CN115875693A - 燃气轮机头部一体化燃烧室和燃气轮机发电系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种燃气轮机头部一体化燃烧室和燃气轮机发电系统，该燃烧室包括沿燃烧室周向分布排列的多个扇形喷嘴组，其中各个扇形喷嘴组包括：扇形段壳体，其中扇形段壳体包括第一面和第二面，第一面和第二面互为正反面且均为异形表面，在扇形段壳体的第一面形成多个独立的空气进口腔道，在扇形段壳体的第二面形成燃料流动腔道；多个单元微混合杯，分散安装在扇形段壳体的第二面，用于实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧；其中，多个单元微混合杯与燃料流动腔道连通，便于通过燃料流动腔道向多个单元微混合杯提供燃料，并且多个单元微混合杯与多个空气进口腔道连通，便于通过多个空气进口腔道分散地向多个单元微混合杯提供空气。

Description

燃气轮机头部一体化燃烧室和燃气轮机发电系统

技术领域

本公开属于燃气轮机燃烧技术领域，具体涉及一种燃烧室结构、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，本公开提供了一种燃气轮机头部一体化燃烧室、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。

本公开的一方面提供了一种燃气轮机头部一体化燃烧室，包括沿燃烧室周向分布排列的多个扇形喷嘴组，其中各个扇形喷嘴组包括：

扇形段壳体，其中扇形段壳体包括第一面和第二面，第一面和第二面互为正反面且均为异形表面，在扇形段壳体的第一面形成多个独立的空气进口腔道，在扇形段壳体的第二面形成燃料流动腔道；

多个单元微混合杯，分散安装在扇形段壳体的第二面，用于实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧；

其中，多个单元微混合杯与燃料流动腔道连通，便于通过燃料流动腔道向多个单元微混合杯提供燃料，并且多个单元微混合杯与多个空气进口腔道连通，便于通过多个空气进口腔道分散地向多个单元微混合杯提供空气。

根据本公开的实施例，其中：

燃料流动腔道包括多个中＝心燃料腔道、以及用于连通多个中心燃料腔道的多个燃料连通腔道，其中，每个中心燃料腔道的周围环绕分布有多个空气进口腔道，且每个中心燃料腔道的位置匹配安装有一个单元微混合杯。

根据本公开的实施例，其中，单元微混合杯包括单元微混合杯壳体，单元微混合杯壳体包括：

混合杯管体；

混合杯端板，混合杯端板封堵安装在混合杯管体一端，便于混合杯端板和混合杯管体围合形成预混合室，预混合室的出口与燃烧室的燃烧区连通；

燃料喷射孔，设置在混合杯端板中，其中燃料喷射孔与燃料流动腔道连通；

空气旋流进气流道，设置在混合杯管体中，其中空气旋流进气流道与空气进口腔道连通。

根据本公开的实施例，其中：

空气旋流进气流道设有多级，多级空气旋流进气流道沿混合杯管体的轴向分布。

根据本公开的实施例，其中：

在任一级空气旋流进气流道中，空气旋流进气流道包括设置在混合杯管体同一轴向位置处的中的多个空气切向入口，以使得空气通过多个空气切向入口进入后，在预混合室内形成围绕混合杯管体的中心轴线旋转的空气旋流。

根据本公开的实施例，其中：

在任一级空气旋流进气流道中，多个空气切向入口沿混合杯管体周向均匀分布排列。

根据本公开的实施例，其中：

多个中心燃料腔道以及多个燃料连通腔道分为：第一燃料流动腔道、第二燃料流动腔道、第三燃料流动腔道，第一燃料流动腔道、第二燃料流动腔道、第三燃料流动腔道互不连通，且第一燃料流动腔道、第二燃料流动腔道、第三燃料流动腔道沿燃烧室的径向由外向内排列；

多个单元微混合杯分为第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组；

其中，第一喷嘴组包括：在第一燃料流动腔道包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯，以便第一喷嘴组与第一燃料流动腔道匹配连通；

第二喷嘴组包括：在第二燃料流动腔道包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯，以便第二喷嘴组与第二燃料流动腔道匹配连通；

第三喷嘴组包括：在第三燃料流动腔道包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯，以便第三喷嘴组与第三燃料流动腔道匹配连通。

根据本公开的实施例，其中：

沿燃烧室的径向，燃烧室的燃烧区分为多个子燃烧区，多个子燃烧区包括沿燃烧室的径向由外向内依次分布的第一燃烧区、第二燃烧区和第三燃烧区；

第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组分别与第一燃烧区、第二燃烧区、第三燃烧区对应。

根据本公开的实施例，其中：

扇形喷嘴组还包括三组燃料连接组件，三组燃料连接组件用于给第一燃料流动腔道、第二燃料流动腔道、第三燃料流动腔道供应燃料，其中每组燃料连接组件包括一根燃料供应管道和至少一个燃料进口接嘴，燃料进口接嘴和燃料流动腔道连通。

