CN114278438B - 一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统及其工作方法，属于燃气轮机燃烧领域。本发明在压气机出气道和燃烧室机匣壁面分别打孔并焊接分流管道实现相互联通，分流管道上设置有分流阀门将压气机出气道空气进行分流；工况变化时，控制终端根据进口压力计算出当前工况所需的燃油流量，利用提前标定的燃油调节规律与分流阀门开度的对应关系，计算出当前工况所需的内/外环分流阀门的开度，将其转化成调节信号，传递给机械装置，通过机械传动改变分流阀门的开度，从而改变经旋流器进入火焰筒头部的空气占比，智能调节各工况下主燃区油气比，实现智能燃烧，拓宽点熄火边界，提高燃烧效率，减少冒烟现象，降低污染物排放。

Description

一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统及其工作方法

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧领域，涉及一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统及其工作方法。

背景技术

燃气轮机技术的发展对其燃烧性能、污染物排放量、点熄火边界等方面的要求越来越严苛，智能燃烧调控技术的不断发展为燃气轮机燃烧室提供了新的发展方向。

对于燃气轮机燃烧室而言，其燃油供给量随着运行工况的变化而变化。小状态时，所需的燃油供给量较小；当燃气轮机需要加大推力或功率时，所需的燃油供给量增加。而一般的燃气轮机燃烧室中，扩压器、帽罩、火焰筒等的几何结构是固定的，其几何结构决定了各工况下的空气流量分配比例，因此各工况下通过扩压器、帽罩和旋流器进入火焰筒主燃区的空气占比基本是保持不变的。因此，随着发动机工况的改变，随着燃油流量的变化，导致火焰筒主燃区油气比会出现不同程度的贫油或富油，对燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放量等产生较大的影响。

发明内容

针对上述的燃气轮机燃烧室在不同工况下由于燃油供给量改变导致的主燃区的油气比出现贫油或富油状态的缺陷，本发明提出了一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统及其工作方法，通过该系统以及工作方法可智能调节火焰筒主燃区的油气比，拓宽发动机点熄火边界，提高燃烧室的燃烧效率，减少冒烟现象，降低污染物排放。

本发明是这样实现的：

一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统及其工作方法，包括依次连接的压气机出气道，扩压器，燃烧室机匣，其特征在于，所述的燃烧室机匣内部设置有火焰筒，所述的火焰筒内部设置有旋流器；火焰筒外环壁面上设置火焰筒外环壁面主燃孔、火焰筒外环壁面掺混孔；火焰筒内环壁面上设置火焰筒内环壁面掺混孔和火焰筒内环壁面主燃孔；

所述的压气机出气道外环壁面开孔并焊接若干外环分流管道，所述的压气机出气道内环壁面开孔并焊接若干内环分流管道；所述的燃烧室机匣外环壁面开孔并焊接若干外环进气管道，所述的燃烧室机匣内环壁面开孔并焊接若干内环进气管道；所述的外环分流管道通过外环分支管接头相联通后，再依次通过外环分流总管、外环分流阀门与外环进气管道连接，所述的内环分流管道通过内环分支管接头相联通后，再依次通过内环分流总管、内环分流阀门与内环进气管道连接；

所述外环进气管道的出口对应火焰筒外环壁面掺混孔，所述内环进气管道的出口对应火焰筒内环壁面掺混孔；所述外环分流管道的空气流量改变扩压器进口的进口流量，所述内环分流管道的空气流量改变扩压器进口的进口流量，从而改变经旋流器进入火焰筒的空气占比，调节火焰筒主燃区的油气比，实现火焰筒主燃区智能燃烧；

所述的系统的工作方法具体如下：

经压气机压缩后的空气经压气机出气道主要进入扩压器，剩余部分分别通过外环分流管道、内环分流管道直接流到燃烧室外环通道和内环通道，再经火焰筒外环壁面掺混孔和火焰筒内环壁面掺混孔直接流入火焰筒掺混段；流经扩压器的进气为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩余部分经火焰筒头部旋流器进入主燃区；

