CN107575893B - 燃烧器和无焰燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧器和无焰燃烧控制方法，所述燃烧器包括：火焰筒，所述火焰筒内具有一次火焰区和二次火焰区；主喷嘴，所述主喷嘴用于向所述一次火焰区喷射燃料；次级喷嘴，所述次级喷嘴用于向所述二次火焰区喷射燃料；无焰燃烧级喷嘴，所述无焰燃烧级喷嘴用于向所述一次火焰区喷射燃料且所述无焰燃烧级喷嘴的喷射位置位于所述主喷嘴的喷射位置前面。本发明可以降低DLN系列燃烧器在先导模式和贫‑贫模式的工作过程中的污染物排放，提升燃气轮机整体运行性能。

Description

燃烧器和无焰燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地涉及一种燃气轮机的燃烧器和无焰燃烧控制方法。

背景技术

燃料和压缩空气的混合物在燃气轮机的燃烧器内燃烧，产生高温烟气推动透平做功。随着环境保护要求的日益严格，燃气轮机的燃烧器的发展主要围绕如何降低燃烧污染物排放进行。目前，干式低NOx(DLN)燃烧器不断发展和进步。DLN系列燃烧器的工作过程分为先导模式(点火至19％负荷)、贫-贫模式(19～40％负荷)、过渡模式(40％负荷)以及预混模式(40～100％负荷)。然而，目前的DLN系列燃烧器在部分负荷下的运行水平不佳，污染物排放不能满足环保要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明一方面提出一种燃气轮机的燃烧器，该燃气轮机的燃烧器可以降低DLN系列燃烧器在先导模式和贫-贫模式的工作过程中的污染物排放，提升燃气轮机整体运行性能。

本发明另一方面还提出一种燃气轮机的燃烧器的无焰燃烧控制方法。

根据本发明一方面的实施例的燃气轮机燃烧器包括：火焰筒，所述火焰筒内具有一次火焰区和二次火焰区；主喷嘴，所述主喷嘴用于向所述一次火焰区喷射燃料；次级喷嘴，所述次级喷嘴用于向所述二次火焰区喷射燃料；无焰燃烧级喷嘴，所述无焰燃烧级喷嘴用于从所述一次火焰区的侧面向所述一次火焰区喷射燃料且所述无焰燃烧级喷嘴的喷射位置位于所述主喷嘴的喷射位置前面。

根据本发明的燃气轮机的燃烧器，通过增设无焰燃烧级喷嘴，可以降低DLN系列燃烧器在先导模式和贫-贫模式的工作过程中的污染物排放，提升燃气轮机整体运行性能。

在一些实施例中，所述无焰燃烧级喷嘴在所述火焰筒的径向上位于所述主喷嘴外侧，所述无焰燃烧级喷嘴的喷出端穿过所述火焰筒的外壁伸入所述一次火焰区。

在一些实施例中，所述无焰燃烧级喷嘴为射流式喷嘴。

在一些实施例中，所述无焰燃烧级喷嘴为多个，多个所述无焰级燃烧喷嘴围绕所述次级喷嘴均匀间隔布置。

在一些实施例中，所述火焰筒内设有文丘里管，所述文丘里管将所述火焰筒分为所述一次火焰区和所述二次火焰区。

在一些实施例中，所述文丘里管上设有发散冷却孔。

在一些实施例中，所述发散冷却孔的直径为0.7mm～1.2mm。

在一些实施例中，所述文丘里管为双层，所述文丘里管的内层和外层之间形成环状的冷却空气通道。

在一些实施例中，所述主喷嘴内设有旋流器，所述旋流器的旋流角度为15°～20°。

在一些实施例中，所述主喷嘴为多个，多个所述主喷嘴围绕所述次级喷嘴均匀间隔布置。

在一些实施例中，所述燃气轮机燃烧器还包括燃料分配盖板，所述燃料分配盖板上设有向所述主喷嘴供应燃料的主燃料通道。

在一些实施例中，所述燃料分配盖板上还设有用以向所述无焰燃烧级喷嘴供应燃料的无焰燃烧燃料通道。

根据本发明另一方面的燃气轮机的燃烧器的无焰燃烧控制方法，所述燃气轮机燃烧器包括火焰筒，所述火焰筒内具有一次火焰区和位于所述一次火焰区前面的二次火焰区，所述无焰燃烧控制方法包括：

