CN108592083B - 采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室及其控制方法，燃烧室包括括燃烧室头部和火焰筒，燃烧室头部包括第一燃料空气喷射***和沿径向位于第一燃料空气喷射***外侧的第二燃料空气喷射***，燃料分级供入第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***，第一燃料空气喷射***与第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在火焰筒并联两级区间内进行预混贫燃料燃烧。其通过多级燃料供给控制与空气预混，能更好地适应多种燃料燃烧；有利于减少污染物的排放；能实现不同燃料按比例同时供入，优化混合燃烧性能控制，可在更宽的工作范围内保持预混贫燃料燃烧的稳定性和低污染排放性能。

Description

采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室及其控制方法

技术领域

本发明涉及低污染燃烧领域，特别地，涉及一种采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室及其控制方法。

背景技术

地面燃气轮机广泛应用于电厂、动力机械、分布式供能、生物质气及其它燃料气体能源应用等与人们生活密切相关的场合，世界各国对NO_X、CO、UHC等的排放要求越来越严格，促使低污染燃烧室技术不断得到发展。世界各大知名发动机公司为了抢占市场以及满足日趋严格的污染排放标准，都在深入研究低污染技术，一方面是为了提高产品在市场上的竞争力，另一方面也是为未来市场对低排放燃气轮机的需求进行技术储备。地面燃气轮机国外在大量实验的基础上进行了既能控制NO_X又能兼顾控制其他污染物排放的低污染燃烧技术攻关，目前应用的DLN燃烧技术主要有分级燃烧、贫燃料预混预蒸发燃烧（LPP）、富燃料/淬冷/贫燃料燃烧（RQL）和催化燃烧等。

航空发动机改地面燃气轮机或利用航空发动机的成熟核心技术开发地面燃气轮机是世界工业化发达国家常用的方法，我国在航空发动机改地面燃气轮机方面有将近四十年的历史，积累了很多经验，但在低污染排放技术研究与实际应用方面还很落后，地面燃气轮机目前主要依赖进口或国内组装生产。随着国家对排放标准要求的提高，我国的一些科研院所、大学等相继开展了低污染燃烧技术研究；但针对节能减排背景下的替代燃料，能适应生物质气及多燃料的中小型、微型燃气轮机低污染燃烧室设计关键技术在我国还没有重大突破，与发达国家比还存在很大差距。

国内外燃气轮机及工业燃烧器低污染燃烧，采用现有预混合贫燃料燃烧方案的主要缺点如下：1) 不能同时适应多种燃料，如生物质气和天然气；2）针对不同特性及热值的燃料需更换燃料喷嘴或火焰筒头部；3）现有技术为保证点火起动以及运行过程中燃烧的稳定性和燃气轮机工况变化不熄火，一般需设置值班喷嘴，值班喷嘴采用传统的扩散燃烧方式，易产生一定量的污染物排放；4）预混稳定燃烧调节范围小；5）不能根据燃气轮机的工况变化和使用燃料的不同改变火焰筒头部的空气进入量，因此不能在较宽的范围调节维持低污染燃烧所需的最佳燃料/空气比参数；6）运行工况及燃料特性变化范围大时容易造成燃烧不稳定以及污染物如：CO、NOx、UCH等排放量的增加。

发明内容

本发明提供了一种采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室及其控制方法，以解决传统的扩散燃烧方式容易产生污染物以及无法同时适应多燃料低污染稳定燃烧的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室，包括燃烧室头部和火焰筒，燃烧室头部包括第一燃料空气喷射***和沿径向位于第一燃料空气喷射***外侧的第二燃料空气喷射***，燃料分级供入第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***，

第一燃料空气喷射***包括位于中心点火电咀外的燃料中心进气管、设置于燃料中心进气管上的第一级喷嘴、设置于燃料中心进气管外侧的内旋流器、以及第二级喷嘴，其中，第一级燃料通过第一级喷嘴直接喷射进入火焰筒，第二级燃料经第二级喷嘴喷出并与进入内旋流器的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒，第一级燃料与第二级燃料进入火焰筒用于实现第一级区间燃烧；

第二燃料空气喷射***包括位于内旋流器外侧的外旋流器、第三级喷嘴以及变截面进气调节组件，变截面进气调节组件设置于外旋流器所在通道的外侧并位于外旋流器的下游，用于调节进入外旋流器下游的空气进入量，其中，第三级燃料经第三级喷嘴喷出并与进入外旋流器的空气和自变截面进气调节组件进入的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒，用于实现第二级区间燃烧；

第一燃料空气喷射***与第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在火焰筒并联两级区间内进行预混贫燃料燃烧。

