CN109489071B - 一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动方法及负荷调节方法 - Google Patents

一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动方法及负荷调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动方法及负荷调节方法，从第一级燃烧器进入燃烧室本体的低热值合成气在贫燃区域燃烧，降低了火焰温度，减少了热力型NOx的生成；从第二级燃烧器进入燃烧室本体的合成气在略低于理论空燃比的区域燃烧，由于进入该区域的烟气经过从第一级燃烧器进入的低热值合成气的燃烧消耗了大量氧气，其氧含量大大降低，可以降低该区域燃烧时生成NOx的速率，并且第二级燃烧器的沿圆周方向的布置方式可以更高效的混合合成气与富含氧气的烟气，提高了燃烧稳定性和燃烧效率，降低了局部高温，也有利于减少热力型NOx的生成；本发明通过调整分级燃烧的运行方式可以在较宽负荷范围内保持合成气稳定燃烧，同时减少NOx排放。

Description

一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动 方法及负荷调节方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动方法及负荷调节方法。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质的旋转叶轮式发动机。燃气轮机由压气机，燃烧室，透平等三大主要部件组成。压气机吸入空气加压，同时空气温度也相应提高，压缩空气在燃烧室内与燃料混合燃烧生成高温高压的气体，再进入透平带动透平叶片高速旋转，从而完成将燃料的化学能转变为有用功的过程。在燃烧室内，由于燃烧产生的高温，会导致大量NOx产生，其中最主要的NOx生成路径为热力型，即在高于1500℃的高温下N2和O2发生反应，其生成速率主要受温度影响，另外N2，O2浓度以及停留时间等均对热力型NOx的生成有一定影响。燃气轮机布雷顿循环效率的提升主要依靠提高透平入口烟气温度，也就是提高燃烧室排气温度，然而随着燃烧室排气温度的提升，燃烧室内部平均温度也将大大提高，这将引起热力型NOx排放的急剧增加。
目前，燃气轮机厂家广泛采用干式贫预混燃烧技术(Dry Low NOx，DLN)来降低NOx的排放。DLN技术利用过量的空气与燃料均匀预混，来达到均匀燃烧，消除局部高温的方式减少热力型NOx的生成。对于整体煤气化联合循环(IGCC)配套的低热值燃气轮机，其燃料为含有CO和H2的合成气，这两种组分燃烧速度不一致，不适用于预混燃烧，只能采用扩散燃烧方式，因此无法使用DLN技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动方法及负荷调节方法，解决了现有的整体煤气化联合循环配套的低热值燃气轮机，由于其燃料为合成气，不适用于预混燃烧，导致在燃烧室内温度过高，进而产生大量的NOx的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，包括燃烧室本体，所述燃烧室本体(31)底部开口，顶部封闭的中空结构，其中，
燃烧室本体的外部设置有与其呈同心圆布置的承压外壳，承压外壳的内侧壁与燃烧室本体的外侧壁之间形成竖向通道，承压外壳顶部内壁与燃烧室本体的顶部外壁之间形成水平通道，竖向通道与水平通道相通；
燃烧室本体内腔的顶部沿圆周方向均布有若干个第一级燃烧器,且其顶部均布有若干个喷射孔；
第一级燃烧器的内腔中设置有第一级燃料通道和空气通道，其中，第一级燃料通道一端与注有水蒸气的合成气管路连通,另一端与燃烧室本体的内腔连通；空气通道的一端与空气通道连通，另一端通入燃烧室本体的内腔内；
燃烧室本体的侧壁上沿圆周方向均布有若干个第二级燃烧器，第二级燃烧器的内腔中设置有第二级燃料通道，所述第二级燃烧通道一端与未注水蒸气的合成气管路连通,另一端与燃烧室本体的内腔连通。
