应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室的制作方法

本公开涉及燃气轮机燃烧室技术领域，尤其涉及一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧器。

背景技术：

随着燃气轮机技术的持续发展、能源结构的日益变化以及对环保要求的不断提高，燃气轮机将向安全、高效、清洁、灵活的方向发展。当前发电用燃气轮机主要采用布雷登-朗肯联合循环，通过不断提高总压比、透平前温提高循环性能，但受到材料等影响其潜力逐步受限，因此，开发基于燃气轮机的新型热力循环成为一种选择，其中湿化燃气轮机循环是代表之一。为实现燃气轮机高效低污染稳定燃烧，湿空气透平(humidairturbine,hat)循环、先进湿空气透平循环(ahat)、整体煤气化湿空气透平循环(ighat)、注蒸汽燃气轮机循环(stig)及整体煤气化联合循环(igcc)等以燃气轮机为基础的先进热力循环逐渐发展起来。其中hat循环由于部件紧凑，可在较宽的压比范围内实现高效率，且在相当大的容量范围内具有最高发电效率的潜力，在各种新型燃气轮机循环中发展前景最为广阔。空气加湿可抑制nox生成，但对火焰稳定、co燃尽等带来影响，因此湿空气燃烧是hat循环关键技术之一。

湿空气循环下压缩机出口空气经过湿化器、回热器等部件后，使得燃烧室进口空气具有高温(最高近650℃)、高含湿量(最高达0.3kg/kg)的特点，为达到热电比连续可调，导致燃烧室进口空气温度、含湿量呈大幅度变化，对实现稳定低排放燃烧带来挑战。湿空气循环下的高进口空气温度有利于保持火焰稳定，但同时会带来nox排放增加、易发生自燃的风险；进口空气含湿量高会使得火焰温度降低，这有利于降低污染物排放，但同时不利于维持火焰稳定且会增加co排放量。若采用常规预混燃烧方式，则存在回火、自点火、热声振荡等风险。这些性质对湿空气循环下的宽负荷稳定低排放燃烧技术和燃烧器的开发提出了挑战。

故亟需提出一种抑制燃烧振荡，降低氮氧化物排放的微预混燃烧室。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一方面，提供了一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室，包括燃烧器主体、火焰筒和燃烧室机匣，其中，

所述燃烧器主体设置于燃烧室头部；所述火焰筒设置于所述燃烧室机匣内，是包裹燃烧室的柱形壁面，壁面内侧即为燃烧室燃烧区；

所述燃烧器主体前端设有主燃料进口和值班燃料进口，所述主燃料进口用于向燃烧器主喷嘴内输入燃料；所述值班燃料进口用于向燃烧器值班喷嘴内输入燃料；

所述燃烧室底部设有空气室，所述空气室被燃气轮机机匣包裹，与燃烧室衬套和火焰筒所形成的间隙相连通，将来源于上游压气机出口的空气通过该间隙送入燃烧器空气仓。

其中，所述燃烧器主体包括主喷嘴微预混管束和值班喷嘴微预混管束。

其中，所述主喷嘴微预混管束包括m个主喷嘴微预混管，层数为3～8层；所述值班喷嘴微预管束包括n个值班喷嘴微预混管，层数为1～2层。

其中，所述m个主喷嘴微预混管围绕在所述n个值班喷嘴微预混管周围，进行360°包围；主喷嘴微预混管和值班喷嘴微预混管内径d为5～12mm，长为15～120mm，微预混管之间的间距为1.2～4d。

其中，所述值班喷嘴微预混管设有不同周向及轴向角度，周向角度为10°～45°，轴向角度为10°～45°。

其中，所述主喷嘴微预混管和所述值班喷嘴微预混管均设有燃料进气孔和空气进气孔。

其中，所述燃料进气孔和空气进气孔，所述燃料进气孔形状为圆形或椭圆形孔，孔径为0.25～2.5mm，设置数量为2～8个，打孔方式为斜孔或直孔，斜孔角度为0～60°；

