CN113124422B - 轴向分级燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种轴向分级燃烧器，该轴向分级燃烧器(10)包括：燃烧室，包括主燃区(17)及二级燃烧区(18)；主燃区(17)设置于燃烧室的上游区段，二级燃烧区(18)设置于燃烧室的下游区段，与主燃区(17)轴向相连；主燃区(17)远离二级燃烧区(18)的一端设有主喷嘴(16)，主喷嘴(16)朝向主燃区(17)，主喷嘴(16)连接一级燃料‑空气混合通道(15)；二级燃烧区(18)壁面上沿径向方向设置有至少一个微混喷嘴结构的二级喷嘴(23)，二级喷嘴(23)连接二级空气管路(24)及二级燃料管路(25)；其中，保持二级燃烧区(18)二级当量比的变化趋势与二级负荷比的变化趋势相反。该轴向分级燃烧器实现了高负荷下低NO_x的排放，提高了负荷调节的灵活性。

Description

轴向分级燃烧器

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室高负荷下低污染燃烧技术领域，尤其涉及一种轴向分级燃烧器。

背景技术

燃气轮机作为消耗天然气能源的主要装置，是工业生产中不可缺少的动力来源。随着燃气轮机级别越来越高，燃气轮机不断朝着高效率以及宽负荷调节范围方向发展，而提高循环效率的方法主要是通过提高燃烧温度和压力实现，因此，在宽负荷工况范围内实现稳定低排放燃烧是燃气轮机燃烧室的重要性能目标。以天然气为燃料的燃气轮机产生的污染物中NO_x为污染物重要组成成分，如何解决或者平衡燃烧温度和NOx排放之间的矛盾，是当前燃气轮机燃烧室发展的关键问题。

干式低NO_x(Dry Low NOx，DLN)燃烧技术由于具有排放低，成本低和可靠性高的优点，已经广泛应用于燃气轮机燃烧室中。喷嘴结构优化是DLN燃烧室的重要发展特征，其通过提升燃空预混均匀度、降低峰值火焰温度以实现低NOx排放是主流。针对更高级别燃气轮机，燃烧室出口温度已接近1700℃，此时，以热力型为主的NO_x排放急剧增加，常规DLN燃烧技术仅通过提高燃空预混均匀性已经无法使NO_x排放达标。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种轴向分级燃烧器，用于至少部分解决上述技术问题之一。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种轴向分级燃烧器，该轴向分级燃烧器10包括：燃烧室，包括主燃区17及二级燃烧区18，二级燃烧区18的二级当量比的变化趋势与二级负荷比的变化趋势相反；主燃区17设置于燃烧室的上游区段，二级燃烧区18设置于燃烧室的下游区段，与主燃区17轴向相连；主燃区17远离二级燃烧区18的一端设有主喷嘴16，主喷嘴16朝向主燃区17，主喷嘴16连接一级燃料-空气混合通道15；二级燃烧区18壁面上沿径向方向设置有至少一个二级喷嘴23，二级喷嘴23连接二级空气管路24及二级燃料管路25，其中，二级喷嘴23为微混喷嘴结构。

可选地，二级燃烧区18的二级负荷比FS满足0％≤FS≤30％。

可选地，二级喷嘴23与燃烧室中心线的夹角θ满足30°≤θ≤120°，二级喷嘴23的直径满足条件6≤J≤60，其中，J为二级预混气与主流高温烟气的射流动量通量比J。

可选地，二级喷嘴23朝向二级燃烧区18开设有喷嘴结构出口26，二级喷嘴23的长度L与喷嘴结构出口26的直径D满足3D≤L≤15D。

可选地，二级喷嘴23上设有喷嘴燃料进口27及喷嘴空气进口28，喷嘴燃料进口27与喷嘴空气进口28之间的长度L₁满足D≤L₁≤5D，喷嘴空气进口28和二级喷嘴出口26截面之间的长度L₂满足D≤L₂≤14D；喷嘴燃料进口27的数量N₁满足2≤N₁≤10，喷嘴空气进口28的数量N2满足2≤N2≤8；喷嘴燃料进口27的孔进D₁满足0.05D≤D₁≤0.5D，喷嘴空气进口28的孔宽W满足0.1D≤W≤0.5D，孔长0.5D≤L₃≤3D。

