CN104896512B - 一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，采用单管多头部燃烧室结构，主要由燃烧室机匣、火焰筒、旋流器、天然气供应系统构成；燃烧室采用多个旋流器头部，旋流器的布置采用中心加周向均布的方式，并通过浮动套与火焰筒连接；天然气供应系统包括多个天然气管路和喷嘴，从机匣的喷嘴座伸入并插入相应旋流器，每个喷嘴的流量独立控制；在旋流器内完成空气与天然气的混合，采用电火花点火器实现点火燃烧，燃气直接从燃烧室出口排出；通过调节不同喷嘴的天然气供应量，可以实现燃烧室在进口空气来流温度从室温到1000℃以上变化时，燃烧室出口温度保持恒定，具有很宽的工作范围，在新能源、热能工程、科研实验等领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气燃烧室，特别涉及一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室。
背景技术
随着工业社会的发展，对能源的需求日益增加。常规的化石燃料仍然占有相当大的比例，其产生的二氧化碳和污染物排放造成了很大的环境压力，因此人们提倡节能减排，一方面发展太阳能、风能等新型能源，减少碳排放；另一方面对希望化石燃料的燃料利用能够更加高效，污染排放更低。
然而太阳能、风能这类新能源因其自然特性，往往具有发电功率不稳定的缺陷，不适合大规模并入电网。对于太阳能来说，由于具有稳定地周期性，能量密度较风能更加可预测，因此有人提出，可以将太阳能光热系统和燃烧室系统结构，用燃烧化石燃料产生的热量作为补充，使整个系统具有稳定的能量输出，从而实现连续稳定地发电。据测算，在日照较为强烈的10点到16点之间，太阳能光热系统能够将空气加热到最高1000℃以上；而在日落后，燃烧室进口温度又会降低至常温。空气来流的温度变化范围从常温到1000℃以上，考虑到发电效率，又要求出口温度恒定在1000℃以上的某一温度，这就要求燃烧室具有很宽的工作范围，同时能够在极高空气来流温度(已接近常用不锈钢熔点)下长时间工作，现在的常规燃烧室难以满足要求。对于风能来说，可以高风速时的能量压缩空气进行储能，然后将高压空气引入燃烧室进行燃烧，利用高温燃气发电。
目前小型常规燃烧室多采用单管圆筒燃烧室，采用一个或一组径向分级的旋流器作为火焰稳定装置，燃料喷嘴布置在旋流器中心。但这种燃烧组织方式调节范围较窄，以总油气比衡量的调节比仅为3～6，适用的进口温度相对固定的情况。另一方面，目前在燃气轮机燃烧室领域出现了多点喷射燃烧室概念，可以实现燃料当量比在火焰筒内更加均匀的分布，避免了局部当量比过高的情况，有利于减少污染排放。但由于现在燃气轮机压气机能力限制，燃烧室进口温度在300～600℃之间，不利于液态燃料的雾化蒸发，因此还未得到广泛应用。
结合这两种燃烧室技术，本发明设计了一种具有多个旋流器头部的天然气燃烧室，通过调节不同头部天然气供应量，可以在保证燃烧稳定的情况下，实现很宽的工作范围，以当量比衡量的调节比高达12～15；同时将点火旋流器布置在靠近周向靠近点火器的位置，极大地提高了点火性能；采用多头部的方案设计，提高了燃料分布的均匀性，有利于提高燃烧效率，降低污染排放。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对新能源发电需求，克服现有技术的不足，提供一种新型的具有很宽工作范围的天然气燃烧室，该燃烧室具有多个旋流器头部，通过调节不同头部的天然气供应量，可以适应来流温度大范围变化，同时使燃料分布更均匀，降低污染排放。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，所述燃烧室采用单管多头部燃烧室结构，主要由燃烧室机匣、火焰筒、旋流器、天然气供应系统构成；燃烧室机匣上焊接有喷嘴座、点火器座；火焰筒由多段气膜冷却段、点火器浮动套、火焰筒安装法兰焊接组成；火焰筒安装法兰与燃烧室机匣后法兰通过螺栓连接，采用石墨垫片密封；燃烧室采用多个旋流器头部旋流器的布置采用中心加周向均布的方式，并通过浮动套固定在头部安装上，通过螺钉与火焰筒连接；天然气供应系统包括多个天然气管路和喷嘴，从机匣的喷嘴座伸入并插入相应旋流器(15)，通过螺钉固定在燃烧室机匣上；旋流器的布置采用中心加周向均布的方式，中心布置1个旋流器，周向均匀布置5～10个旋流器，旋流器直径与火焰筒直径的比例为0.10～0.30；旋流器径向距离与旋流器直径的比例为1.2～2.5，旋流器周向距离与旋流器直径的比例为1.2～2.0；每个旋流器配套相应的天然气喷嘴，每个喷嘴的天然气流量独立控制；采用电火花点火器实现点火燃烧，燃气直接从燃烧室出口排出；通过调节不同喷嘴的天然气供应量，可以实现燃烧室在进口空气来流温度从室温到1000℃以上变化时，燃烧室出口温度保持恒定，具有很宽的工作范围。