根据本公开的实施例，其中：

扇形喷嘴组还包括前挡板，前挡板安装在扇形喷嘴组的出口侧；

其中，前挡板中设有多个安装孔，便于多个单元微混合杯的出口端一一匹配地穿过多个安装孔，其中，前挡板在供多个单元微混合杯穿透的情况下还封堵在多个独立的空气进口腔道的出口，且前挡板中，在与每个空气进口腔道相对应的位置处设有多个出口气膜冷却孔。

根据本公开的实施例，上述燃烧室还包括：

头部固定组件，其中头部固定组件由于固定安装多个扇形喷嘴组，头部固定组件和多个扇形喷嘴组组合形成一体结构形式的头部一体化喷嘴。

根据本公开的实施例，其中，燃烧室为环形燃烧室，燃烧室还包括：

外围壁组件；

内围壁组件，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燃烧室，外围壁组件和内围壁组件之间设置有头部一体化喷嘴，以便头部一体化喷嘴将环形燃烧室分隔为火焰筒头部进气区和燃烧区，其中空气进口腔道的入口端位于火焰筒头部进气区，单元微混合杯的出口位于燃烧区；

进气端构件，与火焰筒头部进气区连通，被配置为向火焰筒头部进气区通入空气，以便火焰筒头部进气区内的至少部分空气进入多个单元微混合喷嘴。

根据本公开的实施例，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火焰筒头部进气区。

根据本公开的实施例，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火焰筒头部进气区连通，以便火焰筒头部进气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。

根据本公开的实施例，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。

根据本公开的实施例，其中：

扩压器的出口段设置有导流肋片。

本公开的另一方面提供了一种利用上述燃烧室的燃气轮机发电系统，包括：

压气机，被配置为压缩空气；

燃气轮机头部一体化燃烧室，与压气机连通，被配置为通入燃料和源自于压气机的空气，以便燃料和空气在燃气轮机头部一体化燃烧室内燃烧后产生预定温度的燃气；

透平，包括涡轮，其中，透平与燃气轮机头部一体化燃烧室连通，被配置为利用源自于燃气轮机头部一体化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。

本公开的另一方面提供了一种利用上述燃烧室进行燃烧调控的方法，其特征在于，包括：

在点火启动阶段，向多个单元微混合杯中的第一喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的点火燃烧，其中在点火启动阶段，向第一喷嘴组中通入的燃料包括甲烷；

在第一负荷工作阶段，停止向第一喷嘴组内通入燃料和空气，并向多个单元微混合杯中的第二喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第一负荷工作阶段，向第二喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料；

在第二负荷工作阶段，向多个单元微混合杯中的第二喷嘴组和第三喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第二负荷工作阶段，向第二喷嘴组和第三喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料；

在第三负荷工作阶段，向多个单元微混合杯中的第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第三负荷工作阶段，向第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料；