进一步地，第二燃料空气喷射***还包括第四级喷嘴，其中，第四级燃料经第四级喷嘴喷出并与进入外旋流器的空气和自变截面进气调节组件进入的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒，用于实现第二级区间燃烧。

进一步地，变截面进气调节组件包括固定于外旋流器所在通道外的进气流道件和旋转套设于进气流道件***的调气环，进气流道件沿圆周开设有多个进气孔，调气环上沿圆周开设有与进气孔对应的多个通孔，其中，调气环相对进气流道件旋转时通孔与进气孔的重叠度改变从而改变进气截面积。

进一步地，通孔的截面面积沿空气进入方向渐缩；

进气孔的入口截面积等于通孔的出口截面积。

进一步地，内旋流器与外旋流器的旋流方向相同。

进一步地，第一燃料空气喷射***还包括设置于燃料中心进气管外侧的内流道，内旋流器连接于内流道的入口或者出口；

第二燃料空气喷射***还包括设置于内流道外侧的外流道，外旋流器连接于外流道的入口或者出口。

根据本发明的另一方面，还提供一种应用于上述的采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室的控制方法，包括以下步骤：

调节变截面进气调节组件的进气截面全关使其进气量为零，第一燃料空气喷射***中的第一级喷嘴供入燃料直至燃气轮机完成起动；

当燃气轮机达到预定工况时，第一燃料空气喷射***中的第二级喷嘴开始逐渐供入燃料，第一级喷嘴同步逐渐减少供入燃料，使得第一燃料空气喷射***转为供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物，变截面进气调节组件的进气截面保持全关；

当燃气轮机加负载时，调节变截面进气调节组件的进气截面开度逐渐增大直至全开，第二燃料空气喷射***向火焰筒旋流喷射供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物。

进一步地，调节变截面进气调节组件的进气截面包括：

控制变截面进气调节组件的调气环相对进气流道件旋转，使得通孔与进气孔的重叠度改变。

进一步地，对于单轴燃气轮机，

当燃料用高热值燃料时，单轴燃气轮机达到空载状态时，控制第一级喷嘴逐渐减少直至停止供入燃料，同时第二级喷嘴开始同步供入燃料并由经内旋流器与空气预混后进入火焰筒，并逐渐同步增加直至替代第一级喷嘴供入燃料，调节过程中，第二级喷嘴的燃料增加量与第一级喷嘴的燃料减少量同步相等且燃气轮机工作状态参数不变；

当燃料用中、低热值燃料时，燃气轮机起动首先由第一级喷嘴供给燃料，达到预定转速后第二级喷嘴开始供入燃料，单轴燃气轮机达到空载状态时，控制第一级喷嘴逐渐减少供入燃料，同时第二级喷嘴开始同步增加供入燃料并由经内旋流器与空气预混后进入火焰筒，并逐渐同步增加直至内旋流第一级燃烧区燃料主要由第二级喷嘴供入，调节过程中，第二级喷嘴的燃料增加量与第一级喷嘴的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。

进一步地，对于分轴燃气轮机，

当燃料用高热值燃料时，分轴燃气轮机达到空载状态后开始增加负载，此时第二燃料空气喷射***开始供入燃料，当分轴燃气轮机达到10%~45%负载时，控制第一级喷嘴逐渐减少直至停止供入燃料，同时第二级喷嘴开始同步供入燃料并由经内旋流器与空气预混后进入火焰筒，并逐渐同步增加直至替代第一级喷嘴供入燃料，调节过程中，第二级喷嘴的燃料增加量与第一级喷嘴的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变；

当燃料用中低热值燃料时，分轴燃气轮机起动并达到预定转速后，第一级喷嘴供给燃料保持不变，第二级喷嘴开始供入燃料并经内旋流器与空气预混后进入火焰筒直至分轴燃气轮机达到空载状态；随后，第三级喷嘴开始供入燃料，当分轴燃气轮机达到10%~45%负载时，控制第一级喷嘴逐渐减少供入燃料，同时第二级喷嘴开始同步逐渐增加供入燃料并由经内旋流器与空气预混后进入火焰筒，调节直至内旋流第一级燃烧区燃料主要由第二级喷嘴供入，调节过程中，第二级喷嘴的燃料增加量与第一级喷嘴的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。

