CN100504175C - 燃气轮机低热值燃烧室喷嘴结构与燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃气轮机低热值燃烧室喷嘴结构与燃烧方法，涉及燃气轮机技术领域，采用扩散火焰同部分预混相结合的燃烧方法，来解决低热值燃料气燃烧时的燃烧不稳定和一氧化碳残留问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，是一种燃气轮机低热值燃烧室喷嘴结构与燃烧方法。
背景技术
进入21世纪，能源合理有效利用与环境保护措施的两项指标均必须符合要求。我国大型钢铁企业高能耗一直是我们关注的问题，十一五期间，国家从低燃耗钢铁生产的目的出发，提出了采用高炉气和焦炉气混合，进行燃气轮机发电的措施。另外生物质这种新型能源由于具有不断的可再生性、对环境的友好性和能够抑制全球气候异常的作用，已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，约占全球总能耗的3％。因此，推广生物质发电技术对我国有着特别重要的意义。但高炉煤气和空气气化生物质气的热值均低于1000Kcal/Nm3，因此高炉煤气燃气轮机和低热值生物质气燃气轮机设计的核心难点是低热值燃气轮机燃烧室的设计技术。
燃气轮机燃烧热值低于1000Kcal/Nm3的燃料气主要面临燃烧稳定性和CO残留两个问题。当燃气轮机工作在低负荷时，主燃区的当量比较低，火焰容易被吹熄，需要建立局部的扩散旋流火焰来稳定燃烧；当燃气轮机工作在高负荷时，由于燃料量的增加，低热值燃料中CO的燃烧速率较低，易产生未燃尽的CO残留，降低燃烧效率，增加CO排放，因此需要加强主燃区燃料与空气掺混过程。针对以上低热值燃料气燃烧面临的两个问题，一般的解决办法为采用完全扩散火焰和增强旋流的方法在低负荷状态下稳定火焰、在高负荷增强掺混。但增强旋流会带来燃烧室流阻损失的增加。
发明内容
本发明燃气轮机低热值燃烧室喷嘴结构与燃烧方法，其目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种新的解决方案：采用扩散火焰同部分预混相结合的方法，来解决低热值燃料气燃烧时面临的两大问题：燃烧稳定性和CO残留。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种燃气轮机低热值燃烧室喷嘴的燃烧方法，其采用扩散火焰同部分预混相结合的燃烧方法，来解决低热值燃料气燃烧时的燃烧不稳定和一氧化碳残留问题；其步骤为：
压缩空气从燃烧室后部进入环形通道，依次通过火焰筒壁面的各种进气孔进入火焰筒，剩余的空气组成一次空气，由火焰筒头部的燃烧室喷嘴上的空气旋流器进入旋流器通道；
第一排燃料射流通过第一排燃料旋流射流孔直接射入旋流器通道，同旋流器通道内的一次空气形成富燃料预混气；
第二排燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，其射流轨迹直接射入燃烧室；
当燃气轮机工作在低负荷时，第二排燃料射流形成纯扩散火焰，作为稳定着火点，保持燃烧稳定；
当燃气轮机工作在高负荷时，第一排燃料射流在旋流器通道内即同一次空气形成掺混，且第二排燃料射流位于旋流器通道出口，也可迅速完成掺混，增强了主燃区的掺混过程，保证一氧化碳燃尽。
所述的燃烧方法，其所述燃烧室，是回流式分管型燃烧室，每一个分管燃烧室内有一个燃烧室喷嘴。
一种所述的燃烧方法使用的燃烧室喷嘴，包括空气旋流器、燃油喷嘴；其空气旋流器包括空气旋流器内环、空气旋流器外环、燃料气旋流射流孔和空气旋流射流孔；
