一种燃气轮机燃烧室及其使用方法技术

本发明专利技术提供了一种燃气轮机燃烧室及其使用方法。该燃气轮机燃烧室包括：火焰筒，具有圆筒形壁面；至少一个初级燃料喷嘴，每个初级燃料喷嘴均与圆筒形壁面前部相接，且配置成沿圆筒形壁面的切线方向向火焰筒内喷射燃料，并使燃料沿预设方向在火焰筒内从前往后地螺旋式推进；至少一个初级空气喷嘴，每个初级空气喷嘴均与圆筒形壁面前部相接，且配置成沿圆筒形壁面的切线方向向火焰筒内喷射空气，并使空气沿预设方向在火焰筒内从前往后地螺旋式推进；其中，初级燃料喷嘴喷射的燃料与初级空气喷嘴喷射的空气在火焰筒内形成旋流，在点燃后形成切向旋流火焰。切向旋流火焰可提高点火性能和火焰的稳定性。

A gas turbine combustor and its use method

The invention provides a gas turbine combustor and a method for its use. The gas turbine combustor consists of a flame tube with a cylindrical wall; at least one primary fuel nozzle, each primary fuel nozzle is connected to the front of the cylindrical wall, and is configured to spray the fuel along the tangent direction of the cylindrical wall and make the fuel back in the flame tube along the pre setting direction. A primary air nozzle, at least one primary air nozzle, each primary air nozzle is connected to the front of the cylindrical wall, and is configured to spray air into the flame tube along the tangent direction of the cylindrical wall and propelled the air to the rear in the flame tube along the preset direction; in which the primary fuel nozzle ejected. The air ejected from the material and primary air nozzle forms swirling flow in the flame tube and forms a tangential swirl flame after igniting. Tangential swirling flame can improve ignition performance and flame stability.

