CN115127123A - 径向分级燃烧室、燃气轮机发电系统和燃烧调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向分级燃烧室、燃气轮机发电系统和燃烧调控的方法，属于燃气轮机燃烧技术领域；该径向分级燃烧室，包括外围壁组件、内围壁组件、多个微混合燃烧器和进气端构件；外围壁组件和内围壁组件为同心布置的环形围壁结构，外围壁组件和内围壁组件之间围合形成环形工作空间；微混合燃烧器沿环形工作空间周向分布排列，沿环形工作空间的径向燃烧区分为多个子燃烧区；进气端构件与分流区连通，被配置为向分流区通入空气；微混合燃烧器被配置为通入燃料、并将燃料和源自于分流区内的至少部分空气进行混合形成预混气体后分别向多个子燃烧区喷射预混气体；利用本发明的燃烧室，在满足氮氧化物排放的基础上可解决燃烧室容易熄火的问题。

Description

径向分级燃烧室、燃气轮机发电系统和燃烧调控的方法

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧技术领域，具体涉及一种径向分级燃烧室、燃气轮机发电系统和燃烧调控的方法。

背景技术

航改燃气轮机广泛应用于分布式发电、船舶推进、气体压缩以及海洋平台发电等场合。在燃气轮机设计中，需要考虑氮氧化物的排放问题。

相关技术中，为了降低氮氧化物的排放，往往采用贫预混燃烧来控制火焰温度，但贫预混燃烧接近熄火边界，燃烧稳定性差，非常容易熄火。因此，在燃气轮机设计中，在满足氮氧化物排放的基础上亟待解决容易熄火的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种径向分级燃烧室、燃气轮机发电系统和燃烧调控的方法，以至少部分解决上述技术问题。

本发明的一方面提供了一种径向分级燃烧室，包括外围壁组件、内围壁组件、多个微混合燃烧器和进气端构件。

其中，外围壁组件和内围壁组件为同心布置的环形围壁结构，外围壁组件和内围壁组件之间围合形成环形工作空间。

多个微混合燃烧器设置于外围壁组件和内围壁组件之间，多个微混合燃烧器沿环形工作空间周向分布排列，多个微混合燃烧器将环形工作空间分隔为分流区和燃烧区，其中，沿环形工作空间的径向，燃烧区分为多个子燃烧区。

进气端构件与分流区连通，被配置为向分流区通入空气，以便分流区内的至少部分空气进入微混合燃烧器。

其中，微混合燃烧器被配置为通入燃料、并将燃料和源自于分流区内的至少部分空气进行混合形成预混气体后，分别向多个子燃烧区喷射预混气体。

根据本发明的实施例，其中，子燃烧区包括沿环形工作空间的径向依次分布的第一燃烧区、第二燃烧区和第三燃烧区，其中，每个微混合燃烧器包括多个单元微混合喷嘴和燃烧器壳体。

多个单元微混合喷嘴包括沿环形工作空间径向依次排列的第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组，其中第一喷嘴组位于第一燃烧区，第二喷嘴组位于第二燃烧区，第三喷嘴组位于第三燃烧区。

燃烧器壳体内设有多个燃料腔室，燃料腔室被配置为通入燃料，多个燃料腔室包括第一燃料腔室、第二燃料腔室和第三燃料腔室，第一燃料腔室、第二燃料腔室和第三燃料腔室，分别与第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组连通。

根据本发明的实施例，其中，第一燃料腔室、第二燃料腔室和第三燃料腔室沿环形工作空间径向依次排列。

根据本发明的实施例，其中，燃烧器壳体内还设有与第一燃料腔室连通的第一燃料流动腔道、与第二燃料腔室连通的第二燃料流动腔道、与第三燃料腔室连通的第三燃料流动腔道，第一燃料流动腔道、第二燃料流动腔道、第三燃料流动腔道被配置为分别向三个燃料腔室通入燃料。

根据本发明的实施例，其中，每个单元微混合喷嘴包括喷嘴壳体，其中喷嘴壳体围合形成预混合腔室，预混合腔室的入口端与燃料腔室连通，预混合腔室的出口端与燃烧区连通，喷嘴壳体中设有空气进气孔，空气进气孔与分流区连通。

