一种适用于双气体燃料的燃烧器的制作方法

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种适用于双气体燃料的燃烧器。

背景技术：

整体煤气化联合循环(IGCC)是一种集成煤气化净化及燃气蒸汽联合循环系统的先进高效环保的发电系统，其有两大部分组成，即煤气化及净化系统，以及燃气蒸汽联合循环系统。煤气化及净化系统利用煤的气化产生以CO和H₂为主要组分的合成气并除去其中夹带的H₂S，NH₃以及粉尘，燃气蒸汽联合循环系统则以上述净化的合成气为燃料产生电力。由于合成气热值较低，且其中含有大量H₂，为了避免在燃烧器内部出现自燃和回火现象，采用合成气燃料的燃气轮机通常采用即混即烧的扩散燃烧方式。采用扩散燃烧方式时，合成气、空气从不同管道进入燃烧室内部，容易出现局部混合不均的现象，同时合成气中H₂，CO绝热火焰传播速度相差可达数倍，两种作用叠加，导致火焰前锋很难稳定在同一位置，出现火焰的热声耦合震荡现象，表现在燃气轮机燃烧室的震动较大。另外，IGCC系统是一个紧密耦合的系统，体现为煤气化及净化系统生产的合成气全部用于燃气蒸汽联合循环系统，同时燃气蒸汽联合循环系统唯一的燃料为煤气化及净化系统生产的合成气。因此，如果需要提高IGCC系统出力，则必须先提高煤气化系统负荷，再提高燃气蒸汽联合循环系统负荷，如果需要减少IGCC系统出力，则必须先减少煤气化系统负荷，再减少燃气蒸汽联合循环系统负荷，整个流程比较漫长，IGCC系统负荷的调节速率受制于其中调节速率最慢的子系统，即以气化炉为核心设备的煤气化系统。对于采用了液态排渣的气流床气化炉而言，为了保证顺利排渣，负荷的增减一般采用多次小幅度的方式，同时还要密切关注气化工艺参数的变化，导致气化炉负荷变动速率较慢，制约燃气轮机负荷快速调节能力的发挥，进而拖慢IGCC系统整体负荷调节速率。

技术实现要素：

针对上述两方面问题，即IGCC系统中采用合成气燃料的燃气轮机燃烧不稳定现象，以及紧密耦合的IGCC系统负荷变动速率较慢的问题；本实用新型提出一种适用于双气体燃料的燃烧器，该燃气轮机燃烧器同时燃用以CH₄为主要组分的天然气和以CO，H₂为主要组分的合成气。

实用新型为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为:

一种适用于双气体燃料的燃烧器，包括圆筒形的燃烧室10及若干布置在燃烧室10顶部用于引入天然气、合成气进入燃烧室的复合烧嘴；

所述燃烧室10外部有与燃烧室10成同心圆排列的承压外壳12，二者之间的空间，在侧面形成压缩空气21的竖向通道13，在顶面形成环形的压缩空气水平通道15，燃烧室10的上部壁面设置有隔热材料层14用以保护燃烧室10内壁，燃烧室10下部采用缩口设计，缩口段不设置隔热材料；燃烧室10顶部还均匀布置有大量小孔用于喷射压缩空气21用于冷却燃烧室10顶部区域；

所述复合烧嘴主要由主要压缩空气通道41、主要燃料通道42、辅助燃料通道43、辅助压缩空气通道44以及主要压缩空气通道流量测量装置51、辅助压缩空气通道流量测量装置52组成；主要燃料通道42及辅助燃料通道43均为圆柱形，成同心布置，辅助燃料通道43在内，主要燃料通道42在外，两者之间的空隙作为辅助压缩空气通道44；在主要燃料通道42内部布置有若干与辅助压缩空气通道44相切的通道联通辅助压缩空气通道44与环形压缩空气水平通道15；主要压缩空气通道流量测量装置51布置于主要压缩空气通道41入口，辅助压缩空气通道流量测量装置52布置于辅助压缩空气通道44入口，即所述主要燃料通道42内部与辅助压缩空气通道44相连的通道入口；正常工况下，合成气22经主要燃料通道42，天然气23经辅助燃料通道43，压缩空气21分别经主要压缩空气通道41，辅助压缩空气通道44进入燃烧室10。

