CN110986029A - 一种补燃燃烧室和燃气轮机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开一种补燃燃烧室和燃气轮机系统。其中，补燃燃烧室包括燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴和点火器，所述燃烧室壳体布置在燃气轮机之后的排气烟道中，所述火焰筒位于所述燃烧室壳体内，包括沿前端至后端依次设置的主燃区和中间区；所述燃料喷嘴设置在所述火焰筒的前端，所述点火器设置在所述火焰筒的侧壁与主燃区相对的位置上。上述补燃燃烧室布置在燃气轮机的排气烟道中，可以在各种工况下显著提高燃气轮机系统的排气温度，进而有效提高热电比例，理论上调节范围可以达到100％；从而可以改善基于燃气轮机的冷热电分布式能源系统中热电比例调节范围。

Description

一种补燃燃烧室和燃气轮机系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种补燃燃烧室和燃气轮机系统。

背景技术

基于微小型燃气轮机的冷热电分布式能源系统正在蓬勃发展，当前电力峰谷电价差距大，电力需求不同，而采用燃气轮机部分工况运行甚至谷段停机等手段调整电力输出，会导致热输出也随之产生很大变化，因此普遍需求分布式能源系统的电热比例可调，目前调整的技术手段主要有配带补燃的余热锅炉或者溴冷机，回热器比例可调等技术，然而上述调节范围十分有限，例如配备带补燃的余热锅炉或者溴冷机，热电比例调节范围也只有40％左右，并且会导致烟气温度最大状态下降。

发明内容

本发明公开了一种补燃燃烧室和燃气轮机系统，用于改善基于燃气轮机的冷热电分布式能源系统中热电比例调节范围。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种补燃燃烧室，包括燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴和点火器，所述燃烧室壳体布置在燃气轮机之后的排气烟道中，所述火焰筒位于所述燃烧室壳体内，包括沿前端至后端依次设置的主燃区和中间区；所述燃料喷嘴设置在所述火焰筒的前端，所述点火器设置在所述火焰筒的侧壁与主燃区相对的位置上。

上述补燃燃烧室，采用主燃烧室技术设计，具有燃烧室壳体和火焰筒结构，可以对高温低氧的燃气轮机烟气进行补燃，通过技术验证，上述补燃燃烧室可以在10％～18％的氧浓度烟气中稳定点火并工作，且可以将燃气轮机输出烟气的温度提高至2200K以上(在现有冷热电联供系统中，按照燃气轮机最大负荷的烟气温度设计，余热锅炉或者溴冷机进口温度一般仅600℃～800℃)。因此，将上述补燃燃烧室布置在燃气轮机的排气烟道中，可以在各种工况下显著提高燃气轮机系统的排气温度，进而有效提高热电比例，理论上调节范围可以达到100％。

相比于带补燃的余热锅炉或者溴冷机，本发明实施例提供的补燃燃烧室可以显著提高热电比例的调节范围；并且，带补燃的余热锅炉或者溴冷机为避免燃气轮机烟气和补燃烟气互窜，需要将两套烟道隔离开，相比之下，本发明实施例提供的补燃燃烧室，直接布置在燃气轮机之后的烟道中，结构和控制都更加简单，同时本发明实施例提供的补燃燃烧室出口氮氧化物浓度不高于25ppm(换算至15％氧浓度)，不会增加燃气轮机污染物排放，而且还可以显著减少一氧化碳的排放；进而可以多方面有效改善基于燃气轮机的冷热电分布式能源系统。

另外，由于锅炉和燃气轮机的工作状态不一样，因此对于两者的污染物排放换算状态不一样，例如按照GB/T 13223中燃气锅炉的基准氧含量是3％，而燃气轮机的基准氧含量是15％，这样会导致后者的换算污染物排放量是前者的3倍。而对于分布式能源系统，目前尚无标准说明系统的污染物排放是按照燃气轮机，还是锅炉，还是两者分开计算。如果按照锅炉标准计算，则对燃气轮机的污染物排放设计提出了更为严苛的要求。而上述补燃燃气室，可以针对燃气轮机排出的烟气进行补燃，从而降低燃气轮机烟气的基准氧含量，进而可以降低燃气轮机的污染物排放设计要求。

