CN107631881A - 一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，包括空气供给系统、气体燃料供给系统、燃油供给系统、燃烧试验件、冷却水系统、测量及数据采集系统、吹扫系统、排气系统和试验控制系统。该系统利用燃气轮机燃烧试验件达到全尺寸的效果。燃烧试验台可直接以天然气为燃料，也可预留合成气接口，配备合成气与柴油双燃料喷嘴，实现柴油燃料与合成气燃料的燃烧。燃烧试验时，试验条件与燃气轮机实际运行条件相同，可以实现扩散与预混燃烧。并在燃烧试验件后预留气膜冷却试验平台、透平叶栅传热试验平台、燃气轮机热通道部件基体和热障涂层性能试验平台，可直接利用空压机排气及燃烧试验后的高温燃气进行相关研究。

Description

一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统

技术领域：

本发明涉及一种燃烧试验系统，具体涉及一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统。

背景技术：

燃烧室是燃气轮机的三大核心部件之一，与燃烧相关的燃烧调整、低污染燃烧、燃烧室冷却等技术直接关系到燃气轮机的安全性和经济性。结合我国燃气轮机发电行业的现状，开展上述燃气轮机燃烧相关技术的研究，有利于促进燃气轮机燃烧技术的可持续发展、进一步提升我国燃气轮机发电技术领域的专业地位。

燃烧调整是保证燃气轮机燃烧安全稳定、经济、低污染排放运行的主要技术手段，是燃气轮机运行与维护的核心技术。截至目前，我国仍未掌握重型燃气轮机的燃烧调整技术。当燃气轮机新投产、燃料成分变化、外部环境温度偏差超过一定范围、热部件升级、燃烧室部件拆除、重新安装或者更换、燃气轮机小修、中修或大修后、增加或者拆除影响燃烧系统运行状态的硬件等情况时，均需依赖国外制造商频繁进行燃烧室燃烧调整，导致运维成本过高。否则，会造成燃烧不稳定、燃烧效率低，严重时会导致燃烧室喷嘴、火焰筒、过渡段、透平叶片等关键部件损坏。因此，开发先进的燃烧调整技术并在此基础上逐步发展自主的燃气轮机燃烧技术是当前燃气轮机技术领域的重要课题。

为开发先进的燃气轮机燃烧调整技术并逐步发展高效率的燃气轮机燃烧技术，首先要建立燃气轮机燃烧试验平台，充分掌握燃烧室内的燃烧机理，深入了解燃烧室内气动、热力学等方面的物理问题及复杂的化学反应问题，并通过燃料热值及环境温度等外界条件的变化有计划地改变某些可调参数及控制方式，对燃烧工况做全面的调整并测出某些单项指标值，然后将取得的结果进行科学分析，从经济性、安全性等方面加以比较，从而确定最佳的燃烧运行方式和各种影响因素变化的规律，并校整设备的运行特性，或改进燃烧室的设计技术，实现燃烧室点火迅速可靠、燃烧稳定、流动损失小、出口温度场分布均匀、污染物排放低、寿命长、安全可靠性高的目标。

其次，建设重型燃气轮机燃烧试验平台，可利用空压机排气，进行气膜冷却试验；可利用燃烧试验产生的高温燃气环境，进行透平叶栅传热试验。通过气膜冷却试验与透平叶栅传热试验的研究结果，可对透平气膜冷却结构优化与透平叶栅结构优化设计提供理论依据。

此外，国内目前尚不掌握E/F级燃气轮机热通道部件的修复技术，亦缺乏热通道部件的高温及耐腐蚀性能验证平台，我国拟通过技术合作进行E/F级燃气轮机热通道部件修复并逐步实现修复技术的自主化。在燃烧试验平台后搭建热通道部件基体和热障涂层性能试验系统，可利用燃烧试验后的高温燃气，对热通道部件的高温力学性能及耐高温氧化、腐蚀性能进行验证试验，并在此基础上进行修复后的热通道部件长期高温环境的验证测试，以获得用户的信赖及促进热通道部件修复产业化的发展。

