CN1959087A - 燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴 - Google Patents

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一种燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，包括三个依次同心套设的锥型喷嘴，其中最外层喷嘴固定于端盖上；该端盖的一侧而上固定有小端盖；中间层喷嘴同轴地套设在最外层喷嘴内，其锥部与最外层喷嘴的锥部形成空气通道；中间层喷嘴底部通过燃料汇集管固定于一中空连杆上，该连杆为气体燃料管道，其具有外螺纹，与镶嵌在小端盖上的调整套的内螺纹相配合；最内层喷嘴同轴地套设在中间层喷嘴内，其锥部与中间层喷嘴的锥部形成燃料通道；最内层喷嘴固定于一设有外螺纹的中空连杆上，该连杆为液体燃料管道，其具有外螺纹，与镶嵌在小端盖上的调整套的内螺纹相配合；调节调整套，带动中间层喷嘴和最内层喷嘴作轴向移动，调整空气通道和燃料通道的出口截面积。

Description

燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴
技术领域
本发明涉及燃气轮机及其其他气相燃烧系统领域，是一种在运行期间根据不同的稀释方式、不同稀释剂以及不同稀释量调节燃烧器的空气和燃料的出口几何截面积，从而达到高效、稳定及低污染的一种燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴。
背景技术
燃气轮机技术是能源利用的一个主要方向，中国的能源结构中煤是主要的能源，因此整体煤气化联合循环(IGCC)以及整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环是较适合中国的能源利用方式。燃气轮机循环中燃烧室是一个关键部件，它关系到系统的效率和污染物排放。因此要求燃烧室可以适应合成气的燃烧以及不同的稀释量，并且要达到稳定、高效以及低污染物排放燃烧，成本低，使用寿命长。
稀释扩散燃烧技术一方面适用于某些先进燃气轮机循环(HAT循环和ISTG循环等)，因为其系统本身决定了它的燃烧方式必须是稀释扩散燃烧。稀释扩散燃烧技术可以提高湿空气透平(HAT)循环以及注蒸汽透平(ISTG)循环的系统效率和比功，同时可以大大降低NOx排放。另一方面对于整体煤气化联合循环(IGCC)中的合成气燃烧由于其组分的变化较大，必须采用扩散燃烧，为了降低NOx排放必须采用稀释燃烧技术。稀释扩散燃烧可以分为燃料稀释和空气稀释。稀释剂可以为水、水蒸汽以及氮气等。稀释的范围也很广，稀释剂可以占空气量的1％-40％。
现有的稀释燃烧技术，是通过普通燃气轮机燃烧室中注入水、水蒸汽或氮气，从而借助于降低火焰温度而达到降低污染物排放的目的。其并不能根据不同的稀释情况调节燃烧的情况，因此在不同的稀释情况下，燃烧的稳定性、效率以及污染物不能达到最优值，甚至不能在某些工况下稳定燃烧。因此有必要做进一步的工作，根据合成气的组分和稀释组分动态组织流场，使得整个燃烧室在不同工况下可以稳定、高效、低污染的燃烧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，本发明在不同工况(合成气组分，稀释组分，稀释量)下，都可以稳定、高效、低污染燃烧的稀释扩散燃烧技术。其创新点在于可以根据合成气组分，稀释组分以及稀释量动态调整燃烧器的出口几何面积，从而调整流场使得燃烧喷嘴在不同工况下都可以稳定、高效、低污染地进行燃烧。另外燃气锅炉中也可以采用本发明。
为实现上述目的，本发明提供的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，包括三个依次同心套设的锥型喷嘴，其中：
最外层喷嘴固定于端盖上；该端盖的一侧而上固定有小端盖；
中间层喷嘴同轴地套设在最外层喷嘴内，其锥部与最外层喷嘴的锥部形成空气通道；中间层喷嘴底部通过燃料汇集管固定于一中空连杆上，该连杆为气体燃料管道，其具有外螺纹，与镶嵌在小端盖上的调整套的内螺纹相配合；
最内层喷嘴同轴地套设在中间层喷嘴内，其锥部与中间层喷嘴的锥部形成燃料通道；最内层喷嘴固定于一设有外螺纹的中空连杆上，该连杆为液体燃料管道，其具有外螺纹，与镶嵌在小端盖上的调整套的内螺纹相配合；
分别转动两个调整套，带动中间层喷嘴和最内层喷嘴作轴向移动，调整空气通道和燃料通道的出口截面积。
所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中最外层喷嘴与第二层喷嘴之间环设有空气旋流器。
所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中中间层喷嘴与最内层喷嘴之间环设有燃料旋流器。
所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中空气旋流器和燃料旋流器为叶片旋流器或切向进气旋流器。