可选的，所述主燃区的容积为所述燃气轮机的主燃区容积的2-2.5倍，所述中间区的容积为所述燃气轮机的中间区容积的3.5-5倍。

可选的，所述火焰筒的侧壁在所述主燃区与所述中间区之间的位置上设有主燃孔。

可选的，所述火焰筒的侧壁在与所述主燃区及中间区相对的位置上分布有冷却气孔。

可选的，所述火焰筒的侧壁在所述中间区与后端燃气出口之间的位置上设有掺混孔。

可选的，所述火焰筒的前端设有旋流器。

一种燃气轮机系统，包括燃气轮机和上述任一技术方案中所述的补燃燃烧室。

可选的，所述补燃燃烧室紧邻所述燃气轮机的涡轮，所述燃烧室壳体被配置为：接收从所述涡轮排出的烟气、以及所述燃气轮机其它部位的引气或排气。

可选的，燃气轮机系统还包括回热器或者余热锅炉；所述回热器或者余热锅炉设置在所述补燃燃烧室之后，用于对所述补燃燃烧室排出的烟气进行热能转换。

可选的，燃气轮机系统还包括回热器或者余热锅炉；所述回热器或者余热锅炉设置在所述燃气轮机之后，所述补燃燃烧室设置在所述回热器或者余热锅炉之后，所述燃烧室壳体被配置为接收所述回热器或者余热锅炉排出的烟气。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种补燃燃烧室的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种燃气轮机系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种补燃燃烧室1，包括燃烧室壳体11、火焰筒12、燃料喷嘴13和点火器14，所述燃烧室壳体11布置在燃气轮机2之后的排气烟道中，所述火焰筒12位于所述燃烧室壳体11内，包括沿前端至后端依次设置的主燃区A和中间区B；所述燃料喷嘴13设置在所述火焰筒12的前端，所述点火器14设置在所述火焰筒12的侧壁与主燃区A相对的位置上。

上述补燃燃烧室，采用主燃烧室技术设计，具有燃烧室壳体和火焰筒结构，可以对高温低氧的燃气轮机烟气进行补燃，通过技术验证，上述补燃燃烧室可以在10％～18％的氧浓度烟气中稳定点火并工作，且可以将燃气轮机输出烟气的温度提高至2200K以上(在现有冷热电联供系统中，按照燃气轮机最大负荷的烟气温度设计，余热锅炉或者溴冷机进口温度一般仅600℃～800℃)。因此，将上述补燃燃烧室布置在燃气轮机的排气烟道中，可以在各种工况下显著提高燃气轮机系统的排气温度，进而有效提高热电比例，理论上调节范围可以达到100％。

相比于带补燃的余热锅炉或者溴冷机，本发明实施例提供的补燃燃烧室可以显著提高热电比例的调节范围；并且，带补燃的余热锅炉或者溴冷机为避免燃气轮机烟气和补燃烟气互窜，需要将两套烟道隔离开，相比之下，本发明实施例提供的补燃燃烧室，直接布置在燃气轮机之后的烟道中，结构和控制都更加简单，同时本发明实施例提供的补燃燃烧室出口氮氧化物浓度不高于25ppm(换算至15％氧浓度)，不会增加燃气轮机污染物排放，而且还可以显著减少一氧化碳的排放；进而可以多方面有效改善基于燃气轮机的冷热电分布式能源系统。

另外，由于锅炉和燃气轮机的工作状态不一样，因此对于两者的污染物排放换算状态不一样，例如按照GB/T 13223中燃气锅炉的基准氧含量是3％，而燃气轮机的基准氧含量是15％，这样会导致后者的换算污染物排放量是前者的3倍。而对于分布式能源系统，目前尚无标准说明系统的污染物排放是按照燃气轮机，还是锅炉，还是两者分开计算。如果按照锅炉标准计算，则对燃气轮机的污染物排放设计提出了更为严苛的要求。而上述补燃燃气室，可以针对燃气轮机排出的烟气进行补燃，从而降低燃气轮机烟气的基准氧含量，进而可以降低燃气轮机的污染物排放设计要求。