根据本发明的实施例，其中，每个单元微混合喷嘴的入口端设有燃料进气腔，燃料进气腔与燃料腔室连通，燃料进气腔通过至少一个燃料喷射孔与预混合腔室连通。

根据本发明的实施例，其中，空气进气孔包括一级空气进气孔和二级空气进气孔，一级空气进气孔和二级空气进气孔沿预混合腔室内的气体流向设置。

根据本发明的实施例，其中，外围壁组件包括外机匣和火焰筒外环；内围壁组件包括内机匣和火焰筒内环。

火焰筒外环、火焰筒内环、多个微混合燃烧器围合形成燃烧区。

外机匣的入口段、内机匣的入口段、多个微混合燃烧器围合形成分流区。

根据本发明的实施例，其中，外机匣和火焰筒外环之间围合形成外环腔道；内机匣和火焰筒内环之间围合形成内环腔道。

其中，外环腔道和内环腔道分别与分流区连通，以便分流区内的至少部分空气，进入外环腔道后对火焰筒外环进行冷却、以及进入内环腔道后对火焰筒内环进行冷却。

根据本发明的实施例，其中进气端构件包括扩压器，扩压器的出口与外机匣的入口段、内机匣的入口段相接，扩压器的入口与外界连通。

根据本发明的实施例，其中，扩压器的出口段设置有导流肋片。

根据本发明的实施例，上述燃烧室还包括火焰筒头部，火焰筒头部设置于火焰筒外环和火焰筒内环之间，火焰筒头部被配置为固定安装多个微混合燃烧器。

根据本发明的实施例，其中，外机匣上设置有燃烧器安装座，微混合燃烧器通过燃烧器安装座可拆卸固定安装在火焰筒头部。

根据本发明的实施例，上述燃烧室还包括亥姆霍兹共振器，安装在环形工作空间中。

本发明的另一方面提供了一种包含上述径向分级燃烧室的燃气轮机发电系统，包括压气机、径向分级燃烧室、透平、发电机。

其中，压气机被配置为压缩空气。

径向分级燃烧室与压气机连通，被配置为通入燃料和源自于压气机的空气，以便燃料和空气在径向分级燃烧室内燃烧后产生预定温度的燃气。

透平包括涡轮，其中，透平与径向分级燃烧室连通，被配置为利用源自于径向分级燃烧室的预定温度的燃气，推动涡轮旋转。

发电机与涡轮的输出轴机械连接，被配置为在涡轮的驱动下产生电能。

本发明的另一方面提供了一种利用上述径向分级燃烧室进行燃烧调控的方法，包括：在第一预定负荷工作条件下，向微混合燃烧器的第二燃料腔室内通入燃料、以及向径向分级燃烧室的分流区内通入空气，以便来自于第二燃料腔室的燃料和来自于分流区的空气，在第二喷嘴组中进行预混后喷射至径向分级燃烧室的第二燃烧区。其中，第一预定负荷与全负荷的百分比为：0％-20％。

根据本发明的实施例，上述方法还包括：在第二预定负荷工作条件下，向微混合燃烧器的第二燃料腔室和第三燃料腔室内通入燃料，以及向径向分级燃烧室的分流区内通入空气，以便来自于第二燃料腔室和第三燃料腔室的燃料和来自于分流区的空气，在第二喷嘴组和第三喷嘴组中进行预混后喷射至径向分级燃烧室的第二燃烧区和第三燃烧区；其中，第二预定负荷与全负荷的百分比为：20％-50％。

根据本发明的实施例，上述方法还包括：在第三预定负荷工作条件下，向微混合燃烧器的第二燃料腔室、第三燃料腔室和第一燃料腔室内通入燃料，以及向径向分级燃烧室的分流区内通入空气，以便来自于第二燃料腔室、第三燃料腔室、第一燃料腔室的燃料和来自于分流区的空气，在第二喷嘴组、第三喷嘴组、第一喷嘴组中进行预混后喷射至径向分级燃烧室的第二燃烧区、第三燃烧区和第一燃烧区；其中，第三预定负荷与全负荷的百分比为：50％-100％。

根据本发明的实施例，通过上述径向分级燃烧室，可通过径向分区的结构设计，将燃烧区分为沿径向分布的多个子燃烧区，通过微混合燃烧器控制分别向多个子燃烧区提供燃料，独立控制各个子燃烧区的燃料流量，可达到分级独立控制燃烧的目的，通过独立控制分区燃烧，可提高燃烧稳定性，避免熄火问题的发生。并且，燃烧区中的燃烧为贫预混燃烧，其燃烧温度远低于扩散燃烧，有利于控制氮氧化物生成。