可选地，一级燃料-空气混合通道15远离主喷嘴16一端设有一级燃料进口11及一级空气进口12，一级燃料-空气混合通道15中正对一级空气进口12处设有一级空气旋流器13，一级燃料-空气混合通道15中正对一级燃料进口11处设有一级燃料喷孔14。

可选地，主燃区17的一级当量比小于二级燃烧区18的二级当量比，二级当量比小于1。

可选地，二级喷嘴23包括多个单元喷嘴阵列，阵列的方式和数量根据二级负荷比设定。

可选地，喷嘴结构出口26的直径D的范围为1mm≤D≤20mm。

可选地，主燃区17及二级燃烧区18采用贫预混燃烧模式。

(三)有益效果

本发明提出的一种分级燃烧器，有益效果为：

1、将燃烧室划分为主燃区和二级燃烧区，保证了主燃区稳定燃烧的前提下，尽量处于较低燃烧温度，明显缩短了高温烟气在整体燃烧室的停留时间，进而降低了NOx排放，相较于传统贫预混燃烧技术可实现降低NOx排放＞50％的效果。

2、采用微混喷嘴结构的二级喷嘴，合理设计二级喷嘴的结构及尺寸参数，有效提高了二级喷嘴出口燃料空气均匀性，实现在高负荷下低NO_x排放的目标。

3、合理设计主燃区的一级当量比及二级燃烧区的二级当量比与二级负荷比，可在保证低污染物排放的前提下，提高整体燃烧系统的出口温度，进而提高透平初温和燃气轮机循环效率。

4、燃烧器在低负荷时可采用将所有燃料、空气全部通过主喷嘴燃烧的模式，关闭二级喷嘴进口；在高负荷时可采用将燃料和空气分成两部分，一部分燃料、空气以预混的方式通过主喷嘴燃烧，另一部分的燃料、空气同样以预混的方式通过二级喷嘴燃烧，明显提高了负荷调节的灵活性。

附图说明

图1示意性示出了本发明一实施例提供的轴向分级燃烧器的结构图；

图2示意性示出了本发明一实施例提供的二级喷嘴的结构图；

图3示意性示出了本发明一实施例提供的二级喷嘴的喷嘴燃料进口的结构图；

图4示意性示出了本发明一实施例提供的二级喷嘴的喷嘴空气进口的结构图。

【附图标记】

11-一级燃料进口； 12-一级空气进口；

13-一级空气旋流器； 14-一级燃料喷孔；

15-一级燃料/空气预混通道； 16-主喷嘴；

17-一级燃烧区； 18-二级燃烧区；

19-前壁面； 20-一级筒形壁面；

21-二级筒形壁面； 22-过渡段；

23-二级喷嘴； 24-二级空气管路；

25-二级燃料管路； 26-喷嘴结构出口；

27-喷嘴燃料进口； 28-喷嘴空气进口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

轴向分级燃烧技术运行的关键是二级燃烧区相关结构及关键参数的确定，比如二级当量比和二级负荷比例，二级燃烧区的掺混性也是轴向分级燃烧技术重点关注的内容。基于此，本发明提出一种可以与常规DLN燃烧技术相结合的技术方案。该技术主要通过将燃烧室划分为两个燃烧区，包括主燃区及二级燃烧区，类似地，将运行负荷下的燃料和空气分为两部分，一级燃料、一级空气和二级燃料、二级空气。通过合理设计轴向分级燃烧技术运行的关键参数：二级燃烧区关键参数，包括二级当量比和二级负荷比例，二级燃烧区的掺混性，以降低了NOx排放。其中，当量比为燃料、空气的比值与化学当量燃烧时燃料空气比值的比，负荷比为燃料流量与燃烧器总燃料流量的比值，则二级当量比Φ₂为二级燃料、空气的比值与化学当量燃烧时燃料空气比值的比，二级负荷比例FS为二级燃料流量与燃烧器总燃料流量的比值。