其中，所述旋流器的布置中，将周向距电火花点火器最近的一个旋流器作为点火旋流器位于，燃烧室启动时先给点火旋流器供应天然气，实现整个燃烧室的启动，从而大大提高了点火性能。
其中，所述天然气供应系统采用多个天然气管道和喷嘴，数量和旋流器个数一致；喷嘴距旋流器出口距离和旋流器喉道直径的比例为0.6～1.8；天然气喷嘴上开有8～20个直径0.4～2.0的直射孔，天然气从直射孔喷出与空气混合；直射孔距内旋流器出口距离与直射孔距旋流器出口距离的比例为0.1～0.5；喷嘴中心开有吹扫孔防止回火，其直径与旋流器直径的比例为0.05～0.3。
其中，所述旋流器采用内旋流器和外旋流器组合，叶片旋向相同，叶片角度30～60°，旋流数为0.6～1，内外旋流器空气分配比为0.4～1.0。
其中，所述点火器与头部端壁距离与旋流器直径的比例为0.6～2.0。
其中，所述掺混孔均为直径10～30mm的圆孔，沿周向均布6～15个，掺混孔排距与火焰筒长度的比例为0.1～0.3。
其中，所述气膜冷却孔均为直径0.5～2.0mm的圆孔，沿周向均布60～240个，气膜冷却孔排距与火焰筒长度的比例为0.1～0.3。
其中，所述机匣直径与火焰筒直径的比例为1.5～1.1。
本发明的工作原理：空气通过头部旋流器、周向气膜孔和掺混孔进入燃烧室。气流经过旋流器后产生周向运动，与从喷嘴射出的天然气混合进入火焰筒，通过电火花点火器实现点火燃烧。由于采用旋流燃烧方式，火焰长度显著缩短，能够减小火焰筒长度，实现了较小空间内完成燃烧。采用多个旋流头部中心加周向均布的组合方式，实现了燃料在火焰筒内均匀分布，有利于消除局部热斑，降低污染排放。通过调节不同头部天然气供应量，可以在保证燃烧稳定的情况下，实现很宽的工作范围。将点火用旋流器布置在头部周向，靠近点火器，提高了点火性能，提高了运行可靠性。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明的燃烧室采用多个旋流头部，通过调节不同头部天然气供应量，可以在保证燃烧稳定的情况下，实现很宽的工作范围；
(2)本发明的燃烧室将点火用旋流器布置在头部周向，靠近点火器，提高了点火性能，提高了运行可靠性；
(3)本发明的燃烧室采用多个旋流头部中心加周向均布的组合方式，实现了燃料在火焰筒内均匀分布，有利于消除局部热斑，降低污染排放；
(4)本发明的燃烧室采用旋流燃烧方式，火焰长度显著缩短，能够减小火焰筒长度，实现了较小空间内完成高效燃烧。
附图说明
图1为本发明的燃烧室结构示意图；
图2为本发明的火焰筒结构示意图；
图3为本发明的燃烧室头部旋流器装配示意图；
图4为本发明的天然气喷嘴、旋流器结构示意图；
图5为本发明的天然气供应系统装配示意图；
图6为本发明的天然气供应系统、头部旋流器、机匣的装配示意图。
图中：1为燃烧室机匣，2为喷嘴座，3为天然气供应系统，4为点火路天然气供应系统，5为点火旋流器，6为电火花点火器，7为点火器座，8为燃烧室机匣后法兰，9为火焰筒安装法兰，10为火焰筒，11为喷嘴，12为机匣直径，13为火焰筒直径，14为火焰筒长度，15为旋流器，16为掺混孔，17为头部安装环，18为头部安装板，19为点火器浮动套，20为气膜冷却孔，21为气膜冷却段，22为气膜缝槽舌片，23为直射孔，24为气膜冷却孔排距，25为点火器与头部端壁距离，26为旋流器径向距离，27为掺混孔排距，28为旋流器周向距离，29为内旋流器，30为外旋流器，31为旋流器罩，32为旋流器压板，33为吹扫孔，34为旋流器直径，35为吹扫孔直径，36为直射孔距内旋流器出口距离，37为直射孔距旋流器出口距离，38为喷嘴距旋流器出口距离，39为旋流器喉道直径。