附图说明

图1是根据本发明是实施例的径向分级燃烧室的内部结构示意图；

图2是根据本发明是实施例的多个微混合燃烧器在燃烧室内的分布示意图；

图3A是根据本发明是实施例的单个微混合燃烧器的立体结构示意图；

图3B、图3C是根据本发明是实施例的微混合燃烧器沿不同截面的内部结构剖视图；

图4是根据本发明是实施例的单元微混合喷嘴的结构示意图；

图5是根据本发明是实施例的燃气轮机发电系统的系统示意图；

图6是根据本发明是实施例的进行燃烧调控的方法原理图。

附图标记说明：

1、压气机；

2、燃烧室；

200、燃烧区；

2001、第一燃烧区；

2002、第二燃烧区；

2003、第三燃烧区；

201、分流区；

202、外环腔道；

203、内环腔道

21、扩压器；

211、导流肋片；

22、外机匣；

221、燃烧器安装座；

23、内机匣；

24、火焰筒头部；

25、火焰筒外环；

26、火焰筒内环；

27、微混合燃烧器；

271、法兰安装边；

272、燃烧器壳体；

2721、第一燃料流动腔道；

2722、第二燃料流动腔道；

2723、第三燃料流动腔道；

2724、第一燃料腔室；

2725、第二燃料腔室；

2726、第三燃料腔室；

273、单元微混合喷嘴；

27301、第一喷嘴组；

27302、第二喷嘴组；

27303、第三喷嘴组；

2731、喷嘴壳体；

2732、燃料进气腔；

2733、燃料喷射孔；

2734、一级空气进气孔；

2735、二级空气进气孔；

2736、预混合腔室；

274、燃烧器端盖；

28、亥姆霍兹共振器

3、透平；

4、发电机；

5、启动马达；

f1、第一燃料；

f2、第二燃料；

f3、第三燃料；

f4、加速前燃料流；

f5、加速后燃料流；

a0、第一压力空气；

a1、第二压力空气；

a2、第三压力空气；

a3、第一冷却空气流；

a4、第二冷却空气流；

a5、燃烧反应空气流；

g1、高温燃气；

g2、尾气；

p1、预混气体。

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，对本发明作进一步的详细说明。

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/ 或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

航改燃气轮机广泛应用于分布式发电、船舶推进、气体压缩以及海洋平台发电等场合。为应对全球气候变化，传统化石燃料的使用将逐渐被可再生的零碳燃料代替，因此，航改燃气轮机需要适应更加灵活的燃料，例如使用在天然气中掺入一定比例的氢气(甚至是100％纯氢气)的燃料，为此，在燃气轮机设计中，需要考虑氮氧化物的排放问题。

在相关技术中，运行天然气的燃气轮机为了降低氮氧化物排放通常采用旋流预混合结构，通过旋流产生强烈的湍流剪切作用促进燃料与空气在预合混段中充分混合，然后送入燃烧室实现空间均相燃烧，从而抑制氮氧化物排放。但是，当燃料中的含氢量增加后，由于氢气的绝热火焰温度相比于天然气更高，可能会导致局部燃烧温度过高从而增加氮氧化物排放。另外，氢气具有极高的火焰传播速度，氢气的火焰可能会向上游传播并稳定在喷嘴内部，发生回火和挂火现象，影响燃烧器的安全运行。因此，需要对航改燃气轮机的燃烧室重新设计，使其能够适应燃用高比例含氢燃料，同时满足低氮氧化物排放需求。

相关技术中，为了降低氮氧化物的排放，也可以采用贫预混燃烧来控制火焰温度，但贫预混燃烧接近熄火边界，燃烧稳定性差，非常容易熄火。

为解决这一问题，相关技术中例如可采用“中心分级”的燃烧器设计，这种燃烧器通常为筒形同轴结构，中心路为值班燃烧器，在中心路外围是主燃烧器。燃料也分为两股，分别通入值班燃烧器和主燃烧器。值班燃烧器通常会使用扩散燃烧方式，燃烧稳定性好，可作为“长明灯”用于启动、点火和低负荷下运行。但是，值班燃烧器燃烧温度高，会带来额外的氮氧化物排放。

因此，在燃气轮机设计中，要在满足氮氧化物排放的同时，解决容易熄火的问题。

有鉴于此，本发明提供了一种径向分级燃烧室、燃气轮机发电系统和燃烧调控的方法，以至少部分解决上述技术问题。

本发明的一方面提供了一种径向分级燃烧室，包括外围壁组件、内围壁组件、多个微混合燃烧器和进气端构件。

其中，外围壁组件和内围壁组件为同心布置的环形围壁结构，外围壁组件和内围壁组件之间围合形成环形工作空间。

多个微混合燃烧器设置于外围壁组件和内围壁组件之间，多个微混合燃烧器沿环形工作空间周向分布排列，多个微混合燃烧器将环形工作空间分隔为分流区和燃烧区，其中，沿环形工作空间的径向，燃烧区分为多个子燃烧区。

