一种低氮排放的燃烧室及含有该燃烧室的燃气轮机

摘要

本发明涉及一种低氮排放的燃烧室及含有该燃烧室的燃气轮机，燃烧室包括上下相连的燃烧室头部、燃烧室筒体，燃烧室头部包括副燃气机构、环绕设置在副燃气机构外部的主燃气机构以及设置在副燃气机构及主燃气机构上方的空气入口，燃烧室筒体包括分别与副燃气机构、主燃气机构、空气入口相连通的内火焰筒以及环绕设置在内火焰筒外部并与空气入口相连通的外火焰筒，内火焰筒的底部设有燃烧室出口。与现有技术相比，本发明能够显著降低微型燃气轮机燃烧室的氮氧化物排放，提高燃烧效率，并实现燃烧室在40‑100％下的宽负荷低排放高效率稳定运行，且通过调节主燃气管及副燃气管内的燃气流量，能够在简单循环和带回热循环之间灵活转换，经济性好。

说明书

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种低氮排放的燃烧室及含有该燃烧室的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是一种旋转叶轮式热力发动机，其以连续流动的气体为工质，带动叶轮高速旋转，进而将燃料的能量转化为机械能。燃烧室作为燃气轮机的三大核心部件之一，其燃烧稳定性和低氮排放性能在额定负荷与部分负荷工况下同样重要。

目前，燃烧室的设计大多是按照额定负荷条件设计。在以电力为目标需求的大型常规供能系统中，燃气轮机在大部分时间内在额定负荷工况下运行，以发挥其最优性能。但是，当以微型燃气轮机为原动机的分布式能源系统或特种车辆在实际运行时，燃烧室并不会始终处于额定负荷工况，而燃烧室在部分负荷工况下，其排放的污染物浓度、燃烧室的燃烧效率等性能均会变差，如氮氧化物排放量增加，因而需要一种能够满足宽负荷运行的燃烧室。

此外，燃气轮机机组常常会与其他余热利用设备联用或增加回热器，以提高其热效率，使得燃烧室可能会在两种模式下运行，即简单循环(针对燃气轮机机组，不带回热器)和带回热循环。一般情况下，需要根据运行情况分别设计燃烧室，以满足不同的需求，而两种燃烧室无法交叉使用，在实际使用时，只能同时生产出两种燃烧室，大大增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵活性好的低氮排放的燃烧室及含有该燃烧室的燃气轮机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低氮排放的燃烧室，该燃烧室包括上下相连的燃烧室头部、燃烧室筒体，所述的燃烧室头部包括副燃气机构、环绕设置在副燃气机构外部的主燃气机构以及设置在副燃气机构及主燃气机构上方的空气入口，所述的燃烧室筒体包括分别与副燃气机构、主燃气机构、空气入口相连通的内火焰筒以及环绕设置在内火焰筒外部并与空气入口相连通的外火焰筒，所述的内火焰筒的底部设有燃烧室出口，燃气分别经副燃气机构、主燃气机构进入内火焰筒内部，并与由空气入口进入的空气混合后燃烧，最后经燃烧室出口排出。

所述的燃气包括但不限于天然气，沼气、合成气等气体燃料均可适用于本发明。

作为优选的技术方案，所述的内火焰筒与外火焰筒同轴设置。内火焰筒的上部为主燃烧区。

所述的副燃气机构包括副燃气管以及与副燃气管相连通的中心体，该中心体的内部设有副燃气腔，侧壁上开设有多个副燃气喷射孔，所述的副燃气腔通过副燃气喷射孔与内火焰筒相连通。副燃气管内的燃气进入副燃气腔后，经副燃气喷射孔喷入内火焰筒。

作为优选的技术方案，多个副燃气喷射孔沿周向均匀开设在中心体侧壁的底部。

所述的主燃气机构包括环绕设置在中心体外部的环形管以及与环形管相连通的主燃气管，所述的环形管的内部设有主燃气腔，内壁上开设有多个内主燃气喷射孔，外壁上开设有多个外主燃气喷射孔，所述的主燃气腔分别通过内主燃气喷射孔、外主燃气喷射孔与内火焰筒相连通。主燃气管内的燃气进入主燃气腔后，分别经内主燃气喷射孔、外主燃气喷射孔喷入内火焰筒。内主燃气喷射孔及外主燃气喷射孔的孔径为1-2mm，能够使燃气分别向环形管内侧及外侧喷出。

作为优选的技术方案，多个内主燃气喷射孔沿周向均匀开设在环形管内壁的底部，多个外主燃气喷射孔沿周向均匀开设在环形管外壁的底部。

通过调整各类燃气喷射孔的孔径大小和孔面积，将经过内旋流器及外旋流器的总空气量控制在额定燃气量化学恰当比的1.5-3.0倍，形成贫燃料氛围，降低燃烧反应放热对燃烧区烟气平均温度的提升，减少燃烧区的整体温度，降低热力型氮氧化物的生成。