如图1所示，一种具体的实施例中，本发明实施例提供的补燃燃烧室1，火焰筒12结构中主燃区A和中间区B的容积，与前端燃气轮机2的主燃区和中间区(即燃气轮机2中火焰筒的主燃区和中间区)的容积具有较大的差别；具体的，本发明实施例提供的补燃燃烧室1，其火焰筒12的主燃区A容积是燃气轮机2中火焰筒主燃区容积的2-2.5倍，其火焰筒12的中间区B容积是燃气轮机中间区容积的3.5-5倍；上述对于主燃区A和中间区B的设计，可以使主燃区A和中间区B的燃气停留时间均达到14ms以上，从而提高补燃燃烧室1的燃烧效果，并可以保证出口19温度均匀，避免输出烟气局部高温烧蚀后面的装置。

一种具体的实施例中，所述火焰筒12的前端设有旋流器15。

进一步的，所述火焰筒12的侧壁可以在所述主燃区A与所述中间区B之间的位置上设有主燃孔16。

进一步的，所述火焰筒12的侧壁在与所述主燃区A及中间区B相对的位置上分布有冷却气孔17。

进一步的，所述火焰筒12的侧壁在所述中间区B与后端燃气出口19之间的位置上设有掺混孔18。

具体的，补燃燃烧室1的工作原理如下：如图1所示，补燃燃烧室1主要由燃烧室壳体11、火焰筒12、燃料喷嘴13和点火器14组成。由燃气轮机排出的烟气进入燃烧室壳体11内，可以分别通过旋流器15、冷却气孔17、主燃孔16和掺混孔18进入火焰筒12中，进入火焰筒12中的烟气可与从燃料喷嘴13进入火焰筒12的补燃燃料(典型为燃气)混合燃烧。具体的，旋流器15可以使得高温低氧的烟气旋转形成旋流，旋流中心由于离心力形成低压区，低压区可使得已燃燃气回流形成回流区，可以保障稳定燃烧。在回流区未燃尽的组分，与通过主燃孔16进入的烟气，在主燃孔16与掺混孔18之间的中间区B掺混并继续燃烧至完全燃烧。完全燃烧后的二次烟气，通过与掺混孔18进入的烟气掺混，可以形成不同温度的二次烟气，通过烟气出口排出，进入各种余热装置。

本发明的补燃燃烧室，系统相对简单，在污染物排放、烟气温度覆盖范围方面均有较大优势，主要用于解决现有冷热电联供系统中热电比例大范围可调的问题，理论上调节范围可以达到100％。

如图2所示，本发明实施例还提供一种燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括燃气轮机2和上述任一实施例中的补燃燃烧室1。

一种具体的实施例中，如图2所示，补燃燃烧室1的位置紧跟燃气轮机2的涡轮23，即设置在涡轮23后；补燃燃烧室1的燃烧室壳体11被配置为：接收从所述涡轮23排出的烟气。进一步的，燃烧室壳体11还可以接收压气机21之后任一部位的引气或排气或者引气和排气的混合。示例性的，补燃燃烧室1的进气除了包括涡轮23排出的烟气，还可以包括压气机21的引气，具体可以通过管道将压气机21的引气(空气)导入补燃燃烧室1的进气中。

示例性的，图2所示是一种典型的带补燃的燃气轮机系统的示意图，其中，燃气轮机2主要由压气机21，主燃烧室22和涡轮23组成，空气经压气机21吸入后经过压缩，进入主燃烧室22与燃料混合燃烧，以形成高温高压已燃气，之后进入涡轮23转化为旋转机械能，并排出高温的一次烟气S1，一次烟气S1氧含量在15％左右，进入补燃燃烧室1后可以继续进行二次燃烧以提高温度，最终形成更高温度的二次烟气S2排出。

