一种分级供氧燃烧室及燃气轮机分级供氧燃烧方法与流程

本发明涉及一种适用于富氧燃烧燃气轮机的分级供氧燃烧室及其分级供氧燃烧方法，属于发电技术领域。

背景技术：

富氧燃烧燃气轮机以二氧化碳为循环工质、氧气为氧化剂燃烧产生的高温燃气驱动涡轮旋转，带动发电机发电或驱动其他负载，由于利用氧气和二氧化碳代替空气，极大减少了氮氧化物排放，并有利于二氧化碳排放的捕捉，是一种可以实现超低排放的高效动力装置。同时，由于二氧化碳的临界温度和压力较低，在工程中很容易实现，从而能够利用其亚临界或超临界流体物性，提高循环性能。因此，这种以二氧化碳为工质的富氧燃气轮机受到了世界科研机构和能源公司的广泛关注。应用富氧燃烧技术的燃气轮机循环主要有亚临界与超临界二氧化碳燃气轮机循环这两种方式。亚临界二氧化碳燃气轮机压力较低(低于3mpa)，技术上相对容易实现；而超临界二氧化碳燃气轮机因其工作压力高(30mpa)，具有功率密度高、体积紧凑的优点，同时高压力更有利于进行二氧化碳碳捕捉与储存，减少温室气体的排放。

由于可再生能源的迅速发展，需要使用火电进行调峰，而燃气轮机是一种变工况性能较好的装置，所以提高燃气轮机低负荷运行能力、拓展变工况运行范围是燃气轮机发展的一个重要趋势。这对以二氧化碳为工质的富氧燃烧燃气轮机是一个挑战。

这是因为在富氧燃烧室中，火焰温度不仅和化学当量比(φ)有关，还和氧气与二氧化碳的摩尔比(α)有关。由于从空气中分离氧气需要消耗很多能量，所以为了提高发电效率需要节省氧气，在整个燃烧室中燃料与氧气的化学当量比应该接近1。当化学当量比一定时，随着α增加，火焰温度增加。反之，则火焰温度降低。同时，燃烧室内高浓度的二氧化碳会降低燃烧温度和燃烧速率，导致低负荷工况时易熄火、燃料和氧气燃烧不充分，燃烧产物中一氧化碳和氧气排放高。此外，传统的富氧燃烧室在降低燃气轮机运行负荷时，减少燃料质量流量，并在保证化学当量比为1时相应减少氧气质量流量，从而在二氧化碳质量流量不变时减少氧气与二氧化碳的摩尔比(α)，这就导致燃烧室出口温度降低，使得富氧燃气轮机在低负荷运行时的一氧化碳和氧气排放较高，运行工况范围较小。一氧化碳和氧气排放不仅会造成能量利用效率降低，还会对燃气轮机尾部的二氧化碳输送管路产生腐蚀。因此，考虑到传统燃烧室在富氧燃烧燃气轮机中以上的应用局限，需要改进燃烧室以改善富氧燃烧燃气轮机的低负荷运行能力，拓宽其变工况运行范围，并降低一氧化碳和氧气排放，提高装置的能源利用效率。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种分级供氧燃烧室及其运行方法，通过将燃烧室分为主燃区、次燃区和掺混区，并将氧气通过主燃区和次燃区两级供应，将二氧化碳通过主燃区、次燃区和掺混区三级供应，既提高燃气轮机低负荷运行能力，降低一氧化碳与氧气排放，又通过分级供氧减少了高负荷下nox排放，从而拓宽富氧燃烧燃气轮机的运行工况范围。

本发明通过以下技术方案实现：

一种分级供氧燃烧室，所述分级供氧燃烧室能够用于富燃燃气轮机，所述分级供氧燃烧室至少设置一个，所述分级供氧燃烧室包括燃烧室外套和设置在燃烧室外套内的火焰筒，所述火焰筒为一端呈圆弧形收缩状的筒状结构，所述火焰筒和所述燃烧室外套之间为工质气体通道。按进出气流向为前后方向，所述火焰筒内由前往后依次分为主燃区、次燃区和掺混区；所述主燃区前端设置有主喷嘴；所述次燃区壁面设置有两个以上次级喷嘴，所述次级喷嘴包括次级氧气喷口和次级二氧化碳喷口，所述次级二氧化碳喷口与所述工质气体通道连通；所述次级喷嘴靠近主燃区一端环绕着次燃区对称或均匀布置；所述掺混区壁面设置有若干掺混孔，所述掺混孔环绕着掺混区均匀布置。