空气旋流器内、外环共一中心轴线，蘑菇状中空的空气旋流器内环的伞状部，置入圆筒状空气旋流器外环的轴部空腔内，以空气旋流器空气进口端为上方，空气旋流器空气出口端为下方，也即伞状部的大头为上方，小头为下方，空气旋流器内环的顶部与空气旋流器外环的上端平齐，伞状部周缘固接于空气旋流器外环的内壁，空气旋流器内环的顶端面和空气旋流器外环内壁之间的空隙构成旋流器通道；
圆筒状空气旋流器外环侧壁上部周圆上，设有环状均匀分布的多数个空气旋流射流孔；蘑菇状中空的空气旋流器内环的顶端轴线上设有一燃油喷嘴口，其上部伞状部上，设有两排燃料射流孔：第一排的燃料旋流射流孔位于旋流器通道底部，环状均匀分布，靠近空气旋流射流孔出口，与空气旋流射流孔为同向旋流，一一对应；第二排的燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，环状均匀分布在旋流器通道出口的内周圆上，围于燃油口周圆，与空气旋流射流孔也为同向旋流；
燃油喷嘴置入空气旋流器内环的轴部空腔内，密封滑配，燃油喷嘴的喷口正对燃油口，位于空气旋流器内、外环的公共轴线上。
所述的燃烧室喷嘴，其所述空气旋流射流孔，至少为24个Φ12的通孔，空气旋流射流孔轴线与轴向的夹角是29°。
所述的燃烧室喷嘴，其所述第一排的燃料旋流射流孔，至少为24个Φ10的通孔；第二排的燃料旋流射流孔，至少为12个Φ10的通孔。
所述的燃烧室喷嘴，其所述空气旋流器内环的伞状部固接于空气旋流器外环的内壁，是固接于空气旋流器外环侧壁上的空气旋流射流孔出口的后方。
所述的燃烧室喷嘴，其还包括一法兰状主安装边，其为空气旋流器内环、空气旋流器外环，燃油喷嘴之间的连接件，由筒型的连接段和法兰板构成；主安装边的筒型连接段的筒的直径与空气旋流器外环的外径相适配，通过螺栓固定在法兰板上，接触面以垫片密封，用于密封燃料气路与空气路；法兰板上分别设有与空气旋流器内环后端和燃油喷嘴后端相适配的凸起接座，在与空气旋流器内环后端相适配的凸起接座与筒型连接端之间开有通孔，为燃料气通孔；在与燃油喷嘴后端相适配的凸起接座内壁上设有螺纹，法兰板在接座内的部分开有通孔，为雾化空气通孔；在与空气旋流器内环的后端相适配的凸起接座上有侧向密封槽，用于密封燃料气路与雾化空气路，且不会造成过定位。
所述的燃烧室喷嘴，其所述的燃烧室喷嘴，其所述空气旋流器外环的底端边缘固接于法兰状主安装边的筒型连接段的上端，空气旋流器内环的底端侧面与主安装边的法兰板上凸起接座的相应内壁以胀圈密封连接；旋流器外环轴部空腔内壁与空气旋流器内环下部外周圆围成的空腔，通过法兰板上的燃料气通孔和燃料供应管道相通；燃油喷嘴和主安装边轴线上的凸起接座以螺纹密封连接，燃油喷嘴后部与燃油供应管道相通。
附图说明
图1是本发明采用扩散火焰同部分预混相结合的燃气轮机低热值喷嘴的结构与燃烧方法示意图；
图2是本发明高炉煤气燃烧室整体结构示意图；
图3是本发明高炉煤气燃烧室喷嘴立体结构示意图；
图4是本发明高炉煤气燃烧室喷嘴内部结构示意图；
图5是本发明高炉煤气燃烧室喷嘴工艺结构示意图
图6是本发明燃烧室纵截面上轴向速度分布图；
图7是本发明燃烧室头部CO2质量分数分布图；
图8是本发明燃烧室头部径向速度分布图；
图9是本发明火焰筒头部壁面温度分布图；
图10是本发明过渡段纵截面和进出口温度分布图。
具体实施方式
图1为是本发明采用扩散火焰同部分预混相结合的低热值喷嘴设计方法与结构特征。这种新型的喷嘴9采用空气旋流射流孔11、旋流器通道4构成的空气旋流器1(同时参照图3)，燃料射流分为二排，第一排燃料射流2通过第一排燃料旋流射流孔3直接射入旋流器通道4，同旋流器通道4内的一次空气5形成富燃料预混气，第二排燃料旋流射流孔6位于旋流器通道4出口，其射流轨迹直接射入燃烧室。当燃气轮机工作在低负荷时，第二排燃料射流7形成纯扩散火焰，作为稳定着火点保持燃烧稳定。当燃气轮机工作在高负荷时，第一排燃料射流2在旋流器通道4内即同一次空气5形成掺混，且第二排燃料射流7位于旋流器通道4出口，也可迅速完成掺混，增强了主燃区8的掺混过程，保证CO燃尽。