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明实施例采用单管多头部燃烧室结构，主要由燃烧室机匣1、火焰筒10、旋流器15、天然气供应系统3构成，整体采用高温合金材料，提高耐温能力。燃烧室机匣1上焊接有喷嘴座2、点火器座7，机匣直径12与火焰筒直径13的比例为1.5～1.1。火焰筒10由多段气膜冷却段21、点火器浮动套19、火焰筒安装法兰9焊接组成。火焰筒安装法兰9与燃烧室机匣后法兰8通过螺栓连接，采用石墨垫片密封。燃烧室采用多个旋流器头部15，旋流器个数为5～10个，从旋流器进入燃烧室的空气占总气量的40～60％，每个旋流器空气比例可略有不同。旋流器的布置采用中心加周向均布的方式，并通过浮动套固定在头部安装板18上，通过螺钉与火焰筒10连接。天然气供应系统3包括多个天然气管路和喷嘴11，个数与旋流器头部个数一致，从机匣的喷嘴座2伸入并插入相应旋流器15，通过螺钉固定在燃烧室机匣1上。火焰筒10上开有气膜冷却孔20和掺混孔16，气膜冷却孔20下方焊接气膜缝槽舌片22，引导冷却气流；掺混孔16到旋流器15之间的区域为主燃区。空气通过多个旋流器15轴向进入火焰筒10内，并与天然气混合；点火前先向点火路天然气供应系统4供应天然气，在点火旋流器5内形成掺混并形成恰当的当量比，通过电火花点火器6实现点火燃烧；燃气直接从燃烧室出口排出。通过调节不同喷嘴11的天然气供应量，可以实现燃烧室在进口空气来流温度从室温到1000℃以上变化时，燃烧室出口温度保持恒定，具有很宽的工作范围。
如图2所示，火焰筒10由3～6段气膜冷却段21焊接组成，每个气膜冷却段21上开有1～3排气膜冷却孔20，后2～3个气膜冷却段21上开有1排掺混孔16，气膜冷却孔和掺混孔空气流量占总气量的比例分别为25～35％和5～12％。气膜冷却孔20均为直径0.5～2.0mm的圆孔，沿周向均布60～240个，气膜冷却孔排距24与火焰筒长度14的比例为0.1～0.3。掺混孔16均为直径10～30mm的圆孔，沿周向均布6～15个，掺混孔排距27与火焰筒长度14的比例为0.1～0.3。浮动套焊接在头部安装板18上，压住旋流器压板32，固定旋流器，避免了热应力。每个旋流器对于的头部安装板18处开有1圈冷却孔，直径均为0.5～2mm，个数为30～120。头部安装板18与头部安装环17通过焊接连接，并通过螺栓连接与火焰筒10固定。喷嘴插入旋流器内，天然气从喷嘴上的直射孔23喷出，与旋流混合进入火焰筒参与燃烧。点火器与头部端壁距离25与旋流器喉道直径39的比例为0.5～2。
如图3所示，旋流器15的布置采用中心加周向均布的方式，中心布置1个旋流器15，周向均匀布置5～10个旋流器15，旋流器直径34与火焰筒直径13的比例为0.10～0.30；旋流器径向距离26与旋流器直径34的比例为1.2～2.5，旋流器周向距离28与旋流器直径35的比例为1.2～2.0，保证各个头部之间能够相互联焰，同时避免互相干扰；其中，点火旋流器5位于周向距电火花点火器6最近的位置，点火器与点火旋流器的距离22与旋流器直径34的比例为0.6～2.0通过给点火旋流器5供应天然气并点火，实现整个燃烧室的启动。
旋流器15可采用轴向叶片式旋流器或径向旋流器。如图4所示的内旋流器29和外旋流器30组合的双层旋流器，内外旋流器均由叶片式或开孔式引气，其中叶片旋向相同，叶片厚度0.6～1.4mm，个数6～16，叶片角度30～60°，旋流数为0.6～1内外旋流器空气分配比为0.4～1.0。内旋流器29与外旋流器30焊接，并焊接在旋流器罩31上。天然气喷嘴距旋流器出口距离38和旋流器喉道直径39的比例为0.6～1.8；喷嘴11上开有8～20个直径0.4～2.0的直射孔23，天然气从直射孔23喷出与空气混合；直射孔距内旋流器出口距离36与直射孔距旋流器出口距离37的比例为0.1～0.5；喷嘴中心开有吹扫孔33防止回火，其直径35与旋流器直径34的比例为0.05～0.3。吹扫孔直径35与旋流器喉道直径39的比例为0.1～0.4。
如图5所示，天然气喷嘴11与喷嘴座2通过螺钉连接固定在燃烧室机匣1上，喷嘴沿周向均匀分布，角度与旋流器15对齐。其中对应点火旋流器5和位于中心的旋流器5的喷嘴公用一个喷嘴座。由此构成了天然气供应系统。