所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中调整套为手动或电机带动。
所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中液体燃料为柴油、重油或甲醇。
概括地说，本发明提供的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，包括一个固定锥型结构和两个可移动的锥型结构，其中位于最外边的固定通道和中间的可移动锥型结构形成了一个环型的可变出口截面的空气通道，而位于最里面的可移动锥型结构和中间的可移动锥型结构也构成了一个环型可变出口截面积的气体燃料通道，中间的可移动结构中有液体燃料喷嘴。两个可移动结构分别通过两个外螺纹的管和端盖上的内螺纹结构相连，通过转动端盖上的内螺纹件就可以调节两个可移动锥型结构的轴向距离，从而改变空气和燃料的出口截面积，调整其出口速度，达到不同燃烧工况下，稳定、高效、低污染的燃烧。
本发明的燃烧喷嘴在非稀释工况下运行时，调节两个可移动锥体结构，使其保证空气和燃料的出口截面积在一个较小的位置，此时火焰稳定在一个设计工况下。当空气被稀释时，由于稀释后的空气量增加，使得出口速度增加，使得工况偏离设计工况，这时调节端盖上的内螺纹调节机构，使得两个可移动锥型结构沿轴向向后移动，使得空气的出口面积增大，从而使得空气出口速度变的和非稀释工况下的空气出口速度相同，使得火焰在不同的空气稀释工况下可以稳定燃烧。当燃料稀释时，相似于空气稀释，调节可移动机构使得燃料的通道的出口截面积增大，使得燃料出口速度保持大致不变，从而保证稳定燃烧的流场条件。
另外，本发明还适用于燃气轮机中不同组分的合成气燃烧，当合成气组分变化时，通过调节端盖上的两个内螺纹调节机构改变燃料通道的出口截面积意见燃料出口距离空气出口的距离，从而实现稳定，高效，低污染的燃烧不同组分合成气。
附图说明
图1是本发明的一个极端调节位置示意图
图2是本发明的另一个极端调节位置示意图
具体实施方式
附图是本发明的一个具体实施例示意图。其中附图1和附图2分别为本发明的二个极端调节位置。参照附图1可知，本发明的燃烧喷嘴的主要包括三个同轴套设且锥型结构喷嘴1、2和3，其中间层喷嘴2和最内层喷嘴3可轴向移动结构。最外层喷嘴由固定结构7(如支架等)固定于端盖6上。中层间喷嘴2同轴套设在最外层喷嘴1内，两个喷嘴1、2的喷口处形成空气通道14。中间层喷嘴2通过燃料汇集管8固定于一连杆10上，该连接杆10为中空的气体燃料通道，其具有外螺纹，气体燃料通过连杆10可以进入到燃料汇集管8中。小端盖9上并排镶嵌有两个可转动的调整套12、13，该调整套12、13具有内螺纹结构，其中连杆10与调整套12通过螺纹相配合(调整套13与后述的连杆11相配合)。转动调整套12，中间层喷嘴2即可实现轴向移动，从而改变空气通道14的截面积，即改变空气燃料的通过量(如图2所示)。上述两层喷嘴之间还设有空气旋流器4，固定于最外层喷嘴1上，该空气旋流器可以是叶片旋流器或切向进气旋流器等。
与最外层喷嘴1和中间层喷嘴2相似，最内层喷嘴3同轴套设在中间层喷嘴2内，该两个喷嘴2、3的喷口处形成燃料通道15。该最内层喷嘴3连接在一带外螺纹的连杆11上，该连杆11为中空的燃料通道，通入液体燃料、柴油、重油、甲醇等。连杆11与小端盖9上的调整套13的内螺纹相配合，通过旋转调整套13即可实现最内层喷嘴3作轴向移动，从而改变燃料通道15的截面积(如图2所示)。中间层喷嘴2与最内层喷嘴3之间设有燃料旋流器5，该燃料旋流器5固定在中间层喷嘴2上，该空气旋流器可以是叶片旋流器或切向进气旋流器等。
调整套12和13可以是手动控制，也可以连接步进电机控制。
当空气被稀释时，由于被稀释的空气量的增加，使得空气的出口速度增加，火焰偏离设计工况，而不能很好的燃烧。本发明根据不同的稀释剂以及稀释量，所述的稀释剂包括水、水蒸汽、氮气和二氧化碳等，调节调整套12和13，使得中间层喷嘴2和最内层喷嘴3向后移动，这样使得空气通道14的出口截面积增大，虽然被稀释后的空气量增加，但是出口速度保持不变。一般空气被稀释后，为了保证燃气轮机的透平效率不变，需增加燃料量，这时也相应的调节调整套13使得燃料通道15的出口截面积也增大而适应增加的燃料量。这样就可以在不同的工况下，火焰都可以稳定，高效，低污染的燃烧。
相似的，当燃料被稀释时，燃料量由于稀释剂以及需要增加燃料量保证燃气轮机的透平效率而增加，因此为了稳定燃烧，调节调整套13使得最内层喷嘴3向后移动，从而增大燃料通道15的出口截面积，而保持燃料的出口速度不变。这样就可以保证在不同的燃料稀释情况下，保持火焰的稳定，高效，低污染的燃烧。
当燃料是合成气时，由于燃气轮机运行过程中，合成气的组分有可能会发生变化，而且在不同的应用场合，合成气的组分是变化的，如果不能实现现场调节的话，将不能实现稳定燃烧。当合成气燃料的组分变化时，本发明通过调节调整套12和13从而改变燃料通道15和空气通道14的出口截面积以及其相对位置，从而保证，不同组分的合成气燃料都可以在这个喷嘴上实现稳定，高效，低污染的燃烧。