向所述一次火焰区喷射燃料，以在所述一次火焰区形成第一扩散火焰；

从所述一次火焰区的侧面在所述第一扩散火焰前面的位置向所述一次火焰区喷射燃料，以在所述一次火焰区形成分布式火焰；

向所述二次火焰区内喷射燃料，以在所述二次火焰区形成第二扩散火焰；

停止向所述一次火焰区喷射燃料且停止从所述一次火焰区的侧面向所述一次火焰区喷射燃料；

向所述一次火焰区喷射燃料以在所述一次火焰区内形成该燃料与空气的混合物，使该混合物在所述二次火焰区燃烧以在所述二次火焰区形成预混火焰。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的燃气轮机燃烧器的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的燃气轮机燃烧器的局部放大图；

图3是根据本发明的实施例的无焰燃烧方法的先导模式的示意图；

图4是根据本发明的实施例的无焰燃烧方法的无焰燃烧模式的示意图；

图5是根据本发明的实施例的无焰燃烧方法的贫-贫模式的示意图；

图6是根据本发明的实施例的无焰燃烧方法的过渡模式的示意图；

图7是根据本发明的实施例的无焰燃烧方法的预混模式的示意图。

附图标记：

火焰筒1，流场10，一次火焰区11，二次火焰区12，主喷嘴2，次级喷嘴3，无焰燃烧级喷嘴4，文丘里管5，内层51，外层52，燃料分配盖板6，主燃料通道7，无焰燃料通道8。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，根据本发明实施例的燃气轮机的燃烧器包括火焰筒1、主喷嘴2、次级喷嘴3和无焰燃烧级喷嘴4。

火焰筒1内具有一次火焰区11和二次火焰区12。

主喷嘴2用于向一次火焰区11喷射燃料；

次级喷嘴3用于向二次火焰区12喷射燃料；

无焰燃烧级喷嘴4用于从一次火焰区11的侧面(如图1、2所示的上面)向一次火焰区11喷射燃料且无焰燃烧级喷嘴4的喷射位置位于主喷嘴1的喷射位置前面。这里，“前面”是依据喷射方向来说的，如图1中所示的从左向右的方向，左侧为后面，右侧为前面。

无焰燃烧过程中，大量回流的高温烟气与新鲜的空气掺混，提高空气的温度的同时达到稀释氧化剂、降低氧浓度的目的。燃料遇到稀释后的高温空气后发生自燃。无焰燃烧是在一定的空间范围内同时发生的，形成高度分散的反应区，不存在如扩散燃烧或预混燃烧产生的明显火焰锋面。无焰燃烧得到的火焰温度低，可以降低NOX等空气污染物排放。

根据本发明的燃气轮机的燃烧器，首先通过主喷嘴1向一次火焰区11喷射燃烧在一次火焰区11形成第一扩散火焰(如图所示)后，无焰燃烧级喷嘴4从一次火焰区11的侧面向一次火焰区11喷射燃料，以在一次火焰区11内形成无焰燃烧所需的流场结构，从而作用于第一次扩散火焰形成分布式火焰，以利于降低NOX等空气污染物的排放。

根据本发明的燃气轮机的燃烧器，通过增设便于从一次火焰区的侧面向一次火焰区喷射且喷射位置位于主喷嘴的喷射位置的前面的无焰燃烧级喷嘴，可以降低DLN系列燃烧器在先导模式和贫-贫模式的工作过程中的污染物排放，提升燃气轮机整体运行性能。