进气端构件与分流区连通，被配置为向分流区通入空气，以便分流区内的至少部分空气进入微混合燃烧器。

其中，微混合燃烧器被配置为通入燃料、并将燃料和源自于分流区内的至少部分空气进行混合形成预混气体后，分别向多个子燃烧区喷射预混气体。

图1是根据本发明是实施例的径向分级燃烧室的内部结构示意图。

如图1所示，径向分级燃烧室2包括外围壁组件、内围壁组件、多个微混合燃烧器27。其中，外围壁组件可包括外机匣22和火焰筒外环25；内围壁组件包括内机匣23和火焰筒内环26。

因外围壁组件和内围壁组件为同心布置的环形围壁结构，外围壁组件和内围壁组件之间可围合形成环形工作空间，该环形工作空间被沿径向架设布置于其中的多个微混合燃烧器27分割为环形的分流区201和环形的燃烧区200。其中，火焰筒外环25、火焰筒内环26、多个微混合燃烧器 27围合形成燃烧区200；外机匣22的入口段、内机匣23的入口段、多个微混合燃烧器27围合形成分流区201。

根据本发明的实施例，由于环形的燃烧区200中，沿径向方向的尺寸较大，沿径向可分为多个子燃烧区。如图1中所示的沿环形工作空间的径向依次分布的第一燃烧区2001、第二燃烧区2002和第三燃烧区2003，可以不局限于分设为上述三个子燃烧区，子燃烧区的数量可根据实际使用需求设定。

图2是根据本发明是实施例的多个微混合燃烧器27在燃烧室2内的分布示意图。如图2所示，多个微混合燃烧器27沿环形工作空间周向分布排列。

根据本发明的实施例，微混合燃烧器27中，可设有多个喷嘴组，多个喷嘴组沿环形的燃烧区200的径向依次排列，多个喷嘴组与环形的燃烧区200中的多个子燃烧区一一对应，在喷嘴组中，燃料和空气进行混合形成预混气体后，通过单独控制每个喷嘴组，可分别向多个子燃烧区喷射预混气体，实现分级分区燃烧。

根据本发明的实施例，通过上述径向分级燃烧室2，可通过径向分区的结构设计，将燃烧区200分为沿径向分布的多个子燃烧区，通过微混合燃烧器27控制分别向多个子燃烧区提供燃料，独立控制各个子燃烧区的燃料流量，可达到分级独立控制燃烧的目的，通过独立控制分区燃烧，可提高燃烧稳定性，避免熄火问题的发生。具体地，在燃气轮机启动、点火和低负荷工况下，由于燃烧区200的整体燃/空比较低，若同时将燃料分散到各个子燃烧区中，则很容易熄火。若仅开启部分燃料通路(例如仅开启部分喷嘴组)，使全部参与燃烧的燃料进入对应的子燃烧区，可以大幅提高燃烧区200的局燃/空比，使燃烧更加稳定。此时，该燃烧区200就充当了“长明灯”的作用，并且，该燃烧区200中的燃烧为贫预混燃烧，其燃烧温度远低于扩散燃烧，有利于控制氮氧化物生成。当燃气轮机需要升高负荷的时候，可逐步打开其余的燃料通路。

根据本发明的实施例，如图1所示，上述燃烧室2还包括火焰筒头部 24，火焰筒头部24设置于火焰筒外环25和火焰筒内环26之间，火焰筒头部24被配置为固定安装多个微混合燃烧器27。

进一步地，外机匣22上设置有燃烧器安装座221，微混合燃烧器27 通过燃烧器安装座221可拆卸固定安装在火焰筒头部24。具体地，微混合燃烧器27可通过外机匣22上的燃烧器安装座221插入火焰筒头部24并固定。

根据本发明的实施例，上述燃烧室2还包括亥姆霍兹共振器28，安装在环形工作空间中。亥姆霍兹共振器28可通过微混合燃烧器27上设置的法兰孔插入并固定。亥姆霍兹共振器28作为被动消声装置，被安装于燃烧室2中用以吸收噪声进而抑制燃烧热声振荡。

根据本发明的实施例，进一步地，燃烧室2前端的进气端构件可采用扩压器21，呈环形扩张结构，扩压器21的出口与外机匣22的入口段、内机匣23的入口段相接，扩压器21的入口与外界连通。

外机匣22通过与扩压器21的外环相接，二者共同构成了燃烧室2的外壁。内机匣23通过与扩压器21的内环相接，二者共同构成了燃烧室2 的内壁。

根据本发明的实施例，扩压器21的出口段设置有导流肋片211，用于引导气流流动。

根据本发明的实施例，外机匣22和火焰筒外环25之间围合形成外环腔道202；内机匣23和火焰筒内环26之间围合形成内环腔道203。

其中，外环腔道202和内环腔道203分别与分流区201连通，以便分流区201内的至少部分空气，进入外环腔道202后对火焰筒外环25进行冷却、以及进入内环腔道203后对火焰筒内环26进行冷却。