应用本发明方法设计的高炉煤气燃烧室喷嘴为燃烧室主要部件，位于燃烧室的头部。图2是燃烧室整体结构示意图，该燃烧室是回流式分管型燃烧室，每一个分管燃烧室内有一个燃烧室喷嘴9、圆筒形火焰筒23，火焰筒23和外面的导流衬套27形成环形通道，压缩空气从燃烧室后部进入环形通道，然后依次通过火焰筒23壁面的各种进气孔(包括冷却孔28、掺混孔26和主燃孔25等)进入火焰筒23，剩余的空气组成一次空气5，最后由火焰筒23头部的燃烧室喷嘴9上的空气旋流器1进入燃烧室。在火焰筒23后接过渡段24，把圆形的火焰筒23出口转成扇形，后面再接燃气透平。
如图3所示，是应用本发明方法设计的高炉煤气喷嘴9立体结构，由空气旋流器1与燃料射流孔3、6构成，其中空气旋流器1为径向旋流器，由空气旋流射流孔11、旋流器通道4构成。在空气旋流器侧壁周圆上均匀设置有24个Φ12的空气旋流射流孔11，空气旋流射流孔11与轴向的夹角是29°。
图4为本发明高炉煤气燃烧室喷嘴内部结构示意图，图中可以看到，空气旋流器内、外环13、17共一中心轴线，蘑菇状中空的空气旋流器内环13的伞状部，置入圆筒状空气旋流器外环17的轴部空腔内，以空气旋流器1空气进口端为上方，空气旋流器1空气出口端为下方，也即伞状部的大头为上方，小头为下方，空气旋流器内环13的顶部与空气旋流器外环17的上端平齐，伞状部周缘固接于空气旋流器外环17的内壁，空气旋流器内环13的顶端面和空气旋流器外环17内壁之间的空隙构成旋流器通道4。
蘑菇状中空的空气旋流器内环13的顶端设有燃油口14，燃料射流孔3、6位于空气旋流器内环13的伞状部，分两排设置：第一排燃料旋流射流孔3位于旋流器通道4底部，共有24个Φ10的第一排燃料旋流射流孔3，环状均匀分布，靠近空气旋流射流孔11出口，与空气旋流射流孔11为同向旋流，一一对应；第二排燃料旋流射流孔6位于旋流器通道4出口，共有12个Φ10的第二排燃料旋流射流孔6，环状均匀分布在旋流器通道4出口的内周圆上，围于燃油口14周圆，与空气旋流射流孔11也为同向旋流。
燃气轮机满负荷工作时，第一排燃料旋流射流孔3的旋流射流2同一次空气5在空气旋流器1的通道4内预混，形成富预混气。在燃气轮机部分负荷工作时，第二排燃料旋流射流孔6产生的第二排燃料射流7成为稳定点火源。
图5为应用本发明设计方法的高炉煤气燃烧室喷嘴工艺结构示意图，图中：燃烧室喷嘴9包括主安装边16、空气旋流器内环13(带有燃料射流孔)、空气旋流器外环17、燃油喷嘴18。圆筒状空气旋流器外环17侧壁上部周圆上，由电火花加工完成24个Φ12的空气旋流射流孔11，每个旋流射流孔11与轴向的夹角都是29°。蘑菇状中空的空气旋流器内环13也为圆筒状，在其伞状上部，由电火花加工完成两排燃料旋流射流孔：24个Φ10的第一排燃料旋流射流孔3，位于伞状部边缘，12个Φ10的第二排燃料旋流射流孔6，位于伞状部顶端，燃油口14周圆上；两排燃料旋流射流孔3、6的走向，与空气旋流射流孔11相同。
将空气旋流器内环13的伞状部，置入圆筒状空气旋流器外环17的轴部空腔内，空气旋流器内环13的顶部与空气旋流器外环17的上端平齐，通过激光焊，把空气旋流器内环13的伞状部边缘焊于空气旋流器外环17的内壁，空气旋流射流孔11出口的后方19处，使空气旋流器内环13与空气旋流器外环17固接。将燃油喷嘴18置入空气旋流器内环13的轴部空腔内，密封滑配，燃油喷嘴18的喷口正对燃油口14。