在一些实施例中，无焰燃烧级喷嘴4在火焰筒1的径向上位于主喷嘴2外侧，无焰燃烧级喷嘴4的喷出端穿过火焰筒1的外壁伸入一次火焰区11。例如图1中所示，无焰燃烧级喷嘴4位于主喷嘴2的上方，也位于火焰筒1的上方，而且在上下方向上距离主喷嘴2和火焰筒1均具有一定距离，无焰燃烧级喷嘴4的喷出端(如图1所示的后端)从火焰筒1的上方穿过火焰筒1的外壁伸入一次火焰区11。

在一些实施例中，无焰燃烧级喷嘴4为射流式喷嘴，通过采用射流式喷嘴，可以产生很高的燃料射流速度，降低回火风险。

在一些实施例中，无焰燃烧级喷嘴4为多个，多个无焰级燃烧喷嘴4围绕次级喷嘴3均匀间隔布置。更进一步地，主喷嘴2为多个，多个主喷嘴2围绕次级喷嘴均匀间隔布置。可以理解的是，次级喷嘴3位于与火焰筒1的中心对应的位置，多个主喷嘴2和多个无焰燃烧级喷嘴4分别围绕次级喷嘴3均匀间隔布置，且多个无焰燃烧级喷嘴4位于沿火焰筒1的径向多个主喷嘴2外侧。

在一些实施例中，火焰筒1内设有文丘里管5，文丘里管5将火焰筒1分为一次火焰区11和二次火焰区12。可以理解的是，文丘里管5用于对燃气轮机的燃烧器进行冷却。具体地，文丘里管5为双层且包括文丘里管5的内层51和外层52，文丘里管5的内层51和外层52之间形成环状的冷却空气通道6。优选地，为提高冷却空气对燃气轮机的燃烧器的冷却能力，文丘里管5上设有发散冷却孔。在一些可选的实施例中，发散冷却孔的直径为0.7mm～1.2mm，以进一步冷却燃气轮机的燃烧器，减少污染物的排放。

在一些实施例中，主喷嘴2内设有旋流器，旋流器的旋流角度为15°～20°。可以理解的是，主喷嘴2内的燃料和空气在旋流角度为15°～20°的旋流器的作用下混合且排出，在燃烧过程中可以更好地降低污染物的排放，进一步提升燃气轮机整机性能。

一些实施例中，燃气轮机的燃烧器还包括燃料分配盖板6，燃料分配盖板6上设有向主喷嘴2供应燃料的主燃料通道7。换言之，燃气轮机的燃烧器通过燃料分配盖板6上的主料通道8向主喷嘴2内供应燃料。更进一步地，如图1中所示，燃料分配盖板6设于主喷嘴2的左端，次级喷嘴3穿过燃料分配盖板6伸入火焰筒1内。

在一些实施例中，燃料分配盖板6上还设有用以向无焰燃烧级喷嘴4供应燃料的无焰燃料通道8。换言之，燃料分配盖板6实现对主喷嘴2的燃料供应的同时也可以向无焰燃烧级喷嘴4的燃料供应，具体地，燃料分配盖板6上分别设有主燃料通道7和无焰燃料通道8，用以分别向主喷嘴2和无焰燃烧级喷嘴4供应所需的燃料。

下面参考图1和图2描述根据本发明具体实施例的燃气轮机的燃烧器。

如图1-2所示，根据本发明实施例的燃气轮机的燃烧器包括火焰筒1、多个主喷嘴2、次级喷嘴3、多个无焰燃烧级喷嘴4、文丘里管5和燃料分配盖板6。

火焰筒1内设有文丘里管5，文丘里管5将火焰筒1分为一次火焰区11和二次火焰区12。文丘里管5为双层且包括文丘里管5的内层51和外层52，文丘里管5的内层51和外层52之间形成环状的冷却空气通道6，文丘里管5上设有发散冷却孔，通过发散冷却孔和冷却空气通道6可以对燃气轮机的燃烧器进行冷却。

