CN105674329B - 采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器及控制方法 - Google Patents

Abstract

采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器及控制方法，燃烧器顶部的多个烧嘴用于输送空气及燃料从上向下进入燃烧室，底部出口通向透平；烧嘴集成了分隔开的空气及燃料通道；在烧嘴空气通道设置压力或者流量测量装置，用于测量空气流量；燃料通道通过外来的合成气混合蒸汽或者其它不可燃气体，在蒸汽或者其它不可燃气体通道上游安装流量调节装置，控制装置根据每个烧嘴空气流量，合成气流量及组分，控制流量调节装置调整蒸汽或者其它不可燃气体的流量，从而改变通过该烧嘴进入燃烧室的燃料流量及组分，使得通过每个烧嘴的空气流量与燃料热值达到适当比例，本发明可使合成气燃料在燃气轮机燃烧器内稳定燃烧，避免烧嘴局部过热，同时降低氮氧化物排放。

Description

采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器及控制方法

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧器及其子控制系统，特别涉及一种采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器及控制方法。

背景技术

由煤气化产生的合成气，其成分较燃气轮机常用燃料天然气(CH₄)复杂，合成气主要可燃成分包括CO，H₂，CH₄等，且这些气体含量随所用煤种不同也在一定范围内波动。这几种气体燃烧特性不同，主要是其火焰传播速度不同，不适宜采用预混燃烧，而需要采用扩散燃烧方式，因此需要分别输送合成气燃料及助燃剂空气进入燃气轮机燃烧室，然后混合燃烧产生高温气体，推动透平做功发电。由于压气机压缩的空气在进入燃烧室之前存在一定的偏流情况，表现为通过每个烧嘴的空气压力/流量不一致，影响燃烧室内火焰的稳定性，容易造成烧嘴局部过热，进而有可能引起氮氧化物(NO_x)排放偏高。上述燃烧不稳定现象，其原因在于通过每个烧嘴的空气与燃料流速不匹配，鉴于氢气火焰传播速度较快，如果空气流速较慢则容易产生回火，导致烧嘴局部过热。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器及控制方法，采用调节混合燃料中蒸汽的流量，进而改变燃料流量及组分的方法来保持通过每个烧嘴空气流量与燃料热值比例固定；可使得合成气燃料在燃气轮机燃烧器内稳定燃烧，避免烧嘴局部过热，同时可以降低NO_x排放。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，包括燃气轮机本体和燃料供给系统，其中：

所述燃气轮机本体包括：

由燃烧室10及承压外壳11构成的燃烧器，其中承压外壳11与燃烧室10之间保持一定空间，用作压缩空气的流动通道；

压气机14，其入口连接压气机进气通道25，出口通过压气机排气通道24连接承压外壳11与燃烧室10之间的空间；

设置于燃烧室10顶部的若干复合烧嘴，用于输送压缩空气及燃料从上至下进入燃烧室10；

透平16，其通过燃烧室排气入透平通道23与燃烧室10的高温排气口连接；

以及，与透平16连接的用于发电的发电机17；

所述燃料供给系统包括：

若干合成气通道，若干蒸汽通道以及若干用于混合合成气和蒸汽的混合器；

其中，所述混合器与复合烧嘴一一对应连接。

所述燃烧器为圆柱形结构，承压外壳11与燃烧室10同心布置，二者之间的空间，在侧面形成压缩空气竖向通道12，在顶面形成环形的压缩空气水平通道8，燃烧室10的上部壁面设置有隔热材料层13。

作为一种优选，本发明还可包括控制装置1，所述合成气通道上设置有合成气流量测量装置和合成气组分测量装置，所述蒸汽通道上设置有蒸汽流量调节装置，所述复合烧嘴的压缩空气进口上设置有压缩空气流量测量装置，所述合成气流量测量装置、合成气组分测量装置、蒸汽流量调节装置和压缩空气流量测量装置均与控制装置1连接，控制装置1根据测量到的合成气流量信息、合成气组分信息、压缩空气流量信息，向蒸汽流量调节装置发出蒸汽流量控制信号，调节蒸汽流量。