法兰状主安装边16，其为空气旋流器内外环13、17，燃油喷嘴18之间的连接件，由筒型的连接段29和法兰板30构成；主安装边16的筒型连接段29的筒径与空气旋流器外环17的外径相适配，下端设有圆形底板，底板直径大于筒型连接段29的筒径，底板伸出筒型连接段29筒径的部分上设有通孔，通孔与螺栓15相适配，通过螺栓15固定在法兰板30上，接触面以垫片20密封；法兰板30位于筒型连接段29筒径内的部分中心，分别设有与空气旋流器内环13的后端和燃油喷嘴18后端相适配的凸起接座，在与燃油喷嘴18后端相适配的凸起接座内壁上设有螺纹，法兰板30的中心开有通孔；在与空气旋流器内环13的后端相适配的凸起接座上有侧向密封槽，筒型连接段29筒内壁与凸起接座之间的法兰板上有通孔。
空气旋流器外环17的底端边缘固接于主安装边16的筒型连接段29的上端，空气旋流器内环13的底端侧面与主安装边16的法兰板上凸起接座的相应内壁以胀圈21密封连接；空气旋流器外环17轴部空腔内壁与空气旋流器内环13下部外周圆围成的空腔，通过法兰板30上的通孔和燃料供应管道相通(图中没示出)。燃油喷嘴18和主安装边16轴线上的接座以螺纹22密封连接，燃油喷嘴18后部与燃油供应管道相通(图中没示出)。
应用本发明方法的高炉煤气燃烧室CFD模拟结果：
为了检验该新型喷嘴的效果，对某型号燃气轮机燃烧室采用了本发明的喷嘴燃烧低热值高炉煤气时的工况进行了数值模拟。
图6是本发明燃烧室纵截面上的轴向速度分布图，由于该喷嘴的轴向喷射速度很大，因此在燃烧室主燃区内没有形成中心回流区，而是在喷嘴射流外侧出现了一个环形低速回流区，这样高温烟气就会从外侧回流达到稳定火焰的目的。
图7是本发明燃烧室头部的CO2质量分数分布图。如图所示，由于喷嘴出口是收敛形式的，因此射流在刚离开喷嘴时具有向心的径向速度，并且因为喷嘴射流的轴向速度很大，射流刚出喷嘴还不会向外侧扩张；随着离开喷嘴的距离增大，射流在离心力的作用下，向心的径向速度逐渐变成离心，在主燃孔之前其径向速度达到最大(见图8)，于是射流开始向外扩张，形成外侧回流区。燃烧产生的高温烟气以及从主燃孔进入的空气都被带入外侧回流区，流向燃烧室头部，既可以起到稳定火焰的作用，又增强了空气和燃料的混合。由于燃烧室头部的顺流区位于中心，对于主燃孔射流的冲击比较弱，因此主燃孔的穿透深度很大(见图8)，进一步增强了燃料和空气的掺混。
图9是本发明燃烧室的火焰筒头部壁面温度分布，由于燃料与空气的主要反应区以及高温烟气都位于燃烧室的中心(见图7)，远离火焰筒壁面，因此火焰筒的壁面温度比较均匀并且最高值小于800K，也低于火焰筒材料能够承受的最高温度，有利于延长火焰筒的使用寿命。
图10是接在火焰筒后的过渡段纵截面和进出口上温度分布，如图所示，高温烟气在经过过渡段之后，温度分布不均匀度大大降低，横截面上的最高温度由入口的619K下降到1363K，温度分布系数从过渡段入口(即火焰筒出口)的0.256下降到0.086，满足透平对入口温度分布的要求。
综上所述，燃气轮机燃烧室采用本发明新型喷嘴来燃烧低热值高炉煤气，既能保证低负荷下的燃烧稳定性，又能够增强燃料和空气的混合，强化CO和O2的反应，降低CO的排放，提高燃烧效率，能够满足燃烧室的设计要求。
Claims (8)
1、一种燃气轮机低热值燃烧室喷嘴的燃烧方法，其特征在于，采用扩散火焰同部分预混相结合的燃烧方法，来解决低热值燃料气燃烧时的燃烧不稳定和一氧化碳残留问题；其步骤为：
压缩空气从燃烧室后部进入环形通道，依次通过火焰筒壁面的各种进气孔进入火焰筒，剩余的空气组成一次空气，由火焰筒头部的燃烧室喷嘴上的空气旋流器进入旋流器通道；
第一排燃料射流通过第一排燃料旋流射流孔直接射入旋流器通道，同旋流器通道内的一次空气形成富燃料预混气；
第二排燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，其射流轨迹直接射入燃烧室；