现有的针对重型燃气轮机燃烧室的试验系统较少，其存在如下问题：首先大部分燃烧试验件为模型燃烧室或中压燃烧室，其获得的燃烧动态压力幅频特性结果与在役全尺寸、全压燃气轮机燃烧试验结果有一定差异；其次燃烧试验系统通常只考虑燃用一种气体燃料，可燃用燃料种类相对单一，另外燃烧试验系统通常单纯进行扩散燃烧或预混燃烧，造成燃烧试验条件受限，只能研究单一燃烧模式下的燃烧特性；再次燃烧试验过程中产生的高温烟气经喷水减温后通过回热器利用了部分余热，绝大部分热量并未充分利用。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有燃气轮机燃烧试验系统的以上缺陷或改进需求，提供了一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统。该系统利用燃气轮机燃烧试验件达到全尺寸的效果。燃烧试验台可直接以天然气为燃料，也可预留合成气接口，配备合成气与柴油双燃料喷嘴，实现柴油燃料与合成气燃料的燃烧。燃烧试验时，试验条件与燃气轮机实际运行条件相同，可以实现扩散与预混燃烧。并在燃烧试验件后预留气膜冷却试验平台、透平叶栅传热试验平台、燃气轮机热通道部件基体和热障涂层性能试验平台，可直接利用空压机排气及燃烧试验后的高温燃气进行相关研究。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：

一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，包括空气供给系统、气体燃料供给系统、燃油供给系统、燃烧试验件、冷却水系统、测量及数据采集系统、吹扫系统、排气系统和试验控制系统；其中，

空气供给系统用于连续地向燃烧试验件提供大流量、高压且温度可调的压缩空气；

气体燃料供给系统用于向燃烧试验件供给充足且压力稳定的气体燃料；

燃油供给系统用于向燃烧试验件供给燃油，包括依次连接的储油罐、滤油器、变频油泵和截止阀，利用变频油泵的变频器调节供油量；

冷却水系统分为高压水系统和低压水系统，高压水系统用于冷却高温烟气，低压水系统用于冷却空气供给系统；

测量及数据采集系统包括烟气测量装置和流动参数测量装置，其中，烟气测量装置用于测量燃烧后的燃气组分；流动参数测量装置用于测量燃烧试验件中的温度和压力；

吹扫系统包括氮气吹扫系统以及高压空气吹扫系统，氮气主要用来吹扫气态燃料供给管路，高压空气吹扫系统，用于对燃油喷嘴进行吹扫；

排气系统包括排气调节系统及消音系统，排气调节系统调节燃烧试验件排气压力，并将高温燃气降温后经消音系统中的消音塔排出；

试验控制系统通过用于对试验过程中各个设备的控制，并实现试验工况的控制和调整。

本发明进一步的改进在于，燃烧试验件包括燃烧室外缸、设置在燃烧室外缸内的过渡段、以及设置在燃烧室外缸外与过渡段依次连接的火焰筒和燃料喷嘴。

本发明进一步的改进在于，空气供给系统包括依次连接的空气进气系统、空压机、回热器和电加热器I。

本发明进一步的改进在于，还包括与空压机连接的气膜冷却特性试验系统，气膜冷却特性试验系统包括依次连接的过滤器、收缩段Ⅰ、湍流发生器和试验段I；湍流发生器用以产生稳定的低湍流度来流，试验段I入口布有热线风速仪和毕托管测量来流湍流度、速度和静压；过滤器中布置有三层细沙网，用以过滤杂质并将来流整理均匀；收缩段I四面均匀收缩以避免流动分离；试验段I布置在方型通道中，方形通道各面由透明有机玻璃制成，利用CCD相机结合LED光源进行拍照；在试验段I一侧布置有一方腔型冷却通道，空气通过电加热器Ⅲ、质量流量计I为气膜冷却孔提供不同温度与流量的冷却空气，此外，试验段I内镶嵌有一块试验平板。

本发明进一步的改进在于，气体燃料供给系统包括气阀站调配系统及气体燃料罐车泊位，其中，气阀站调配系统包括与天然气管道依次连接的计量站、压缩机、储气罐、调压阀和电加热器，还包括与电加热器出气口连接的氮气瓶和流量计，气体燃料罐车泊位包括依次与电加热器出气口连接的调节阀I和合成气罐车。

本发明进一步的改进在于，冷却水系统包括依次连接的冷却塔、蓄水池及给水泵。

本发明进一步的改进在于，还包括透平叶栅换热试验系统，包括依次连接的质量流量计Ⅱ、稳定段、收缩段Ⅱ、稳定过渡段和试验段Ⅱ，试验段Ⅱ内放置有耐高温应变片，稳定段上设置有热电偶，稳定过渡段末端的周向上开设有若干用于放置热电偶的进口温度测量孔，试验段Ⅱ外侧设置有红外热像系统，热电偶、进口温度测量孔处的热电偶、红外热像系统以及耐高温应变片均与温度和应变数据采集系统连接；

