CN114659140A - 一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，涉及燃气轮机技术领域，包括值班旋流器的端部嵌于端盖内，值班旋流器包括值班燃料壳体、值班锥罩、值班叶片和节流孔板，值班锥罩与预混旋流器的内层连接；预混旋流器设置在整流罩的内侧，预混旋流器设置在值班旋流器的外侧，预混旋流器包括预混内部壳体、预混外部壳体和主旋流叶片，且预混内部壳体、预混外部壳体和主旋流叶片构成预混空气通道；端盖上设置有燃料通道，且燃料通道与主旋流叶片上开设的燃料喷孔连通；整流罩的上端与端盖的下端连接，整流罩的下端与火焰筒连接。本发明通过增加值班喷嘴的燃料分级控制，减少NOx排放量，增加了燃机的运行范围和运行场景。

Description

一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是涉及一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器。

背景技术

燃气轮机是一种能够将燃料的化学能转化为机械能的动力装置，在航空航天、船舶交通、石油化工、能源电力方面均有广泛的应用。工业燃气轮机的主要污染物包括氮氧化物、一氧化碳。随着环保意识的增强，制定的排放标准中要求工业燃气轮机必须降低氮氧化物、一氧化碳和未燃碳氢等排放量。燃气轮机中的氮氧化物是在燃烧室中产生的，进一步说是在火焰区域产生的。火焰区域产生氮氧化物的量与火焰温度成正相关，且随着火焰温度上升呈指数增加。传统燃气轮机的燃烧室采用扩散燃烧方法。扩散燃烧的稳定性好，但扩散火焰温度较高，无论燃烧区域空气和燃料的比例为何，火焰温度总是接近绝热燃烧温度，因此氮氧化物排放高。为降低氮氧化物的生成，目前主流均采用贫预混燃烧技术，降低燃烧区温度。燃气轮机在较低负荷运行时，空气流量大而只有很小的燃料流量，火焰可能熄灭。为了保证前期点火成功和低负荷情况下稳定运行，现阶段的常规方案为会利用扩散燃烧运行到一定负荷后才切入预混燃烧，所以一般燃机在低负荷运行阶段排放都非常高。为了满足日益增长的低排放需求，需要对燃烧器进行改进，使其满足燃气轮机在低负荷运行时仍然保持较低的排放水平，同时能满足燃机在长期部分负荷运行时仍满足排放要求。

中国专利CN104748119A公开了一种半预混低NOx烧嘴，属于燃烧器技术领域，包括具有轴线、将其排出端伸进炉体主燃烧区的烧嘴本体，所述烧嘴本体由可将燃料引入主燃烧区的燃料喷口单元、可将空气引入主燃烧区的空气喷口单元、用于混合燃烧和形成稳定火源的燃烧腔单元组成。本发明的一种半预混低NOx烧嘴，取消了旋转空气结构，采用分级燃烧，利用少量燃料和空气，在烧嘴内部产生温度的预混燃烧火焰，确保燃烧的稳定性，避免了局部的高强度燃烧，进一步降低了NOx的排放，有助于减轻环保压力。该发明在轴向上同时设置多个燃料喷口助于形成稳定的点火源，且该发明采用周向分布多级空气的分组的方式减少NOx的产生，造成结构复杂化。

中国专利CN208920103U公开了一种燃气轮机轴向分级燃烧室，其包括燃烧室结构组件、一级预混射流喷嘴组件、一级值班喷嘴组件和二级预混射流喷嘴组件。一级燃烧室头部挡板和燃烧室机匣前壁构成燃烧室头部，一级值班喷嘴组件设置在燃烧室头部的中心；一级预混射流喷嘴组件设置在燃烧室头部的以燃烧室头部中心为圆心的圆周上；二级预混射流喷嘴组件位于二级燃烧室头部挡板以一级燃烧室火焰筒轴线为圆心的圆周上。本实用新型提供的轴向分级燃烧室通过燃料的分级注入，在保证燃烧效率的同时，缩短了燃料在高温区的停留时间，并实现了两级柔和燃烧，大大降低了燃气轮机燃烧室的氮氧化物排放，并可进一步提高燃烧室出口温度。该专利虽然公开了轴向分级，但是设置的是两级预混射流喷嘴组件和一级值班喷嘴组件，且两级预混会导致燃烧室的温度过高，影响新进燃料的充分反应。

