專利名稱：燃氣輪機低熱值燃燒室噴嘴結構與燃燒方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機技術領域，是一種燃氣輪機低熱值燃燒室噴嘴結構與燃燒方法。
背景技術：
進入21世紀，能源合理有效利用與環(huán)境保護措施的兩項指標均必須符合要求。我國大型鋼鐵企業(yè)高能耗一直是我們關注的問題，十一五期間，國家從低燃耗鋼鐵生產的目的出發(fā)，提出了采用高爐氣和焦爐氣混合，進行燃氣輪機發(fā)電的措施。另外生物質這種新型能源由于具有不斷的可再生性、對環(huán)境的友好性和能夠抑制全球氣候異常的作用，已成為僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能耗的3％。因此，推廣生物質發(fā)電技術對我國有著特別重要的意義。但高爐煤氣和空氣氣化生物質氣的熱值均低于1000Kcal/Nm3，因此高爐煤氣燃氣輪機和低熱值生物質氣燃氣輪機設計的核心難點是低熱值燃氣輪機燃燒室的設計技術。
燃氣輪機燃燒熱值低于1000Kcal/Nm3的燃料氣主要面臨燃燒穩(wěn)定性和CO殘留兩個問題。當燃氣輪機工作在低負荷時，主燃區(qū)的當量比較低，火焰容易被吹熄，需要建立局部的擴散旋流火焰來穩(wěn)定燃燒；當燃氣輪機工作在高負荷時，由于燃料量的增加，低熱值燃料中CO的燃燒速率較低，易產生未燃盡的CO殘留，降低燃燒效率，增加CO排放，因此需要加強主燃區(qū)燃料與空氣摻混過程。針對以上低熱值燃料氣燃燒面臨的兩個問題，一般的解決辦法為采用完全擴散火焰和增強旋流的方法在低負荷狀態(tài)下穩(wěn)定火焰、在高負荷增強摻混。但增強旋流會帶來燃燒室流阻損失的增加。

發(fā)明內容
本發(fā)明燃氣輪機低熱值燃燒室噴嘴結構與燃燒方法，其目的是針對現有技術的缺陷，提出了一種新的解決方案采用擴散火焰同部分預混相結合的方法，來解決低熱值燃料氣燃燒時面臨的兩大問題燃燒穩(wěn)定性和CO殘留。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種燃氣輪機低熱值燃燒室噴嘴的燃燒方法，其采用擴散火焰同部分預混相結合的燃燒方法，來解決低熱值燃料氣燃燒時的燃燒穩(wěn)定性和一氧化碳殘留問題；步驟為壓縮空氣從燃燒室后部進入環(huán)形通道，依次通過火焰筒壁面的各種進氣孔進入火焰筒，剩余的空氣組成一次空氣，由火焰筒頭部的燃燒室噴嘴上的空氣旋流器進入旋流器通道；第一排燃料射流通過第一排燃料旋流射流孔直接射入旋流器通道，同旋流器通道內的一次空氣形成富預混氣；第二排燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，其射流軌跡直接射入燃燒室；當燃氣輪機工作在低負荷時，第二排燃料射流形成純擴散火焰，作為穩(wěn)定著火點，保持燃燒穩(wěn)定；當燃氣輪機工作在高負荷時，第一排燃料射流在旋流器通道內即同一次空氣形成摻混，且第二排燃料射流位于旋流器通道出口，也可迅速完成摻混，增強了主燃區(qū)的摻混過程，保證一氧化碳燃盡。