所述主要压缩空气通道41、主要燃料通道42、辅助燃料通道43和辅助压缩空气通道44进入燃烧室10的端部均设置有旋流器，用以增强燃料与空气之间的混合。

所述复合烧嘴在燃烧室10顶部布置方式为八个分隔开的复合烧嘴成圆周对称排列。

所述合成气22来自IGCC系统中的煤气化及净化系统，天然气23来自天然气储罐或者管道。

与现有技术相比，本实用新型利用从辅助燃料通道43进入燃烧室10的天然气23的燃烧来做为稳燃火源，提供足够的热量以保持合成气22持续燃烧，使得合成气22在一个较宽的流量范围(30％-115％额定流量)内可以比较稳定的燃烧，减少由于燃烧不稳定造成的震动。在电网要求IGCC快速提升/减少负荷，然而由于气化炉负荷变动较慢导致合成气产量无法快速变动时，本实用新型还可以利用快速增加/减少辅助天然气流量以及切换部分天然气/合成气通道来大幅度快速提升天然气流量的方式快速改变燃气轮机负荷以响应电网的需求。

附图说明

图1：采用适用于双气体燃料燃烧器的燃气轮机系统结构示意图。

图2：复合烧嘴结构示意图。

图3：复合烧嘴内部主要燃料通道，辅助压缩空气通道，辅助燃料通道截面示意图。

图4：复合烧嘴在燃烧室顶部布置方式示意图。

图5：采用适用于双气体燃料燃烧器的燃气轮机的启动过程。

图6：采用适用于双气体燃料燃烧器的燃气轮机快速小幅度增加负荷时，燃气轮机负荷，天然气流量以及合成气流量变化趋势。

图7：采用适用于双气体燃料燃烧器的燃气轮机快速较大幅度增加负荷时，燃气轮机负荷，天然气流量以及合成气流量变化趋势。

图8：采用适用于双气体燃料燃烧器的燃气轮机快速小幅度减少负荷时，燃气轮机负荷，天然气流量以及合成气流量变化趋势。

图中：10-燃烧室；11a，11b，11c，11d，11e，11f，11g，11h-复合烧嘴；12-承压外壳；13-竖向通道；14-隔热材料；15-压缩空气水平通道；20-外部空气；21-压缩空气；22-合成气；23-天然气；24-高温高压气体；25-废气；30-压气机；31-轴；32-透平；33-发电机；41-主要压缩空气通道；42-主要燃料通道；43-辅助燃料通道；44-辅助压缩空气通道；51-主要压缩空气通道流量测量装置；52-辅助压缩空气通道流量测量装置；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明：

如图1所示，本实用新型一种适用于双气体燃料的燃烧器，包括圆筒形的燃烧室10及若干布置在燃烧室10顶部用于引入天然气、合成气进入燃烧室的复合烧嘴；所述燃烧室10外部有与燃烧室10成同心圆排列的承压外壳12，二者之间的空间，在侧面形成压缩空气21的竖向通道13，在顶面形成环形的压缩空气水平通道15，燃烧室10的上部壁面设置有隔热材料层14用以保护燃烧室10内壁，燃烧室10下部采用缩口设计，缩口段不设置隔热材料；燃烧室10顶部还均匀布置有大量小孔用于喷射压缩空气21用于冷却燃烧室10顶部区域；