进一步地，燃气轮机负载运行工况下，通过控制改变第一级喷嘴、第二级喷嘴、第三级喷嘴、第四级喷嘴喷入火焰筒的燃料供入比例，实现最优燃烧及最低污染物的排放。

本发明通过第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***分别喷射燃料空气混合物在火焰筒中进行预混贫燃料并联两级分区燃烧的方式，在采用预混贫燃料分级分区燃烧的同时，燃料采用多级供入，能更好地适应多种燃料的低污染燃烧，包括低热值燃料，组织低污染燃烧；其中第一级燃烧区也采用预混贫燃料的低污染燃烧方式，不需要值班扩散燃烧，更有利于减少污染物的排放；第二级燃料空气喷射***采用变截面进气调节组件调节空气进入量，保持燃料与空气比在燃气轮机运行更宽的工况范围以及使用不同特性燃料的情况下，适应高效低污染燃烧条件；分级的喷嘴能实现不同燃料按比例同时供入，优化混合燃烧性能控制，在火焰筒内实现低污染混合燃烧。本发明通过多级燃料供给控制与空气预混，能更好地适应多种燃料燃烧；有利于减少污染物的排放；能实现不同燃料按比例同时供入，优化混合燃烧性能控制，在火焰筒内实现低污染混合燃烧，根据燃气轮机的不同工况和使用不同特性的燃料，运行过程中通过改变燃烧室头部进气截面积，调节空气流量，可在更宽的工作范围内保持预混贫燃料燃烧的稳定性和低污染排放性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室的第二实施例的结构示意图；

图3是本发明采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室的第三实施例的结构示意图；

图4是本发明采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室的第四实施例的结构示意图；

图5是图3中变截面进气调节组件沿A-A线的剖面示意图，图中进气孔处于全开的工作状态；

图6是变截面进气调节组件中进气孔部分打开时的工作状态示意图；

图7是变截面进气调节组件中进气孔全关时的工作状态示意图。

附图标号说明：

1、燃烧室头部；10、点火电咀；11、燃料中心进气管；110、第一级喷嘴；12、内旋流器；13、第二级喷嘴；14、外旋流器；15、第三级喷嘴；16、第四级喷嘴；17、内流道；18、外流道；2、火焰筒；3、变截面进气调节组件；30、进气流道件；301、进气孔；31、调气环； 311、通孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的第一实施例提供了一种采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室，包括燃烧室头部1和火焰筒2，燃烧室头部1包括第一燃料空气喷射***和沿径向位于第一燃料空气喷射***外侧的第二燃料空气喷射***，燃料分级供入第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***。本发明的适应多燃料的燃烧室中，第一燃料空气喷射***与第二燃料空气喷射***均具备预混合功能，第一燃料空气喷射***与第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在火焰筒2中形成的两级并联燃烧区进行预混贫燃料燃烧。

具体地，第一燃料空气喷射***包括位于中心点火电咀10外的燃料中心进气管11、设置于燃料中心进气管11上的第一级喷嘴110、设置于燃料中心进气管11外侧的内旋流器12、以及第二级喷嘴13。

本实施例中，第一级喷嘴110设置于燃料中心进气管11的周壁上，且包括沿圆周均布的多个喷孔，形成多点喷射。第一级燃料通过第一级喷嘴110直接喷射进入火焰筒2。

本实施例中，内旋流器12为轴流旋流器。第二级喷嘴13位于内旋流器12的上游，并正对内旋流器12。第二级燃料通过第二级喷嘴13喷出进入内旋流器12的叶片通道内，并与进入内旋流器12的空气进行预混后，以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒2中。第一级燃料与第二级燃料进入火焰筒2的第一级燃烧区中实现第一级区间燃烧。

第二燃料空气喷射***包括位于内旋流器12外侧的外旋流器14、第三级喷嘴15以及变截面进气调节组件3。所述变截面进气调节组件3设置于外旋流器14所在通道的外侧并位于所述外旋流器14的下游，用于调节进入所述外旋流器14下游的空气进入量。本实施例中，第三级喷嘴15设置于外旋流器14的侧壁上。其中，第三级燃料通过第三级喷嘴15喷出进入外旋流器14的叶片通道内，并与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气进行预混后，以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒2中，在第二级燃烧区中实现第二级区间燃烧。本实施例中，外旋流器14也为轴流旋流器。

进一步地，本实施例中，第二燃料空气喷射***还包括第四级喷嘴16。本实施例中，第四级喷嘴16也设置于外旋流器14的侧壁上。其中，第四级燃料通过第四级喷嘴16喷出进入外旋流器14的叶片通道内，并与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气进行预混后，以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒2中，在第二级燃烧区中实现第二级区间燃烧。本实施例中，第二级燃料与进入内旋流器12的空气预混后以贫燃料状态从内旋流器12旋流喷射进入火焰筒2，第三、四级燃料分别与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气预混后以贫燃料状态从外旋流器14旋流喷射进入火焰筒2。