次级喷嘴3穿过燃料分配盖板6伸入火焰筒1内且位于燃气轮机的燃烧器的中心，用于向火焰筒1的二次火焰区12喷射燃料。

多个主喷嘴2围绕次级喷嘴3均匀间隔布置，主喷嘴2的左端与燃料分配盖板6相连，主喷嘴2的右端与火焰筒1连通，用于向一次火焰区11喷射燃料，以适应燃气轮机的不同负荷需求。主喷嘴2内设有旋流器，旋流器的旋流角度为15°～20°。

多个无焰燃烧级喷嘴4围绕次级喷嘴3均匀间隔布置且与多个主喷嘴2一一对应，即每个主喷嘴2对应一个无焰燃烧级喷嘴4，无焰燃烧级喷嘴4为射流式喷嘴且无焰燃烧级喷嘴4沿火焰筒1的径向位于主喷嘴2外侧，无焰燃烧级喷嘴4的左端与燃料分配盖板6连接，无焰燃烧级喷嘴4的右端(喷射端)从火焰筒1的外壁面伸入火焰筒1的一次火焰区，以实现无焰燃烧级喷嘴4从一次火焰区11的侧面向一次火焰区11内喷射燃料，而且，无焰燃烧级喷嘴4的喷射位置在主喷嘴1的喷射位置的右面，以利于分布式火焰的形成。

燃料分配盖板6上设有主燃料通道7和无焰燃料通道8，用以分别向主喷嘴2和无焰燃烧级喷嘴4供应所需的燃料

根据本发明另一方面的燃气轮机的燃烧器的无焰燃烧控制方法，其中，燃气轮机燃烧器包括火焰筒1，火焰筒1内具有一次火焰区11和位于一次火焰区11前面(如图1所示的右面)的二次火焰区12，无焰燃烧控制方法包括：

向一次火焰区11喷射燃料，以在一次火焰区11形成第一扩散火焰(如图3所示，该工作过程称之为先导模式)；

从一次火焰区11的侧面(如图1所示的上面)在第一扩散火焰前面(如图1所示的右面)的位置向一次火焰区11喷射燃料，换言之，如图4所示，从一次火焰区11的上面在第一扩散火焰右边的位置向一次火焰区喷射燃料，以在一次火焰区11形成无焰燃烧所需的流场10，从而作用于第一扩散火焰并在一次火焰区11形成分布式火焰，该工作过程称之为无焰燃烧模式；

向二次火焰区12内喷射燃料，以在二次火焰区12形成第二扩散火焰(如图5所示，该工作过程称之为贫-贫模式)；

停止向一次火焰区11喷射燃料且停止从一次火焰区11的侧面向一次火焰区11喷射燃料，此时，继续二次火焰区12内喷射燃料，在二次火焰区形成第三扩散火焰(如图6所示，该工作过程称之为过渡模式)；

向一次火焰区11喷射燃料以在一次火焰区11内形成该燃料与空气的混合物，使该混合物在二次火焰区12燃烧以在二次火焰区12形成预混火焰(如图7所示，该工作过程称之为预混模式)。可以理解的是，由于此时还继续向二次火焰区12内供应燃料，则在二次火焰区12内也存在部分由该供应的燃料与空气边混合边燃烧形成的扩散火焰。

根据本发明实施例的燃气轮机的燃烧器的无焰燃烧控制方法，可以降低在先导模式和贫-贫模式下的污染物排放，提高燃烧器的燃烧性能，进而提升燃气轮机的整机性能。

在一些可选的实施例中，燃气轮机燃烧器还包括主喷嘴2、次级喷嘴3、无焰燃烧级喷嘴4，无焰燃烧级喷嘴4的喷射位置位于主喷嘴1的喷射位置右面，无焰燃烧控制方法包括：

主喷嘴2向一次火焰区11喷射燃料，以在一次火焰区11形成第一扩散火焰(如图3所示)；

无焰燃烧级喷嘴4从一次火焰区11的侧面(如图1所示的上面)在第一扩散火焰前面(如图1所示的右面)的位置向一次火焰区11喷射燃料，换言之，如图4所示，从一次火焰区11的上面在第一扩散火焰右边的位置向一次火焰区喷射燃料，以在一次火焰区11形成无焰燃烧所需的流场10，从而作用于第一扩散火焰并在一次火焰区11形成分布式火焰；