所述空气进气孔形状为长条状孔，孔宽0.5～6mm，长2.5～36mm，设置数量为2～8个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置；所述每根主喷嘴微预混管和值班喷嘴微预混管上的燃料进气孔和空气进气孔之间的轴向距离均不同，为5～60mm。

其中，所述燃烧器主体还设有空气仓和燃料仓阻隔板、多孔板及燃烧器出口端盖。

其中，所述空气仓和燃料仓阻隔板将空气仓与燃料仓隔开，所述燃料仓位于所述燃烧器主体前端，所述空气仓位于所述燃烧器出口。

其中，所述燃烧器出口端盖的壁面为凸面或凹面。

基于上述技术方案可知，本公开的应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)相比传统燃烧器，该燃烧器主喷嘴各个微预混管相对独立，根据负荷需求进行模块化阵列扩展，因此有较好的扩展性。

(2)燃料进气孔和空气进气孔均毫米级设置，通过将燃料和空气在毫米尺度混合，有效地提高燃料-空气的掺混均匀性。

(3)相对传统旋流预混燃烧器，该燃烧器单元喷嘴内燃料和空气混合更均匀，因此能够降低燃烧过程中的峰值火焰温度，降低高温烟气停留时间，从而实现相比传统干式低氮氧化物贫预混喷嘴降低氮氧化物排放的效果。

(4)由于多个微预混管以阵列形式分布，因此喷出的火焰在径向相对分散，放热相对均匀，同时值班喷嘴内外圈燃料输运管长度不同，各主喷嘴微混管可采用不同结构方案，实现固有频率差异，减小了热声耦合几率，可有效避免燃烧不稳定问题。

(5)值班喷嘴的旋流结构有利于拓宽燃烧器的火焰稳定性，提高值班喷嘴的点火和传焰性能。

(6)值班喷嘴微混管混合长度较短，同时值班喷嘴微混管和主喷嘴微混管内流速较高，可有效避免回火问题。

(7)由于微混管所形成火焰较为短小，且温度分布均匀，因此可大大缩短燃烧室火焰筒长度。

附图说明

图1为本公开应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室的布局示意图；

图2为燃烧器主体三维结构示意图；

图3为燃烧器主体剖面示意图；

图4为燃烧器主体值班喷嘴单微混管三维示意图；

图5为燃烧器主体主喷嘴单微混管三维示意图；

图6为燃烧器主体方案二剖面示意图；

图7为燃烧器主体方案三剖面示意图；

图8为燃烧器主体方案四剖面示意图；

图9为燃烧器主体出口面俯视图。

上述附图中，附图标记含义如下：

10-燃烧室

11-燃烧室头部；

12-燃烧区；

20-空气室；

21-空气入口；

22-压缩湿空气；

23-空气流向；

24-燃烧室衬套和火焰筒所形成的间隙；

25-燃烧器空气仓；

30-燃烧器燃料仓；

31-燃烧器主燃料进口；

32-燃烧器值班燃料进口；

33-燃料流向；

40-燃烧室机匣；

41-燃烧室衬套；

42-火焰筒；

50-燃烧器主体；

51-主喷嘴微预混管束；

52-值班喷嘴微预混管束；

53-空气仓和燃料仓阻隔板；

54-多孔板；

55-燃烧器出口端盖；

60-主喷嘴微预混管；

61-主喷嘴微预混管燃料进气孔；

62-主喷嘴微预混管空气进气孔；

63-主喷嘴微预混管燃料孔与空气孔轴向距离；

70-值班喷嘴微预混管；

71-值班喷嘴微预混管燃料进气孔；

72-值班喷嘴微预混管空气进气孔；

73-值班喷嘴微预混管燃料孔与空气孔轴向距离；

80-值班旋流喷嘴；

81-值班喷嘴内圈倾斜孔；

82-值班喷嘴外圈倾斜孔。

具体实施方式

本公开提供一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室，以缓解现有技术中燃烧器单元喷嘴可扩展性低，燃料与空气混合不均匀，运行时时出现回火、自燃和热声振荡等问题，同时还缓解氮氧化物排放高的问题。