发明内容

为了解决氮氧化物排放量高和燃烧不稳定的问题，本发明提供了一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，包括端盖、值班旋流器、预混旋流器、整流罩和火焰筒；所述值班旋流器的端部嵌于端盖内，所述值班旋流器包括值班燃料壳体、值班锥罩、值班叶片和节流孔板，且值班燃料壳体、值班锥罩、值班叶片和节流孔板之间形成第一值班空气通道，所述值班锥罩与预混旋流器的内层连接；

所述预混旋流器设置在整流罩的内侧，预混旋流器设置在值班旋流器的外侧，所述预混旋流器包括预混内部壳体、预混外部壳体和主旋流叶片，且预混内部壳体、预混外部壳体和主旋流叶片构成预混空气通道；所述端盖上设置有燃料通道，且所述燃料通道与主旋流叶片上开设的燃料喷孔连通；所述整流罩的上端与端盖的下端连接，所述整流罩的下端与火焰筒连接。

进一步地，所述值班旋流器还包括值班芯体、射流喷孔和燃料孔，所述值班芯体设置在值班燃料壳体的内部，所述射流喷孔开设在靠近火焰筒一端的燃料壳体上，所述燃料孔开设在外圈燃料壳体的侧面上，且燃料孔设置在节流孔板和值班叶片之间。

进一步地，所述值班燃料壳体为钝体形状，且值班燃料壳体与值班锥罩形成防止回火的第二值班空气通道。

进一步地，所述钝体形状呈现为渐缩结构，其中一端部为扩张段，另一端部为减缩段。

进一步地，所述节流孔板和值班叶片均与值班燃料壳体的外侧连接，且节流孔板和值班叶片均设置在值班燃料壳体和预混燃料内部壳体之间，且节流孔板上设有控制从值班旋流器进入火焰筒空气流量的通孔。

进一步地，所述值班燃料壳体和节流孔板之间形成有值班环形通道。

进一步地，所述值班锥罩上开设有冷却孔和空气射流孔，所述冷却孔和空气射流孔均设置为若干个，且空气射流孔设置在值班锥罩与预混旋流器开口连接的壁面上，所述冷却孔设置在值班锥罩的一端面上。

进一步地，所述整流罩上开设有整流孔，所述整流孔设置为若干个，空气经过整流孔进入一腔体，所述腔体内设有预混旋流器和值班旋流器。

进一步地，所述腔体是由端盖、整流罩、预混内部壳体和预混外部壳体构成。

进一步地，所述值班旋流器的出口端为扩张段，进口端为减缩段，且出口端的横截面积大于进口端的横截面积。

进一步地，所述燃烧器中设有燃烧室，所述燃烧室的外围安装有燃烧室罩壳，且燃烧室罩壳的一端于端盖固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：

(1)本发明通过增加值班喷嘴的燃料分级控制，使燃机在满足燃烧稳定性的情况下，在低负荷工作时从扩散燃烧改进为部分预混燃烧，减少NOx排放量，使燃机长期在部分负荷运行时也能满足排放需求，增加了燃机的运行范围和运行场景；同时在高负荷工况时，值班喷嘴扩散燃烧稳定火焰改进为部分预混燃烧稳定火焰，消除值班旋流器附近局部高温区，进一步降低NOX排放；

(2)本发明中的值班旋流器前端开有节流孔板，通过节流孔板上的通孔能够控制从值班旋流器进入火焰筒的空气流量。

(3)本发明中的值班旋流器前设置为渐缩钝体形状，防止回火。

(4)本发明中的预混旋流器采用空气径向进气方式，值班旋流器采用空气轴向进气方式；低负荷时燃料从中心值班燃料喷嘴进入燃烧室，采用部分预混燃烧模式；值班旋流器形成部分预混燃烧，即能够稳定火焰，又能够降低污染物排放，预混旋流器外采用整流罩，使进入预混旋流器空气更加均匀。