燃料供给系统中，一根主合成气通道安装有合成气组分测量装置，而在合成气组分测量装置下游分出与复合烧嘴数目对应的合成气支路，每个合成气支路上安装合成气流量测量装置。

或者，燃料供给系统中，一根主合成气通道安装有合成气组分测量装置及合成气流量测量装置，而在合成气流量测量装置及合成气组分测量装置下游分出与复合烧嘴数目对应的合成气支路，每个合成气支路阻力应相当，以保证每个支路通过的合成气的组分、流量均一致。

所述复合烧嘴内部具有呈同心圆排列的两路管道，外侧管道为与压缩空气水平通道8连通的烧嘴内压缩空气通道，与外侧管道分隔开的内侧管道为烧嘴内燃料通道，在烧嘴内压缩空气通道和烧嘴内燃料通道的下游端部，分别具有导流机构，烧嘴内压缩空气通道中接近压缩空气水平通道8的位置设置压缩空气流量测量装置。

所述烧嘴内燃料通道下游靠近端部位置开有一定数量的小孔，与烧嘴内压缩空气通道连通。

作为一种优选，本发明还可包括控制装置1，所述合成气通道上设置有合成气压力测量装置和合成气组分测量装置，所述蒸汽通道上设置有蒸汽流量调节装置，所述复合烧嘴的压缩空气进口上设置有压缩空气压力测量装置，所述合成气压力测量装置、合成气组分测量装置、蒸汽流量调节装置和压缩空气压力测量装置均与控制装置1连接，控制装置1根据测量到的合成气压力信息、合成气组分信息、压缩空气压力信息，向蒸汽流量调节装置发出蒸汽流量控制信号，调节蒸汽流量。

本发明还提供所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器的控制方法，包括：

测量合成气通道的合成气流量和合成气组分；

测量复合烧嘴中的压缩空气流量；

计算出用于与合成气混合的蒸汽流量值，并根据该蒸汽流量值调节蒸汽流量。

所述蒸汽流量值按照以下公式计算：

式中，w_steam为蒸汽质量流量，w_fuel为合成气质量流量，w_{i,combustible}为合成气中每种可燃气体的质量流量；

H_{i,combustible}为每种可燃气体的单位热值；

N代表合成气中可燃气体数目；

H_target为压缩空气质量流量w_air的函数，设定为线性关系。

与现有技术相比，本发明能够精确匹配通过每个烧嘴的空气流量及燃料热值，使得空气流量与燃料热值比值固定，减小波动，并最终使得燃烧室内火焰稳定燃烧，避免烧嘴局部过热，降低NO_x排放。

附图说明

图1表示本发明实施例1的燃气轮机系统结构示意图及控制系统示意图。

图2表示燃烧室顶部烧嘴排列方式。

图3表示复合烧嘴结构示意图。

图4表示本发明实施例1的控制系统流程图。

图5表示本发明实施例2的燃气轮机系统结构示意图。

图6表示本发明实施例3的燃气轮机系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

实施例1

如图1所示，为燃气轮机系统结构示意图。燃气轮机本体主要设备包括：压气机进气通道25、压气机14、压气机排气入燃烧室通道24、燃烧室10、承压外壳11与燃烧室10之间的空间(包括侧面的压缩空气竖向通道12和顶面形成环形的压缩空气水平通道8)、复合烧嘴41a、41e、复合烧嘴内部的压缩空气流量测量装置9a、9b、燃烧室排气入透平通道23、透平16、透平排气通道26、发电机17以及连接压气机14、透平16及发电机17的轴15。

一般，燃烧室10布置成圆筒形，在燃烧室10上部壁面设置有隔热材料层13，在燃烧室10顶部布置有按一定方式排列的多个复合烧嘴41a，41b，41c，41d，41e，41f，41g，41h，烧嘴布置方式包括如图2所示的典型布置方式，即八个分隔开的复合烧嘴成圆周对称排列，但不限于图2所示的一例。复合烧嘴41a，41e内部分别具有成同心圆排列的两路管道，外侧管道为与压缩空气水平通道8连通的烧嘴内压缩空气通道7a，7b，外侧管道分隔开的内侧管道为烧嘴内燃料通道6a，6b，烧嘴内压缩空气通道7a，7b分别与烧嘴内燃料通道6a，6b分隔。在烧嘴内压缩空气通道7a，7b及烧嘴内燃料通道6a，6b的下游端部，也就是进入燃烧室10的部分，分别具有导流机构，以使得空气与燃料混合均匀，同时为了防止产生哼鸣，烧嘴内燃料通道6a，6b下游靠近端部位置(进入燃烧室)可以开一定数量的小孔，联通烧嘴内压缩空气通道7a，7b。