还包括电加热器Ⅳ和质量流量计Ⅲ，空气经电加热器Ⅳ和质量流量计Ⅲ进入试验段Ⅱ。

本发明进一步的改进在于，还包括燃气轮机热通道部件基体和热障涂层性能试验系统，包括均与高温试验高温燃气连通的热机械疲劳试验机和热震测试炉。

相对于现有燃气轮机燃烧试验系统，本发明具有如下的有益效果：

本发明的燃气轮机多功能燃烧试验系统为全尺寸全压试验系统，所用燃烧试验件为实际燃机燃烧室部件，试验工况为燃机实际运行工况。利用该燃气轮机燃烧试验系统所获得的燃烧动态压力结果较为准确。

本发明的燃气轮机多功能燃烧试验系统采用先进的设备对燃烧试验件内压力场、温度场及燃烧试验件出口污染物排放等重要数据进行测量，并实时监测燃料消耗量、压缩空气消耗量，可研究燃气轮机在不同燃烧模式(扩散及预混燃烧)及不同燃料条件(天然气燃料、合成气燃料)下的燃烧特性，并在此基础上对燃烧调整技术、低污染燃烧技术及中低热值燃料燃烧技术进行深入研究和开发。

本发明的燃气轮机多功能燃烧试验系统后预留气膜冷却试验平台、叶栅传热试验平台、热通道部件基体和热障涂层性能试验平台，可利用空压机排气对气膜冷却特性进行研究；可直接利用燃烧产生的燃气高温环境，对透平叶栅进行传热试验，对修复后的热通道部件甚至新开发的热通道部件进行工程应用前高温力学性能验证及耐高温氧化、腐蚀性能验证。

附图说明：

图1是燃气轮机燃烧试验系统布置示意图；

图2是图1所示的燃烧试验件放大图；

图3是气膜冷却特性试验系统布置示意图；

图4是透平叶栅换热试验系统布置示意图；

图5是燃气轮机热通道部件基体和热障涂层性能试验系统布置示意图；

其中：1、空气进气系统；2、空压机；3、回热器；4、电加热器I；5、燃烧试验件；6、燃烧室外缸；7、燃料喷嘴；8、火焰筒；9、过渡段；10、储油罐；11、滤油器；12、变频油泵；13、合成气罐车；14、调节阀Ⅰ；15、天然气管道；16、计量站；17、压缩机；18、储气罐；19、调压阀；20、电加热器Ⅱ；21、调节阀Ⅱ；22、冷却塔；23、蓄水池；24、给水泵；25、调节阀Ⅲ；26、消音塔；27、氮气瓶；28、截止阀；29、流量计；30、试验控制系统；31、变电站；32、过滤器；33、收缩段Ⅰ；34、湍流发生器；35、试验段Ⅰ；36、热线风速仪；37、毕托管；38、方型通道；39、LED光源；40、CCD相机；41、方腔型冷却通道；42、电加热器Ⅲ；43、质量流量计Ⅰ；44、试验平板；45、质量流量计Ⅱ；46、收缩段Ⅱ；47、稳定过渡段；48、试验段Ⅱ；49、电加热器Ⅳ；50、质量流量计Ⅲ；51、热电偶；52、温度和应变数据采集系统；53、红外热像系统；54、耐高温应变片；55、进口温度测量孔；56、热机械疲劳试验机；57、热震测试炉。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，包括空气供给系统、气体燃料供给系统、燃油供给系统、燃烧试验件、冷却水系统、测量及数据采集系统、吹扫系统、排气系统、试验控制系统30及其它辅助设备。

具体来说，空压机2前面为空气进气系统1，主要功能为对进入空压机2的空气进行过滤；从空压机2出来的空气经电加热器I4后进入燃烧试验件5；在启动燃料供给系统之前，燃料供给系统的燃料喷嘴7需经高压空气吹扫，若采用合成气燃料，需先启动柴油供给系统，来自储油罐10的柴油经过滤油器11过滤后进入变频油泵12，通过变频油泵12的变频器调节燃油流量，使其进入燃烧试验件5与空气混合后点火并燃烧。稳定燃烧一段时间后，进行柴油到合成气的切换，采用从合成气罐车13中的合成气进行燃烧，通过调节阀I14进行合成气流量的调节。若采用天然气燃料，从天然气管道15出来的天然气经计量站16后经压缩机17(通过变电站31供电)加压后储存在高压储气罐18里，通过调压阀19调节压力，然后经过电加热器II20使其达到一定温度，通过调节阀II21控制天然气进入燃烧试验件5的流量，进入燃烧试验件5后与空气混合，进行燃烧。燃烧后的燃气通过来自冷却塔22、蓄水池23的给水泵24增压后成为高压水喷入烟气使其温度降低，后利用背压调节阀Ⅲ25使压力降低，减温减压后的烟气进入回热器3与空气换热，换热后的烟气经消音塔26排入大气。在试验过程中空压机2靠冷却塔22的水进行冷却，冷却空压机2后的水回到蓄水池23，循环利用。