实施例一

图1示意性示出了本发明实施例提供的轴向分级燃烧器的结构图。如图1所示，该轴向分级燃烧器10可以包括：

燃烧室，包括主燃区17及二级燃烧区18。主燃区17设置于燃烧室上游区段，由其前壁面19和一级筒形壁面20合围而成。二级燃烧区18设置于燃烧室下游区段，与主燃区17轴向相邻，由二级筒形壁面21围成。二级燃烧区18的后端连通有过渡段22。

在本实施例一可行的方式中，主燃区17的一级当量比例如可以采用贫预混燃烧模式，其产生的高温烟气可作为二级燃烧区18的稳定连续点火源，以保证主燃区17的温度T₁不低于燃气轮机的贫燃吹熄极限。二级燃烧区18的二级当量比可采用贫燃或富燃模式，考虑到实际燃机二级燃烧区18存在掺混不均匀的问题，二级当量比采用贫预混燃烧模式。

在本实施例一可行的方式中，主燃区17与二级燃烧区18需满足以下条件：

主燃区17的一级当量比Φ₁与二级燃烧区18的二级当量比Φ₂满足Φ₁＜Φ₂＜1。二级燃烧区18的二级当量比Φ₂的变化趋势与二级负荷比FS的变化趋势相反，即对于任意两个不同工况下二级当量比分别为Φ₂’和Φ₂”，如果Φ₂’＜Φ₂”，则有对应二级燃料流量分配比例(二级负荷比)关系FS(Φ₂’)＞FS(Φ₂”)。不同二级当量比Φ₂对应最佳的二级负荷比FS满足0％≤FS≤30％。

主燃区17远离二级燃烧区18的一端设有主喷嘴16，主喷嘴16朝向主燃区17，主喷嘴16连接一级燃料-空气混合通道15，通过一级燃料-空气混合通道15连通一级燃料进口11及一级空气进口12，一级燃料-空气混合通道15中正对一级空气进口12处设有一级空气旋流器13，一级燃料-空气混合通道15中正对一级燃料进口11处设有一级燃料喷孔14。一级空气从一级空气进口12通过一级空气旋流器13进入一级燃料-空气混合通道15，一级燃料从一级燃料进口11通过一级燃料喷孔14喷入一级燃料-空气混合通道15，两者在一级燃料-空气混合通道15中进行混合，再通过主喷嘴16喷入主燃区17。

二级燃烧区18壁面上沿径向方向设置有至少一个二级喷嘴23，二级喷嘴23连接有二级空气管路24及二级燃料管路25，二级空气通过二级空气管路24进入二级喷嘴23，二级燃料通过二级燃料管路25进入二级喷嘴23，两者在二级喷嘴23内混合后通过二级喷嘴23喷入二级燃烧区18。在本实施例一可行的方式中，二级喷嘴23可选择多个单元喷嘴阵列组成，而阵列的方式和数量可根据二级负荷比例需要进行调整，二级燃料和二级空气进口方式包括了直喷进气和旋流进气，可根据燃料成分组成进行选择。二级喷嘴23与燃烧室中心线的夹角θ满足30°≤θ≤120°，二级喷嘴23的直径D满足条件6≤J≤60，其中，J为二级预混气与主流高温烟气的射流动量通量比J。

其中，射流动量通量比J公式定义如下：

式中ρ_jet、ρ_main分别为射流气体和主流气体质量流量，U_jet、U_main分别为射流气体和主流气体速度。

在本实施例一可行的方式中，可根据实际运行负荷调节燃料和空气在两级燃烧区的分配，当运行负荷较小时，可选择将二级燃料通道关闭，将所有的燃料选择在主燃区喷入，一部分空气选择在二级燃烧区喷入，使主燃区达到稳定燃烧的工况，拓宽燃气轮机的运行负荷范围。