当燃气轮机工作在低负荷时，第二排燃料射流形成纯扩散火焰，作为稳定着火点，保持燃烧稳定；
当燃气轮机工作在高负荷时，第一排燃料射流在旋流器通道内即同一次空气形成掺混，且第二排燃料射流位于旋流器通道出口，也可迅速完成掺混，增强了主燃区的掺混过程，保证一氧化碳燃尽。
2、如权利要求1所述的燃烧方法，其特征在于，所述燃烧室，是回流式分管型燃烧室，每一个分管燃烧室内有一个燃烧室喷嘴。
3、一种如权利要求1所述的燃烧方法使用的燃烧室喷嘴，包括空气旋流器、燃油喷嘴；其特征在于，空气旋流器包括空气旋流器内环、空气旋流器外环、燃料旋流射流孔和空气旋流射流孔；
空气旋流器内、外环共一中心轴线，蘑菇状中空的空气旋流器内环的伞状部，置入圆筒状空气旋流器外环的轴部空腔内，以空气旋流器空气进口端为上方，空气旋流器空气出口端为下方，也即伞状部的大头为上方，小头为下方，空气旋流器内环的上方直径与空气旋流器外环的上方直径相同，内环伞状部大头固接于空气旋流器外环的内壁，空气旋流器内环的顶端面和空气旋流器外环内壁之间的空隙构成旋流器通道；
圆筒状空气旋流器外环侧壁上部周圆上，设有环状均匀分布的多数个空气旋流射流孔；蘑菇状中空的空气旋流器内环的伞状部上，设有两排燃料旋流射流孔：第一排的燃料旋流射流孔位于旋流器通道底部，环状均匀分布，靠近空气旋流射流孔出口，与空气旋流射流孔为同向旋流，一一对应；第二排的燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，环状均匀分布在旋流器通道出口的内周圆上，与空气旋流射流孔也为同向旋流；
燃油喷嘴置入空气旋流器内环的轴部空腔内，密封滑配，燃油喷嘴的喷口正对燃油口，位于空气旋流器内、外环的公共轴线上。
4、如权利要求3所述的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述多数个空气旋流射流孔，至少为24个Φ12的通孔，空气旋流射流孔轴线与轴向的夹角是29°。
5、如权利要求3所述的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述第一排的燃料旋流射流孔，至少为24个Φ10的通孔；第二排的燃料旋流射流孔，至少为12个Φ10的通孔。
6、如权利要求3所述的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述空气旋流器内环的伞状部固接于空气旋流器外环的内壁，是固接于空气旋流器外环侧壁上的空气旋流射流孔出口的后方。
7、如权利要求3所述的燃烧室喷嘴，其特征在于，还包括一法兰状主安装边，其为空气旋流器内环、空气旋流器外环，燃油喷嘴之间的连接件，由筒型的连接段和法兰板构成；主安装边的筒型连接段的筒的直径与空气旋流器外环的外径相适配，通过螺栓固定在法兰板上，接触面以垫片密封，用于密封燃料气路与空气路；法兰板上分别设有与空气旋流器内环后端和燃油喷嘴后端相适配的凸起接座，在与空气旋流器内环后端相适配的凸起接座与筒型连接段之间开有通孔，为燃料气通孔；在与燃油喷嘴后端相适配的凸起接座内壁上设有螺纹。
8、如权利要求7所述的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述的燃烧室喷嘴，其所述空气旋流器外环的上端边缘固接于法兰状主安装边的筒型连接段的下端，空气旋流器内环的上端侧面与主安装边的法兰板上凸起接座的相应内壁以胀圈密封连接；空气旋流器外环轴部空腔内壁与空气旋流器内环上部外周圆围成的空腔，通过法兰板上的燃料气通孔和燃料供应管道相通；燃油喷嘴和主安装边轴线上的凸起接座以螺纹密封连接，燃油喷嘴后部与燃油供应管道相通。
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