承压外壳11通常布置在燃烧室10外壁外侧，与燃烧室10呈同心圆排列，燃烧室10外周与承压外壳11之间保持一定环状空间形成压缩空气竖向通道12，燃烧室10顶部外壁面与承压外壳11顶部内壁面同样保持一定环状空间形成环形的压缩空气水平通道8，作为压气机14排气进入燃烧室10的通道，该压缩空气水平通道8内部无分隔，直接与烧嘴内压缩空气通道7a，7b相连。在烧嘴内压缩空气通道7a，7b上游靠近压缩空气水平通道8的位置分别设置有压缩空气流量测量装置9a，9b，用以分别测量通过复合烧嘴41a，41e的压缩空气流量。

燃料供给系统则由合成气通道21a，21b，合成气流量测量装置2a，2b，合成气组分测量装置3a，3b，蒸汽通道22a，22b，蒸汽流量调节装置5a，5b，以及蒸汽合成气混合器4a，4b等组成，燃料供给系统直接连接烧嘴内燃料通道6a，6b。合成气流量测量装置2a，2b可安装于合成气组分测量装置3a，3b的上游或者下游。

上述设备构成了燃气轮机整体结构。图3所示为复合烧嘴结构示意图，复合烧嘴41a的烧嘴内燃料通道6a与烧嘴内压缩空气通道7a分隔，在烧嘴内压缩空气通道7a上游接近压缩空气水平通道8的位置设置有空气流量测量装置9a。

图1所示燃气轮机工作方式为，外界大气经压气机进气通道25进入压气机14，经过压缩成为高压气体，经压气机排气通道24进入燃烧室10与承压外壳11之间的压缩空气竖向通道12，可以为燃烧室10对流降温，同时兼有加热压缩空气作用，然后充满燃烧室10顶部与承压外壳11之间的压缩空气水平通道8，再分别进入各个烧嘴41a，41e的烧嘴内压缩空气通道7a，7b，此时，压缩空气流量测量装置9a，9b应分别测得压缩空气通过烧嘴41a，41e的以体积或者质量计算的流量，并将压缩空气流量信息33a，33b分别传送至控制装置1。同时，在燃料供给系统，外部合成气分别经合成气通道21a，21b输送至混合器4a，4b，合成气流量测量装置2a，2b分别测量流经合成气通道21a，21b的以体积或者质量计算的合成气流量，并且合成气组分测量装置3a，3b分别测量流经合成气通道21a，21b的合成气组分，合成气组分信息应至少包括所有可燃气体CO，H₂，CH₄等的体积或者质量占总合成气体积或者质量的百分数，并将合成气流量信息31a，31b及合成气组分信息32a，32b分别传送至控制装置1。外部蒸汽分别经蒸汽通道22a，22b输送至混合器4a，4b，控制装置1分别发送蒸汽流量控制信号34a，34b至蒸汽流量调节装置5a，5b，蒸汽流量调节装置5a，5b则分别依据蒸汽流量控制信号34a，34b调整通过蒸汽通道22a，22b的蒸汽流量(可以是体积或者质量流量)。合成气与蒸汽在混合器4a，4b中分别均匀混合以形成送入燃烧室10的燃料。燃料经单独的通道进入复合烧嘴41a，41e的烧嘴内燃料通道6a，6b。燃料与压缩空气分别自复合烧嘴41a，41e进入燃烧室10内部后进行燃烧，形成稳定火焰，最终产生高温高压气体。该高温高压气体经燃烧室排气入透平通道23进入透平16，推动透平叶片旋转，经轴15输出机械功。由于轴15同时连接压气机14、透平16和发电机17，因此，该机械功的一部分用于压气机14压缩空气，剩余部分则用来驱动发电机17发电。最终，透平16排出的废气经废气通道26排出。