第三级喷嘴15与第四级喷嘴16这两组喷嘴共同向外旋流器14通道喷入燃料，有利于燃料的流量在更大范围内进行调节控制，并在更大调节范围内保证燃料的预混合特性(保持燃料与空气一定范围的相对速度等，以利于预混合掺混。同时两组喷嘴的设计增强了对燃料的适应性，可择一工作或者两组喷嘴同时工作，并根据燃气轮机工况调节燃料流量，有利于保证燃料的稳定调节和预混合掺混性能。另外，这两组喷嘴还可分别供给两种燃料，实现多燃料预混合低污染燃烧，可用于当一种燃料供应不足时补充另外一种燃料，增加应用范围。

本发明的第一燃料空气喷射***中，第一级喷嘴110与第二级喷嘴13可分别供给两种不同的燃料，实现多燃料的混合低污染燃烧。本发明的四级燃料供给通道及喷嘴，可分别通入同种特性的燃料，也可以分别通入不同特性的燃料进行预混合低污染燃烧。燃料为天然气、生物质气化气、沼气、煤层气、煤气、页岩气、石油气、垃圾填埋气等气体燃料中的任一种。

进一步地，第一级喷嘴110、第二级喷嘴13、第三级喷嘴15和第四级喷嘴16均包括沿圆周均布的多个喷孔。此种结构能形成多点喷射并与空气混合，燃料与空气预混合后进入火焰筒2。

进一步地，本实施例中，内旋流器12与外旋流器14的旋流方向相同，有利于稳定燃烧。

参照图1和图5，所述变截面进气调节组件3包括固定于外旋流器14所在通道外的进气流道件30和旋转套设于所述进气流道件30***的调气环31。所述进气流道件30沿圆周开设有多个进气孔301。多个进气孔301均匀布设。进气孔301可以是圆孔也可以是方孔。所述调气环31上沿圆周开设有与所述进气孔301对应的多个通孔311。多个通孔311均匀布设。通孔311可以是圆孔也可以是方孔，其尺寸和数量与进气流道件30上的进气孔301一致。其中，所述调气环31相对所述进气流道件30旋转时，所述通孔311与所述进气孔301的重叠度改变从而改变进气截面积，由此达到调节进气流量的目的。

可选地，所述通孔311的截面面积沿空气进入方向渐缩。通孔311的入口截面积大于其出口截面积，可减小通孔311外圈入口处对空气的阻力，保证空气顺利进入进气孔301以与燃料有效混合。在其它实施例中，通孔311的截面面积可保持恒定，即通孔311的入口截面积等于其出口截面积。所述进气孔301的入口截面积等于或小于所述通孔311的出口截面积，保证变截面进气调节组件3全开时进气孔301与通孔311良好衔接全部打开，减小对空气阻力和提高空气利用率。

参照图2，本发明的第二实施例中，其与第一实施例基本相同，不同之处在于：第一燃料空气喷射***还包括设置于燃料中心进气管11外侧的内流道17，内旋流器12连接于内流道17的靠近出口位置处亦即靠近火焰筒2的位置，内旋流器12为轴流旋流器，第二级喷嘴13设置于内流道17的侧壁上且位于内旋流器12的上游。其不同之处还在于：第二燃料空气喷射***还包括设置于内流道17外侧的外流道18，外旋流器14连接于外流道18的入口位置处，外旋流器14为径向旋流器，第三级喷嘴15和第四级喷嘴16设置于外旋流器14的侧壁上，进气流道件30固定安装于外流道18的外侧壁上，且靠近外流道18的出口。本实施例中，第二级燃料自内流道17与进入内旋流器12的空气预混后从内旋流器12旋流喷射进入火焰筒2，第三、四级燃料分别与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气预混后从外流道18旋流喷射进入火焰筒2。

参照图3，本发明的第三实施例中，其与第二实施例基本相同，不同之处在于：内旋流器12为径向旋流器，内旋流器12连接于内流道17的入口位置处，第二级喷嘴13设置于内流道17的侧壁上且位于内旋流器12的下游。本实施例中，第二级燃料与空气预混后从内流道17旋流喷出，第三、四级燃料分别与空气预混后从外流道18旋流喷出。当然，第二级喷嘴13也可以设置于内旋流器12的侧壁上，第三级喷嘴15和第四级喷嘴16也可以设置于外流道18的侧壁上。本发明并不局限于此。

参照图4，本发明的第四实施例中，其与第三实施例基本相同，不同之处在于：外旋流器14为轴流旋流器，外旋流器14连接于靠近外流道18的出口位置处，第三级喷嘴15和第四级喷嘴16设置于外流道18的侧壁上且位于外旋流器14的上游，进气流道件30设置于外流道18的外侧壁上并位于所述外旋流器14的下游。当然，第三级喷嘴15和第四级喷嘴16也可以设置于外旋流器14的侧壁上。本发明并不局限于此。