优选地，每个第二级燃烧器的下方设置有一个二次风入口，二次风入口开设在燃烧室本体的侧壁上，二次风入口的一端与竖向通道连通,另一端与燃烧室本体的内腔连通。
优选地，二次风入口上设置有调节阀。
优选地，空气通道、第一级燃料通道和第二级燃料通道进入燃烧室本体的一端端部均设置有旋流器。
优选地，第二级燃烧器的轴线与第二级燃烧器在燃烧室本体内侧壁开口处的法向之间设置有10-25°夹角。
优选地，第二级燃烧器的轴线与第二级燃烧器在燃烧室本体内侧壁开口处的法向之间的夹角为18°。
一种适用于合成气的低NOx排放的燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括燃烧室本体，其中，燃烧室本体上的竖向通道连接有压气机，燃烧室本体的排气口连接有透平，所述透平通过轴分别与压气机和发电机连接。
一种适用于合成气的低NOx排放的燃气轮机系统的启动方法，包括以下步骤：
S1，启动燃气轮机；
S2，将注有水蒸气的合成气通过第一级燃烧器进入燃烧室本体进行燃烧，直至燃气轮机负荷达到额定负荷的80％；
S3，将未注有水蒸气的合成气通过第二级燃烧器进入燃烧室本体进行燃烧，直至燃气轮机负荷达到额定负荷。
优选地，S2中，通过第一级燃烧器将注有水蒸气的合成气通入燃烧室本体内时，向第二级燃烧器内通入水蒸气。
一种适用于合成气的低NOx排放的燃气轮机系统负荷的调节方法，当燃气轮机设定负荷大于额定负荷的70％时，减小第二级燃烧器中合成气的流量；当燃气轮机设定负荷小于额定负荷的70％时，关闭第二级燃烧器中的合成气，同时减少第一级燃烧器燃料中的水蒸气的流量，且将该部分水蒸气通过第二级燃烧器通入燃烧室本体的内腔中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，部分合成气注入水蒸气来实现燃料热值的分级，再通过燃烧器的分级布置和合理的燃料，压缩空气分配，在燃烧室内部形成不同特性的燃烧区域，具体地：
从第一级燃烧器进入燃烧室本体的低热值合成气在贫燃区域燃烧，降低了火焰温度，减少了热力型NOx的生成；
从第二级燃烧器进入燃烧室本体的合成气在略低于理论空燃比的区域燃烧，由于进入该区域的烟气经过从第一级燃烧器进入的低热值合成气的燃烧消耗了大量氧气，其氧含量大大降低，可以降低该区域燃烧时生成NOx的速率，并且第二级燃烧器的沿圆周方向的布置方式可以更高效的混合合成气与富含氧气的烟气，提高了燃烧稳定性和燃烧效率，降低了局部高温，也有利于减少热力型NOx的生成；本发明在不影响燃烧稳定性的同时，降低了NOx的生成。
进一步的，第一级燃烧器端部设置的旋流器形成的高旋流，会产生一定的回流，提升了合成气在该区域的停留时间，有助于合成气的完全燃烧。
进一步的，第二级燃烧器端部设置的旋流器形成的高旋流，会产生一定的回流，提升了合成气在该区域的停留时间，并且也提升了合成气中CO和H2等还原性气体对NOx的还原效果。
进一步的，第二级燃烧器的入射角度与由第一级燃烧器形成的气体旋流方向相反，有助于增强自第二级燃烧器进来的合成气与富含氧气的烟气的混合，提高燃烧稳定性和燃烧效率，降低局部高温，同时充分利用氧气浓度低的区域，从而减少NOx的生成速率。
进一步的，通过二次风入口向燃烧室本体引入一定量的压缩空气，能够将全部燃料反应完毕，最终形成高温高压气体,进入透平膨胀做功，将燃料的化学能转变为透平叶片旋转的机械能，驱动轴旋转，同时带动压气机和发电机，发电机将部分机械能转变为电能输出。
附图说明
图1是适用于合成气的低NOx排放燃烧室及燃气轮机系统；
图2是第一级燃烧器布置示意图；
图3是第二级燃烧器布置示意图；
图4是二次风入口布置示意图；
图5是第一级燃烧器示意图；
图6是第二级燃烧器所在平面速度分布；
图7是燃气轮机系统启动流程示意图；
图8是燃气轮机系统负荷调节示意图；