本公开提供了一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室，微预混燃烧室包括：燃烧器主体，设置于燃烧室头部，分为主喷嘴区和中心值班喷嘴区；空气进口，设置于燃烧器底部，空气来源于上游压气机出口；空气室，被燃气轮机机匣包裹，与燃烧室衬套和火焰筒所形成的间隙通道相连通，空气通过该间隙通道被送入空气室；火焰筒，包裹燃烧室的柱形壁面，壁面内侧即为燃烧室燃烧区；燃烧室衬套，包裹燃烧室火焰筒并且与燃气轮机机匣相连的壁面；燃料进口，设置于燃烧器主体顶端，分为主燃料进口和值班燃料进口，用于向燃烧器内输入燃料；燃烧器燃料仓，设置于燃烧器主体上游，用于临时储存燃料进口送入的燃料，并将燃料送入主喷嘴或中心值班喷嘴。相比传统燃气轮机燃烧室，该燃烧室设计主要差异体现在燃烧器主体、燃烧器燃料进气孔及空气进气孔位置和燃烧器出口端面。该燃烧器的各喷嘴内燃料和空气的进气孔均为毫米级，使得单元喷嘴内燃料和空气混合更均匀，因此能够降低燃烧过程中峰值火焰温度和高温烟气停留时间，实现降低氮氧化物排放的效果。由于多个微预混管以阵列形式分布，因此喷出的火焰在径向相对分散，放热相对均匀。值班喷嘴与各主喷嘴的燃料和空气进气孔采用不同结构方案，使得燃料空气掺混长度不同，燃烧器出口端面采用凹凸曲面，可实现固有频率差异，减小了热声耦合几率，可有效避免燃烧不稳定问题。中心值班喷嘴通过设置不同周向及轴向角度，使值班喷嘴出口附近形成一定的回流区，从而实现稳焰效果。相比传统燃气轮机燃烧室，该设计产生的火焰较为短小，且火焰温度均匀，因此可大大缩短火焰筒长度。

具体的，本公开公开了一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室，包括燃烧器主体、火焰筒和燃烧室机匣，其中，所述燃烧器主体设置于燃烧室头部；所述火焰筒设置于所述燃烧室机匣内，是包裹燃烧室的柱形壁面，壁面内侧即为燃烧室燃烧区；所述燃烧器主体前端设有主燃料进口和值班燃料进口，所述主燃料进口用于向燃烧器主喷嘴内输入燃料；所述值班燃料进口用于向燃烧器值班喷嘴内输入燃料；所述燃烧室底部设有空气室，所述空气室被燃气轮机机匣包裹，与燃烧室衬套和火焰筒所形成的间隙相连通，将来源于上游压气机出口的空气通过该间隙送入燃烧器空气仓。

其中，所述燃烧器主体包括主喷嘴微预混管束和值班喷嘴微预混管束。所述主喷嘴微预混管束包括m个主喷嘴微预混管，层数为3～8层；所述值班喷嘴微预管束包括n个值班喷嘴微预混管，层数为1～2层。

所述m个主喷嘴微预混管围绕在所述n个值班喷嘴微预混管周围，进行360°包围；主喷嘴微预混管和值班喷嘴微预混管内径d为5～12mm，长为15～120mm，微预混管之间的间距为1.2～4d。所述值班喷嘴微预混管设有不同周向及轴向角度，周向角度为10°～45°，轴向角度为10°～45°。所述主喷嘴微预混管和所述值班喷嘴微预混管均设有燃料进气孔和空气进气孔。所述燃料进气孔和空气进气孔，所述燃料进气孔形状为圆形或椭圆形孔，孔径为0.25～2.5mm，设置数量为2～8个，打孔方式为斜孔或直孔，斜孔角度为0～60°；所述空气进气孔形状为长条状孔，孔宽0.5～6mm，长2.5～36mm，设置数量为2～8个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置；所述每根主喷嘴微预混管和值班喷嘴微预混管上的燃料进气孔和空气进气孔之间的轴向距离均不同，为5～60mm。