【技术实现步骤摘要】
一种燃气轮机燃烧室及其使用方法
本专利技术涉及燃气轮机
，特别是涉及一种燃气轮机燃烧室及其使用方法。
技术介绍
燃气轮机是一种清洁、高效的动力与发电设备。一般地，燃气轮机通过燃烧燃料和空气的混合物来产生热能，形成高温气流，驱动涡轮旋转，从而带动发电机发电。目前，燃气轮机的两个重要发展趋势是拓宽可调比(即提高低负荷运行性能)和扩大燃料适应范围。一方面，由于可再生能源的迅速发展，需要使用火电进行调峰，这就要求燃气轮机频繁变负荷运行，尤其是在部分负荷与低负荷工况下运行。在低负荷工况运行时，燃气轮机燃烧室火焰温度低，接近贫燃熄火边界，容易发生熄火和燃烧振荡。为了解决这一问题，现有技术中通常是使用值班火焰来稳定燃烧。但是，值班火焰一般是非预混燃烧，NOx排放较高。另一方面，虽然燃气轮机以天然气为主要燃料，但是由于天然气的缺乏，燃气轮机亟需扩大燃料适应范围，以利用丰富的非传统燃料资源，如煤气化合成气、生物质气化合成气、高炉煤气、焦炉煤气等。相对于天然气，这些非传统燃料资源的热值与组分变化大，对燃气轮机燃烧室的适应能力提出了很高的要求。其中，高炉煤气热值较低，导致点火困难，并且运行时易熄火。因此，为了解决这一问题，实际运行中，以高炉煤气为燃料的燃气轮机往往需要使用柴油、天然气或焦炉煤气等热值较高的燃料点火，待运行至部分负载时再切换到高炉煤气，并且，需要在运行时向高炉煤气中掺混一部分焦炉煤气来稳定燃烧，或者使用焦炉气值班火焰来稳定燃烧。这种方式，不仅导致燃气轮机启动系统复杂，还消耗了大量的高品位燃料。因此，需要发展一种新型燃烧室以提高燃气轮机低负载运行性能，扩大其燃料适应范围，并能够使用非传统燃料点火启动燃气轮机。具体而言，需要解决的以下问题：1)低负载运行时燃烧室易熄火；2)低热值燃料点火困难；3)低热值燃料燃烧时易熄火；4)传统的值班火焰用于稳定燃烧时NOx排放高。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要提高燃气轮机低负载运行性能。本专利技术的一个进一步的目的是要扩大燃气轮机燃料适应范围。本专利技术提供了一种燃气轮机燃烧室，包括：火焰筒，其具有圆筒形壁面；至少一个初级燃料喷嘴，每个所述初级燃料喷嘴均与所述圆筒形壁面的前部相接，且配置成沿着所述圆筒形壁面的切线方向向所述火焰筒内喷射燃料，并使得所述燃料沿预设方向在所述火焰筒内从前往后地螺旋式推进；至少一个初级空气喷嘴，每个所述初级空气喷嘴均与所述圆筒形壁面的前部相接，且配置成沿着所述圆筒形壁面的切线方向向所述火焰筒内喷射空气，并使得所述空气沿所述预设方向在所述火焰筒内从前往后地螺旋式推进；其中，所述初级燃料喷嘴喷射的所述燃料与所述初级空气喷嘴喷射的所述空气在所述火焰筒内形成旋流，并在点燃后形成切向旋流火焰。可选地，所述初级燃料喷嘴和所述初级空气喷嘴的数量均为多个，多个所述初级燃料喷嘴和多个所述初级空气喷嘴沿着所述圆筒形壁面的周向方向交替间隔布置。可选地，所述燃气轮机燃烧室还包括：次级喷嘴，其设置在所述火焰筒的前端，并沿着所述火焰筒的轴向方向布置，用于沿着所述轴向方向向所述火焰筒内喷射所述燃料和所述空气；其中，由所述次级喷嘴喷射的所述燃料和所述空气在所述火焰筒内形成轴向气流，并在点燃后形成轴向火焰。可选地，所述切向旋流火焰位于所述轴向火焰的火焰面处，以向所述轴向火焰提供热源和自由基。可选地，所述切向旋流火焰为三层火焰结构，所述三层火焰结构从内向外依次包括：燃烧产物层，其由燃烧形成的反应产物组成；火焰层；和反应物层，其由未燃气体组成，所述反应物层围绕所述火焰筒的内壁形成一层气体薄膜，以阻断所述切向旋流火焰与所述火焰筒的内壁的接触。可选地，所述燃气轮机燃烧室还包括：燃料通道，其分别与所述初级燃料喷嘴和所述次级喷嘴相连通；空气通道，其分别与所述初级空气喷嘴和所述次级喷嘴相连通；和流量调节机构，用于调节所述初级燃料喷嘴和所述次级喷嘴喷射所述燃料的流量。特别地，本专利技术还提供了一种燃气轮机燃烧室的使用方法，所述燃气轮机燃烧室为上述的燃烧室，所述使用方法包括启动和运行燃气轮机的操作，所述启动和运行燃气轮机的操作包括如下步骤：分别通过初级燃料喷嘴和初级空气喷嘴向火焰筒内喷射燃料和空气，以使得由所述初级燃料喷嘴喷射的燃料和由所述初级空气喷嘴喷射的空气在火焰筒内进行混合，其中，所述燃料为中低热值燃料；点燃由所述燃料和所述空气形成的混合气，以在所述火焰筒内形成切向旋流火焰，以启动燃气轮机；通过次级喷嘴向所述火焰筒内喷射剩余的燃料和空气，使所述燃料处于燃烧状态；调节所述初级燃料喷嘴和所述次级喷嘴的燃料流量，并提高所述燃气轮机的转速直至将所述燃气轮机加速到部分负载或满载状态，以运行所述燃气轮机。可选地，所述燃气轮机燃烧室的使用方法还包括燃气轮机停机的操作，所述燃气轮机停机的操作包括如下步骤：逐渐减少由所述次级喷嘴喷出的燃料流量，以降低所述燃气轮机的负载和转速；逐渐减少由所述初级燃料喷嘴喷出的燃料流量，并逐渐降低所述燃气轮机的转速，直至所述燃气轮机熄火停机。可选地，逐渐减少由所述初级燃料喷嘴喷出的燃料流量之前还包括如下步骤：待所述燃气轮机的负载和转速降低至一预设程度时，关闭所述次级喷嘴。可选地，所述燃烧室的燃气轮机使用方法还包括燃气轮机低负荷工况运行下稳定燃烧的操作，所述燃气轮机低负荷工况运行下稳定燃烧的方法包括如下步骤：减少由所述次级喷嘴喷出的燃料流量，并使燃气轮机处于预混燃烧模式；增加由所述初级燃料喷嘴喷出的燃料流量，并利用切向旋流火焰为轴向火焰提供热源和自由基，以减少所述轴向火焰的热量损失，从而稳定燃烧。根据本专利技术的方案，由于燃料初级燃料喷嘴喷射，空气从初级空气喷嘴喷射，即燃料和空气是从不同的喷嘴喷射，这可以避免回火的发生。并且，由于切向旋流火焰在燃烧室内部行程较长，有较长的停留时间，并且燃烧温度高，有利于点火和充分燃烧。因此可以提高点火性能和火焰的稳定性，适合热值低的燃料，比如高炉煤气和低热值合成气。此外，沿切向射流的燃料和沿切向射流的空气高速混合后再进行燃烧，其火焰温度低于非预混燃烧的火焰温度，可以减少NOx的生成，特别适用于富氢燃料。进一步地，由于反应物层围绕火焰筒的内壁形成一层温度较低的气体薄膜，该气体薄膜包裹住火焰筒的内壁，阻断了切向旋流火焰与内壁的接触，减少了壁面对火焰的萃熄作用。从而对火焰筒的内壁起到了良好的冷却作用，有效地延长了燃烧室的使用寿命，降低了一氧化碳的生成和排放。同时，有效减少了切向旋流火焰在火焰筒的内壁处的热损失，有助于提高切向旋流火焰的燃烧稳定性。燃烧产物层的反应产物温度较高，密度较大，因此，其可以从燃烧室的中心区域扩散，起到稳定燃烧室中心区域轴向火焰的作用。进一步地，本专利技术可以通过改变初级燃料喷嘴的数量来调节燃料的喷射速度。通过改变空气和燃料的喷射速度来优化切向旋流火焰进行切向旋流的混合时间，从而调节切向旋流火焰的长度和对圆筒形壁面的覆盖面积，达到优化点火和稳定火焰的目的，并可以抑制燃烧振荡的发生。与现有技术中使用柴油点火，或者使用热值较高的焦炉煤气点火，待燃机达到部分负载时再切换到合成气的方法相比，本专利技术的启动和运行燃气轮机的方法中燃气轮机的启动系统较为简单，不需要更换启动过程中的燃料，从而避免消耗大量的高品位燃料。因此，使用本专利技术方法，可以直接使用中低热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，包括：火焰筒，其具有圆筒形壁面；至少一个初级燃料喷嘴，每个所述初级燃料喷嘴均与所述圆筒形壁面的前部相接，且配置成沿着所述圆筒形壁面的切线方向向所述火焰筒内喷射燃料，并使得所述燃料沿预设方向在所述火焰筒内从前往后地螺旋式推进；至少一个初级空气喷嘴，每个所述初级空气喷嘴均与所述圆筒形壁面的前部相接，且配置成沿着所述圆筒形壁面的切线方向向所述火焰筒内喷射空气，并使得所述空气沿所述预设方向在所述火焰筒内从前往后地螺旋式推进；其中，所述初级燃料喷嘴喷射的所述燃料与所述初级空气喷嘴喷射的所述空气在所述火焰筒内形成旋流，并在点燃后形成切向旋流火焰。