其中，第一负荷工作阶段的负荷小于第二负荷工作阶段的负荷，第二负荷工作阶段的负荷小于第三负荷工作阶段的负荷。

附图说明

图1是根据本公开实施例的多个扇形喷嘴组在燃烧室内的分布结构示意图；

图2是根据本公开实施例的多个空气进口腔道在扇形段壳体第一面中的分布结构示意图；

图3是根据本公开实施例的扇形喷嘴组的内部结构示意图；

图4是根据本公开实施例的单元微混合杯的内部结构示意图；

图5是根据本公开实施例的在单元微混合杯的空气旋流进气流道位置处的断面示意图；

图6是根据本公开实施例的扇形喷嘴组内的燃料流动腔道的分布结构示意图；

图7是根据本公开实施例的燃气轮机头部一体化燃烧室的内部结构示意图；

图8是根据本公开实施例的燃气轮机发电系统的系统示意图；以及

图9是根据本公开实施例的燃烧调控的方法的原理图。

附图标记说明：

1、压气机；

2、燃烧室；

3、透平；

4、发电机；

5、启动马达；

200、燃烧区；

201、火焰筒头部进气区；

202、外环腔道；

203、内环腔道；

2001、第一燃烧区；

2002、第二燃烧区；

2003、第三燃烧区；

21、扩压器；

211、导流肋片；

22、外机匣；

221、燃烧器安装座；

23、内机匣；

25、火焰筒外环；

26、火焰筒内环；

27、头部一体化喷嘴；

271、头部固定组件；

272、扇形喷嘴组；

273、单元微混合杯；

2731、单元微混合杯壳体；

27311、混合杯端板；

27312、混合杯管体；

2732、空气旋流进气流道；

27321、空气切向入口；

2733、燃料喷射孔；

2734、预混合室；

274、扇形段壳体；

275、出口气膜冷却孔；

2751、第一组燃料供应管道；

2752、第一组燃料进口接嘴；

2753、第二组燃料供应管道；

2754、第二组燃料进口接嘴；

2755、第三组燃料供应管道；

2756、第三组燃料进口接嘴；

276、前挡板；

281、空气进口腔道；

282、燃料流动腔道；

2821、中心燃料腔道；

2822、燃料连通腔道；

2823、第一燃料流动腔道；

2824、第二燃料流动腔道；

2825、第三燃料流动腔道

f5、单元微混合喷嘴入口处燃料流；

f6、单元微混合喷嘴加速后燃料流；

a0、环境空气；

a1、高压空气；

a2、火焰筒头部进气区空气；

a3、外环冷却空气流；

a4、内环冷却空气流；

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

为使本公开的目的、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，对本公开作进一步的详细说明。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。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公开实施例的全面理解。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公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。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)。

传统的燃气轮机多使用天然气作为主要的燃料成分，但是天然气燃烧后不可避免产生大量的二氧化碳排放，因此亟需找寻代替天然气的无碳燃料。氢气是一种热值较高的无碳燃料，具有极大的潜力作为新时代燃气轮机的主要燃料。将氢能与燃气轮机技术结合，通过清洁的富氢/氢燃料替代天然气作为燃料，能够大幅减少燃气轮机碳排放。当氢气占比达80％时，可降低约50％的碳排放。

但是，氢气的化学反应活性较高，传统的燃气轮机燃烧室直接燃用氢燃料，与天然气相比更易发生回火问题，影响燃烧室头部热影响区，造成燃烧室使用寿命下降；同时较高的火焰绝热温度易造成局部范围高温，使得氮氧化物排放提高，氢燃气轮机这也是与传统燃气轮机的一大区别。

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；再者，旋流预混燃烧室还经常面临热声震荡问题，这种低频大幅度的压力震荡严重时可以破坏燃烧器和火焰筒机械结构，严重威胁燃烧室的安全运行；最后，实现燃气轮机低排放控制，燃烧室一般采用贫燃预混燃烧技术，但会直接导致燃烧区温度较低，使燃烧稳定性就变差，容易发生熄火的危险。

因此，针对上述问题，设计一款能同时兼顾上述问题的燃气轮机燃烧室系统(包括燃烧室和燃烧器喷嘴)是亟需解决的问题。燃烧器的再设计不仅需要考虑燃烧器本身的抗回火和低排放设计，同时需要兼顾燃烧室整体设计的要求，包括燃机不同负荷的调节能力、抑制热声不稳定的能力、出口温度分布均匀性指数以及较低的压力损失系数。

有鉴于此，本公开的实施例提供了一种燃气轮机头部一体化燃烧室，包括沿燃烧室周向分布排列的多个扇形喷嘴组，其中各个扇形喷嘴组包括：扇形段壳体，其中扇形段壳体包括第一面和第二面，第一面和第二面互为正反面且均为异形表面，在扇形段壳体的第一面形成多个独立的空气进口腔道，在扇形段壳体的第二面形成燃料流动腔道；多个单元微混合杯，分散安装在扇形段壳体的第二面，用于实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧；其中，多个单元微混合杯与燃料流动腔道连通，便于通过燃料流动腔道向多个单元微混合杯提供燃料，并且多个单元微混合杯与多个空气进口腔道连通，便于通过多个空气进口腔道分散地向多个单元微混合杯提供空气。

图1是根据本公开实施例的多个扇形喷嘴组在燃烧室内的分布结构示意图；图2是根据本公开实施例的多个空气进口腔道在扇形段壳体第一面中的分布结构示意图；图3是根据本公开实施例的扇形喷嘴组的内部结构示意图。

如图1所示，燃气轮机头部一体化燃烧室包括沿燃烧室2周向分布排列的多个扇形喷嘴组272，其中各个扇形喷嘴组272包括扇形段壳体274和多个单元微混合杯273。

如图2、图3所示，扇形段壳体274包括第一面和第二面，第一面和第二面互为正反面且均为异形表面，在扇形段壳体274的第一面形成多个独立的空气进口腔道282，在扇形段壳体274的第二面形成燃料流动腔道281。

多个单元微混合杯273分散安装在扇形段壳体274的第二面，用于实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧。

其中，多个单元微混合杯273与燃料流动腔道281连通，便于通过燃料流动腔道281向多个单元微混合杯273提供燃料，并且多个单元微混合杯273与多个空气进口腔道282连通，便于通过多个空气进口腔道282分散地向多个单元微混合杯273提供空气。