所述的燃燒方法使用的燃燒室噴嘴，包括空氣旋流器、旋流射流孔、燃油噴嘴；其空氣旋流器包括旋流器內環(huán)、旋流器外環(huán)和旋流射流孔；旋流器內、外環(huán)共一中心軸線，蘑菇狀中空的旋流器內環(huán)的傘狀部，置入圓筒狀空氣旋流器外環(huán)的軸部空腔內，旋流器內環(huán)的頂部與旋流器外環(huán)的上端平齊，傘狀部周緣固接于旋流器外環(huán)的內壁，旋流器內環(huán)的頂端面和旋流器外環(huán)內壁之間的空隙構成旋流器通道；圓筒狀旋流器外環(huán)側壁上部周圓上，設有環(huán)狀均勻分布的多數個空氣旋流射流孔；蘑菇狀中空的旋流器內環(huán)的頂端軸線上設有一燃油口，其上部傘狀部上，設有兩排燃料射流孔第一排的多數個燃料旋流射流孔位于旋流器通道底部，環(huán)狀均勻分布，靠近空氣旋流射流孔出口，與空氣旋流射流孔為同向旋流，一一對應；第二排的多數個燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，環(huán)狀均勻分布在旋流器通道出口的內周圓上，圍于燃油口周圓，與空氣旋流射流孔也為同向旋流；燃油噴嘴置入空氣旋流器內環(huán)的軸部空腔內，密封滑配，燃油噴嘴的噴口正對燃油口，位于旋流器內、外環(huán)的公共軸線上。
所述的燃燒室噴嘴，其所述多數個空氣旋流射流孔，至少為24個Φ12的通孔，空氣旋流射流孔軸線與軸向的夾角是29°。
所述的燃燒室噴嘴，其所述第一排的多數個燃料旋流射流孔，至少為24個Φ10的通孔；第二排的多數個燃料旋流射流孔，至少為12個Φ10的通孔。
所述的燃燒室噴嘴，其所述旋流器內環(huán)的傘狀部固接于旋流器外環(huán)的內壁，是固接于旋流器外環(huán)側壁上部的空氣旋流射流孔出口的下方。
所述的燃燒室噴嘴，其還包括一法蘭狀主安裝邊，其為旋流器內外環(huán)，燃油噴嘴和噴嘴殼體之間的連接件，由筒型的連接段和法蘭板構成；主安裝邊的筒型連接段的筒徑與旋流器外環(huán)的外徑相適配，下端設有圓形底板，底板直徑大于筒型連接段的筒徑，底板伸出筒型連接段筒徑的部分上設有通孔，通孔與螺栓相適配，通過螺栓固定在法蘭板上，接觸面以墊片密封；法蘭板位于筒型連接段筒徑內的部分中心，分別設有與旋流器內環(huán)的后端和燃油噴嘴后端相適配的凸起接座，在與燃油噴嘴后端相適配的凸起接座內壁上設有螺紋，接座中心法蘭板上有通孔；在與旋流器內環(huán)的后端相適配的凸起接座上有側向密封槽，筒型連接段筒內壁與凸起接座之間的法蘭板上有通孔。
所述的燃燒室噴嘴，其所述旋流器外環(huán)的底端邊緣固接于主安裝邊的筒型連接段的上端，旋流器內環(huán)的底端側面與主安裝邊的法蘭板上凸起接座的相應內壁以脹圈密封連接；旋流器外環(huán)軸部空腔內壁與旋流器內環(huán)13下部外周圓圍成的空腔，通過法蘭板上的通孔和燃料供應管道相通。燃油噴嘴和主安裝邊軸線上的接座以螺紋密封連接，燃油噴嘴后部與燃油供應管道相通。
所述的燃燒室噴嘴，其所述燃燒室，是回流式分管型燃燒室，每一個分管燃燒室內有一個燃燒室噴嘴。