如图2和图3所示，所述复合烧嘴主要由主要压缩空气通道41、主要燃料通道42、辅助燃料通道43、辅助压缩空气通道44以及主要压缩空气通道流量测量装置51、辅助压缩空气通道流量测量装置52组成；主要燃料通道42及辅助燃料通道43均为圆柱形，成同心布置，辅助燃料通道43在内，主要燃料通道42在外，两者之间的空隙作为辅助压缩空气通道44；在主要燃料通道42内部布置有若干与辅助压缩空气通道44相切的通道联通辅助压缩空气通道44与环形压缩空气水平通道15；主要压缩空气通道流量测量装置51布置于主要压缩空气通道41入口，辅助压缩空气通道流量测量装置52布置于辅助压缩空气通道44入口，即所述主要燃料通道42内部与辅助压缩空气通道44相连的通道入口；正常工况下，合成气22经主要燃料通道42，天然气23经辅助燃料通道43，压缩空气21分别经主要压缩空气通道41，辅助压缩空气通道44进入燃烧室10。

作为本实用新型的优选实施方式，所述主要压缩空气通道41、主要燃料通道42、辅助燃料通道43和辅助压缩空气通道44进入燃烧室10的端部均设置有旋流器，用以增强燃料与空气之间的混合。

如图4所示，作为本实用新型的优选实施方式，所述复合烧嘴在燃烧室10顶部布置方式为八个分隔开的复合烧嘴成圆周对称排列。

如图1所示的燃气轮机燃烧器及压气机30，轴31，透平32，发电机33共同构成燃气轮机本体。采用图1所示燃气轮机系统的运行方式为：燃气轮机主燃料合成气22来自IGCC系统中的气化炉，辅助燃料天然气23来自天然气储罐或者管道。外部空气20则通过压气机30压缩至约1.7MPa，经承压外壳与竖向通道13，燃烧室顶部与承压外壳之间的环形的压缩空气水平通道15，以及复合烧嘴中主要压缩空气通道41和辅助压缩空气通道44分别进入燃烧室10。压缩空气21采用此种方式流动可以为燃烧室10对流降温，同时可以提升压缩空气21的初温。由于燃烧室10顶部布置有8个复合烧嘴，这8个复合烧嘴的主要压缩空气通道41及辅助压缩空气通道44的压缩空气21均来自燃烧室顶部与承压外壳之间的环形的压缩空气水平通道15，会导致流经8个复合烧嘴的压缩空气21一定程度上的分配不均匀。主要压缩空气通道流量测量装置51和辅助压缩空气通道流量测量装置52分别测量经主要压缩空气通道41和辅助压缩空气通道44进入燃烧室10的压缩空气21的流量。天然气23，辅助压缩空气21分别经复合烧嘴内部的辅助燃料通道43，辅助压缩空气通道44进入燃烧室10内部后进行燃烧，形成稳定的火焰，为经复合烧嘴内部主要燃料通道42进入燃烧室10内部的合成气22创造稳定的流场和温度场，以利于合成气22和经复合烧嘴内部主要空气通道41进入燃烧室10内部的主要压缩空气21充分混合进行稳定的燃烧。将辅助燃料通道43，辅助压缩空气通道44布置于复合烧嘴主要燃料通道42内部，有利于减少合成气22和主要压缩空气21的流动对于天然气23和辅助压缩空气21流动的影响，另外精确匹配好天然气23和辅助压缩空气21的流量，将在复合烧嘴中心下方创造一个持续稳定的火焰，即使在合成气22流量波动时，也可以持续提供稳定的高温区域，利于合成气22的稳定燃烧，减少震荡。燃烧产生的高温高压气体24经燃烧室排气入透平通道进入透平32，推动透平叶片旋转，经轴31输出机械功。由于轴31同时连接压气机30、透平32和发电机33，因此，该机械功的一部分用于压气机30压缩空气，剩余部分则用来驱动发电机33发电。最终，透平32排出的废气25经废气通道排出。

采用双气体燃料燃烧器的燃气轮机的启动方式如图5所示，在满足合成气产量达到燃气轮机需求的合成气额定流量的50％以上时，利用其他动力来源来对燃气轮机进行盘车，待燃气轮机达到600rpm以后，可以投入辅助燃料天然气23，进行点火，观察到点火成功后，继续提升燃气轮机转速，同时投入合成气22，直至燃气轮机转速稳定在3000rpm左右，并网，完成启动。