根据本公开的实施例，通过使用微混合燃烧器替代传统的旋流预混燃烧器，微混合燃烧器由数量众多的单元微混合喷嘴273组成，单元微混合喷嘴273可实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，实现了更加微小尺度下的掺混，可提高掺混效率，促进燃料和空气在单元微混合喷嘴273内的充分混合，从而提高火焰筒内火焰温度的均匀度；并且由于多个单元微混合喷嘴273分散安装在扇形段壳体274的第二面，每只喷嘴出口均会产生相对独立的小火焰，因此可以避免火焰筒内高温区域的产生，燃烧室出口温度分布会更加均匀，降低火焰峰值温度，抑制氮氧化物排放，还可以延长喷嘴的使用寿命；而且单元微混合喷嘴273形成的小火焰尺寸较小，对缩短燃烧室火焰筒长度也起到积极作用；单元微混合喷嘴273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。

根据本公开的实施例，扇形段壳体274的第一面形成有多个独立的空气进口腔道282，可通过多个空气进口腔道282分散地向多个单元微混合杯273供给空气，使得空气与燃料的混合也可以更加均匀，从而更加均匀的燃烧，避免局部高温，进一步降低氮氧化物的排放。并且，通过开设大量空气流道，相比较而言，能一定程度上减少压力损失。

根据本公开的实施例，如图3所示，扇形喷嘴组272还包括前挡板276，前挡板276安装在扇形喷嘴组272的出口侧；

其中，前挡板276中设有多个安装孔，便于多个单元微混合杯273的出口端一一匹配地穿过多个安装孔，其中，前挡板276在供多个单元微混合杯273穿透的情况下还封堵在多个独立的空气进口腔道281的出口，且前挡板中，在与每个空气进口腔道281相对应的位置处设有多个出口气膜冷却孔275。

根据本公开的实施例，前挡板276中的安装孔中可以设置混合杯安装槽，以便单元微混合杯273的出口端穿过安装孔后固定在前挡板276。

根据本公开的实施例，出口气膜冷却孔275可以冷却前挡板276的表面，冷却气还可以冷却燃烧区200内产生的主火焰，降低火焰温度，使得氮氧化物的排放稳定在较低的范围中。

根据本公开的实施例，如图1所示，上述燃烧室2还包括：头部固定组件271，其中头部固定组件271由于固定安装多个扇形喷嘴组272，头部固定组件271和多个扇形喷嘴组272组合形成一体结构形式的头部一体化喷嘴27。

根据本公开的实施例，传统喷嘴安装时，受到周向间距限制，喷嘴宽度不能太宽，否则在环形燃烧室安装时，可能与安装机匣开设喷嘴安装座孔有干涉，无法安装，本公开实施例中的火焰筒径向高度较大，周向距离较长，通过一体结构形式的头部一体化喷嘴组件设计，将单元微混混合杯273提前安装于头部固定组件271上，避免了传统燃烧室安装喷嘴较为困难的问题。并且，可以充分利用喷嘴周向的距离，喷嘴的直径可以做的更小，喷嘴的布置也可以更为密集，使得火焰筒燃烧区内燃烧更均匀，有效提高燃烧室出口径向、周向温度分布均匀度。

图4是根据本公开实施例的单元微混合杯的内部结构示意图。

如图4所示，单元微混合杯273包括单元微混合杯壳体2731，单元微混合杯壳体2731包括混合杯管体27312、混合杯端板27311、燃料喷射孔2733和空气旋流进气流道2732。

其中，混合杯端板27311封堵安装在混合杯管体27312一端，便于混合杯端板27311和混合杯管体27312围合形成预混合室2734，预混合室2734的出口与燃烧室2的燃烧区200连通。

燃料喷射孔2733设置在混合杯端板27311中，其中燃料喷射孔2733与燃料流动腔道282连通。

空气旋流进气流道2732设置在混合杯管体27312中，其中空气旋流进气流道2732与空气进口腔道281连通。

根据本公开的实施例，单元微混合杯273可以是圆管状结构，单元微混合喷嘴入口处燃料流f5经过燃料喷射孔2733加速后进入预混合室2734，得到单元微混合喷嘴加速后燃料流f6，燃烧反应空气流a5从空气旋流进气流道2732进入预混合室2734，单元微混合喷嘴加速后燃料流f6和燃烧反应空气流a5在预混合室2734中进行快速掺混，便于进一步形成高速均匀的预混气体p1，从单元微混合杯273的出口喷出进入燃烧室的燃烧区，降低氮氧化物的排放。

根据本公开的实施例，如图5所示，空气旋流进气流道2732设有多级，多级空气旋流进气流道沿混合杯管体27312的轴向分布。多级空气旋流进气流道可以让燃烧反应空气流a5分成更微小的单元进入预混合室2734，从而使单元微混合喷嘴加速后燃料流f6和燃烧反应空气流a5的掺混更加均匀，燃烧更加充分，进一步降低氮氧化物的排放。