(5)本发明中的值班旋流器出口为锤形扩张段，值班旋流器空气在扩张锥罩内形成回流区，值班旋流器火焰稳定在该区域内，并且值班旋流器锥罩上开有冷却孔，冷却锥罩壁面。

(6)本发明中的值班锥罩与预混出口位置开有一排空气射流孔，吹散该处高温烟气，防止预混通道回火，且值班锥罩为逐渐扩张型结构。

附图说明

图1为本发明的燃烧器纵剖面示意图；

图2为本发明的燃烧器的头部部分结构图；

图3为本发明的燃烧器燃料空气入口图；

图4为图3的局部放大图；

图5为本发明中显示出主旋流叶片的预混燃料的结构放大图；

图6为本发明第一值班燃料和第二值班燃料的结构示意图；

图7为本发明中第一值班燃料和第二值班燃料的局部图；

图8为本发明的燃烧器的头部的空气分布图；

图9为图8的局部放大图；

图10为本发明的主旋流叶片的结构示意图；

图11为燃气轮机运行过程中的燃料策略图；

图12为实施例2中的部分结构示意图；

图13为图12的局部放大图；

附图标记如下：1.燃烧室；11.端盖；12.整流罩；121.整流孔；13.预混旋流器；14.值班旋流器；15.火焰筒；16.燃烧室罩壳；17.渐缩通道；18.值班回流区；19.第一路值班燃料；20.第二路值班燃料；21.预混燃料；131.预混旋流器内环道；132.预混旋流器外环道；133.主旋流叶片；134.空气射流孔；135.燃料通道；136.燃料喷孔；141.值班锥罩；142.值班燃料壳体；143.值班叶片；144.节流孔板；145.射流喷孔；146.冷却孔；147.值班芯体；148.燃料孔；149.喷杆。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1-图11所示的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，附图中未标记的箭头指向的是空气的流动方向，其中图11中的字母A表示的是第一路值班燃料19在燃气轮机运行过程中的情况，字母B表示的是第二路值班燃料20在燃气轮机运行过程中的情况，字母C表示的是预混燃料21在燃气轮机运行过程中的情况，所述燃烧室1采用周向分级燃烧技术，包括端盖11、值班旋流器14、预混旋流器13、整流罩12、火焰筒15和燃烧室罩壳16；具体的，预混旋流器13采用空气径向进气方式，值班旋流器14采用空气轴向进气方式。值班旋流器14的端部嵌于端盖11内进行固定，值班旋流器14包括值班燃料壳体142、值班锥罩141、值班叶片143和节流孔板144，且值班燃料壳体147、值班锥罩141、值班叶片143和节流孔板144之间形成第一值班空气通道，值班锥罩141与预混旋流器13的内层连接；具体的，所述值班叶片143可选择12-16个；燃烧室罩壳16位于燃烧室1的外围，且燃烧室罩壳16的一端于端盖11固定连接，燃烧室罩壳16的内壁与火焰筒15的外壁之间留有间隙，用于空气的流动。

预混旋流器13设置在整流罩12的内侧，且预混旋流器13设置在值班旋流器14的外侧，预混旋流器13包括预混旋流器内环道131、预混旋流器外环道132和主旋流叶片133，且预混旋流器内环道131、预混旋流器外环道132和主旋流叶片133构成预混空气通道，预混旋流器内环道131和值班锥罩141焊接在一起；空气经过主旋流叶片133后，经预混空气通道进入火焰筒15内，端盖11上设置有燃料通道135，燃料通道135和端盖11焊接连接，且燃料通道135与主旋流叶片133上开设的燃料喷孔136连通；整流罩12的上端与端盖11的下端连接，整流罩12的下端与火焰筒15连接。

值班旋流器14还包括值班芯体147、射流喷孔145和燃料孔148，值班芯体147设置在值班燃料壳体142的内部，射流喷孔145开设在靠近火焰筒15一端的燃料壳体上，燃料孔148开设在值班燃料壳体142的侧面上，且燃料孔148设置在节流孔板144和值班叶片143之间。且值班燃料壳体142为钝体形状，值班燃料壳体142与值班锥罩141形成防止回火的第二值班空气通道。具体的，钝体形状呈现为渐缩结构，其中一端部为扩张段，另一端部为减缩段。