其中，11、第一级燃烧器12、第二级燃烧器13、承压外壳14、竖向通道15、压缩空气水平通道16、隔热材料17、二次风入口18、合成气与水蒸气混合器20、空气21、压缩空气22、合成气23、水蒸气24、注水蒸气后合成气25、燃烧室高温排气26、透平排气30、压气机31、燃烧室32、透平33、发电机34、轴41、空气通道42、一级燃料通道43、二级燃料通道。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，包括燃烧室本体31，所述燃烧室本体31为底部开口，顶部封闭的中空结构，燃烧室本体31的内侧壁上设置有隔热层16，其顶部沿圆周方向均布有若干个第一级燃烧器11,同时,燃烧室本体31的顶部均布有若干个喷射孔。
燃烧室本体31的外部设置有与其同心圆布置的承压外壳13，承压外壳13的内侧壁与燃烧室本体31的外侧壁之间形成竖向通道14，承压外壳13的顶部内壁与燃烧室本体31的顶部外壁之间形成水平通道15，竖向通道14与水平通道15相通。
如图2至图5所示，第一级燃烧器11设置有八个，呈圆周结构均布在燃烧室本体31的顶部，且每个第一级燃烧器11至燃烧室本体31顶部圆心的距离均相等。
第一级燃烧器11的内腔中设置有筒状结构的第一级燃料通道42，第一级燃料通道42的外侧沿其圆周方向均布有若干个空气通道41，所述若干个空气通道41形成的圆形结构与第一级燃料通道42的圆形同心布置。
第一级燃烧器11的侧壁上开设有若干个进风口，所述进风口用于连通空气通道41和水平通道15，所述空气通道41的自由端与燃烧室本体31的内腔相通。
空气通道41和第一级燃料通道42进入燃烧室本体31的一端端部均设置有旋流器，用以产生高旋流动，形成回流区以稳定火焰。
燃烧室本体31的侧壁上沿圆周方向均布有若干个第二级燃烧器12，第二级燃烧器12设置有八个，均布在燃烧室本体31的侧壁，且其进入燃烧室本体31的端部与该点法向成一定夹角，角度范围10-25°，优选18°。
所述第二级燃烧器12的内腔中设置有筒状结构的燃料通道，其进入燃烧室本体31的一端端部设置有旋流器，用以产生高旋流动，形成回流区以稳定火焰。
每个第二级燃烧器12的下方设置有一个二次风入口17，二次风入口17开设在燃烧室本体31的侧壁上。
二次风入口17上设置有调节阀，用于调节经过二次风入口17进入燃烧室本体31的压缩空气21流量。
燃烧室本体31的开口端为缩口结构，作为过渡段连接不等直径的燃烧室本体31和透平32。
燃烧室本体31的燃料分两级进入，第一级燃料为经混合器18混合后的注入水蒸气23的合成气24，从第一级燃烧器11内部第一级燃料通道42进入燃烧室本体31；第二级燃料则为未注入水蒸气的合成气22，从第二级燃烧器12内部燃料通道进入燃烧室本体31。
燃烧室本体31的主要压缩空气也分为两级，分别从第一级燃烧器11内部空气通道41和二次风入口17进入燃烧室本体31，竖向通道14的进口连接有压气机30，燃烧室本体31出口连接透平32入口，透平32的出口可以直接排入大气，也可以进入余热锅炉。轴34连接压气机30，透平32，发电机33。
工作原理：
压气机30自大气吸入空气20经过增压成为压缩空气21，压缩空气21流经竖向通道14对燃烧室本体31起到一定的冷却作用，再通过水平通道15经第一级燃烧器11内部空气通道41以旋流的方式进入燃烧室本体31内部。燃料合成气22分为两路，一路进入混合器18与水蒸气23混合，水蒸气与合成气质量流量比例为0.4-0.6，优选0.55。注水蒸气后的合成气24经第一级燃烧器11内部第一级燃料通道42以旋流的方式进入燃烧室本体31内部。另外一路合成气22则不经过混合器18，直接通过第二级燃烧器12内部燃料通道高速喷射进入燃烧室本体31内部，该路合成气流量占总合成气流量的0-0.3。注水蒸气后的合成气24与过量压缩空气21混合燃烧，由于注水蒸气后的合成气24较未注之前热值低并且空气量远高于其完全燃烧所需的量，燃烧的最高温度较未注水蒸气的合成气燃烧时低，进而减少了热力型NOx的形成，并且燃烧消耗了氧气，燃烧后形成的气体中氧含量降低。从第二级燃烧器12进入的合成气22虽然由于没有注入水蒸气而热值较高，但其进入燃烧室本体31的位置低于第一级燃烧器11，此时烟气中的氧气含量由于第一级燃烧器11进入的燃料的燃烧而降低。