当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器的管气温度和进气压力，计算出所需的经扩压器的空气量占比，从而确定经外环分流管道与内环分流管道流向火焰筒外环壁面掺混孔和火焰筒内环壁面掺混孔的空气占比，然后得到外环分流阀门与内环分流阀门的所需的开度，并将其转换为调节信号，传递给机械装置进行机械传动，减小外环分流阀门和内环分流阀门的开度，降低分流通道的进气流量；

同理，小工况时，燃油供给量减少，根据提前标定好的进口总压、燃油流量、外环分流阀门与内环分流阀门的开度的对应关系，在控制终端计算出当前工况下所需的外环分流阀门、内环分流阀门的开度，并将其转换调节信号，增加分流通道的进气流量；通过控制各工况下分流阀门的开度，最终改变经扩压器后的由旋流器进入火焰筒头部主燃区的空气量。综上，通过控制各工况下分流阀门的开度，最终改变经扩压器后的由旋流器进入火焰筒头部主燃区的空气占比，从而精准控制火焰筒头部在不同工况下的油气比，实现智能燃烧调节，达到拓宽稳定燃烧边界，增强点/熄火特性，提高燃烧效率，降低污染物排放的目的。

进一步，所述的外环分流管道均通过外环分支管接头与外环分流总管相连接；所有的外环分流管道并非与外环分流总管一一对应，而是采用分支连接，多管联通布置的方式，且外环分流阀门对应的外环分流管道数量并不唯一，可以根据实际情况选择外环分流管道联通的数量；同理，每个内环分流阀门对应的内环分流管道流通的数量也不固定，可以根据实际需求选择使用，从而保证空气分流量范围上限自由可调的灵活性。这为本发明提供了一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统空气分流流量范围上限调节方法。

进一步，通过调控外环分流阀门和内环分流阀门的开度使得所述外环分流总管的空气分流流量和内环分流总管的空气分流流量相等，保证火焰筒内外环壁面掺混孔获得空气流量相等，同时确保扩压器进口与火焰筒进口上壁面与下壁面空气流量的对称性与均匀性，从而保证火焰筒内部均匀燃烧。同时保证内环进气管道的数量与火焰筒内环壁面掺混孔的个数相同，外环进气管道的数量与火焰筒外环壁面掺混孔的个数相同。且进气管道打孔位置布置在掺混孔位置的正上方，使得流经进气管道的空气可以通过对应的掺混孔进入火焰筒掺混段，减小内外环引气管道对火焰筒壁面上其他各孔流量分配的影响。这为本发明提供了一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统分流空气流量均匀方法。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1）本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统，通过分流阀门的开度变化，调节内外分流管道的进气流量，从而智能调节燃烧室中经旋流器进入火焰筒头部的空气占比，保证燃烧室火焰筒主燃区的油气比在各工况下均处于设计状态，从而提高燃烧室火焰筒在变工况下的燃烧效率和燃烧稳定性；当燃烧室工况从小工况逐渐增大到最大工况时，燃油供给量逐渐增大，为了保证燃烧室火焰筒头部油气比基本保持不变，需要逐渐增大经旋流器进入火焰筒头部的空气占比，因此通过控制分流阀门开度的减小，逐渐增大气流流经扩压器的进气占比，从而逐渐增大进入火焰筒头部的空气占比。通过上述智能燃烧调节方法，可以拓宽燃烧室的点、熄火边界，提高燃烧效率，减少冒烟现象，降低污染物排放。

2）当燃气轮机推力或功率增加时，需要增大燃烧室燃油流量，通过控制分流阀门开度的减小，经旋流器进入火焰筒主燃区的空气占比逐渐增加，这部分气体经过旋流器后，更有效的增强了大工况下的头部油气雾化效果，进一步改善燃烧性能。