本实施例提供的轴向分级燃烧器，将燃烧室划分为主燃区和二级燃烧区，保证了主燃区稳定燃烧的前提下，尽量处于较低燃烧温度，明显缩短了高温烟气在整体燃烧室的停留时间，进而降低了NOx排放。并且，通过合理设计主燃区的一级当量比及二级燃烧区的二级当量比与二级负荷比，可提高整体燃烧系统的出口温度，进而提高汽轮机入口温度和燃气轮机循环效率，同时提高了负荷调节的灵活性。

实施例二

本实施提供的轴向分级燃烧器的二级喷嘴采用微混喷嘴结构。图2示意性示出了本实施例提供的二级喷嘴的结构图。如图2所示，二级喷嘴23朝向二级燃烧区18开设有喷嘴结构出口26，喷嘴结构出口26的截面为圆形(如图2中A-A所示)，其直径D为毫米量。在本实施例一可行的方式中，具体范围例如可以为1mm≤D≤20mm，优选地5mm≤D≤20mm，本发明不做限制。

二级喷嘴23设有喷嘴燃料进口27及喷嘴空气进口28，喷嘴燃料进口27结构的截面如图3所示，喷嘴燃料进口27结构的截面如图4所示，喷嘴燃料进口27及喷嘴空气进口28分布在二级喷嘴23壁上径向方向。

请继续参见图2，将二级喷嘴23的总长度定义为L，喷嘴燃料进口27与喷嘴空气进口28之间的长度定义为L₁，喷嘴空气进口28和二级喷嘴出口26截面之间的长度定义为L₂。在本实施例一可行的方式中，在轴向分级燃烧器避免自点火和回火风险情况下，通过对二级喷嘴23的结构参数进行设计及优化，可使得微混喷嘴结构的二级喷嘴23具有毫米尺度下的高效掺混特征，具体参数例如可以如下：

二级喷嘴23的总长度L与喷嘴结构出口26的直径D满足3D≤L≤15D，喷嘴燃料进口27与喷嘴空气进口28之间的长度L₁满足D≤L₁≤5D，喷嘴空气进口28和二级喷嘴出口26截面之间的长度L₂满足D≤L₂≤14D，喷嘴燃料进口27的数量N₁满足2≤N₁≤10，喷嘴空气进口28的数量N2满足2≤N2≤8。

如图3所示，喷嘴燃料进口27的孔进D₁满足0.05D≤D₁≤0.5D。

如图4所示，喷嘴空气进口28的孔宽W满足0.1D≤W≤0.5D，孔长0.5D≤L₃≤3D。

本实施例中，轴向分级燃烧器的二级喷嘴采用微混喷嘴结构，通过对微混喷嘴结构的结构参数进行设计优化，使得二级喷嘴具有毫米尺度下的高效掺混特征，降低因掺混不均匀导致污染物排放增加的可能性，有效提高了二级喷嘴出口燃料空气均匀性，实现在高负荷下低NO_x排放的目标。

此外上述实施例提供的轴向分级燃烧器可采用多种燃料成分，即可采用一种单一燃料或多种燃料的混合物作为系统燃料，且可将不同化学成分的燃料喷入到两级燃烧区中。

实施例三

本实施选取具体数值的运行参数及结构参数的轴向分级燃烧器进行燃烧试验。

具体地，本实施例一可行的方式中，总当量比0.727，一级空气流量900SLM，一级燃料流量66.2SLM，二级负荷比例FS取30％，二级当量比Φ₂取0.8，主燃区当量比Φ₁取0.7。二级喷嘴23垂直轴向分级系统中心线布置，θ取90°，二级喷嘴23直径D取5mm，二级喷嘴23个数为8个，此时射流动量通量比J约为20。二级喷嘴23整体长度L取7D，喷嘴燃料进口27与喷嘴空气进口28之间的长度L₁取2D，喷嘴空气进口28和二级喷嘴出口26截面之间的长度L₂取5D。喷嘴燃料进口27与喷嘴空气进口28的数量N₁，N₂取4，喷嘴燃料进口27的孔进D₁取0.2D，喷嘴空气进口28的孔宽W取0.2D，孔长L₃取D。在本实施了另一可行的方式中，固定一级空气流量900SLM，二级空气空气当量比20SLM，主燃区当量比Φ₁取0.575。