采用双气体燃料燃烧器的燃气轮机快速变动负荷的方式为：1，当电网要求IGCC快速提升负荷，然而气化炉的负荷由于采用多次小幅度的方式进行调节，气化炉的负荷变动速率无法达到电网要求的速率时，会影响燃气轮机出力提升达不到电网要求的变动速率，此时，由于天然气23来自天然气储罐或者管道，流量调节灵活，如图6区域2所示，可以快速增加辅助燃料天然气23的流量以提高燃气轮机负荷，同时逐步提高合成气22产量。但是受限于复合烧嘴内部辅助燃料通道43的流通面积，这种方式仅适用于快速小幅度提升燃气轮机负荷，燃气轮机负荷提升范围不超过额定的5％。在达到电网要求的负荷后，如图6区域3所示，随着合成气22产量的逐步提升，可以逐步减少天然气23流量，来保持燃气轮机负荷不变。在电网要求大幅度(超过5％燃气轮机额定负荷)快速提升IGCC负荷时，则可以采用天然气23替代合成气22流经个别复合烧嘴内部主要燃料通道42进入燃烧室10，同时，将这部分被替代的合成气22流量平均分配到其他复合烧嘴的主要燃料通道42，即大幅增加天然气23供应，同时逐步提高合成气22的产量，来达到大幅度快速提升燃气轮机负荷的要求，此时燃气轮机负荷，天然气23流量，合成气22流量变化如图7所示。具体实施方式如下，如图7区域2所示，切断图4中复合烧嘴11a，11e的合成气22供应，燃气轮机外部对应复合烧嘴11a，11e内部主要燃料通道42的管道先切换成高压氮气或者蒸汽，对复合烧嘴11a，11e内部的主要燃料通道42进行快速吹扫，然后，再切换成混合了氮气或者蒸汽等惰性气体的天然气23流经复合烧嘴11a，11e内部的主要燃料通道42进入燃烧室10进行燃烧。另外，被替代的合成气22则平均分配到其他复合烧嘴，经主要燃料通道42进入燃烧室10进行燃烧。在把合成气切换成天然气时，由于合成气热值较天然气低，因此需要在天然气23中混合一定的惰性气体，优选蒸汽，来降低进入复合烧嘴11a，11e内部的主要燃料通道42的以天然气23为主要组分的混合燃料热值至略高于合成气22的水平，防止由于高热值燃料快速进入燃烧室燃烧造成的烧嘴超温，此时，应密切关注复合烧嘴11a，11e的壁温变化。同时如图7区域3所示，需要逐渐提高合成气22产量以及同步减少流经复合烧嘴11a，11e内部主要燃料通道42进入燃烧室10的混合了惰性气体的天然气混合燃料流量，保持燃气轮机负荷。在流经复合烧嘴11a，11e内部主要燃料通道42的混合了惰性气体的天然气混合燃料接近自持燃烧下限时，应切断此股混合燃料供应，利用高压氮气或者蒸汽对复合烧嘴11a，11e内部主要燃料通道42进行快速吹扫，然后切换至合成气22。2，当电网要求IGCC快速降低负荷时，受制于气化炉的限制，合成气流量无法快速减少，而天然气来自储罐或者管道，流量调节比较灵活方便，如图8区域2所示，可以采用快速减少流经复合烧嘴内部辅助燃料通道43的天然气23流量，先满足燃气轮机负荷降低要求，同时逐步减少合成气22流量，由于辅助燃料天然气23起到稳定燃烧的左右，不能完全切断，燃气轮机负荷下降幅度有限，不能超过额定负荷的3％。如图8区域3所示，在燃气轮机达到要求的负荷后，在减少合成气22流量的同时，也应同步增加天然气23的流量，保持燃气轮机负荷不变。