3）本发明包括一套管路结构和一套控制算法，控制终端根据燃烧室进口压力参数计算出当前工况所需的燃油流量，利用提前标定的燃油调节规律与分流阀门开度的对应关系，计算出当前燃油流量下所需的分流阀门开度，实现对空气流量的调节，从而改变燃烧室火焰筒主燃区的空气流量比例，保证不同工况下主燃区油气比在设计状态下燃烧，该发明可明显扩宽燃烧室的燃烧边界，提高不同工况下的燃烧效率，达到降低污染物排放的目的。

附图说明

图1是本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统工作时的状态；

图2是未安装本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统时压气机出气道到燃烧室机匣的状态；

图3是本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统分流管道通过分支管接头与分流总管连接的结构示意图；

图4是本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统的智能控制系统示意图；

其中，1-压气机出气道，2-外环分流管道，3-外环分支管接头，4-外环分流总管，5-外环分流阀门，6-外环进气管道，7-燃烧室机匣，8-火焰筒，9-火焰筒外环壁面主燃孔，10-火焰筒外环壁面掺混孔，11-火焰筒内环壁面掺混孔，12-火焰筒内环壁面主燃孔，13-内环进气管道，14-旋流器，15-内环分流阀门，16-扩压器，17-内环分流总管，18-内环分支管接头，19-内环分流管道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统包括依次连接的压气机出气道1，扩压器16，燃烧室机匣7。所述的燃烧室机匣7内部设置有火焰筒8，所述的火焰筒8内部设置有旋流器14；火焰筒8外环壁面上设置火焰筒外环壁面主燃孔9、火焰筒外环壁面掺混孔10；火焰筒8内环壁面上设置火焰筒内环壁面掺混孔11和火焰筒内环壁面主燃孔12。

压气机出气道1外环壁面开孔并焊接若干外环分流管道2，所述的压气机出气道1内环壁面开孔并焊接若干内环分流管道19；所述的燃烧室机匣7外环壁面开孔并焊接若干外环进气管道6，所述的燃烧室机匣7内环壁面开孔并焊接若干内环进气管道13；所述的外环分流管道2通过外环分支管接头3相联通后通过外环分流总管4、外环分流阀门5与外环进气管道6连接，所述的内环分流管道19通过内环分流管道18相联通后通过内环分流总管17、内环分流阀门15与内环进气管道13连接；所述外环进气管道6的出口对应火焰筒外环壁面掺混孔10，所述内环进气管道13的出口对应火焰筒内环壁面掺混孔11；所述外环分流管道2的空气流量可以改变扩压器16进口的进口流量，所述内环分流管道19的空气流量可以改变扩压器16进口的进口流量，从而改变经旋流器14进入火焰筒8的空气占比，调节火焰筒8头部主燃区的油气比，实现主燃区智能燃烧；

如图2所示，未安装本发明的压气机出口流量分配智能燃烧调节系统时压气机出气道1到燃烧室机匣7其空气流动经扩压器16后分为三股，一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩余部分经火焰筒8头部旋流器14进入头部主燃区。

如图1~2所示，安装本发明的压气机出口高压空气经压气机出气道1变为三路：经压气机压缩后的空气经压气机出气道1主要进入扩压器16，部分分别通过外环分流管道2、内环分流管道19直接流到燃烧室外环通道和内环通道，再经火焰筒外环壁面掺混孔10和火焰筒内环壁面掺混孔11直接流入火焰筒8掺混段；而流经扩压器16的进气同样分为三路：一部分进入燃烧室外环通道，一部分进入燃烧室内环通道，剩余部分经火焰筒8头部旋流器14进入火焰筒头部主燃区。当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器16的进气温度和进气压力，计算出所需的经扩压器16的空气量占比，从而确定经外环分流管道2与内环分流管道19流向火焰筒外环壁面掺混孔10和火焰筒内环壁面掺混孔11的空气占比，然后得到外环分流阀门5与内环分流阀门15的所需的开度，并将其转换为调节信号，传递给机械装置进行机械传动，减小外环分流阀门5和内环分流阀门15的开度，降低分流通道的进气流量，从而增加经扩压器16由旋流器14进入火焰筒头部的空气占比；同理，小工况时，燃油供给量减少，根据提前标定好的进口总压、燃油流量、外环分流阀门5与内环分流阀门15的开度的对应关系，在控制终端计算出当前工况下所需的外环分流阀门5、内环分流阀门15的开度，并将其转换调节信号，增加分流通道的进气流量，从而减少经扩压器16由旋流器14进入火焰筒头部的空气占比；通过控制各工况下分流阀门的开度，最终改变经扩压器16后的旋流器14进入火焰筒8头部主燃区的空气占比，从而精准控制燃烧室火焰筒头部在不同工况下的油气比，实现智能燃烧，达到拓宽稳定燃烧边界，增强点/熄火特性，提高燃烧效率，降低污染物排放的目的。