本发明的适应多燃料低污染排放的燃烧室，可应用于燃气轮机，也可应用于工业燃烧器，例如低污染冶金工业炉、石油化工工业炉、锅炉、环境保护污染物处理炉、生物质可再生能源应用等热工设备的低污染节能燃烧设备。

根据本发明的另一方面，还提供了一种应用于上述的采用变截面进气与多级燃料供给的的燃烧室的控制方法，包括以下步骤：

调节所述变截面进气调节组件3的进气截面全关使其进气量为零，第一燃料空气喷射***中的第一级喷嘴110供入燃料直至燃气轮机完成起动；

当燃气轮机达到预定工况时，第一燃料空气喷射***中的第二级喷嘴13开始逐渐供入燃料，第一级喷嘴110同步逐渐减少供入燃料，使得第一燃料空气喷射***转为供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物，所述变截面进气调节组件3的进气截面保持全关；此步骤中，燃料供入变换过程中燃气轮机工作状态参数不变；

当燃气轮机加负载时，调节所述变截面进气调节组件3的进气截面，随燃气轮机负载及燃料的增加开度逐渐增大直至全开，所述第二燃料空气喷射***向所述火焰筒2旋流喷射供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物。

具体地，所述调节所述变截面进气调节组件3的进气截面包括：控制所述变截面进气调节组件3的调气环31相对进气流道件30旋转，使得通孔311与所述进气孔301的重叠度改变。如图7、图6和图5中所示。

参照图1，对于单轴燃气轮机，其多级燃料供给预混与控制过程具体如下：

首先单轴燃气轮机在起动电机的带动下转速开始上升，点火电咀10工作，单轴燃气轮机达到一定转速时第一级喷嘴110开始喷出燃料，点火成功后逐渐增加喷入燃料，单轴燃气轮机转速逐渐增加，直至起动完成到空载状态。

① 当燃料用天然气等高热值燃料时，单轴燃气轮机达到空载状态时，控制第一燃料空气喷射***转为全部供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物：控制第一级喷嘴110逐渐减少直至停止供入燃料，同时第二级喷嘴13开始同步供入燃料并由经内旋流器12与空气预混后进入火焰筒2，并逐渐同步增加直至替代第一级喷嘴110供入燃料，调节过程中第二级喷嘴13的燃料增加量与第一级喷嘴110的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。

② 当燃料用生物质气等中低热值燃料时，燃气轮机起动首先由第一级喷嘴110供给燃料，达到预定转速后第二级喷嘴13开始供入燃料，单轴燃气轮机达到空载状态时，控制第一燃料空气喷射***转为主要供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物：控制第一级喷嘴110逐渐减少至保留供入少量燃料，同时第二级喷嘴13开始同步增加供入燃料并由经内旋流器12与空气预混后进入火焰筒2，并逐渐同步增加直至内旋流第一级燃烧区燃料主要由第二级喷嘴13供入，即调节至第二级喷嘴13供入燃料占第一燃料空气喷射***供入燃料的比例50%以上，调节过程中第二级喷嘴13的燃料增加量与第一级喷嘴110的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。此控制过程中，第一级喷嘴110和第二级喷嘴13的燃料供入具体比例，根据不同燃气轮机及具体燃料情况由设计确定。

当单轴燃气轮机加负载时，旋转调气环31使进气孔301的进气截面随燃气轮机负载及燃料的增加而开度逐渐增大，第二燃料空气喷射***向火焰筒2旋流喷射供入预混贫燃料状态的空气燃料混合可燃气体：第三级喷嘴15或者第四级喷嘴16其中之一供入燃料，并与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气进行预混以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒2。此时，由第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在火焰筒2中形成的两级并联燃烧区进行预混贫燃料燃烧。

单轴燃气轮机加减负载通过调节第二燃料空气喷射***的燃料供入量实现。具体地，当燃料用天然气等高热值燃料时，仅需第三级喷嘴15和第四级喷嘴16其中之一投入工作，加减负载调节通过调节第三级喷嘴15或第四级喷嘴16供给燃料量的增减实现，相应地，可调节进气孔301的进气截面开度对应增大或减小。当燃料用生物质气等中低热值燃料时，加减负载调节通过调节第三级喷嘴15和第四级喷嘴16供给燃料量的增减实现。此供气调节包含两种方案：a)同时调节第三级喷嘴15和第四级喷嘴16的供给燃料量；b)首先调节第三级喷嘴15和第四级喷嘴16的其中之一先开始工作供给燃料，当首先投入工作的第三级喷嘴15和第四级喷嘴16其中之一的控制阀开度≥95%左右时，第三级喷嘴15和第四级喷嘴16中另一开始投入工作，进行加减负载调节。