圖1是本發(fā)明采用擴散火焰同部分預混相結合的燃氣輪機低熱值噴嘴的結構與燃燒方法示意圖；圖2是本發(fā)明高爐煤氣燃燒室整體結構示意圖；圖3是本發(fā)明高爐煤氣燃燒室噴嘴立體結構示意圖；圖4是本發(fā)明高爐煤氣燃燒室噴嘴內部結構示意圖；圖5是本發(fā)明高爐煤氣燃燒室噴嘴工藝結構示意6是本發(fā)明燃燒室縱截面上軸向速度分布圖；圖7是本發(fā)明燃燒室頭部CO2質量分數分布圖；圖8是本發(fā)明燃燒室頭部徑向速度分布圖；圖9是本發(fā)明火焰筒頭部壁面溫度分布圖；圖10是本發(fā)明過渡段縱截面和進出口溫度分布圖。
具體實施例方式
圖1為是本發(fā)明采用擴散火焰同部分預混相結合的低熱值噴嘴設計方法與結構特征。這種新型的噴嘴9采用徑向空氣旋流器1，燃料射流分為二排，第一排燃料射流2通過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內的一次空氣5形成富預混氣，第二排燃料旋流射流孔6位于旋流器通道4出口，其射流軌跡直接射入燃燒室。當燃氣輪機工作在低負荷時，第二排燃料射流7形成純擴散火焰，作為穩(wěn)定著火點保持燃燒穩(wěn)定。當燃氣輪機工作在高負荷時，第一排燃料射流2在旋流器通道4內即同一次空氣5形成摻混，且第二排燃料射流7位于旋流器通道4出口，也可迅速完成摻混，增強了主燃區(qū)8的摻混過程，保證CO燃盡。
應用本發(fā)明方法設計的高爐煤氣燃燒室噴嘴為燃燒室主要部件，位于燃燒室的頭部。圖2是燃燒室整體結構示意圖，該燃燒室是回流式分管型燃燒室，每一個分管燃燒室內有一個燃燒室噴嘴9、圓筒形火焰筒23，火焰筒23和外面的導流襯套27形成環(huán)形通道，壓縮空氣從燃燒室后部進入環(huán)形通道，然后依次通過火焰筒23壁面的各種進氣孔(包括冷卻孔28、摻混孔26和主燃孔25等)進入火焰筒23，剩余的空氣組成一次空氣5，最后由火焰筒23頭部的燃燒室噴嘴9上的空氣旋流器1進入燃燒室。在火焰筒23后接過渡段24，把圓形的火焰筒23出口轉成扇形，后面再接燃氣透平。
如圖3所示，是應用本發(fā)明方法設計的的高爐煤氣噴嘴9立體結構，由空氣旋流器1、旋流器通道4、燃料射流孔3、6構成?？諝庑髌?為徑向旋流器，其側壁周圓上均勻設置有24個Φ12的旋流射流孔11，旋流射流孔11與軸向的夾角是29°。
圖4為本發(fā)明高爐煤氣燃燒室噴嘴內部結構示意圖，圖中可以看到，旋流器內、外環(huán)13、17共一中心軸線，蘑菇狀中空的旋流器內環(huán)13的頂端設有燃油口14，旋流器內環(huán)13和圓筒狀旋流器外環(huán)17之間的空隙構成旋流器通道4，燃料射流孔3、6位于旋流器內環(huán)13的傘狀部，分兩排設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個Φ10的第一排燃料旋流射流孔3，環(huán)狀均勻分布，靠近空氣旋流射流孔11出口，與空氣旋流射流孔11為同向旋流，一一對應；第二排燃料旋流射流孔6位于旋流器通道4出口，共有12個Φ10的第二排燃料旋流射流孔6，環(huán)狀均勻分布在旋流器通道4出口的內周圓上，圍于燃油口14周圓，與空氣旋流射流孔11也為同向旋流。
燃氣輪機滿負荷工作時，第一排燃料旋流射流孔3的旋流射流2同一次空氣5在空氣旋流器1的通道4內預混，形成富預混氣。在燃氣輪機部分負荷工作時，第二排燃料旋流射流孔6產生的第二排燃料射流7成為穩(wěn)定點火源。