次级喷嘴3向二次火焰区12内喷射燃料，以在二次火焰区12形成第二扩散火焰(如图5所示)；

停止主喷嘴2向一次火焰区11喷射燃料且停止从一次火焰区11的侧面向一次火焰区11喷射燃料，此时，继续二次火焰区12内喷射燃料，在二次火焰区形成第三扩散火焰(如图6所示)；

主喷嘴2向一次火焰区11喷射燃料，燃料在一次火焰区11与空气混合，混合后的燃料和空气的混合物进入二次火焰区12并在二次火焰区12燃烧以在二次火焰区12形成预混火焰(如图7所示)。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种燃气轮机的燃烧器，其特征在于，包括：

火焰筒，所述火焰筒内具有一次火焰区和二次火焰区；

主喷嘴，所述主喷嘴用于向所述一次火焰区喷射燃料；

次级喷嘴，所述次级喷嘴用于向所述二次火焰区喷射燃料；

无焰燃烧级喷嘴，所述无焰燃烧级喷嘴用于从所述一次火焰区的侧面向所述一次火焰区喷射燃料且所述无焰燃烧级喷嘴的喷射位置位于所述主喷嘴的喷射位置前面。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述无焰燃烧级喷嘴在所述火焰筒的径向上位于所述主喷嘴外侧，所述无焰燃烧级喷嘴的喷出端穿过所述火焰筒的外壁伸入所述一次火焰区。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述无焰燃烧级喷嘴为射流式喷嘴。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述无焰燃烧级喷嘴为多个，多个所述无焰燃烧级喷嘴围绕所述次级喷嘴均匀间隔布置。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述火焰筒内设有文丘里管，所述文丘里管将所述火焰筒分为所述一次火焰区和所述二次火焰区。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述文丘里管上设有发散冷却孔。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述发散冷却孔的直径为0.7mm～1.2mm。

8.根据权利要求5所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述文丘里管为双层，所述文丘里管的内层和外层之间形成环状的冷却空气通道。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述主喷嘴内设有旋流器，所述旋流器的旋流角度为15°～20°。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述主喷嘴为多个，多个所述主喷嘴围绕所述次级喷嘴均匀间隔布置。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述燃气轮机燃烧器还包括燃料分配盖板，所述燃料分配盖板上设有向所述主喷嘴供应燃料的主燃料通道。

12.根据权利要求11所述的燃气轮机的燃烧器，其特征在于，所述燃料分配盖板上还设有用以向所述无焰燃烧级喷嘴供应燃料的无焰燃烧燃料通道。

13.一种燃气轮机的燃烧器的无焰燃烧控制方法，其特征在于，所述燃气轮机燃烧器包括火焰筒，所述火焰筒内具有一次火焰区和位于所述一次火焰区前面的二次火焰区，所述无焰燃烧控制方法包括：

向所述一次火焰区喷射燃料，以在所述一次火焰区形成第一扩散火焰；

从所述一次火焰区的侧面在所述第一扩散火焰前面的位置向所述一次火焰区喷射燃料，以在所述一次火焰区形成分布式火焰；

向所述二次火焰区内喷射燃料，以在所述二次火焰区形成第二扩散火焰；

停止向所述一次火焰区喷射燃料且停止从所述一次火焰区的侧面向所述一次火焰区喷射燃料；

向所述一次火焰区喷射燃料以在所述一次火焰区内形成该燃料与空气的混合物，使该混合物在所述二次火焰区燃烧以在所述二次火焰区形成预混火焰。