实施例：

本发明的燃烧试验系统可实现多种功能试验测试，其工作过程如下：

参见图1，进行燃烧试验时：启动空压机2，从空压机2出来的空气分两路，一路经回热器3(此时无热量交换)、电加热器I4后进入燃烧试验件5(参见图2，包括燃烧室外缸6、燃料喷嘴7、火焰筒8和过渡段9)；一路高压空气对燃料喷嘴7进行清吹。若以中低热值合成气为燃料，需先启动柴油供给系统，使其进入燃烧试验件5与空气混合后点火并燃烧。稳定燃烧一段时间后，进行柴油与合成气的切换。

如以天然气为燃料，使用氮气瓶27中的氮气对天然气管路进行吹扫，切换后从计量站16出来的天然气经过压缩机17加压后储存在高压储气罐18里，通过调压阀19调节天然气的压力，接着经过电加热器II20使其达到一定温度，通过调节阀II21控制天然气进入燃烧试验件5的流量。从空压机2出来的空气经过回热器3和电加热器I4后使其温度达到450℃，进入燃烧试验件5与天然气混合后燃烧。空压机2的冷却水来自于低压循环水，低压水的回水被送到室外冷却塔22，冷却后再流回蓄水池23。燃烧后的烟气通过高压水喷入烟气使其温度降到500℃，后利用背压调节阀Ⅲ25使压力降至0.8MPa，减温减压后的烟气进入回热器3与空气换热，换热后的烟气经消音塔26排入大气。

参见图3，进行气膜冷却试验时：主流由燃烧试验段前空压机2提供，经过过滤器32、收缩段I33和湍流发生器34进入试验段I35。湍流发生器34用以产生稳定的低湍流度来流。试验段I35入口布有热线风速仪36和毕托管37测量来流湍流度、速度和静压。过滤器32中布置有三层细沙网，用以过滤杂质并将来流整理均匀。收缩段I33四面均匀收缩以避免流动分离。试验段I35布置在方型通道38中，方形通道38各面由透明有机玻璃制做，方便试验时打开LED光源39，利用CCD相机40结合LED光源39进行拍照。在试验段I35一侧布置有一方腔型冷却通道41，空气通过电加热器Ⅲ42、质量流量计I43可为气膜冷却孔提供不同温度与流量的冷却空气。试验段I35内镶嵌有一块试验平板44(开有气模孔)，其固定在主流通道和冷却流通道之间，并且可以更换，用来进行不同气膜孔几何结构冷却特性试验，为透平气膜冷却结构优化提供理论依据。

参见图4，进行透平叶栅传热试验时，燃烧试验后的高温燃气不经过高压水冷却及背压调节阀Ⅲ25调压，直接由主流质量流量计II45调节，汇入收缩段II46，主流速度得到进一步增加，随后由稳定过渡段47进入试验段II48；而另一路压缩气体通过电加热器Ⅳ49、质量流量计Ⅲ50可以实现不同温度与流量的空气对试验段II48进行冷却。叶栅试验段II48上端布置有远红外透射窗口，透过该窗口并利用红外热像系统53可以实现对叶栅表面温度场的测量；同时利用设置在叶栅表面不同位置的耐高温应变片54测得叶栅表面的应变变化，进而换算得到叶栅表面热应力场变化。试验完毕后的高温燃气经减温减压后与回热器3换热后经消音塔26排入大气。透平叶栅通道内温度场和热应力场分析可为燃气轮机透平叶栅的结构优化提供技术指导。

参见图5，进行燃气轮机热通道部件基体和热障涂层性能试验时，燃烧试验后的高温燃气不经过高压水冷却及背压调节阀Ⅲ25调压。利用燃烧试验台排出的高温燃气，模拟热通道部件实际工作气氛，将其通入材料热机械疲劳试验机56和定制的涂层热震测试炉57进行性能测试。测试完毕后的高温燃气经减温减压后与回热器3换热后经消音塔26排入大气。

试验结束后，采用氮气瓶27中的氮气吹扫燃气管路，确保燃料供给系统管路的通畅，并防止试验后燃料在试验系统内存留。

Claims (8)