基于上述设计参数进行试验，逐渐增加二级负荷比例，稳定在基本负荷下，在升负荷过程中，均能实现降低NO_x的目标，最大NO_x减排率超过50％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轴向分级燃烧器，其特征在于，该轴向分级燃烧器（10）包括：

燃烧室，包括主燃区（17）及二级燃烧区（18）；

所述主燃区（17）设置于所述燃烧室的上游区段，所述二级燃烧区（18）设置于所述燃烧室的下游区段，与所述主燃区（17）轴向相连；

所述主燃区（17）远离所述二级燃烧区（18）的一端设有主喷嘴（16），所述主喷嘴（16）朝向所述主燃区（17），所述主喷嘴（16）连接一级燃料-空气混合通道（15）；

所述二级燃烧区（18）壁面上沿径向方向设置有至少一个二级喷嘴（23），所述二级喷嘴（23）连接二级空气管路（24）及二级燃料管路（25），其中，所述二级喷嘴（23）为微混喷嘴结构；

所述二级燃烧区（18）二级当量比的变化趋势与二级负荷比的变化趋势相反；

所述二级喷嘴（23）与所述燃烧室中心线的夹角θ满足30°≤θ≤120°，所述二级喷嘴（23）的直径满足条件6≤J≤60，其中，J为二级预混气与主流高温烟气的射流动量通量比。

2.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述二级燃烧区（18）的二级负荷比FS满足0%≤FS≤30%。

3.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述二级喷嘴（23）朝向所述二级燃烧区（18）开设有喷嘴结构出口（26），所述二级喷嘴（23）的长度L与所述喷嘴结构出口（26）的直径D满足3D≤L≤15D。

4.根据权利要求3所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述二级喷嘴（23）上设有喷嘴燃料进口（27）及喷嘴空气进口（28），所述喷嘴燃料进口（27）与喷嘴空气进口（28）之间的长度L₁满足D≤L₁≤5D，所述喷嘴空气进口（28）和喷嘴结构出口（26）截面之间的长度L₂满足D≤L₂≤14D；

所述喷嘴燃料进口（27）的数量N₁满足2≤N₁≤10，所述喷嘴空气进口（28）的数量N₂满足2≤N₂≤8；

所述喷嘴燃料进口（27）的孔进D₁满足0.05D≤D₁≤0.5D，所述喷嘴空气进口（28）的孔宽W满足0.1D≤W≤0.5D，孔长0.5D≤L₃≤3D。

5.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述一级燃料-空气混合通道（15）远离所述主喷嘴（16）一端设有一级燃料进口（11）及一级空气进口（12），所述一级燃料-空气混合通道（15）中正对所述一级空气进口（12）处设有一级空气旋流器（13），所述一级燃料-空气混合通道（15）中正对所述一级燃料进口（11）处设有一级燃料喷孔（14）。

6.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述主燃区（17）的一级当量比小于所述二级燃烧区（18）的二级当量比，所述二级当量比小于1。

7.根据权利要求1或3或4所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述二级喷嘴（23）包括多个单元喷嘴阵列，阵列的方式和数量根据所述二级负荷比设定。

8.根据权利要求3或4任一项所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述喷嘴结构出口（26）的直径D的范围为1 mm≤D≤20 mm。

9.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧器，其特征在于，所述主燃区（17）及所述二级燃烧区（18）采用贫预混燃烧模式。