所述的中心体与环形管之间设有内旋流器，所述的环形管与内火焰筒之间设有外旋流器。内旋流器与外旋流器同轴设置，且旋转方向相同。副燃气喷射孔及内主燃气喷射孔喷出的燃气进入内旋流器作用区域，外主燃气喷射孔喷出的燃气进入外旋流器作用区域。采用燃气多点直接喷射，燃气经各燃气喷射孔喷出后形成多股细燃气流，在内旋流器及外旋流器的出气口处与旋流空气迅速混合，并在内旋流器及外旋流器的下方产生大面积的火焰区，其温度较为均匀，能够充分减小局部高温区域的面积，保证较高燃烧效率，并降低主燃烧区中氮氧化物的生成。同时，该燃烧方式实质上属于扩散式燃烧，能够有效避免由预混燃烧带来的回火问题。

所述的外旋流器的叶片出口角大于内旋流器的叶片出口角。在速度差的作用下，内旋流器及外旋流器的下方形成稳定的中心回流区，起到稳定火焰的作用。

该燃烧室还包括与副燃气管相连通的冷却空气管以及分别与副燃气管、主燃气管相连通的总燃气管，所述的冷却空气管与副燃气管之间设有冷却空气开关阀，所述的总燃气管与副燃气管之间设有副燃气管流量调节阀，所述的总燃气管与主燃气管之间设有主燃气管流量调节阀。

所述的外火焰筒的底部与内火焰筒的侧壁相连，所述的内火焰筒的侧壁上开设有壁面冷却孔，并通过壁面冷却孔与外火焰筒相连通。

所述的内火焰筒的侧壁上还开设有中间冷却孔，该中间冷却孔位于壁面冷却孔的下方。

所述的内火焰筒的下部设有内径由上而下逐渐减小的出口段，该出口段上开设有掺混孔。

一种燃气轮机，该燃气轮机含有所述的燃烧室。

本发明采用主、副燃气分级，单独控制两级燃气的进气量，使该燃烧室能够顺利点火，确保燃气轮机稳定地升速和加载，并通过调节燃气量，使之实现在40-100％负荷间高效率低污染运行，并能够在简单循环和带回热的工况下均实现安全运行。

本发明在实际应用时，在压气机运行至点火转速前，仅开启副燃气管，直至达到点火的燃料行程基准值；在压气机升速阶段，同时开启主燃气管、副燃气管，副燃气管进气速率低于主燃气管，且通过副燃气管的燃气流量不高于额定燃料量的20％；压气机达到额定转速，逐渐开始提升负荷。在这个阶段中，按机组运行的模式，简单循环(不带回热器)和带回热器两种工况。其中，简单循环工况下，副燃气管逐渐关闭，主燃气管流量增加，直至全部燃料均由主燃气管进入内火焰筒，在副燃气管完全关闭后，开启冷却空气管，将小股冷却空气通入副燃气腔以冷却中心体。在带有回热器的工况中，副燃气管中燃气流量维持不变，增加主燃气管中燃气流量，直至两者之和达到额定燃气流量。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)综合利用了贫燃料直接喷射技术、双旋流器火焰稳定技术及燃料分级分工况调控技术，能够显著降低微型燃气轮机燃烧室的氮氧化物排放，提高燃烧效率，并实现燃烧室在40-100％下的宽负荷低排放高效率稳定运行，且通过调节主燃气管及副燃气管内的燃气流量，能够在简单循环和带回热循环之间灵活转换，经济性好；

2)能够根据实际需要，通过改变内主燃气喷射孔和外主燃气喷射孔的面积比来调控进入内旋流器和外旋流器中的燃气量，也可根据燃气轮机机组实际功率减少或取消中间冷却孔或掺混孔，灵活性好。

附图说明

图1为本发明中燃烧室的整体结构示意图；

图2为本发明中燃烧室头部的结构示意图；

图3为本发明中总燃气管、冷却空气管、主燃气管及副燃气管的连接结构示意图；

图中标记说明：

1—外火焰筒、2—内火焰筒、3—副燃气管、4—主燃气管、5—空气入口、6—燃烧室出口、7—壁面冷却孔、8—中间冷却孔、9—掺混孔、10—中心体、11—外旋流器、12—内旋流器、13—副燃气喷射孔、14—内主燃气喷射孔、15—外主燃气喷射孔、16—主燃气腔、17—副燃气腔、18—冷却空气管、19—总燃气管、20—环形管、V1—主燃气管流量调节阀、V2—副燃气管流量调节阀、V3—冷却空气开关阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

一种燃气轮机，该燃气轮机含有如图1所示的低氮排放的燃烧室，该燃烧室包括上下相连的燃烧室头部、燃烧室筒体，如图2所示，燃烧室头部包括副燃气机构、环绕设置在副燃气机构外部的主燃气机构以及设置在副燃气机构及主燃气机构上方的空气入口5，燃烧室筒体包括分别与副燃气机构、主燃气机构、空气入口5相连通的内火焰筒2以及环绕设置在内火焰筒2外部并与空气入口5相连通的外火焰筒1，内火焰筒2的底部设有燃烧室出口6，燃气分别经副燃气机构、主燃气机构进入内火焰筒2内部，并与由空气入口5进入的空气混合后燃烧，最后经燃烧室出口6排出。