图5是根据本公开实施例的在单元微混合杯的空气旋流进气流道位置处的断面示意图。

如图5所示，在任一级空气旋流进气流道2732中，空气旋流进气流道2732包括设置在混合杯管体27312同一轴向位置处的中的多个空气切向入口27321，以使得空气通过多个空气切向入口27321进入后，在预混合室2734内形成围绕混合杯管体27312的中心轴线旋转的空气旋流。

根据本公开的实施例，空气旋流进气流道2732沿周向、径向偏移，使得燃烧反应空气流a5在从多个空气切向入口27321进入预混合室2734时，可以形成切向旋转的气流。同时，通过空气旋流进气流道2732的空气旋流角度，可以调整旋流强度，使得单元火焰离开单元喷嘴出口，呈现抬升火焰，这样不仅能够减弱头部组件表面温度，还能降低热声振荡强度，同时稳定氢燃料火焰燃烧。

根据本公开的实施例，如图5所示，在任一级空气旋流进气流道2732中，多个空气切向入口27321沿混合杯管体27312周向均匀分布排列。使得燃烧反应空气流a5更加均匀的进入预混合室2734，进一步使燃烧反应空气流a5和单元微混合喷嘴加速后燃料流f6混合的更加均匀。

图6是根据本公开实施例的扇形喷嘴组内的燃料流动腔道的分布结构示意图。

如图6所示，燃料流动腔道282包括多个中心燃料腔道2821、以及用于连通多个中心燃料腔道2821的多个燃料连通腔道2822，其中，每个中心燃料腔道2821的周围环绕分布有多个空气进口腔道281，且每个中心燃料腔道2821的位置匹配安装有一个单元微混合杯273。如此，对于每个单元微混合杯273都匹配有几条独立的空气进口腔道281为其供应空气，实现了分散均匀空气，相比与传统集中式供气方式，有效提高了空气和燃料混合的均匀性。

其中，多个中心燃料腔道2821以及多个燃料连通腔道2822分为：第一燃料流动腔道2823、第二燃料流动腔道2824、第三燃料流动腔道2825，第一燃料流动腔道2823、第二燃料流动腔道2824、第三燃料流动腔道2825互不连通(如图6中按虚线指示的方式划分为三组互不连通的燃料腔道)，且第一燃料流动腔道2823、第二燃料流动腔道2824、第三燃料流动腔道2825沿燃烧室2的径向由外向内排列；

多个单元微混合杯273分为第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组；

其中，第一喷嘴组包括：在第一燃料流动腔道2823包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯273，以便第一喷嘴组与第一燃料流动腔道2823匹配连通；

第二喷嘴组包括：在第二燃料流动腔道2824包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯273，以便第二喷嘴组与第二燃料流动腔道2824匹配连通；

第三喷嘴组包括：在第三燃料流动腔道2825包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯273，以便第三喷嘴组与第三燃料流动腔道2825匹配连通。

根据本公开的实施例，如图6所示，第一喷嘴组可以包括12个单元微混合杯273，第二喷嘴组可以包括16个单元微混合杯273，第三喷嘴组可以包括12个单元微混合杯273，但是并不限制于此，也可以根据需要设置其他数量的单元微混合杯273，例如，第一喷嘴组包括16个单元微混合杯273，第二喷嘴组包括20个单元微混合杯273，第三喷嘴组包括16个单元微混合杯273。

根据本公开的实施例，由于第一喷嘴组与第一燃料流动腔道2823匹配连通、第二喷嘴组与第二燃料流动腔道2824匹配连通、第三喷嘴组与第三燃料流动腔道2825匹配连通，且第一燃料流动腔道2823、第二燃料流动腔道2824、第三燃料流动腔道2825互不连通，所以第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组之间也是互不联通的，第一喷嘴组通过第一燃料流动腔道2823获取燃料，第二喷嘴组通过第二燃料流动腔道2824获取燃料第三喷嘴组通过第三燃料流动腔道2825获取燃料，通过不同的燃料流动腔道分别进入不同的喷嘴组，可以将燃料分成更微小的单元进行控制，使得燃烧更加均匀。

图7是根据本公开实施例的燃气轮机头部一体化燃烧室的内部结构示意图。

如图7所示，沿燃烧室2的径向，燃烧室2的燃烧区200分为多个子燃烧区，多个子燃烧区包括沿燃烧室2的径向由外向内依次分布的第一燃烧区2001、第二燃烧区2002和第三燃烧区2003；

第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组分别与第一燃烧区2001、第二燃烧区2002、第三燃烧区2003对应。

根据本公开的实施例，可以通过第一燃料流动腔道2823、第二燃料流动腔道2824、第三燃料流动腔道2825分别控制第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组中燃料的进入量，从而控制燃烧区中的第一燃烧区2001、第二燃烧区2002、第三燃烧区2003的负荷状态。