示例性的，主燃烧室22包括主燃烧火焰筒和主燃烧室外壳，补燃燃烧室1中的火焰筒12与主燃烧室22中的火焰筒在结构设计上具有较大差异；具体的，补燃燃烧室1的火焰筒12主燃区A容积是燃气轮机2的火焰筒主燃区容积的2-2.5倍，补燃燃烧室1的火焰筒12中间区B容积是燃气轮机的火焰筒中间区容积的3.5-5倍；上述设计，可以使补燃燃烧室1火焰筒12的主燃区A和中间区B的燃气停留时间均达到14ms以上，可以使前端燃气轮机2排出的一次烟气S1在补燃燃烧室1内充分燃烧，提高补燃燃烧室1的燃烧效果，并可以保证出口19温度均匀，避免输出烟气局部高温烧蚀后面的装置。

进一步的，燃气轮机系统还可以包括回热器或者余热锅炉；所述回热器或者余热锅炉可以设置在所述补燃燃烧室之后，用于对所述补燃燃烧室排出的高温二次烟气进行热能转换。具体的，该燃气轮机系统可以用于分布式能源系统。

对于分布式能源系统，当按照锅炉标准换算污染物排放量时，则对燃气轮机的污染物排放设计提出了更为严苛的要求。本发明实施例提供的燃气轮机系统，采用补燃燃气室针对燃气轮机排出的烟气进行补燃，可以降低燃气轮机烟气的基准氧含量，从而降低燃气轮机的污染物排放设计要求，可以改善分布式能源系统的污染物排放难题。

另一种具体的实施例中，上述燃气轮机系统中，也可以在燃气轮机之后设置回热器或者余热锅炉，将所述补燃燃烧室布置在所述回热器或者余热锅炉之后，补燃燃烧室的烟气入口连接回热器或者余热锅炉，被配置为接收所述回热器或者余热锅炉排出的烟气。当然，补燃燃烧室也可以布置在回热器或余热锅炉后面的任意烟道位置上。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种补燃燃烧室，其特征在于，包括燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴和点火器，所述燃烧室壳体布置在燃气轮机之后的排气烟道中，所述火焰筒位于所述燃烧室壳体内，包括沿前端至后端依次设置的主燃区和中间区；所述燃料喷嘴设置在所述火焰筒的前端，所述点火器设置在所述火焰筒的侧壁与主燃区相对的位置上。

2.根据权利要求1所述的补燃燃烧室，其特征在于，

所述主燃区的容积为所述燃气轮机的主燃区容积的2-2.5倍，所述中间区的容积为所述燃气轮机的中间区容积的3.5-5倍。

3.根据权利要求1所述的补燃燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的侧壁在所述主燃区与所述中间区之间的位置上设有主燃孔。

4.根据权利要求1所述的补燃燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的侧壁在与所述主燃区及中间区相对的位置上分布有冷却气孔。

5.根据权利要求1所述的补燃燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的侧壁在所述中间区与后端燃气出口之间的位置上设有掺混孔。

6.根据权利要求1-5任一项所述的补燃燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的前端设有旋流器。

7.一种燃气轮机系统，其特征在于，包括燃气轮机和权利要求1～6任一项所述的补燃燃烧室。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述补燃燃烧室紧邻所述燃气轮机的涡轮，所述燃烧室壳体被配置为：接收从所述涡轮排出的烟气、以及所述燃气轮机其它部位的引气或排气。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机系统，其特征在于，还包括回热器或者余热锅炉；所述回热器或者余热锅炉设置在所述补燃燃烧室之后，用于对所述补燃燃烧室排出的烟气进行热能转换。

10.根据权利要求7所述的燃气轮机系统，其特征在于，还包括回热器或者余热锅炉；所述回热器或者余热锅炉设置在所述燃气轮机之后，所述补燃燃烧室设置在所述回热器或者余热锅炉之后，所述燃烧室壳体被配置为接收所述回热器或者余热锅炉排出的烟气。

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