控制系统工作流程参见图4，控制系统工作方式采用循环方式，首先计算每个复合烧嘴内部燃料通道所需的蒸汽流量，生成控制信号发送至对应流量调节装置，通过调节流量调节装置，调整流过该流量调节装置的蒸汽流量。控制装置1需要的输入为分别通过每个复合烧嘴的压缩空气流量、合成气流量及组分、以及蒸汽流量，控制目标为通过每个复合烧嘴进入燃烧室的混合燃料以质量计算的单位总热值(也就是单位燃烧热)，按式(1)计算每个复合烧嘴需要的蒸汽量，进而计算每个复合烧嘴所需蒸汽量与当前通过每个复合烧嘴蒸汽量的差值，再将该差值以一定方式分别输出给蒸汽调节装置，调节通过每个复合烧嘴的蒸汽流量。公式(1)中，w_steam，w_fuel及w_combustible分别表示蒸汽的质量流量，合成气及可燃气体(CO，H₂，CH₄等)，H为单位热值(单位质量燃料完全燃烧放出的热量)，target代表给定热值。N代表合成气中可燃气体数目。H_target则为压缩空气流量w_air的函数，一般可设定为线性关系，参见公式(2)。

H_target＝f(w_air) (2)

如果将压缩空气流量测量装置9a改为压缩空气压力测量装置，合成气流量测量装置2a改为合成气压力测量装置，则为实施例1的变形。此时，控制装置1的输入则为每个复合烧嘴的烧嘴内压缩空气通道压力，合成气通道压力及合成气组分，以及蒸汽流量，控制装置1可根据压力换算对应的气体流量。

实施例2在实施例1的基础上，在燃料供给系统中有一根主合成气通道21，在主合成气通道21上安装有组分测量装置3，组分测量装置3下游则分出对应烧嘴数目合成气支路21a，21b，每个合成气支路21a，21b分别安装有流量测量装置2a，2b，并分别通向合成气蒸汽混合器4a，4b。在此实施例中，每路合成气支路组分等于总合成气组分。实施例2较实施例1减少了合成气组分测量装置数目。

实施例3在实施例1的基础上，在燃料供给系统中有一根主合成气通道21，在主合成气通道21上安装有流量测量装置2，组分测量装置3，合成气流量测量装置2可安装于合成气组分测量装置3的上游或者下游，在流量测量装置2及组分测量装置3的下游则分出对应烧嘴数目合成气支路21a，21b，每个合成气支路21a，21b分别通向合成气蒸汽混合器4a，4b，每个合成气支路21a，21b阻力应相当，保证通向合成气蒸汽混合器4a，4b的每路合成气流量相等。在此实施例中，每路合成气支路组分等于总合成气组分。控制装置1根据总合成气流量信息31内部自行计算每路合成气支路的合成气流量。实施例3较实施例1减少了合成气流量测量及组分测量装置数目，但是必须确保每个合成气支路阻力一致，从而保证通过的合成气流量组分一致。

另外，在以上的各实施例中，采用了蒸汽作为与合成气混合调节混合燃料组分及热值的一种不可燃气体，但是可与合成气混合的不可燃气体不仅限于蒸汽，还可以包括如氮气，氩气，二氧化碳等气体。

本发明中，涉及到的流量测量装置包括但不限于差压式流量计、测速管等，压力测量装置包括但不限于弹簧管式压力计、液柱式差压计、气动差压计等，合成气组分测量装置包括但不限于烟气全分析仪或者气相色谱等。

Claims (8)