根据本公开的实施例，如图7所示，扇形喷嘴组272还包括三组燃料连接组件，三组燃料连接组件用于给第一燃料流动腔道2823、第二燃料流动腔道2824、第三燃料流动腔道2825供应燃料，其中每组燃料连接组件包括一根燃料供应管道和至少一个燃料进口接嘴，燃料进口接嘴和燃料流动腔道连通。

根据本公开的实施例，给第一燃料流动腔道2823供应燃料的燃料连接组件可以包括第一组燃料供应管道2751、第一组燃料进口接嘴2752，给第二燃料流动腔道2824供应燃料的燃料连接组件可以包括第二组燃料供应管道2753、第二组燃料进口接嘴2754，给第三燃料流动腔道2825供应燃料的燃料连接组件可以包括第三组燃料供应管道2755、第三组燃料进口接嘴2756。

燃料可以分别通过第一组燃料供应管道2751、第二组燃料供应管道2753和第三组燃料供应管道2755进入燃烧室2，优化燃料的供给通路，减少了燃料的损耗。

根据本公开的实施例，如图7所示，燃烧室2为环形燃烧室，燃烧室还包括外围壁组件和内围壁组件。

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燃烧室，外围壁组件和内围壁组件之间设置有头部一体化喷嘴27，以便头部一体化喷嘴27将环形燃烧室分隔为火焰筒头部进气区201和燃烧区200，其中空气进口腔道281的入口端位于火焰筒头部进气区201，单元微混合杯273的出口位于燃烧区200；

进气端构件，与火焰筒头部进气区201连通，被配置为向火焰筒头部进气区201通入空气，以便火焰筒头部进气区201内的至少部分空气进入多个单元微混合喷嘴。

根据本公开的实施例，如图7所示，外围壁组件包括外机匣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；火焰筒外环25、火焰筒内环26、多个微混合燃烧器围合形成燃烧区200；外机匣22的入口段、内机匣23的入口段、多个微混合燃烧器围合形成火焰筒头部进气区201。在外机匣22上可以设置燃烧器安装座221。

根据本公开的实施例，在环形燃烧室内，火焰筒在径向上高度较大，相对于火焰筒高度较小的燃烧室，热声震荡能够有效减弱。

根据本公开的实施例，如图7所示，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分别与火焰筒头部进气区201连通，以便火焰筒头部进气区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。

根据本公开的实施例，如图7所示，进气端构件包括扩压器21，扩压器21位于燃烧室2前端，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。具体地，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。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，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8是根据本公开实施例的燃气轮机发电系统的系统示意图。

如图8所示，该系统包括压气机1、燃气轮机头部一体化燃烧室2(简称燃烧室2)、透平3、发电机4、启动马达5等。

其中，压气机1被配置为压缩空气。

燃气轮机头部一体化燃烧室2，与压气机1连通，被配置为通入燃料和源自于压气机的空气，以便燃料和空气在燃气轮机头部一体化燃烧室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与燃气轮机头部一体化燃烧室2连通，被配置为利用源自于燃气轮机头部一体化燃烧室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。

根据本公开的实施例，参考图7，压气机1从外界环境中吸入常压空气(环境空气a0)并将其压缩，经过压缩后产生压气机1出口高压空气a1，流进燃烧室2，首先经过扩压器21进一步扩压降速，产生火焰筒头部进气区201空气a2，又分为三股：第一股空气(外环冷却空气流a3)进入外环腔道202用于冷却火焰筒外环25；第二股空气(内环冷却空气流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)进入到数量众多的单元微混合喷嘴273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。

根据本公开的实施例，如前述实施例所述，沿燃烧室2的径向，燃烧室2的燃烧区200分为多个子燃烧区，多个子燃烧区包括沿燃烧室2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。其中，第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组分别与第一燃烧区2001、第二燃烧区2002、第三燃烧区2003对应。

其中，从第一燃料流动腔道2723进入的燃料流入第一喷嘴组中，可以单独为第一燃烧区2001提供燃料。从第二燃料流动腔道272进入的燃料流入第二喷嘴组中，可以单独为第二燃烧区2002提供燃料。从第三燃料流动腔道27285进入的燃料流入第三喷嘴组中，可以单独为第三燃烧区2003提供燃料。与三个独立的燃料流动腔道相连的外部燃料供给管路上都设置流量计和调节阀门，使进入不同腔道(腔室)的燃料流量独立可控。

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，可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，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。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。

图9是根据本公开实施例的燃烧调控的方法的原理图。

如图9所示，在点火启动阶段，向多个单元微混合杯273中的第一喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的点火燃烧，其中在点火启动阶段，向第一喷嘴组中通入的燃料包括甲烷。具体地，在燃气轮机点火启动阶段，启动机带动轴承旋转至一定转速下时，点火器打火，此时打开燃料通路供应甲烷燃料，使全部参与燃烧的燃料进入第一喷嘴组中的单元微混合杯273，并喷入第一燃烧区2001，完成点火启动，逐渐增大燃料的供给，使燃气轮机由零转速运行至慢车工况。点火启动阶段，燃料采用甲烷而非氢燃料，可提高点火的安全性。并且，点火启动阶段优先开启最靠近点火器的一组喷嘴进行点火，可保障点火的成功率和稳定性。