圖5為應用本發(fā)明設計方法的高爐煤氣燃燒室噴嘴工藝結構示意圖，圖中燃燒室噴嘴9包括主安裝邊16、旋流器內環(huán)13(帶有燃料射流孔)、旋流器外環(huán)17、燃油噴嘴18、噴嘴殼體10。圓筒狀旋流器外環(huán)17側壁上部周圓上，由電火花加工完成24個Φ12的空氣旋流射流孔11，每個旋流射流孔11與軸向的夾角都是29°。蘑菇狀中空的旋流器內環(huán)13也為圓筒狀，在其傘狀上部，由電火花加工完成兩排燃料旋流射流孔24個Φ10的第一排燃料旋流射流孔3，位于傘狀部邊緣，12個Φ10的第二排燃料旋流射流孔6，位于傘狀部頂端，燃油口14周圓上；兩排燃料旋流射流孔3、6的走向，與空氣旋流射流孔11相同。
將空氣旋流器內環(huán)13的傘狀部，置入圓筒狀空氣旋流器外環(huán)17的軸部空腔內，旋流器內環(huán)13的頂部與旋流器外環(huán)17的上端平齊，通過激光焊，把旋流器內環(huán)13的傘狀部邊緣焊于旋流器外環(huán)17的內壁，空氣旋流射流孔11出口的下方19處，使旋流器內環(huán)13與旋流器外環(huán)17固接。將燃油噴嘴18置入空氣旋流器內環(huán)13的軸部空腔內，密封滑配，燃油噴嘴18的噴口正對燃油口14。
法蘭狀主安裝邊16，其為旋流器內外環(huán)13、17，燃油噴嘴18和噴嘴殼體10之間的連接件，由筒型的連接段29和法蘭板30構成；主安裝邊16的筒型連接段29的筒徑與旋流器外環(huán)17的外徑相適配，下端設有圓形底板，底板直徑大于筒型連接段29的筒徑，底板伸出筒型連接段29筒徑的部分上設有通孔，通孔與螺栓15相適配，通過螺栓15固定在法蘭板30上，接觸面以墊片20密封；法蘭板30位于筒型連接段29筒徑內的部分中心，分別設有與旋流器內環(huán)13的后端和燃油噴嘴18后端相適配的凸起接座，在與燃油噴嘴18后端相適配的凸起接座內壁上設有螺紋，接座中心法蘭板上有通孔；在與旋流器內環(huán)13的后端相適配的凸起接座上有側向密封槽，筒型連接段29筒內壁與凸起接座之間的法蘭板上有通孔。
旋流器外環(huán)17的底端邊緣固接于主安裝邊16的筒型連接段29的上端，旋流器內環(huán)13的底端側面與主安裝邊16的法蘭板上凸起接座的相應內壁以脹圈21密封連接；旋流器外環(huán)17軸部空腔內壁與旋流器內環(huán)13下部外周圓圍成的空腔，通過法蘭板30上的通孔和燃料供應管道相通(圖中沒示出)。燃油噴嘴18和主安裝邊16軸線上的接座以螺紋22密封連接，燃油噴嘴18后部與燃油供應管道相通(圖中沒示出)。
應用本發(fā)明方法的高爐煤氣燃燒室CFD模擬結果為了檢驗該新型噴嘴的效果，對某型號燃氣輪機燃燒室采用了本發(fā)明的噴嘴燃燒低熱值高爐煤氣時的工況進行了數值模擬。
圖6是本發(fā)明燃燒室縱截面上的軸向速度分布圖，由于該噴嘴的軸向噴射速度很大，因此在燃燒室主燃區(qū)內沒有形成中心回流區(qū)，而是在噴嘴射流外側出現了一個環(huán)形低速回流區(qū)，這樣高溫煙氣就會從外側回流達到穩(wěn)定火焰的目的。