根据本发明的实施例，具体地，子燃烧区可设有三个，如图1所示，包括沿环形工作空间的径向依次分布的第一燃烧区2001、第二燃烧区2002 和第三燃烧区2003。相应地，微混合燃烧器27中可设有与这三个子燃烧区一一对应的三个喷嘴组。

图3A是根据本发明是实施例的单个微混合燃烧器27的立体结构示意图；图3B、图3C是根据本发明是实施例的微混合燃烧器27沿不同截面的内部结构剖视图。

如图3A所示，每个微混合燃烧器27包括多个单元微混合喷嘴273和燃烧器壳体272，微混合燃烧器27还包括法兰安装边271和燃烧器端盖 274。

如图3B、图3C和图1所示，多个单元微混合喷嘴273包括沿环形工作空间径向依次排列的第一喷嘴组27301、第二喷嘴组27302和第三喷嘴组27303，其中第一喷嘴组27301位于第一燃烧区2001，第二喷嘴组27302 位于第二燃烧区2002，第三喷嘴组27303位于第三燃烧区2003。

燃烧器壳体272内设有多个燃料腔室，燃料腔室被配置为通入燃料，多个燃料腔室包括第一燃料腔室2724、第二燃料腔室2725和第三燃料腔室2726，第一燃料腔室2724、第二燃料腔室2725和第三燃料腔室2726，分别与第一喷嘴组27301、第二喷嘴组27302和第三喷嘴组27303连通。其中，第一燃料腔室2724、第二燃料腔室2725和第三燃料腔室2726的排列方式和设置位置可不做限定。

进一步地，优选地，第一燃料腔室2724、第二燃料腔室2725和第三燃料腔室2726沿环形工作空间径向依次排列，与三个喷嘴组的位置一一对应，可优化燃料供给通路，减少燃料在通路中的气流压损。

根据本发明的实施例，进一步地，如图3B和3C所示，燃烧器壳体 272内还设有三股独立的燃料流动腔道，包括与第一燃料腔室2724连通的第一燃料流动腔道2721、与第二燃料腔室2725连通的第二燃料流动腔道 2722、与第三燃料腔室2726连通的第三燃料流动腔道2723，第一燃料流动腔道2721、第二燃料流动腔道2722、第三燃料流动腔道2723被配置为分别向三个燃料腔室通入燃料。

具体地，从外部燃料管路供给的燃料，可通过上述三个独立的燃料流动腔道进入微混合燃烧器27。其中，从第一燃料流动腔道2721进入的第一燃料f1经过第一燃料腔室2724后，再流入第一喷嘴组27301中，可以单独为第一燃烧区2001提供燃料。从第二燃料流动腔道2722进入的第二燃料f2经过第二燃料腔室2725后，再流入第二喷嘴组27302中，可以单独为第二燃烧区2002提供燃料。从第三燃料流动腔道2723进入的第三燃料f3经过第三燃料腔室2726后，再流入第三喷嘴组27303中，可以单独为第三燃烧区2003提供燃料。

根据本发明的实施例，通过使用微混合燃烧器27替代传统的旋流预混燃烧器，微混合燃烧器27由数量众多的微混合喷嘴组成，微混合喷嘴出口具有较高的射流速度，可有效抑制高含氢量燃料燃烧时的回火现象。

根据本发明的实施例，微混合燃烧器27的壳体内包含了三条独立的燃料供给腔道，每个腔道可独立供给燃料，形成分级燃烧，可以适应燃烧室2从低负荷到高负荷的工况变化。

图4是根据本发明是实施例的单元微混合喷嘴273的结构示意图。

如图4和图1所示，每个单元微混合喷嘴273包括喷嘴壳体2731，其中喷嘴壳体2731围合形成预混合腔室2736，预混合腔室2736的入口端与燃料腔室连通，预混合腔室2736的出口端与燃烧区200连通，喷嘴壳体 2731中设有空气进气孔，空气进气孔与分流区201连通。

进一步地，每个单元微混合喷嘴273的入口端设有燃料进气腔2732，燃料进气腔2732与燃料腔室连通，燃料进气腔2732通过至少一个燃料喷射孔2733与预混合腔室2736连通。

如图3A、3B、图3C、图4所示，单元微混合喷嘴273中，通过设置在喷嘴壳体2731内部的一块隔板将喷嘴壳体2731内分割成为燃料进气腔2732和预混合腔室2736，燃料腔室与燃烧器壳体272中设置的燃料进气腔2732连通，预混合腔室2736的出口与燃烧区200连通。设置在喷嘴壳体2731内部的隔板中设有一个或多个燃料喷射孔2733，用于燃料通过后形成高速射流进入预混合腔室2736中。