在燃烧稳定运行一段时间后，在第一负荷工作阶段(例如0％-20％低负荷)，停止向第一喷嘴组内通入燃料和空气，并向多个单元微混合杯273中的第二喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第一负荷工作阶段，向第二喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料。具体地，例如向第二喷嘴组中的多个单元微混合杯273供入氢气或含氢燃料，喷入第二燃烧区2002燃烧。在进行燃料切换的过程中，逐渐减小通入第一喷嘴组中的多个单元微混合杯273的燃料流量，并同步增大通入第二喷嘴组的多个单元微混合杯273的燃料流量，直至完全切换，完成点火燃料向运行燃料的切换，并使得燃机达到可以并网发电状态。

在第二负荷工作阶段(例如20％-60％中负荷)，向多个单元微混合杯中的第二喷嘴组和第三喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第二负荷工作阶段，向第二喷嘴组和第三喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料。例如，在上一步操作的基础上，继续向第二喷嘴组的多个单元微混合杯273供入氢气或含氢燃料，使得在这个阶段，燃料同时喷入第二燃烧区2002和第三燃烧区2003燃烧，通过增加喷入第三燃烧区2003的燃料，使得燃机继续提升发电负荷至60％状态。

在第三负荷工作阶段(例如60％-100％高负荷)，向多个单元微混合杯中的第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第三负荷工作阶段，向第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料。

例如，上述操作可以是同时向第一喷嘴组、第二喷嘴组，以及同时向第三喷嘴组中的多个单元微混合杯273通入氢气或含氢燃料，使得在这个阶段，燃料同时喷入第一燃烧区2001、第二燃烧区2002和第三燃烧区2003燃烧，并将三路燃料同步提高流量，使得燃机进一步提升发电负荷至100％状态。

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

Claims (18)

1.一种燃气轮机头部一体化燃烧室，包括沿燃烧室周向分布排列的多个扇形喷嘴组，其中各个所述扇形喷嘴组包括：

扇形段壳体，其中所述扇形段壳体包括第一面和第二面，所述第一面和所述第二面互为正反面且均为异形表面，在所述扇形段壳体的第一面形成多个独立的空气进口腔道，在所述扇形段壳体的第二面形成燃料流动腔道；

多个单元微混合杯，分散安装在所述扇形段壳体的第二面，用于实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧；

其中，所述多个单元微混合杯与所述燃料流动腔道连通，便于通过所述燃料流动腔道向所述多个单元微混合杯提供燃料，并且所述多个单元微混合杯与多个所述空气进口腔道连通，便于通过多个所述空气进口腔道分散地向所述多个单元微混合杯提供空气。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其中：

所述燃料流动腔道包括多个中心燃料腔道、以及用于连通所述多个中心燃料腔道的多个燃料连通腔道，其中，每个所述中心燃料腔道的周围环绕分布有多个空气进口腔道，且每个所述中心燃料腔道的位置匹配安装有一个单元微混合杯。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其中，所述单元微混合杯包括单元微混合杯壳体，所述单元微混合杯壳体包括：

混合杯管体；

混合杯端板，所述混合杯端板封堵安装在所述混合杯管体一端，便于所述混合杯端板和所述混合杯管体围合形成预混合室，所述预混合室的出口与燃烧室的燃烧区连通；

燃料喷射孔，设置在所述混合杯端板中，其中所述燃料喷射孔与所述燃料流动腔道连通；

空气旋流进气流道，设置在所述混合杯管体中，其中所述空气旋流进气流道与所述空气进口腔道连通。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其中：

所述空气旋流进气流道设有多级，多级所述空气旋流进气流道沿所述混合杯管体的轴向分布。

5.根据权利要求4所述的燃烧室，其中：

在任一级所述空气旋流进气流道中，所述空气旋流进气流道包括设置在所述混合杯管体同一轴向位置处的中的多个空气切向入口，以使得空气通过所述多个空气切向入口进入后，在所述预混合室内形成围绕所述混合杯管体的中心轴线旋转的空气旋流。

6.根据权利要求5所述的燃烧室，其中：

在任一级所述空气旋流进气流道中，所述多个空气切向入口沿所述混合杯管体周向均匀分布排列。

7.根据权利要求2所述的燃烧室，其中：

所述多个中心燃料腔道以及所述多个燃料连通腔道分为：第一燃料流动腔道、第二燃料流动腔道、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互不连通，且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沿所述燃烧室的径向由外向内排列；