圖7是本發(fā)明燃燒室頭部的CO2質量分數分布圖。如圖所示，由于噴嘴出口是收斂形式的，因此射流在剛離開噴嘴時具有向心的徑向速度，并且因為噴嘴射流的軸向速度很大，射流剛出噴嘴還不會向外側擴張；隨著離開噴嘴的距離增大，射流在離心力的作用下，向心的徑向速度逐漸變成離心，在主燃孔之前其徑向速度達到最大(見圖8)，于是射流開始向外擴張，形成外側回流區(qū)。燃燒產生的高溫煙氣以及從主燃孔進入的空氣都被帶入外側回流區(qū)，流向燃燒室頭部，既可以起到穩(wěn)定火焰的作用，又增強了空氣和燃料的混合。由于燃燒室頭部的順流區(qū)位于中心，對于主燃孔射流的沖擊比較弱，因此主燃孔的穿透深度很大(見圖8)，進一步增強了燃料和空氣的摻混。
圖9是本發(fā)明燃燒室的火焰筒頭部壁面溫度分布，由于燃料與空氣的主要反應區(qū)以及高溫煙氣都位于燃燒室的中心(見圖7)，遠離火焰筒壁面，因此火焰筒的壁面溫度比較均勻并且最高值小于800K，也低于火焰筒材料能夠承受的最高溫度，有利于延長火焰筒的使用壽命。
圖10是接在火焰筒后的過渡段縱截面和進出口上溫度分布，如圖所示，高溫煙氣在經過過渡段之后，溫度分布不均勻度大大降低，橫截面上的最高溫度由入口的619K下降到1363K，溫度分布系數從過渡段入口(即火焰筒出口)的0.256下降到0.086，滿足透平對入口溫度分布的要求。
綜上所述，燃氣輪機燃燒室采用本發(fā)明新型噴嘴來燃燒低熱值高爐煤氣，既能保證低負荷下的燃燒穩(wěn)定性，又能夠增強燃料和空氣的混合，強化CO和O2的反應，降低CO的排放，提高燃燒效率，能夠滿足燃燒室的設計要求。
權利要求
1.一種燃氣輪機低熱值燃燒室噴嘴的燃燒方法，其特征在于，采用擴散火焰同部分預混相結合的燃燒方法，來解決低熱值燃料氣燃燒時的燃燒不穩(wěn)定和一氧化碳殘留問題；其步驟為壓縮空氣從燃燒室后部進入環(huán)形通道，依次通過火焰筒壁面的各種進氣孔進入火焰筒，剩余的空氣組成一次空氣，由火焰筒頭部的燃燒室噴嘴上的空氣旋流器進入旋流器通道；第一排燃料射流通過第一排燃料旋流射流孔直接射入旋流器通道，同旋流器通道內的一次空氣形成富預混氣；第二排燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，其射流軌跡直接射入燃燒室；當燃氣輪機工作在低負荷時，第二排燃料射流形成純擴散火焰，作為穩(wěn)定著火點，保持燃燒穩(wěn)定；當燃氣輪機工作在高負荷時，第一排燃料射流在旋流器通道內即同一次空氣形成摻混，且第二排燃料射流位于旋流器通道出口，也可迅速完成摻混，增強了主燃區(qū)的摻混過程，保證一氧化碳燃盡。
2.一種如權利要求1所述的燃燒方法使用的燃燒室噴嘴，包括空氣旋流器、旋流射流孔、燃油噴嘴；其特征在于，空氣旋流器包括旋流器內環(huán)、旋流器外環(huán)和旋流射流孔；旋流器內、外環(huán)共一中心軸線，蘑菇狀中空的旋流器內環(huán)的傘狀部，置入圓筒狀空氣旋流器外環(huán)的軸部空腔內，旋流器內環(huán)的頂部與旋流器外環(huán)的上端平齊，傘狀部周緣固接于旋流器外環(huán)的內壁，旋流器內環(huán)的頂端面和旋流器外環(huán)內壁之間的空隙構成旋流器通道