如图6所示旋流器15、天然气供应系统3、机匣1的装配关系。
Claims (8)
1.一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：所述燃烧室采用单管多头部燃烧室结构，主要由燃烧室机匣(1)、火焰筒(10)、旋流器(15)、天然气供应系统(3)构成；燃烧室机匣(1)上焊接有喷嘴座(2)、点火器座(7)；火焰筒(10)由多段气膜冷却段(21)、点火器浮动套(19)、火焰筒安装法兰(9)焊接组成；火焰筒安装法兰(9)与燃烧室机匣后法兰(8)通过螺栓连接，采用石墨垫片密封；燃烧室采用多个旋流器(15)，并通过浮动套固定在头部安装板(18)上，通过螺钉与火焰筒(10)连接；天然气供应系统(3)包括多个天然气管路和喷嘴(11)，从机匣的喷嘴座(2)伸入并插入相应旋流器(15)，通过螺钉固定在燃烧室机匣(1)上；旋流器(15)的布置采用中心加周向均布的方式，中心布置1个旋流器(15)，周向均匀布置5～10个旋流器(15)，旋流器直径(35)与火焰筒直径(13)的比例为0.10～0.30；旋流器径向距离(26)与旋流器直径(35)的比例为1.2～2.5，旋流器周向距离(28)与旋流器直径(35)的比例为1.2～2.0；每个旋流器(5)配套相应的天然气喷嘴(11)，每个喷嘴(11)的天然气流量独立控制；采用电火花点火器(6)实现点火燃烧，燃气直接从燃烧室出口排出；通过调节不同喷嘴(15)的天然气供应量，可以实现燃烧室在进口空气来流温度从室温到1000℃以上变化时，燃烧室出口温度保持恒定，具有很宽的工作范围。
2.根据权利要求1所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：所述旋流器(15)的布置中，将周向距电火花点火器(6)最近的一个旋流器(15)作为点火旋流器(5)，燃烧室启动时先给点火旋流器(5)供应天然气，实现整个燃烧室的启动，从而大大提高了点火性能。
3.根据权利要求1所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：所述天然气供应系统(3)的天然气管路和喷嘴(11)的数量和旋流器(15)个数一致；喷嘴距旋流器出口距离(38)和旋流器喉道直径(39)的比例为0.6～1.8；天然气喷嘴(11)上开有8～20个直径0.4～2.0的直射孔(23)，天然气从直射孔(23)喷出与空气混合；直射孔距内旋流器出口距离(36)与直射孔距旋流器出口距离(37)的比例为0.1～0.5；喷嘴中心开有吹扫孔(33)防止回火，其直径与旋流器直径(34)的比例为0.05～0.3。
4.根据权利要求1所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：所述旋流器(15)采用内旋流器(29)和外旋流器(30)组合，叶片旋向相同，叶片角度30～60°，旋流数为0.6～1，内外旋流器空气分配比为0.4～1.0。
5.根据权利要求1所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：所述点火器与头部端壁距离(25)与旋流器直径(34)的比例为0.6～2.0。
6.根据权利要求1所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：火焰筒(10)上开有气膜冷却孔(20)和掺混孔(16)，所述掺混孔(16)均为直径10～30mm的圆孔，沿周向均布6～15个，掺混孔排距(27)与火焰筒长度(14)的比例为0.1～0.3。
7.根据权利要求6所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：所述气膜冷却孔(20)均为直径0.5～2.0mm的圆孔，沿周向均布60～240个，气膜冷却孔排距(24)与火焰筒长度(14)的比例为0.1～0.3。
8.根据权利要求1所述的一种宽稳定工作范围的低排放天然气燃烧室，其特征在于：燃烧室机匣(1)的直径(12)与火焰筒直径(13)的比例为1.5～1.1。
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