单轴燃气轮机在由高到低降低负载至空载时，第三级喷嘴15或第四级喷嘴16停止供给燃料，随负载及燃料流量的减小而逐渐减小进气孔301的开度至全关，此时只有第一燃料空气喷射***由第二级喷嘴13供给燃料实现预混贫燃料燃烧（燃用高热值或中高热值燃料时）；当燃用中低热值燃料时，此时第一级喷嘴110少量供给燃料，绝大部分燃料由第二级喷嘴13供给。

同样地参照图1，对于分轴燃气轮机，其多级燃料供给预混与控制过程具体如下：

① 当燃料用天然气等高热值燃料时，第一级喷嘴110供入燃料使分轴燃气轮机起动达到空载状态。加负载时，由安装在外旋流器14上的第三级喷嘴15或者第四级喷嘴16其中之一供入燃料，随负载及燃料流量的增大旋转调气环31使进气孔301的进气截面开度逐渐增大，燃料与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气进行预混后旋流喷射进入火焰筒2。当分轴燃气轮机达到10%~45%左右负载时，控制第一燃料空气喷射***转为全部供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物：控制第一级喷嘴110逐渐减少直至停止供入燃料，同时第二级喷嘴13开始同步供入燃料并由经内旋流器12与空气预混后进入火焰筒2，并逐渐同步增加直至替代第一级喷嘴110供入燃料，调节过程中第二级喷嘴13的燃料增加量与第一级喷嘴110的燃料减少量相等。此时，第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在火焰筒2中进行预混贫燃料并联两级燃烧。对于不同的分轴燃气轮机，控制第一燃料空气喷射***转为全部供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物的预定工况不一样，有些分轴燃气轮机在负载达到10%时即可控制第一燃料空气喷射***转为全部供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物，而另外有些分轴燃气轮机则需要在负载达到45%时控制第一燃料空气喷射***转为全部供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物。

② 当燃料用生物质气等中低热值燃料时，第一级喷嘴110供入燃料点火启动并逐步增加燃料流量，分轴燃气轮机达到预定转速后，第二级喷嘴13开始供入燃料并经内旋流器12与空气预混后进入火焰筒2直至分轴燃气轮机达到空载状态。加负载时由第二燃料空气喷射***向火焰筒2供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物：由安装在外旋流器14上的第三级喷嘴15或者第四级喷嘴16其中之一供入燃料，随负载及燃料流量的增大旋转调气环31使进气孔301的进气截面开度逐渐增大，燃料与进入外旋流器14的空气和自所述变截面进气调节组件3进入的空气预混后进入火焰筒2。当分轴燃气轮机达到10%~45%左右负载时，控制第一燃料空气喷射***转为主要供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物：控制第一级喷嘴110逐渐减少至保留供入少量燃料，同时第二级喷嘴13开始同步逐渐增加供入燃料并由经内旋流器12与空气预混后进入火焰筒2，并逐渐同步增加直至内旋流第一级燃烧区燃料主要由第二级喷嘴13供入，即调节至第二级喷嘴13供入燃料占第一燃料空气喷射***供入燃料的比例50%以上，调节过程中第二级喷嘴13的燃料增加量与第一级喷嘴110的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。此时，由第一燃料空气喷射***和第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在火焰筒2中进行预混贫燃料并联两级燃烧。此控制过程中，第一级喷嘴110和第二级喷嘴13的燃料供入具体比例，根据不同燃气轮机及具体燃料情况由设计确定。

与单轴燃气轮机类似地，分轴燃气轮机的加减负载调节也是通过调节第二燃料空气喷射***的燃料供入量实现，相应地，可调节进气孔301的进气截面开度对应增大或减小。分轴燃气轮机在由高到低降低负载至10%~45%时第三级喷嘴15或第四级喷嘴16停止供给燃料，此时只有第一燃料空气喷射***由第二级喷嘴13供给燃料实现预混贫燃料燃烧。

进一步地，第一级喷嘴110、第二级喷嘴13、第三级喷嘴15和第四级喷嘴16分别独立，各级喷嘴供入燃料相同或者不相同，燃气轮机负载运行工况下，通过控制改变第一级喷嘴110、第二级喷嘴13、第三级喷嘴15、第四级喷嘴16喷入火焰筒2的燃料供入比例，实现最优燃烧及最低污染物的排放。燃料为天然气、生物质气化气、垃圾填埋气、沼气、煤层气、煤气、页岩气、石油气等气体燃料中的任一种。本发明所述高热值燃料是指低位发热量较高的燃料，反之则为低热值燃料。以天然气为例，天然气属高热值燃料，天然气的标准低位发热量为8500kcal/NM³，其它中热值燃料的低位发热量大概在天然气的二分之一左右。