其中，所述燃烧器主体还设有空气仓和燃料仓阻隔板、多孔板及燃烧器出口端盖。所述空气仓和燃料仓阻隔板将空气仓与燃料仓隔开，所述燃料仓位于所述燃烧器主体前端，所述空气仓位于所述燃烧器出口。所述燃烧器出口端盖的壁面为凸面或凹面。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

在本公开的实施例中，图1为根据本公开实施例应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室的布局示意图；如图1所示，本实施例所述微预混燃烧室包括：燃烧室10，燃料室头部11，燃烧区12，空气室20，空气进口21，燃烧器空气仓25，燃烧器燃料仓30，燃烧器主燃料进口31，燃烧器值班燃料进口32，燃气轮机机匣40，燃烧室衬套41，火焰筒42，燃烧器主体50，燃烧器出口端盖55。

其中，所述燃烧器主体50，设置于燃烧室头部11，分为主喷嘴微预混管束51和值班喷嘴微预混管束52；空气进口21，设置于燃烧器底部，空气来源于上游压气机出口；空气室20，被燃气轮机机匣40包裹，与燃烧室衬套41和火焰筒42所形成的间隙24相连通，将压缩湿空气22通过该间隙24沿着空气流向23送入燃烧器空气仓25；火焰筒42，包裹燃烧室的柱形壁面，壁面内侧即为燃烧室10燃烧区12；燃烧室衬套41，包裹燃烧室火焰筒42并且与燃气轮机机匣40相连的壁面；燃料进口，设置于燃烧器主体顶端，分为主燃料进口31和值班燃料进口32，用于向燃烧器内输入燃料；燃烧器燃料仓30，设置于燃烧器主体上游，用于临时储存燃料进口送入的燃料，并将燃料送入主喷嘴微预混管束51和值班喷嘴微预混管束52。

在本实施例中，图2为燃烧器主体三维结构示意图。如图2所示，主喷嘴微预混管束51和值班喷嘴微预混管束52均贯穿空气仓和燃料仓阻隔板53、多孔板54及燃烧器出口端盖55。

在本实施例中，图3为燃烧器主体剖面示意图。如图3所示，燃料沿着燃料流向33进入燃烧器燃料仓30后均匀分散开，通过主喷嘴微预混管燃料进气孔61和值班喷嘴微预混管燃料进气孔71进入主喷嘴微预混管60和值班喷嘴微预混管70。压缩湿空气22沿着空气流向23通过燃烧室衬套41和火焰筒42所形成的间隙24均匀送入燃烧器空气仓25，后通过主喷嘴微预混管空气进气孔62和值班喷嘴微预混管空气进气孔72进入主喷嘴微预混管60和值班喷嘴微预混管70。空气仓和燃料仓隔板53将空气进气孔与燃料进气孔隔开。值班喷嘴微预混管燃料孔与空气孔轴向距离73与主喷嘴微预混管燃料孔与空气孔轴向距离63均不同，为5～80mm，轴向距离由中心值班喷嘴向外圈主喷嘴逐渐变短。值班喷嘴微预混管燃料进气孔71和主喷嘴微预混管燃料进气孔61在同一水平位置，与多孔板54之间的距离为60～100mm。值班喷嘴微预混管空气进气孔72和主喷嘴微预混管空气进气孔62不在同一水平位置，由中心值班喷嘴向外圈主喷嘴整体呈倒钟形，各空气进气孔至多孔板距离均不同，为10～50mm。燃料进气孔形状为圆形，孔径为0.25～2.5mm，设置数量为2～8个，打孔方式为斜孔或直孔，斜孔角度为0～60°，空气进气孔形状为长条状孔，孔宽0.5～6mm，长2.5～36mm，设置数量为2～8个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置。燃烧器出口端盖55壁面为锥形凸面。