喷嘴壳体2731中设有空气进气孔，空气进气孔与分流区201连通，便于分流区201中的空气通过空气进气孔进入预混合腔室2736内与燃料进行预混。

根据本发明的实施例，如图4所示，单元微混合喷嘴273中，喷嘴壳体2731为管状结构，设置在喷嘴壳体2731内部的隔板垂直于喷嘴壳体 2731内壁布置，通过上述结构布置，由空气进气孔进入的空气流向与由燃料喷射孔2733进入的燃料流向形成燃料/空气横向交叉射流，通过强烈的湍流相互作用促进燃料和空气在微混合喷嘴内的充分混合，从而进一步降低氮氧化物排放。

根据本发明的实施例，进一步地，空气进气孔包括一级空气进气孔 2734和二级空气进气孔2735，一级空气进气孔2734和二级空气进气孔 2735沿预混合腔室2736内的气体流向设置。在相同的进气孔面积下，设置两级空气进气孔，相比于仅设置一级空气进气孔，可以让空气与燃料的混合更加均匀。因为两级空气孔在周向上是错位排列，保证了周向360°度无死角的均匀空气进气，使得空气与燃料的掺混在整个空间内更加均匀。

根据本发明的实施例，在单元微混合喷嘴273内部，从燃料进气腔 2732流过来的加速前燃料流f4，经过燃料喷射孔2733后，形成高速射流燃料-加速后燃料流f5；同时，空气(燃烧反应空气流a5)从一级空气进气孔2734和二级空气进气孔2735进入喷嘴，并与加速后燃料流f5混合，形成预混气体p1，预混气体p1能够以较高的速度从喷嘴中喷出，并在燃烧区200内燃烧。

本发明的另一方面提供了一种包含上述径向分级燃烧室2的燃气轮机发电系统，图5是根据本发明是实施例的燃气轮机发电系统的系统示意图，如图5所示，该系统包括压气机1、径向分级燃烧室2、透平3、发电机4、马达等。

其中，压气机1被配置为压缩空气。

径向分级燃烧室2与压气机1连通，被配置为通入燃料和源自于压气机1的空气，以便燃料和空气在径向分级燃烧室2内燃烧后产生预定温度的燃气。

透平3包括涡轮，其中，透平3与径向分级燃烧室2连通，被配置为利用源自于径向分级燃烧室2的预定温度的燃气，推动涡轮旋转。

发电机4与涡轮的输出轴机械连接，被配置为在涡轮的驱动下产生电能。

具体地，压气机1从外界环境中吸入常压空气(第一压力空气a0)并将其压缩，经过压缩后产生高压空气(即第二压力空气a1)，流进燃烧室 22，首先经过扩压器21进一步扩压降速，产生第三压力空气a2。扩压后的第三压力空气a2将分为三股：第一股空气(第一冷却空气流a3)进入外环腔道202用于冷却火焰筒外环25；第二股空气(第二冷却空气流a4) 进入内环腔道203用于冷却火焰筒内环26；第一股空气和第二股空气是不参与燃烧的冷却空气。第三股空气(燃烧反应空气流a5)进入到数量众多的微混合喷嘴内，并在喷嘴内与来自于燃料供给装置的燃料充分混合后，进入燃烧区200燃烧。燃烧后产生的高温燃气g1流过涡轮3并膨胀做功，做功后产生的尾气g2排向大气环境中，发电机4在涡轮的高速旋转驱动下进行发电。

本发明的另一方面提供了一种利用上述径向分级燃烧室2进行燃烧调控的方法，图6是根据本发明是实施例的进行燃烧调控的方法原理图。

如图6所示，上述方法包括：

S1：在第一预定负荷工作条件(0％-20％负荷)下，向微混合燃烧器 27的第二燃料腔室2725内通入燃料、以及向径向分级燃烧室2的分流区 201内通入空气，以便来自于第二燃料腔室2725的燃料和来自于分流区 201的空气，在第二喷嘴组27302中进行预混后喷射至径向分级燃烧室2 的第二燃烧区2002。

在燃气轮机点火及低负荷运行时(0～20％)，由于总燃料量较小，此时只打开中心环路的燃料通路，此时参与燃烧的燃料流有第二燃料f2，使全部参与燃烧的燃料通过腔体进入微混合喷嘴，这样可以确保在中心燃烧区200获得一个相对较高的局部燃空比，提高燃烧火焰的稳定性。此时，该燃烧区200就充当了“长明灯”的作用，并且，该燃烧区200中的燃烧为贫预混燃烧，其燃烧温度远低于扩散燃烧，有利于控制氮氧化物生成。