如图6所示，第二级燃烧器12入射角度与由第一级燃烧器11形成的气体旋流方向相反，有助于增强自第二级燃烧器12进来的合成气与富含氧气的烟气的混合，提高燃烧稳定性和燃烧效率，降低局部高温，同时充分利用氧气浓度低的区域，从而减少NOx的生成速率。另外由于合成气中含有CO，H2等还原性气体，对于从第一级燃烧器11进入的燃料燃烧生成的NOx会起到一定的还原作用。第二级燃烧器12进入燃烧室本体31的端部设置的旋流器会形成一定的回流，提升合成气在该区域的停留时间以促进燃烧完全。最后通过布置于燃烧室本体31竖直壁面下部的二次风入口17向燃烧室本体31引入一定量的压缩空气，将全部燃料反应完毕，最终形成高温高压气体。高温高压的燃烧室排气25在透平32内膨胀做功，将燃料的化学能转变为透平叶片旋转的机械能，驱动轴34旋转，同时带动压气机30和发电机33，发电机33将部分机械能转变为电能输出。
在总空气量一定的情况下，可以通过二次风入口17配置的调节阀调节二次风流量，进而调节从第一级燃烧器11进入燃烧室本体31的压缩空气流量来适应燃料组分的变化，控制第一级燃烧器11进入燃烧室本体31的压缩空气流量与全部合成气燃烧所需空气量之比为0.96-0.99之间。
如图7所示，所述燃气轮机系统的启动方式，S1，先通过其他燃料，如柴油或者天然气等启动燃气轮机直至额定的30％；S2，全部合成气22进入混合器18与水蒸气23混合，通过第一级燃烧器11进入燃烧室本体31燃烧提升燃气轮机负荷直至额定的80％，此时不投入第二级燃烧器12，需要通入一定量的水蒸气进第二级燃烧器12进行保护；S3，当燃气轮机负荷达到额定的80％，投入第二级燃烧器12，将部分合成气不经过混合器18而通过第二级燃烧器12直接进入燃烧室本体31燃烧来继续提升燃气轮机负荷直至额定负荷，完成所述燃气轮机系统的启动。所述燃气轮机系统的停机过程可以按照启动过程的反向顺序，即从步骤S3至步骤S1进行停机。
如图8所示，所述燃气轮机系统调节负荷的方式，当燃气轮机设定负荷大于额定负荷的70％时，可以通过调节第二级燃烧器12的合成气流量或者关闭部分第二级燃烧器12来进行。当燃气轮机设定负荷小于额定负荷的70％时，必须关闭全部第二级燃烧器12的合成气流量，同时由于注水蒸气的合成气长期在低负荷下燃烧容易出现不稳定的现象，因此需要根据负荷，减少注入水蒸气的量，提高进入第一级燃烧器11的燃料的热值来稳定火焰，不进入混合器18的那部分水蒸气需要通过第二级燃烧器12注入燃烧室本体31来确保燃烧室出口烟气温度不上升过多，以免造成透平高温部件过热导致损坏。具体燃气轮机负荷与合成气流量、水蒸气流量之间的对应关系见表1。
表1燃气轮机负荷与合成气流量，水蒸气流量对应关系
本发明通过部分合成气注入水蒸气来实现燃料热值的分级，再通过燃烧器的分级布置和合理的燃料，压缩空气分配，在燃烧室内部形成不同特性的燃烧区域。从第一级燃烧器11进入燃烧室本体31的低热值合成气在贫燃(进入的空气量大于燃料完全燃烧所需的空气量)区域燃烧，降低了火焰温度，减少了热力型NOx的生成。从第二级燃烧器12进入燃烧室本体31的合成气在略低于理论空燃比(进入的空气量与燃料完全燃烧所需的空气量之比)的区域燃烧，由于进入该区域的烟气经过从第一级燃烧器11进入的低热值合成气的燃烧消耗了大量氧气，其氧含量大大降低，可以降低该区域燃烧时生成NOx的速率，并且第二级燃烧器12的布置方式可以更高效的混合合成气与富含氧气的烟气，提高了燃烧稳定性和燃烧效率，降低了局部高温，也有利于减少热力型NOx的生成。第二级燃烧器12端部旋流器形成的高旋流，会产生一定的回流，提升了合成气在该区域的停留时间，有助于合成气的完全燃烧，并且也提升了合成气中CO和H2等还原性气体对NOx的还原效果。最终利用二次风入口17引入额外的压缩空气来确保合成气燃料完全燃烧。本发明与现有技术相比，在不影响燃烧稳定性的同时，降低了NOx的生成。

Claims (9)