1.一种采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，包括燃气轮机本体和燃料供给系统；

所述燃气轮机本体包括：

由燃烧室(10)及承压外壳(11)构成的燃烧器，其中承压外壳(11)与燃烧室(10)之间保持一定空间，用作压缩空气的流动通道；

压气机(14)，其入口连接压气机进气通道(25)，出口通过压气机排气通道(24)连接承压外壳(11)与燃烧室(10)之间的空间；

设置于燃烧室(10)顶部的若干复合烧嘴，用于输送压缩空气及燃料从上至下进入燃烧室(10)；

透平(16)，其通过燃烧室排气入透平通道(23)与燃烧室(10)的高温排气口连接；

以及，与透平(16)连接的用于发电的发电机(17)；

所述燃料供给系统包括：

若干合成气通道，若干蒸汽通道以及若干用于混合合成气和蒸汽的混合器；

其中，所述混合器与复合烧嘴一一对应连接；

其特征在于，

还包括控制装置(1)；

所述合成气通道上设置有合成气流量测量装置和合成气组分测量装置，所述蒸汽通道上设置有蒸汽流量调节装置，所述复合烧嘴的压缩空气进口上设置有压缩空气流量测量装置，所述合成气流量测量装置、合成气组分测量装置、蒸汽流量调节装置和压缩空气流量测量装置均与控制装置(1)连接，控制装置(1)根据测量到的合成气流量信息、合成气组分信息、压缩空气流量信息，向蒸汽流量调节装置发出蒸汽流量控制信号，调节蒸汽流量；或者，

所述合成气通道上设置有合成气压力测量装置和合成气组分测量装置，所述蒸汽通道上设置有蒸汽流量调节装置，所述复合烧嘴的压缩空气进口上设置有压缩空气压力测量装置，所述合成气压力测量装置、合成气组分测量装置、蒸汽流量调节装置和压缩空气压力测量装置均与控制装置(1)连接，控制装置(1)根据测量到的合成气压力信息、合成气组分信息、压缩空气压力信息，向蒸汽流量调节装置发出蒸汽流量控制信号，调节蒸汽流量；

通过调节混合燃料中蒸汽的流量，进而改变燃料流量及组分，保持通过每个烧嘴空气流量与燃料热值比例固定，使得合成气燃料在燃气轮机燃烧器内稳定燃烧。

2.根据权利要求1所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述燃烧器为圆柱形结构，承压外壳(11)与燃烧室(10)同心布置，二者之间的空间，在侧面形成压缩空气竖向通道(12)，在顶面形成环形的压缩空气水平通道(8)，燃烧室(10)的上部壁面设置有隔热材料层(13)。

3.根据权利要求1所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，其特征在于，燃料供给系统中，一根主合成气通道安装有合成气组分测量装置，而在合成气组分测量装置下游分出与复合烧嘴数目对应的合成气支路，每个合成气支路上安装合成气流量测量装置。

4.根据权利要求1所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，其特征在于，燃料供给系统中，一根主合成气通道安装有合成气组分测量装置及合成气流量测量装置，而在合成气流量测量装置及合成气组分测量装置下游分出与复合烧嘴数目对应的合成气支路，每个合成气支路阻力应相当，以保证每个支路通过的合成气的组分、流量均一致。

5.根据权利要求1所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述复合烧嘴内部具有呈同心圆排列的两路管道，外侧管道为与压缩空气水平通道(8)连通的烧嘴内压缩空气通道，与外侧管道分隔开的内侧管道为烧嘴内燃料通道，在烧嘴内压缩空气通道和烧嘴内燃料通道的下游端部，分别具有导流机构，烧嘴内压缩空气通道中接近压缩空气水平通道(8)的位置设置压缩空气流量测量装置。

6.根据权利要求5所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述烧嘴内燃料通道下游靠近端部位置开有一定数量的小孔，与烧嘴内压缩空气通道连通。

7.权利要求1所述采用合成气燃料的燃气轮机燃烧器的控制方法，其特征在于：

测量合成气通道的合成气流量和合成气组分；

测量复合烧嘴中的压缩空气流量；

计算出用于与合成气混合的蒸汽流量值，并根据该蒸汽流量值调节蒸汽流量。

8.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于：

所述蒸汽流量值按照以下公式计算：

式中，w_steam为蒸汽质量流量，w_fuel为合成气质量流量，w_{i,combustible}为合成气中每种可燃气体的质量流量；

H_{i,combustible}为每种可燃气体的单位热值；

N代表合成气中可燃气体数目；

H_target为压缩空气质量流量w_air的函数，设定为线性关系。