如图3所示，所有的外环分流管道2并非与外环分流总管4一一对应，而是采用分支连接，多管联通布置的方式，且外环分流阀门5对应的外环分流管道2数量并不唯一，可以根据实际情况选择外环分流管道2联通的数量；同理，每个内环分流阀门15对应的内环分流管道19流通的数量也不固定，可以根据实际需求选择使用，从而保证空气分流量范围上限自由可调的灵活性。

如图4所示，本发明的工作过程为：

经压气机压缩后的空气经压气机出气道1主要进入燃烧室扩压器16，部分分别通过外环分流管道2、内环分流管道19直接流到燃烧室外环通道和内环通道，再经火焰筒8壁面上的掺混孔直接流入火焰筒8掺混段；而流经扩压器16的进气为三路：一部分进入燃烧室外环通道，一部分进入燃烧室内环通道，剩余部分经火焰筒8头部旋流器14进入火焰筒主燃区。当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器16的进气温度和进气压力，计算出所需的经扩压器16的空气量占比，从而确定经外环分流管道2与内环分流管道19流向火焰筒8后面掺混孔的空气占比，然后得到外环分流阀门5与内环分流阀门15的所需的开度，并将其转换为调节信号，传递给机械装置进行机械传动，减小外环分流阀门5和内环分流阀门15的开度，降低分流通道的进气流量占比；同理，小工况时，燃油供给量减少，根据提前标定好的进口总压、燃油流量、外环分流阀门5与内环分流阀门15的开度的对应关系，在控制终端计算出当前工况下所需的外环分流阀门5、内环分流阀门15的开度，并将其转换调节信号，增加分流通道的进气流量占比；通过控制各工况下分流阀门的开度，最终改变经扩压器16后由旋流器14进入火焰筒8头部主燃区的空气占比，从而精准控制燃烧室火焰筒头部在不同工况下的油气比，实现智能燃烧，达到拓宽稳定燃烧边界，增强点/熄火特性，提高燃烧效率，降低污染物排放的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统，包括依次连接的压气机出气道（1），扩压器（16），燃烧室机匣（7），其特征在于，所述的燃烧室机匣（7）内部设置有火焰筒（8），所述的火焰筒（8）内部设置有旋流器（14）；火焰筒（8）外环壁面上设置火焰筒外环壁面主燃孔（9）、火焰筒外环壁面掺混孔（10）；火焰筒（8）内环壁面上设置火焰筒内环壁面掺混孔（11）和火焰筒内环壁面主燃孔（12）；

所述的压气机出气道（1）外环壁面开孔并焊接若干外环分流管道（2），所述的压气机出气道（1）内环壁面开孔并焊接若干内环分流管道（19）；所述的燃烧室机匣（7）外环壁面开孔并焊接若干外环进气管道（6），所述的燃烧室机匣（7）内环壁面开孔并焊接若干内环进气管道（13）；所述的外环分流管道（2）通过外环分支管接头（3）相联通后，再依次通过外环分流总管（4）、外环分流阀门（5）与外环进气管道（6）连接，所述的内环分流管道（19）通过内环分支管接头（18）相联通后，再依次通过内环分流总管（17）、内环分流阀门（15）与内环进气管道（13）连接；