；圓筒狀旋流器外環(huán)側壁上部周圓上，設有環(huán)狀均勻分布的多數個空氣旋流射流孔；蘑菇狀中空的旋流器內環(huán)的頂端軸線上設有一燃油口，其上部傘狀部上，設有兩排燃料射流孔第一排的多數個燃料旋流射流孔位于旋流器通道底部，環(huán)狀均勻分布，靠近空氣旋流射流孔出口，與空氣旋流射流孔為同向旋流，一一對應；第二排的多數個燃料旋流射流孔位于旋流器通道出口，環(huán)狀均勻分布在旋流器通道出口的內周圓上，圍于燃油口周圓，與空氣旋流射流孔也為同向旋流；燃油噴嘴置入空氣旋流器內環(huán)的軸部空腔內，密封滑配，燃油噴嘴的噴口正對燃油口，位于旋流器內、外環(huán)的公共軸線上。
3.如權利要求2所述的燃燒室噴嘴，其特征在于，所述多數個空氣旋流射流孔，至少為24個Φ12的通孔，空氣旋流射流孔軸線與軸向的夾角是29°。
4.如權利要求2所述的燃燒室噴嘴，其特征在于，所述第一排的多數個燃料旋流射流孔，至少為24個Φ10的通孔；第二排的多數個燃料旋流射流孔，至少為12個Φ10的通孔。
5.如權利要求2所述的燃燒室噴嘴，其特征在于，所述旋流器內環(huán)的傘狀部固接于旋流器外環(huán)的內壁，是固接于旋流器外環(huán)側壁上部的空氣旋流射流孔出口的下方。
6.如權利要求2所述的燃燒室噴嘴，其特征在于，還包括一法蘭狀主安裝邊，其為旋流器內外環(huán)，燃油噴嘴和噴嘴殼體之間的連接件，由筒型的連接段和法蘭板構成；主安裝邊的筒型連接段的筒徑與旋流器外環(huán)的外徑相適配，下端設有圓形底板，底板直徑大于筒型連接段的筒徑，底板伸出筒型連接段筒徑的部分上設有通孔，通孔與螺栓相適配，通過螺栓固定在法蘭板上，接觸面以墊片密封；法蘭板位于筒型連接段筒徑內的部分中心，分別設有與旋流器內環(huán)的后端和燃油噴嘴后端相適配的凸起接座，在與燃油噴嘴后端相適配的凸起接座內壁上設有螺紋，接座中心法蘭板上有通孔；在與旋流器內環(huán)的后端相適配的凸起接座上有側向密封槽，筒型連接段筒內壁與凸起接座之間的法蘭板上有通孔。
7.如權利要求2或6所述的燃燒室噴嘴，其特征在于，所述的燃燒室噴嘴，其所述旋流器外環(huán)的底端邊緣固接于主安裝邊的筒型連接段的上端，旋流器內環(huán)的底端側面與主安裝邊的法蘭板上凸起接座的相應內壁以脹圈密封連接；旋流器外環(huán)軸部空腔內壁與旋流器內環(huán)13下部外周圓圍成的空腔，通過法蘭板上的通孔和燃料供應管道相通。燃油噴嘴和主安裝邊軸線上的接座以螺紋密封連接，燃油噴嘴后部與燃油供應管道相通。
8.如權利要求1或6所述的燃燒室噴嘴，其特征在于，所述燃燒室，是回流式分管型燃燒室，每一個分管燃燒室內有一個燃燒室噴嘴。
全文摘要
一種燃氣輪機低熱值燃燒室噴嘴結構與燃燒方法，涉及燃氣輪機技術領域，采用擴散火焰同部分預混相結合的燃燒方法，來解決低熱值燃料氣燃燒時的燃燒不穩(wěn)定和一氧化碳殘留問題。
文檔編號F23R3/00GK1959213SQ20061001166
公開日2007年5月9日 申請日期2006年4月13日 優(yōu)先權日2006年4月13日
發(fā)明者徐綱, 聶超群, 俞鑌, 肖云漢, 黃偉光 申請人:中國科學院工程熱物理研究所