多个单元微混合杯分为第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组；

其中，所述第一喷嘴组包括：在所述第一燃料流动腔道包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯，以便所述第一喷嘴组与所述第一燃料流动腔道匹配连通；

所述第二喷嘴组包括：在所述第二燃料流动腔道包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯，以便所述第二喷嘴组与所述第二燃料流动腔道匹配连通；

所述第三喷嘴组包括：在所述第三燃料流动腔道包括的多个中心燃料腔道位置处安装的多个单元微混合杯，以便所述第三喷嘴组与所述第三燃料流动腔道匹配连通。

8.根据权利要求7所述的燃烧室，其中：

沿所述燃烧室的径向，所述燃烧室的燃烧区分为多个子燃烧区，所述多个子燃烧区包括沿所述燃烧室的径向由外向内依次分布的第一燃烧区、第二燃烧区和第三燃烧区；

所述第一喷嘴组、所述第二喷嘴组和所述第三喷嘴组分别与所述第一燃烧区、所述第二燃烧区、所述第三燃烧区对应。

9.根据权利要求7所述的燃烧室，其中：

所述扇形喷嘴组还包括三组燃料连接组件，所述三组燃料连接组件用于给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供应燃料，其中每组燃料连接组件包括一根燃料供应管道和至少一个燃料进口接嘴，所述燃料进口接嘴和所述燃料流动腔道连通。

10.根据权利要求1所述的燃烧室，其中：

所述扇形喷嘴组还包括前挡板，所述前挡板安装在所述扇形喷嘴组的出口侧；

其中，所述前挡板中设有多个安装孔，便于所述多个单元微混合杯的出口端一一匹配地穿过所述多个安装孔，其中，所述前挡板在供所述多个单元微混合杯穿透的情况下还封堵在所述多个独立的空气进口腔道的出口，且所述前挡板中，在与每个空气进口腔道相对应的位置处设有多个出口气膜冷却孔。

11.根据权利要求1所述的燃烧室，还包括：

头部固定组件，其中所述头部固定组件由于固定安装所述多个扇形喷嘴组，所述头部固定组件和所述多个扇形喷嘴组组合形成一体结构形式的头部一体化喷嘴。

12.根据权利要求11所述的燃烧室，其中，所述燃烧室为环形燃烧室，所述燃烧室还包括：

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所述环形燃烧室，所述外围壁组件和所述内围壁组件之间设置有所述头部一体化喷嘴，以便所述头部一体化喷嘴将所述环形燃烧室分隔为火焰筒头部进气区和燃烧区，其中所述空气进口腔道的入口端位于所述火焰筒头部进气区，所述单元微混合杯的出口位于所述燃烧区；

进气端构件，与所述火焰筒头部进气区连通，被配置为向所述火焰筒头部进气区通入空气，以便所述火焰筒头部进气区内的至少部分空气进入所述多个单元微混合喷嘴。

13.根据权利要求12所述的燃烧室，其中：

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火焰筒头部进气区。

14.根据权利要求13所述的燃烧室，其中：

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火焰筒头部进气区连通，以便所述火焰筒头部进气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。

15.根据权利要求14所述的燃烧室，其中：

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。

16.根据权利要求15所述的燃烧室，其中：

所述扩压器的出口段设置有导流肋片。

17.一种包含权利要求1-16任一项所述的燃烧室的燃气轮机发电系统，包括：

压气机，被配置为压缩空气；

燃气轮机头部一体化燃烧室，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燃气轮机头部一体化燃烧室内燃烧后产生预定温度的燃气；

透平，包括涡轮，其中，所述透平与所述燃气轮机头部一体化燃烧室连通，被配置为利用源自于所述燃气轮机头部一体化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。

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

在点火启动阶段，向多个单元微混合杯中的第一喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的点火燃烧，其中在点火启动阶段，向所述第一喷嘴组中通入的燃料包括甲烷；

在第一负荷工作阶段，停止向所述第一喷嘴组内通入燃料和空气，并向多个单元微混合杯中的第二喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第一负荷工作阶段，向所述第二喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料；

在第二负荷工作阶段，向多个单元微混合杯中的第二喷嘴组和第三喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第二负荷工作阶段，向所述第二喷嘴组和所述第三喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料；

在第三负荷工作阶段，向所述多个单元微混合杯中的第一喷嘴组、第二喷嘴组和第三喷嘴组内通入燃料和空气，以实现燃料和空气在燃烧室内的预混燃烧，其中在第三负荷工作阶段，向所述第一喷嘴组、所述第二喷嘴组和所述第三喷嘴组中通入的燃料包括氢气或含氢燃料；

其中，所述第一负荷工作阶段的负荷小于所述第二负荷工作阶段的负荷，所述第二负荷工作阶段的负荷小于所述第三负荷工作阶段的负荷。

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