1.一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，其特征在于，包括燃烧室本体(31)，所述燃烧室本体(31)为底部开口，顶部封闭的中空结构，其中，
燃烧室本体(31)的外部设置有与其呈同心圆布置的承压外壳(13)，承压外壳(13)的内侧壁与燃烧室本体(31)的外侧壁之间形成竖向通道(14)，承压外壳(13)顶部内壁与燃烧室本体(31)的顶部外壁之间形成水平通道(15)，竖向通道(14)与水平通道(15)相通；
燃烧室本体(31)内腔的顶部沿圆周方向均布有若干个第一级燃烧器(11),且其顶部均布有若干个喷射孔；
第一级燃烧器(11)的内腔中设置有第一级燃料通道(42)和空气通道(41)，其中，第一级燃料通道(42)的一端与注有水蒸气的合成气管路连通,另一端与燃烧室本体(31)的内腔连通；空气通道(41)的一端与水平通道(15)连通，另一端通入燃烧室本体(31)的内腔内；
燃烧室本体(31)的侧壁上沿圆周方向均布有若干个第二级燃烧器(12)，第二级燃烧器(12)的内腔中设置有第二级燃料通道，所述第二级燃料通道一端与未注水蒸气的合成气管路连通,另一端与燃烧室本体(31)的内腔连通；
每个第二级燃烧器(12)的下方设置有一个二次风入口(17)，二次风入口(17)开设在燃烧室本体(31)的侧壁上，二次风入口(17)的一端与竖向通道(14)连通,另一端与燃烧室本体(31)的内腔连通。
2.根据权利要求1所述的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，其特征在于，二次风入口(17)上设置有调节阀。
3.根据权利要求1所述的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，其特征在于，空气通道(41)、第一级燃料通道(42)和第二级燃料通道进入燃烧室本体(31)的一端端部均设置有旋流器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，其特征在于，第二级燃烧器(12)的轴线与第二级燃烧器(12)在燃烧室本体(31)内侧壁开口处的法向之间设置有10-25°夹角。
5.根据权利要求4所述的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，其特征在于，第二级燃烧器(12)的轴线与第二级燃烧器(12)在燃烧室本体(31)内侧壁开口处的法向之间的夹角为18°。
6.一种适用于合成气的低NOx排放的燃气轮机系统，其特征在于，该燃气轮机系统包括权利要求1-5中任一项所述的燃烧室本体(31)，其中，燃烧室本体(31)上的竖向通道(14)连接有压气机(30)，燃烧室本体(31)的排气口连接有透平(32)，所述透平(32)通过轴(34)分别与压气机(30)和发电机(33)连接。
7.一种如权利要求6所述的燃气轮机系统的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，启动燃气轮机；
S2，将注有水蒸气的合成气通过第一级燃烧器(11)进入燃烧室本体(31)进行燃烧，直至燃气轮机负荷达到额定负荷的80％；
S3，将未注有水蒸气的合成气通过第二级燃烧器(12)进入燃烧室本体(31)进行燃烧，直至燃气轮机负荷达到额定负荷。
8.根据权利要求7所述的一种适用于合成气的低NOx排放的燃气轮机系统的启动方法，其特征在于，S2中，通过第一级燃烧器(11)将注有水蒸气的合成气通入燃烧室本体(31)内时，向第二级燃烧器(12)内通入水蒸气。
9.一种如权利要求6所述的燃气轮机系统的负荷调节方法，其特征在于，当燃气轮机设定负荷大于额定负荷的70％时，减小第二级燃烧器(12)中合成气的流量；当燃气轮机设定负荷小于额定负荷的70％时，关闭第二级燃烧器(12)中的合成气，同时减少第一级燃烧器(11)燃料中的水蒸气的流量，且将该部分水蒸气通过第二级燃烧器(12)通入燃烧室本体(31)的内腔中。
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