S2：在第二预定负荷工作条件下(20％-50％负荷)，向微混合燃烧器 27的第二燃料腔室2725和第三燃料腔室2726内通入燃料，以及向径向分级燃烧室2的分流区201内通入空气，以便来自于第二燃料腔室2725和第三燃料腔室2726的燃料和来自于分流区201的空气，在第二喷嘴组27302和第三喷嘴组27303中进行预混后喷射至径向分级燃烧室2的第二燃烧区2002和第三燃烧区2003。

当燃气轮机负荷逐渐升高以后(20％～50％)，可以打开内环的燃料通路，此时参与燃烧的燃料流有两股(第二燃料f2和第三燃料f3)，在第二燃烧区2002和第三燃烧区2003同样可以获得一个相对较高的局部燃空比。

S3：在第三预定负荷工作条件下(50％-100％负荷)，向微混合燃烧器27的第二燃料腔室2725、第三燃料腔室2726和第一燃料腔室2724内通入燃料，以及向径向分级燃烧室2的分流区201内通入空气，以便来自于第二燃料腔室2725、第三燃料腔室2726、第一燃料腔室2724的燃料和来自于分流区201的空气，在第二喷嘴组27302、第三喷嘴组27303、第一喷嘴组27301中进行预混后喷射至径向分级燃烧室2的第二燃烧区2002、第三燃烧区2003和第一燃烧区2001。

当燃气轮机负荷＞50％以后，可以再把外环燃料通路打开，此时参与燃烧的燃料流有第一燃料f1、第二燃料f2和第三燃料f3，这时候全部燃料分别通过第一喷嘴组27301、第二喷嘴组27302、第三喷嘴喷射至整个燃烧区200，最终实现整个燃烧区200的均相稳定燃烧，并降低最大负荷时的氮氧化物排放。

根据本发明的实施例，通过上述调控方法分别控制向多个子燃烧区提供燃料，独立控制各个子燃烧区的燃料流量，可达到分级独立控制燃烧的目的，通过独立控制分区燃烧，可提高燃烧稳定性，避免熄火问题的发生。同时可实现整个燃烧区200的均相稳定燃烧，并降低最大负荷时的氮氧化物排放。

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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而己，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 (18)

1.一种径向分级燃烧室，其特征在于，包括：

外围壁组件；

内围壁组件，其中，所述外围壁组件和所述内围壁组件为同心布置的环形围壁结构，所述外围壁组件和所述内围壁组件之间围合形成环形工作空间；

多个微混合燃烧器，设置于所述外围壁组件和所述内围壁组件之间，所述多个微混合燃烧器沿所述环形工作空间周向分布排列，所述多个微混合燃烧器将所述环形工作空间分隔为分流区和燃烧区，其中，沿所述环形工作空间的径向，所述燃烧区分为多个子燃烧区；

进气端构件，与所述分流区连通，被配置为向所述分流区通入空气，以便所述分流区内的至少部分空气进入所述微混合燃烧器；

其中，所述微混合燃烧器被配置为通入燃料、并将所述燃料和源自于所述分流区内的至少部分空气进行混合形成预混气体后，分别向所述多个子燃烧区喷射所述预混气体。

2.根据权利要求1所述的径向分级燃烧室，其特征在于，所述多个子燃烧区包括沿所述环形工作空间的径向依次分布的第一燃烧区、第二燃烧区和第三燃烧区，其中，每个所述微混合燃烧器包括：

多个单元微混合喷嘴，包括沿所述环形工作空间径向依次排列的第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组，其中所述第一喷嘴组位于所述第一燃烧区，所述第二喷嘴组位于所述第二燃烧区，所述第三喷嘴组位于所述第三燃烧区；

燃烧器壳体，所述燃烧器壳体内设有三个燃料腔室，所述燃料腔室被配置为通入所述燃料，所述三个燃料腔室包括第一燃料腔室、第二燃料腔室和第三燃料腔室，所述第一燃料腔室、所述第二燃料腔室和所述第三燃料腔室，分别与所述第一喷嘴组、所述第二喷嘴组和所述第三喷嘴组连通。

3.根据权利要求2所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

所述第一燃料腔室、所述第二燃料腔室和所述第三燃料腔室沿所述环形工作空间径向依次排列。

4.根据权利要求2所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

所述燃烧器壳体内还设有与所述第一燃料腔室连通的第一燃料流动腔道、与所述第二燃料腔室连通的第二燃料流动腔道、与所述第三燃料腔室连通的第三燃料流动腔道，所述第一燃料流动腔道、所述第二燃料流动腔道、所述第三燃料流动腔道被配置为分别向所述三个燃料腔室通入燃料。