本发明具有以下有益效果：

1）在采用预混贫燃料分级燃烧的同时，燃料采用多级供入和分区燃烧，且火焰筒室头部采用空气进气流量调节，能更好地适应多种燃料燃烧，包括低热值燃料，组织低污染燃烧；

2）对应第一燃料空气喷射***，燃料与空气来源于内流道17 (或内旋流器12)、第一级喷嘴110和第二级喷嘴13，燃料采用第一级燃料直接喷射、第二级燃料喷入内流道17或内旋流器12进行贫燃料预混的两级方式供入火焰筒2，针对燃气轮机的不同工况以及使用的不同燃料，通过调节第一燃料空气喷射***中对应的两级燃料供入比例，可在实现稳定燃烧的同时进一步降低污染物的排放，与现有同类技术相比，燃烧稳定性更好、环保性能更优；本发明的第一燃料空气喷射***采用预混贫燃料的低污染方式，能在现有的基础上进一步降低污染物的排放；

3）燃气轮机带负载稳定运行时可调节至全部预混贫燃料供入，不需要值班扩散燃烧，更有利于减少污染物的排放；

4）能根据燃气轮机工况以及燃料特性情况控制调节燃烧室头部的空气进气量，在较大工作范围内，使得燃料/空气比值能保持在优化设计区间；

5）能在更宽工况范围实现低污染燃烧，稳定低污染燃烧调节范围大，贫燃料边界稳定燃烧范围更宽，防止自燃、回火和振荡燃烧的性能更强；

6）对应第二燃料空气喷射***，燃料与空气来源于外流道18 (或外旋流器14)，燃料采用第三级喷嘴15和第四级喷嘴16分两级供入，并在外流道18或外旋流器14内进行贫燃料预混后进入火焰筒2，根据燃气轮机的不同工况以及使用的不同燃料调节两级燃料的供入量，并通过变截面进气调节组件调节空气的进入量，可适应较宽范围不同特性燃料的调节；

7）能实现不同燃料按比例同时供入，供入比例可无极调节，优化混合燃烧性能控制，在火焰筒2内实现低污染混合燃烧。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室，包括燃烧室头部（1）和火焰筒（2），其特征在于，所述燃烧室头部（1）包括第一燃料空气喷射***和沿径向位于所述第一燃料空气喷射***外侧的第二燃料空气喷射***，燃料分级供入所述第一燃料空气喷射***和所述第二燃料空气喷射***，

所述第一燃料空气喷射***包括位于中心点火电咀（10）外的燃料中心进气管（11）、设置于所述燃料中心进气管（11）上的第一级喷嘴（110）、设置于所述燃料中心进气管（11）外侧的内旋流器（12）、以及第二级喷嘴（13），其中，第一级燃料通过所述第一级喷嘴（110）直接喷射进入所述火焰筒（2），第二级燃料经所述第二级喷嘴（13）喷出并与进入所述内旋流器（12）的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入所述火焰筒（2），第一级燃料与第二级燃料进入火焰筒（2）用于实现第一级区间燃烧；

所述第二燃料空气喷射***包括位于所述内旋流器（12）外侧的外旋流器（14）、第三级喷嘴（15）以及变截面进气调节组件（3），所述变截面进气调节组件（3）设置于外旋流器（14）所在通道的外侧并位于所述外旋流器（14）的下游，用于调节进入所述外旋流器（14）下游的空气进入量，其中，第三级燃料经所述第三级喷嘴（15）喷出并与进入所述外旋流器（14）的空气和自所述变截面进气调节组件（3）进入的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入所述火焰筒（2），用于实现第二级区间燃烧；

所述第一燃料空气喷射***与所述第二燃料空气喷射***分别喷射出来的燃料空气混合物在所述火焰筒（2）并联两级区间内进行预混贫燃料燃烧。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述第二燃料空气喷射***还包括第四级喷嘴（16），其中，第四级燃料经所述第四级喷嘴（16）喷出并与进入所述外旋流器（14）的空气和自所述变截面进气调节组件（3）进入的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入所述火焰筒（2），用于实现第二级区间燃烧。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述变截面进气调节组件（3）包括固定于外旋流器（14）所在通道外的进气流道件（30）和旋转套设于所述进气流道件（30）***的调气环（31），所述进气流道件（30）沿圆周开设有多个进气孔（301），所述调气环（31）上沿圆周开设有与所述进气孔（301）对应的多个通孔（311），其中，所述调气环（31）相对所述进气流道件（30）旋转时所述通孔（311）与所述进气孔（301）的重叠度改变从而改变进气截面积。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，

