，当A、B两点数据与燃烧室设定顺控工作模式不符时，系统应报警、直至燃料遮断处理。

(2)燃气轮机停机过程的控制规律为：

S1.降低负荷至负荷点2，而后关闭一号控制阀GV-1，继续降低负荷至负荷点1；

S2.从负荷点2到负荷点1的过程，对天然气燃料通路进行吹扫；

S3.当到达负荷点1后，保持负荷点1负荷不变，打开天然气稳压阀SV-1和三号控制阀GV-3增加天然气流量，通过调节二号控制阀GV-2的开度减小合成气流量，逐步关闭低热值合成气流量。

此时，对于整个电厂而言，低热值气体应进入全厂火炬系统，降低低热值气体生产能力，脱网后，整体对燃料进行遮断，逐步对燃机进行冷却。

(3)燃气轮机甩负荷过程的控制规律为：

S1.紧急关闭二号控制阀GV-2；

S2.调节合成气稳压阀SV-2和一号控制阀GV-1，在短时间内调节合成气至全速空载状态，具体时间间隔取决于当地电网对燃机的需求。

本实施例中，负荷点1的范围为30％～50％负荷，负荷点2的范围为50％～80％负荷。

如图2所示，燃料流量随负荷变化示意图，从点火、升速、同步、并网到全速空载(0％负荷)直至负荷点1，天然气流量逐渐增加，在负荷点1，天然气流量逐渐降低为0；从负荷点1开始合成气流量逐渐增加，到达负荷点2时，分为两路从喷嘴喷出直至基本负荷；点火前，以及从负荷点1到负荷点2之间，吹扫气体阶跃工作。

本发明的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置及其控制方法具有以下优点及突出性的技术效果：针对燃用中低热值燃料的IGCC燃烧室提出燃烧室喷嘴及前置系统的布置方式以及相应的启动、停机、甩负荷控制方法，在保证合理的燃料射流速度的前提下有效降低了大量合成气喷出时所需要的喷嘴头部有效射流面积，实现了一种低热值燃气轮机工作策略，该策略可以优化低热值燃烧室设计，提供更多设计空间，拓宽燃烧室安全工作范围。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，包括：火焰筒、天然气燃料通道、合成气燃料通道和燃料前置系统；所述天然气燃料通道和合成气燃料通道相互并联，且出口均与所述火焰筒连接，入口分别与所述燃料前置系统连接；

所述燃料前置系统包括：天然气吹扫系统和合成气吹扫系统；所述天然气吹扫系统的入口与天然气来源连接，其出口与所述天然气燃料通道的入口连接，所述合成气吹扫系统的入口与中低热值气体来源连接，其出口与所述合成气燃料管道的入口连接；

所述天然气吹扫系统的上游设有天然气稳压阀，其下游设有三号控制阀，所述合成气吹扫系统的上游设有合成气稳压阀，其下游设有二号控制阀，所述三号控制阀的下游与所述二号控制阀的上游之间设有一号控制阀。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，所述天然气吹扫系统和合成气吹扫系统采用的吹扫气体为暂冲式，由储气罐供气，所述天然气吹扫系统和合成气吹扫系统与所述储气罐之间设有四号控制阀。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，所述燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置还包括控制系统，所述控制系统与所述天然气稳压阀、合成气稳压阀、一号控制阀、二号控制阀、三号控制阀和四号控制阀连接，所述控制系统用于向各阀门发出控制信号并同时接收各阀门的阀位信息。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，所述天然气燃料通路和合成气燃料通路的顶端均采用燃料孔、轴向旋流器或径向旋流器。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，所述天然气吹扫系统和合成气吹扫系统采用的吹扫气体均为氮气或者二氧化碳。

6.根据权利要求1-5中任何一项所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换装置，其特征在于，所述一号控制阀和三号控制阀的下游设有监测点A，所述二号控制阀的上游设有监测点B，通过监测点A和监测点B能够对气体组分进行实时监测并实时反馈至燃机保护系统中。

7.一种燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换控制方法，其特征在于，燃气轮机启动过程的控制规律为：

S1.从燃气轮机点火、升速、同步、并网至负荷达到负荷点1时，燃气轮机所用燃料为天然气，天然气通过天然气稳压阀和三号控制阀控制，然后流经天然气燃料通路进入燃烧室，所述天然气稳压阀满足天然气燃料通路内压力随燃气轮机负荷变化的需求，三号控制阀调节天然气流量，满足燃气轮机控制规律对燃料的要求，此时，合成气燃料通路和其他阀门均关闭；

S2.燃气轮机负荷到达负荷点1后，保持负荷点1负荷不变，逐步减少天然气流量，增加中低热值气体流量，进行燃料切换，直至天然气流量降为0；

S3.继续增加中低热值气体流量，直至燃机功率达到负荷点2，此阶段，天然气吹扫系统工作，关闭所述天然气稳压阀，保持所述三号控制阀开启，对所述天然气燃料通路进行吹扫；

S4.燃气轮机负荷到达负荷点2且完成置换后，关闭所述三号控制阀，打开一号控制阀，使一部分中低热值气体进入所述天然气燃料通路中，而另一部分仍然在所述合成气燃料通路中，此过程通过调节所述一号控制阀和二号控制阀的开度调节进入两个燃料通路的燃料量，直至达到基本负荷。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换控制方法，其特征在于，燃气轮机停机过程的控制规律为：

S1.降低负荷至负荷点2，而后关闭所述一号控制阀，继续降低负荷至负荷点1；

S2.从负荷点2到负荷点1的过程，对所述天然气燃料通路进行吹扫；

S3.当到达负荷点1后，保持负荷点1负荷不变，打开所述天然气稳压阀和三号控制阀增加天然气流量，通过调节所述二号控制阀的开度减小合成气流量，逐步关闭低热值合成气流量。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换控制方法，其特征在于，燃气轮机甩负荷过程的控制规律为：

S1.紧急关闭所述二号控制阀；

S2.调节所述合成气稳压阀和一号控制阀，在短时间内调节合成气至全速空载状态。

10.根据权利要求7或8所述的燃气轮机多燃料燃烧室燃料切换控制方法，其特征在于，所述负荷点1的范围为30％～50％负荷，所述负荷点2的范围为50％～80％负荷。