节流孔板144和值班叶片143均与值班燃料壳体142的外侧连接，且节流孔板144和值班叶片143均设置在值班燃料壳体142和预混燃料21内部壳体之间，且节流孔板144上设有控制从值班旋流器14进入火焰筒15空气流量的通孔。值班燃料壳体147和节流孔板144之间形成有值班环形通道。值班锥罩141上开设有冷却孔146和空气射流孔134，冷却孔146和空气射流孔134均设置为若干个，且空气射流孔134设置在值班锥罩141与预混旋流器13开口连接的壁面上，冷却孔146设置在值班锥罩141的一端面上。冷却孔146用于冷却值班锥罩141壁面。空气射流孔134用于吹散该处的高温烟气，防止预混空气通道回火。

整流罩12上开设有整流孔121，整流孔121设置为若干个，空气经过整流孔121进入一腔体，腔体内设有预混旋流器13和值班旋流器14。该腔体是由端盖11、整流罩12、预混内部壳体131和预混外部壳体132构成。具体的，燃烧室1来流空气经由整流罩12通过整流孔121进入头部腔体，在燃烧室1的头部腔体内，空气分为两路，一路进入预混旋流器13，另一路进入值班旋流器14。预混旋流器14采用空气径向进气方式，由预混旋流器内环道131、预混旋流器外环道132和周向均布的主旋流叶片133组成预混通道，空气通过主旋流叶片133后，经预混通道进入火焰筒15的腔体内。值班旋流器14采用空气轴向进气方式，由值班燃料壳体142、值班叶片143、节流孔板144和值班锥罩141组成空气通道，空气通过节流孔板144后，经值班叶片143通道进入火焰筒15的腔体内。值班旋流器14的值班燃料壳体142头部采用渐缩的圆弧钝体，也即是值班旋流器14的出口端为扩张段，进口端为减缩段，且出口端的横截面积大于进口端的横截面积，该值班燃烧壳体142和值班锥罩141组合，形成了值班旋流器14出口处的渐缩通道17，用于防止回火。渐缩通道17后为锤形扩张通道，值班旋流器14内的空气在扩张的值班锥罩141内形成值班回流区18，值班旋流器14的火焰稳定在该值班回流区18内，并且值班锥罩141上开有冷却孔146，用于冷却值班锥罩141的壁面。值班锥罩141与预混旋流器内环道131衔接位置处开有一排空气射流孔134，用于吹散该处高温烟气，防止预混通道回火。

具体的，该装置的工作原理为：

燃烧室采用复合分级燃烧技术，燃烧器内的燃料通道分为三路，一路预混燃料21和两路值班燃料。预混燃料21由头部端盖11进入，通过端盖11上的燃料通道135后，从主旋流叶片133上的燃料喷孔136喷出，与预混空气通道中的空气混合，形成预混燃料21空气混合体，经预混空气通道后进入火焰筒15的空腔内。第一路值班燃料19通过值班芯体147的燃料通道135，由前端燃料射流喷孔145喷入燃烧室1内，为扩散燃烧。第二路燃料通过外圈燃料壳体上的燃料孔148喷入值班环形通道，和值班空气通道中的空气混合后，经值班叶片143进入燃烧室1，为预混燃烧。