所述通孔（311）的截面面积沿空气进入方向渐缩；

所述进气孔（301）的入口截面积等于所述通孔（311）的出口截面积。

5.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述内旋流器（12）与所述外旋流器（14）的旋流方向相同。

6.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述第一燃料空气喷射***还包括设置于所述燃料中心进气管（11）外侧的内流道（17），所述内旋流器（12）连接于所述内流道（17）的入口或者出口；

所述第二燃料空气喷射***还包括设置于所述内流道（17）外侧的外流道（18），所述外旋流器（14）连接于所述外流道（18）的入口或者出口。

7.一种应用于权利要求1至6中任一所述的采用变截面进气与多级燃料供给的燃烧室的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

调节所述变截面进气调节组件（3）的进气截面全关使其进气量为零，所述第一燃料空气喷射***中的所述第一级喷嘴（110）供入燃料直至燃气轮机完成起动；

当燃气轮机达到预定工况时，所述第一燃料空气喷射***中的所述第二级喷嘴（13）开始逐渐供入燃料，所述第一级喷嘴（110）同步逐渐减少供入燃料，使得所述第一燃料空气喷射***转为供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物，所述变截面进气调节组件（3）的进气截面保持全关；

当燃气轮机加负载时，调节所述变截面进气调节组件（3）的进气截面开度逐渐增大直至全开，所述第二燃料空气喷射***向所述火焰筒（2）旋流喷射供入预混贫燃料状态的燃料空气混合物。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述调节所述变截面进气调节组件（3）的进气截面包括：

控制所述变截面进气调节组件（3）的调气环（31）相对进气流道件（30）旋转，使得通孔（311）与进气孔（301）的重叠度改变。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，对于单轴燃气轮机，

当燃料用高热值燃料时，单轴燃气轮机达到空载状态时，控制第一级喷嘴（110）逐渐减少直至停止供入燃料，同时第二级喷嘴（13）开始同步供入燃料并由经内旋流器（12）与空气预混后进入火焰筒（2），并逐渐同步增加直至替代第一级喷嘴（110）供入燃料，调节过程中，第二级喷嘴（13）的燃料增加量与第一级喷嘴（110）的燃料减少量同步相等且燃气轮机工作状态参数不变；

当燃料用中、低热值燃料时，燃气轮机起动首先由第一级喷嘴（110）供给燃料，达到预定转速后第二级喷嘴（13）开始供入燃料，单轴燃气轮机达到空载状态时，控制第一级喷嘴（110）逐渐减少供入燃料，同时第二级喷嘴（13）开始同步增加供入燃料并由经内旋流器（12）与空气预混后进入火焰筒（2），并逐渐同步增加直至内旋流第一级燃烧区燃料主要由第二级喷嘴（13）供入，调节过程中，第二级喷嘴（13）的燃料增加量与第一级喷嘴（110）的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，对于分轴燃气轮机，

当燃料用高热值燃料时，分轴燃气轮机达到空载状态后开始增加负载，此时第二燃料空气喷射***开始供入燃料，当分轴燃气轮机达到10%~45%负载时，控制第一级喷嘴（110）逐渐减少直至停止供入燃料，同时第二级喷嘴（13）开始同步供入燃料并由经内旋流器（12）与空气预混后进入火焰筒（2），并逐渐同步增加直至替代第一级喷嘴（110）供入燃料，调节过程中，第二级喷嘴（13）的燃料增加量与第一级喷嘴（110）的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变；

当燃料用中、低热值燃料时，分轴燃气轮机起动并达到预定转速后，第一级喷嘴（110）供给燃料保持不变，第二级喷嘴（13）开始供入燃料并经内旋流器（12）与空气预混后进入火焰筒（2）直至分轴燃气轮机达到空载状态；随后，第三级喷嘴（15）开始供入燃料，当分轴燃气轮机达到10%~45%负载时，控制第一级喷嘴（110）逐渐减少供入燃料，同时第二级喷嘴（13）开始同步逐渐增加供入燃料并由经内旋流器（12）与空气预混后进入火焰筒（2），调节直至内旋流第一级燃烧区燃料主要由第二级喷嘴（13）供入，调节过程中，第二级喷嘴（13）的燃料增加量与第一级喷嘴（110）的燃料减少量相等且燃气轮机工作状态参数不变。

11.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，

燃气轮机负载运行工况下，通过控制改变第一级喷嘴（110）、第二级喷嘴（13）、第三级喷嘴（15）、第四级喷嘴（16）喷入火焰筒（2）的燃料供入比例，实现最优燃烧及最低污染物的排放。

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