Claims (6)

1.一种燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，包括三个依次同心套设的锥型喷嘴，其中：
最外层喷嘴固定于端盖上；该端盖的一侧而上固定有小端盖；
中间层喷嘴同轴地套设在最外层喷嘴内，其锥部与最外层喷嘴的锥部形成空气通道；中间层喷嘴底部通过燃料汇集管固定于一中空连杆上，该连杆为气体燃料管道，其具有外螺纹，与镶嵌在小端盖上的调整套的内螺纹相配合；
最内层喷嘴同轴地套设在中间层喷嘴内，其锥部与中间层喷嘴的锥部形成燃料通道；最内层喷嘴固定于一设有外螺纹的中空连杆上，该连杆为液体燃料管道，其具有外螺纹，与镶嵌在小端盖上的调整套的内螺纹相配合；
分别转动两个调整套，带动中间层喷嘴和最内层喷嘴作轴向移动，调整空气通道和燃料通道的出口截面积。
2.如权利要求1所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中最外层喷嘴与第二层喷嘴之间环设有空气旋流器。
3.如权利要求1所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中中间层喷嘴与最内层喷嘴之间环设有燃料旋流器。
4.如权利要求2或3所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中空气旋流器和燃料旋流器为叶片旋流器或切向进气旋流器。
5.如权利要求1所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中调整套为手动或电机带动。
6.如权利要求1所述的燃气轮机稀释扩散燃烧喷嘴，其中液体燃料为柴油、重油或甲醇。
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