其中，副燃气机构包括副燃气管3以及与副燃气管3相连通的中心体10，该中心体10的内部设有副燃气腔17，侧壁上开设有多个副燃气喷射孔13，副燃气腔17通过副燃气喷射孔13与内火焰筒2相连通。

主燃气机构包括环绕设置在中心体10外部的环形管20以及与环形管20相连通的主燃气管4，环形管20的内部设有主燃气腔16，内壁上开设有多个内主燃气喷射孔14，外壁上开设有多个外主燃气喷射孔15，主燃气腔16分别通过内主燃气喷射孔14、外主燃气喷射孔15与内火焰筒2相连通。中心体10与环形管20之间设有内旋流器12，环形管20与内火焰筒2之间设有外旋流器11。外旋流器11的叶片出口角大于内旋流器12的叶片出口角。

如图3所示，该燃烧室还包括与副燃气管3相连通的冷却空气管18以及分别与副燃气管3、主燃气管4相连通的总燃气管19，冷却空气管18与副燃气管3之间设有冷却空气开关阀V3，总燃气管19与副燃气管3之间设有副燃气管流量调节阀V2，总燃气管19与主燃气管4之间设有主燃气管流量调节阀V1。

外火焰筒1的底部与内火焰筒2的侧壁相连，内火焰筒2的侧壁上开设有壁面冷却孔7，并通过壁面冷却孔7与外火焰筒1相连通。内火焰筒2的侧壁上还开设有中间冷却孔8，该中间冷却孔8位于壁面冷却孔7的下方。内火焰筒2的下部设有内径由上而下逐渐减小的出口段，该出口段上开设有掺混孔9。

压气机送出的高压空气由空气入口5进入燃烧室，大量空气经由外旋流器11、内旋流器12、壁面冷却孔7、中间冷却孔8、掺混孔9进入内火焰筒2内。其中，进入外旋流器11和内旋流器12的空气量为额定燃料量化学恰当比的1.5-3.0倍，使之能够在燃烧区域形成贫燃料的氛围。其余空气作为冷却和掺混空气进入相关孔隙，各自进气比例按实际需要配置。

固定气源提供的燃气与进气管路中的总燃气管19相接，后根据机组运行情况，由副燃气管3、主燃气管4分别送入。副燃气管3与中心体10相接，由副燃气管3送入的燃气进入副燃气腔17，经副燃气喷射孔13喷出，与内旋流器12流出的空气快速混合。主燃气管4中燃气则被送入主燃气腔16，后由内主燃气喷射孔14、外主燃气喷射孔15分别喷入内旋流器12和外旋流器11下游，与过量的空气快速混合至贫燃料状态。

内火焰筒2中，内旋流器12和外旋流器11下游至中间冷却孔8所在平面之间的区域为主燃烧区。贫燃料状态的混合气体经点火后，经回流区的作用，在主燃烧区形成稳定的火焰。

主燃烧区产生的高温烟气向燃烧室下游流动，在经过中间冷却孔8中空气的补燃和冷却后被掺混孔9中进入的掺混空气进一步稀释和冷却，最终形成温度分布合理的烟气，由燃烧室出口6排出，进入机组中的透平做功。

本燃烧室具备宽负荷适应性和双模式运行能力，具体是通过空气、主燃气管4和副燃气管3中燃气的进气量来实现的。燃烧室在点火前，仅开启副燃气管流量调节阀V2，关闭主燃气管流量调节阀V1和冷却空气开关阀V3。燃气全部进入副燃气管3，直至机组完成点火动作。升速阶段，主燃气管流量调节阀V1、副燃气管流量调节阀V2同时开启，冷却空气开关阀V3保持关闭。控制副燃气管3中的燃气流量低于主燃气管4，且保证通过副燃气管3的燃气流量不高于额定燃气量的20％，直至压气机达到全速空载状态。在升负荷阶段，按机组运行的模式，分为简单循环(不带回热器)和带回热器的循环两种工况。在简单循环工况下，副燃气管流量调节阀V2逐渐关闭，副燃气管3中的燃气量逐渐减小至无。主燃气管流量调节阀V1保持开启状态，逐渐增加主燃气管4，直至全部燃气均由其进入燃烧室。副燃气管流量调节阀V2完全关闭后，开启冷却空气开关阀V3，将少量空气经过冷却空气管18通入副燃气腔17以冷却中心体10。在带有回热器的工况中，主燃气管流量调节阀V1、副燃气管流量调节阀V2均保持开启，冷却空气开关阀V3保持关闭状态。副燃气管3中燃气流量维持不变，增加主燃气管4中流量，直至两者之和达到额定燃气流量。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。