在本实施例中，图4为燃烧器主体值班喷嘴单微混管三维示意图。如图4所示，压缩湿空气22通过值班喷嘴微预混管空气进气孔72进入值班喷嘴微预混管70，值班燃料通过值班喷嘴微预混管燃料进气孔71进入值班喷嘴微预混管70，燃料与压缩湿空气22在值班喷嘴微预混管70内掺混形成预混气。值班喷嘴微预混管70为直孔段连接倾斜孔段，倾斜孔段靠近燃烧器出口，直孔段长度为40～90mm，倾斜孔段长度为5～35mm。

在本实施例中，图5为燃烧器主体主喷嘴单微混管三维示意图。如图5所示，压缩湿空气22通过主喷嘴微预混管空气进气孔62进入主喷嘴微预混管60，主燃料通过主喷嘴微预混管燃料进气孔61进入主喷嘴微预混管60，燃料与压缩湿空气22在主喷嘴微预混管60内掺混形成预混气。主喷嘴微预混管60为直孔，内径d为5～12mm，长为15～120mm，微预混管之间的间距为1.2～4d。

在本实施例中，图6为燃烧器主体方案二剖面示意图，如图6所示，燃烧器出口端盖55壁面为凸面。

在本实施例中，图7为燃烧器主体方案三剖面示意图，如图7所示，燃烧器出口端盖55壁面为凹面。

在本实施例中，图8为燃烧器主体方案四剖面示意图，如图8所示，主喷嘴微预混管束51与值班喷嘴微预混管束52出口平面不平齐，与多孔板54之间的距离均不同。

在本实施例中，图9为燃烧器主体出口面俯视图。如图9所示，所述主喷嘴微预混管束51包括m个主喷嘴微预混管60，层数为3～8层；所述值班喷嘴微预管束52包括n个值班喷嘴微预混管70，层数为1～2层；所述m个主喷嘴微预混管60围绕在所述n个值班喷嘴微预混管70周围，将其360°包围，m和n根据孔径、层数和间距确定。值班旋流喷嘴80设有不同周向及轴向角度，周向角度为10°～45°，轴向角度为10°～45°，值班喷嘴内圈倾斜孔81与值班喷嘴外圈倾斜孔82出口形状均为椭圆形，外圈孔数为6～24个，内圈孔数为3～12个。

本公开实施例中，燃料为天然气，空气为湿空气，主喷嘴微预混管60内径d取10mm，长为80mm，值班喷嘴微预混管70内径d取10mm，倾斜孔段长为20mm，直孔段长为60mm。微预混管之间的间距为1.5d，主喷嘴微混管60的层数为6层，每层管数分别为20，26，32，38，46，52；值班喷嘴微混管70的层数为2层，内层管数为6，外层管数为12。其中，主喷嘴微预混管燃料进气孔61和值班喷嘴微预混管燃料进气孔71形状取圆形，孔径取2mm，设置数量为4个，打孔方式为直孔；主喷嘴微预混管空气进气孔62和值班喷嘴微预混管空气进气孔72的形状为长条状孔，孔宽取2mm，长取4mm，设置数量为4个，采用直喷进气方式。值班旋流喷嘴80设有不同周向及轴向角度，周向角度取为20°，轴向角度为15°。燃烧器出口端盖55壁面为锥形凸面，值班喷嘴微预混管燃料孔与空气孔轴向距离73内圈为15mm，外圈为13mm，主喷嘴微预混管燃料孔与空气孔轴向距离63由第三圈的11mm逐渐递减至第八圈的6mm，每圈递减1mm。值班喷嘴微预混管燃料进气孔71和主喷嘴微预混管燃料进气孔61在同一水平位置，与多孔板54之间的距离为65mm。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)在高含湿量条件下，各主喷嘴微预混管布置方向与燃烧器轴线方向还可设置一定的夹角θ，其中，0°≤θ≤60°，从而在喷嘴出口产生整体上旋流，以增加火焰稳定性；

(2)为降低燃烧不稳定性，燃烧器出口端面还可做适当改变，如改为凹凸不平曲面。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开的微预混燃烧室有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的一种应用于湿空气循环的天然气燃气轮机微预混燃烧室，可有效地避免回火、自燃和热声振荡等问题，同时提高燃料空气的掺混均匀性，降低氮氧化物排放量。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

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