所述外环进气管道（6）的出口对应火焰筒外环壁面掺混孔（10），所述内环进气管道（13）的出口对应火焰筒内环壁面掺混孔（11）；所述外环分流管道（2）的空气流量改变扩压器（16）进口的进口流量，所述内环分流管道（19）的空气流量改变扩压器（16）进口的进口流量，从而改变经旋流器（14）进入火焰筒（8）的空气占比，调节火焰筒（8）主燃区的油气比，实现火焰筒（8）主燃区智能燃烧；

所述的系统的工作方法具体如下：

经压气机压缩后的空气经压气机出气道（1）主要进入扩压器（16），剩余部分分别通过外环分流管道（2）、内环分流管道（19）直接流到燃烧室外环通道和内环通道，再经火焰筒外环壁面掺混孔（10）和火焰筒内环壁面掺混孔（11）直接流入火焰筒（8）掺混段；流经扩压器（16）的进气分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩余部分经火焰筒（8）头部旋流器（14）进入主燃区；

当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器（16）的进气温度和进气压力，计算出所需的经扩压器（16）的空气量占比，从而确定经外环分流管道（2）与内环分流管道（19）流向火焰筒外环壁面掺混孔（10）和火焰筒内环壁面掺混孔（11）的空气占比，然后得到外环分流阀门（5）与内环分流阀门（15）的所需的开度，并将其转换为调节信号，传递给机械装置进行机械传动，减小外环分流阀门（5）和内环分流阀门（15）的开度，降低外环分流管道（2）和内环分流管道（19）的进气流量；

同理，小工况时，燃油供给量减少，在控制终端计算出当前工况下所需的外环分流阀门（5）和内环分流阀门（15）的开度，并将其转换为调节信号，增加外环分流管道（2）和内环分流管道（19）的进气流量；通过控制各工况下外环分流阀门（5）和内环分流阀门（15）的开度，最终改变经扩压器（16）后的由旋流器（14）进入火焰筒（8）头部主燃区的空气量，从而精准控制燃烧室火焰筒头部在不同工况下的油气比，达到拓宽稳定燃烧边界，增强点/熄火特性，提高燃烧效率，降低污染物排放的目的。

2.根据权利要求1所述的一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统，其特征在于，所述的外环分流管道（2）均通过外环分支管接头（3）与外环分流总管（4）相连接；所有的外环分流管道（2）并非与外环分流总管（4）一一对应，而是采用分支连接、多管联通布置的方式，且外环分流阀门（5）对应的外环分流管道（2）数量若干；同理，每个内环分流阀门（15）对应的内环分流管道（19）的数量也若干。

3.根据权利要求1所述的一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统，其特征在于，通过调控外环分流阀门（5）和内环分流阀门（15）的开度使得所述外环分流总管（4）的空气分流流量和内环分流总管（17）的空气分流流量相等，保证火焰筒外环壁面掺混孔（10）与火焰筒内环壁面掺混孔（11）获得空气流量相等，同时确保扩压器（16）进口与火焰筒（8）进口上部与下部空气流量的对称性与均匀性，从而保证火焰筒（8）内部均匀燃烧。

4.根据权利要求1所述的一种压气机出口流量分配智能燃烧调节系统，其特征在于，所述的内环进气管道（13）与火焰筒内环壁面掺混孔（11）的个数相等，外环进气管道（6）与火焰筒外环壁面掺混孔（10）的个数相等；且内环进气管道和外环进气管道对应的打孔位置分别布置在对应的掺混孔位置的正上方，使得流经内环进气管道和外环进气管道的空气可以通过对应的掺混孔进入火焰筒（8）掺混段，减小内环进气管道和外环进气管道对火焰筒（8）壁面上其他各孔流量分配的影响。

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