1.一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，包括空气供给系统、气体燃料供给系统、燃油供给系统、燃烧试验件(5)、冷却水系统、测量及数据采集系统、吹扫系统、排气系统和试验控制系统(30)；其中，

空气供给系统用于连续地向燃烧试验件(5)提供大流量、高压且温度可调的压缩空气；

气体燃料供给系统用于向燃烧试验件(5)供给充足且压力稳定的气体燃料；

燃油供给系统用于向燃烧试验件(5)供给燃油，包括依次连接的储油罐(10)、滤油器(11)、变频油泵(12)和截止阀(28)，利用变频油泵(12)的变频器调节供油量；

冷却水系统分为高压水系统和低压水系统，高压水系统用于冷却高温烟气，低压水系统用于冷却空气供给系统；

测量及数据采集系统包括烟气测量装置和流动参数测量装置，其中，烟气测量装置用于测量燃烧后的燃气组分；流动参数测量装置用于测量燃烧试验件中的温度和压力；

吹扫系统包括氮气吹扫系统以及高压空气吹扫系统，氮气主要用来吹扫气态燃料供给管路，高压空气吹扫系统，用于对燃油喷嘴进行吹扫；

排气系统包括排气调节系统及消音系统，排气调节系统调节燃烧试验件排气压力，并将高温燃气降温后经消音系统中的消音塔(26)排出；

试验控制系统(30)通过对试验过程中各个设备的控制，实现试验工况的控制和调整。

2.根据权利要求1所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，燃烧试验件(5)包括燃烧室外缸(6)、设置在燃烧室外缸(6)内的过渡段(9)、以及设置在燃烧室外缸(6)外与过渡段(9)依次连接的火焰筒(8)和燃料喷嘴(7)。

3.根据权利要求2所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，空气供给系统包括依次连接的空气进气系统(1)、空压机(2)、回热器(3)和电加热器I(4)。

4.根据权利要求3所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，还包括与空压机(2)连接的气膜冷却特性试验系统，气膜冷却特性试验系统包括依次连接的过滤器(32)、收缩段Ⅰ(33)、湍流发生器(34)和试验段I(35)；湍流发生器(34)用以产生稳定的低湍流度来流，试验段I(35)入口布有热线风速仪(36)和毕托管(37)测量来流湍流度、速度和静压；过滤器(32)中布置有三层细沙网，用以过滤杂质并将来流整理均匀；收缩段I(33)四面均匀收缩以避免流动分离；试验段I(35)布置在方型通道(38)中，方形通道(38)各面由透明有机玻璃制成，利用CCD相机(40)结合LED光源(39)进行拍照；在试验段I(35)一侧布置有一方腔型冷却通道(41)，空气通过电加热器Ⅲ(42)、质量流量计I(43)为气膜冷却孔提供不同温度与流量的冷却空气，此外，试验段I(35)内镶嵌有一块试验平板(44)。

5.根据权利要求2所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，气体燃料供给系统包括气阀站调配系统及气体燃料罐车泊位，其中，气阀站调配系统包括与天然气管道(15)依次连接的计量站(16)、压缩机(17)、储气罐(18)、调压阀(19)和电加热器(20)，还包括与电加热器(20)出气口连接的氮气瓶(27)和流量计(29)，气体燃料罐车泊位包括依次与电加热器(20)出气口连接的调节阀I(14)和合成气罐车(13)。

6.根据权利要求2所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，冷却水系统包括依次连接的冷却塔(22)、蓄水池(23)及给水泵(24)。

7.根据权利要求2所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，还包括透平叶栅换热试验系统，包括依次连接的质量流量计Ⅱ(45)、稳定段、收缩段Ⅱ(46)、稳定过渡段(47)和试验段Ⅱ(48)，试验段Ⅱ(48)内放置有耐高温应变片(54)，稳定段上设置有热电偶(51)，稳定过渡段(47)末端的周向上开设有若干用于放置热电偶的进口温度测量孔(55)，试验段Ⅱ(48)外侧设置有红外热像系统(53)，热电偶(51)、进口温度测量孔(55)处的热电偶、红外热像系统(53)以及耐高温应变片(54)均与温度和应变数据采集系统(52)连接；

还包括电加热器Ⅳ(49)和质量流量计Ⅲ(50)，空气经电加热器Ⅳ(49)和质量流量计Ⅲ(50)进入试验段Ⅱ(48)。

8.根据权利要求2所述的一种全尺寸多功能燃气轮机燃烧试验系统，其特征在于，还包括燃气轮机热通道部件基体和热障涂层性能试验系统，包括均与高温试验高温燃气连通的热机械疲劳试验机(56)和热震测试炉(57)。