基于以上结构设计，设计了如下运行过程燃料切换策略：燃烧室1点火时，燃烧室1全部燃料从第一路值班的燃料通道135通过，也即是燃烧室1只增加第一路值班燃料19，此时采用值班扩散燃烧模式，保证燃烧室1点火成功率和燃烧稳定性。点火成功直至燃气轮机进入升负荷阶段的运行过程中，燃烧室1均只调节第一路值班燃料19。燃气轮机进入升负荷过程后，在低负荷阶段，保持第一路值班的燃料量不变，增加第二路值班的燃料量，此时燃烧室1处于值班扩散+预混模式，即值班部分预混模式。在低负荷工作时，从扩散燃烧改进为部分预混燃烧，能够减少NOx排放量，使燃气轮机长期在部分负荷运行时也能满足排放需求，增加了燃气轮机的运行范围和运行场景。继续升负荷直至燃烧切换点，在该切换点处，且在稳定极限内，保证第一路值班燃料19和第二路值班燃料20的比例不变，降低第一路值班燃料19和第二路值班燃料20的燃料量，增加预混燃料21，此时燃烧室1进入预混燃烧模式。燃烧切换点后，保持第一路值班燃料19和第二路值班燃料20的燃料量不变，持续增加预混燃料21，直至燃机到达100％负荷。待燃烧室1在100％负荷条件下稳定运行一定时间后，在保证第一路值班燃料19和第二路值班燃料20的燃料总量不变的情况下，可在稳定运行极限内降低第一路值班燃料19的燃料量，增加第二路值班燃料20的燃料量，使值班旋流器14处的燃料和空气预混程度更高，进一步降低NOX排放。此种燃料分级方式，既能够保证点火工况的燃烧稳定性，同时能够在燃机运行全过程降低污染物排放，增加燃机的运行范围和运行场景。

实施例2

根据图12和图13所示的分级燃烧器，与实施例1不同的是，本实施例采用值班燃料喷杆149，即第二路值班燃料20从燃料孔148流出改为从喷杆149流出，该喷杆149为中空结构。预混旋流器13采用轴向分级的双通道结构。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，包括端盖、值班旋流器、预混旋流器、整流罩和火焰筒；

所述值班旋流器的端部嵌于端盖内，所述值班旋流器包括值班燃料壳体、值班锥罩、值班叶片和节流孔板，且值班燃料壳体、值班锥罩、值班叶片和节流孔板之间形成第一值班空气通道，所述值班锥罩与预混旋流器的内层连接；

所述预混旋流器设置在整流罩的内侧，预混旋流器设置在值班旋流器的外侧，所述预混旋流器包括预混内部壳体、预混外部壳体和主旋流叶片，且预混内部壳体、预混外部壳体和主旋流叶片构成预混空气通道；所述端盖上设置有燃料通道，且所述燃料通道与主旋流叶片上开设的燃料喷孔连通；

所述整流罩的上端与端盖的下端连接，所述整流罩的下端与火焰筒连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述值班旋流器还包括值班芯体、射流喷孔和燃料孔，所述值班芯体设置在值班燃料壳体的内部，所述射流喷孔开设在靠近火焰筒一端的燃料壳体上，所述燃料孔开设在外圈燃料壳体的侧面上，且燃料孔设置在节流孔板和值班叶片之间。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述值班燃料壳体为钝体形状，且值班燃料壳体与值班锥罩形成防止回火的第二值班空气通道。

4.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述节流孔板和值班叶片均与值班燃料壳体的外侧连接，且节流孔板和值班叶片均设置在值班燃料壳体和预混燃料内部壳体之间，且节流孔板上设有控制从值班旋流器进入火焰筒空气流量的通孔。

5.根据权利要求4所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述值班燃料壳体和节流孔板之间形成有值班环形通道。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述值班锥罩上开设有冷却孔和空气射流孔，所述冷却孔和空气射流孔均设置为若干个，且空气射流孔设置在值班锥罩与预混旋流器开口连接的壁面上，所述冷却孔设置在值班锥罩的一端面上。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述整流罩上开设有整流孔，所述整流孔设置为若干个，空气经过整流孔进入一腔体，所述腔体内设有预混旋流器和值班旋流器。

8.根据权利要求7所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述腔体是由端盖、整流罩、预混内部壳体和预混外部壳体构成。

9.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述值班旋流器的出口端为扩张段，进口端为减缩段，且出口端的横截面积大于进口端的横截面积。

10.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃料分级的低排放燃烧器，其特征在于，所述燃烧器中设有燃烧室，所述燃烧室的外围安装有燃烧室罩壳，且燃烧室罩壳的一端于端盖固定连接。

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