5.根据权利要求2所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

每个所述单元微混合喷嘴包括喷嘴壳体，其中所述喷嘴壳体围合形成预混合腔室，所述预混合腔室的入口端与所述燃料腔室连通，所述预混合腔室的出口端与所述子燃烧区连通，所述喷嘴壳体中设有空气进气孔，所述空气进气孔与分流区连通。

6.根据权利要求5所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

每个所述单元微混合喷嘴的入口端设有燃料进气腔，所述燃料进气腔与所述燃料腔室连通，所述燃料进气腔通过至少一个燃料喷射孔与所述预混合腔室连通。

7.根据权利要求5所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

所述空气进气孔包括一级空气进气孔和二级空气进气孔，所述一级空气进气孔和所述二级空气进气孔沿所述预混合腔室内的气体流向设置。

8.根据权利要求1所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

所述外围壁组件包括外机匣和火焰筒外环；

所述内围壁组件包括内机匣和火焰筒内环；

所述火焰筒外环、所述火焰筒内环、所述多个微混合燃烧器围合形成所述燃烧区；

所述外机匣的入口段、所述内机匣的入口段、所述多个微混合燃烧器围合形成所述分流区。

9.根据权利要求8所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

所述外机匣和所述火焰筒外环之间围合形成外环腔道；

所述内机匣和所述火焰筒内环之间围合形成内环腔道；

其中，所述外环腔道和所述内环腔道分别与所述分流区连通，以便所述分流区内的至少部分空气，进入所述外环腔道后对所述火焰筒外环进行冷却、以及进入所述内环腔道后对所述火焰筒内环进行冷却。

10.根据权利要求8所述的径向分级燃烧室，其特征在于，进气端构件包括：

扩压器，所述扩压器的出口与所述外机匣的入口段、所述内机匣的入口段相接，所述扩压器的入口与外界连通。

11.根据权利要求10所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

所述扩压器的出口段设置有导流肋片。

12.根据权利要求8所述的径向分级燃烧室，其特征在于，还包括：

火焰筒头部，设置于所述火焰筒外环和所述火焰筒内环之间，所述火焰筒头部被配置为固定安装所述多个微混合燃烧器。

13.根据权利要求12所述的径向分级燃烧室，其特征在于：

外机匣上设置有燃烧器安装座，所述微混合燃烧器通过所述燃烧器安装座可拆卸固定安装在所述火焰筒头部。

14.根据权利要求1所述的径向分级燃烧室，其特征在于，还包括：

亥姆霍兹共振器，安装在所述环形工作空间中。

15.一种包含权利要求1-14任一项所述的径向分级燃烧室的燃气轮机发电系统，其特征在于，包括：

压气机，被配置为压缩空气；

径向分级燃烧室，与所述压气机连通，被配置为通入燃料和源自于所述压气机的空气，以便燃料和空气在所述径向分级燃烧室内燃烧后产生预定温度的燃气；

透平，包括涡轮，其中，所述透平与所述径向分级燃烧室连通，被配置为利用源自于所述径向分级燃烧室的预定温度的燃气，推动所述涡轮旋转；

发电机，与所述涡轮的输出轴机械连接，被配置为在所述涡轮的驱动下产生电能。

16.一种利用权利要求1-14任一项所述的径向分级燃烧室进行燃烧调控的方法，其特征在于，包括：

在第一预定负荷工作条件下，向微混合燃烧器的第二燃料腔室内通入燃料、以及向径向分级燃烧室的分流区内通入空气，以便来自于所述第二燃料腔室的燃料和来自于分流区的空气，在微混合燃烧器的第二喷嘴组中进行预混后喷射至径向分级燃烧室的第二燃烧区；

其中，所述第一预定负荷与全负荷的百分比为：0％-20％。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：

在第二预定负荷工作条件下，向微混合燃烧器的第二燃料腔室和第三燃料腔室内通入燃料，以及向径向分级燃烧室的分流区内通入空气，以便来自于所述第二燃料腔室和所述第三燃料腔室的燃料、来自于分流区的空气，在微混合燃烧器的第二喷嘴组和第三喷嘴组中进行预混后喷射至径向分级燃烧室的第二燃烧区和第三燃烧区；

其中，所述第二预定负荷与全负荷的百分比为：20％-50％。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：

在第三预定负荷工作条件下，向微混合燃烧器的第二燃料腔室、第三燃料腔室和第一燃料腔室内通入燃料，以及向径向分级燃烧室的分流区内通入空气，以便来自于所述第二燃料腔室、所述第三燃料腔室、所述第一燃料腔室的燃料和来自于分流区的空气，在微混合燃烧器的第二喷嘴组、第三喷嘴组、第一喷嘴组中进行预混后喷射至径向分级燃烧室的第二燃烧区、第三燃烧区和第一燃烧区；

其中，所述第三预定负荷与全负荷的百分比为：50％-100％。

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