【技术特征摘要】
1.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，包括：火焰筒，其具有圆筒形壁面；至少一个初级燃料喷嘴，每个所述初级燃料喷嘴均与所述圆筒形壁面的前部相接，且配置成沿着所述圆筒形壁面的切线方向向所述火焰筒内喷射燃料，并使得所述燃料沿预设方向在所述火焰筒内从前往后地螺旋式推进；至少一个初级空气喷嘴，每个所述初级空气喷嘴均与所述圆筒形壁面的前部相接，且配置成沿着所述圆筒形壁面的切线方向向所述火焰筒内喷射空气，并使得所述空气沿所述预设方向在所述火焰筒内从前往后地螺旋式推进；其中，所述初级燃料喷嘴喷射的所述燃料与所述初级空气喷嘴喷射的所述空气在所述火焰筒内形成旋流，并在点燃后形成切向旋流火焰。2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述初级燃料喷嘴和所述初级空气喷嘴的数量均为多个，多个所述初级燃料喷嘴和多个所述初级空气喷嘴沿着所述圆筒形壁面的周向方向交替间隔布置。3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，还包括：次级喷嘴，其设置在所述火焰筒的前端，并沿着所述火焰筒的轴向方向布置，用于沿着所述轴向方向向所述火焰筒内喷射所述燃料和所述空气；其中，由所述次级喷嘴喷射的所述燃料和所述空气在所述火焰筒内形成轴向气流，并在点燃后形成轴向火焰。4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述切向旋流火焰位于所述轴向火焰的火焰面处，以向所述轴向火焰提供热源和自由基。5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述切向旋流火焰为三层火焰结构，所述三层火焰结构从内向外依次包括：燃烧产物层，其由燃烧形成的反应产物组成；火焰层；和反应物层，其由未燃气体组成，所述反应物层围绕所述火焰筒的内壁形成一层气体薄膜，以阻断所述切向旋流火焰与所述内壁的接触。6.根据权利要求1-2、4-5中任一项所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，还包括：燃料通道，其分别与所述初级燃料喷嘴和所述次级喷嘴相连通；空气通道，其分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：李苏辉，石保禄，钱文凯，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11