上述技术方案中，所述主喷嘴包括燃料通道、主氧气通道和主二氧化碳通道，所述主二氧化碳通道与所述火焰筒和燃烧室外套之间的工质气体通道连通。

上述技术方案中，所述燃烧室还包括设置在所述主喷嘴前部的旋流器和设置在主燃区前端的点火装置。

一种燃气轮机，包括依次连接布置的压气机，如上所述的分级供氧燃烧室，以及涡轮，其中所述分级供氧燃烧室至少设置一个。

一种燃气轮机分级供氧燃烧方法，其使用如上所述的燃气轮机，所述方法包括：

根据燃气轮机分级供氧燃烧室主燃区的极限温度，计算得到主燃区最大纳氧量；

将二氧化碳通过压气机压缩后作为工质送入燃烧室外套与火焰筒之间形成的工质气体通道，使二氧化碳分别通过主喷嘴、次级二氧化碳喷口和掺混孔进入分级供氧燃烧室的主燃区、次燃区和掺混区，分别形成一级二氧化碳、二级二氧化碳和三级二氧化碳喷入；

将适量燃料通过燃气轮机的分级供氧燃烧室的主喷嘴供入主燃区；

将燃料与总氧气量的化学当量比φ设为0.9≤φ≤1，并根据化学当量比计算总氧气流量，比较总氧气流量与主燃区最大纳氧量的大小；

当所述总氧气流量小于等于主燃区最大纳氧量，使氧气通过主喷嘴喷入主燃区；使通过主喷嘴进入的燃料、氧气和二氧化碳混合并点燃燃料，并使燃料和氧气在主燃区内形成0.9≤φpz≤1的贫燃燃烧，生成高温燃气；使来自主燃区的高温燃气与通过次级喷嘴通入的二级二氧化碳混合，形成高温烟气；

当所述总氧气流量大于主燃区最大纳氧量，使氧气分别通过主喷嘴和次级氧气喷口进入主燃区和次燃区，形成一级氧气供应和二级氧气供应；且通过主喷嘴进入主燃区的一级氧气量为主燃区最大纳氧量；使通过主喷嘴进入的燃料、氧气和二氧化碳混合并点燃燃料，并使燃料和氧气在主燃区内形成富燃燃烧，生成高温燃气；使来自主燃区的高温燃气与通过次级喷嘴通入的二级氧气和二级二氧化碳，在次燃区混合并使高温燃气中的未完全燃烧成分燃烧完全，生成高温烟气；

通过掺混孔喷入三级二氧化碳，与来自次燃区的高温烟气混合使高温烟气温度降低，进入涡轮做功；烟气经过涡轮做功后温度降低成为废气，所述废气主要成分为二氧化碳和水蒸汽；

使废气分离分别得到以二氧化碳为主要成分的干烟气和冷凝水，将部分干烟气作为再循环气体，经过混合调节后送入压气机压缩升压，作为工质送入燃烧室外套与火焰筒之间形成的工质气体通道。

当所述燃气轮机还包括冷凝器、分离阀和混合阀以及与所述混合阀相连的二氧化碳储罐，所述方法还包括：

使废气进入冷凝器回收余热，并进入分离阀进行汽水分离，将以二氧化碳为主要成分的气体和水分分离，得到干烟气；分离后的一部分干烟气作为再循环气体，进入混合阀，并通过二氧化碳储罐调节流量后进入压气机压缩提升压力，作为工质送入燃烧室外套与火焰筒之间形成的工质气体通道。

上述技术方案中，所述二氧化碳分别通过主喷嘴、次级二氧化碳喷口和掺混孔进入分级供氧燃烧室的主燃区、次燃区和掺混区，形成的一级二氧化碳、二级二氧化碳和三级二氧化碳喷入比例为(50～60):(5～20):(20～45)。

上述技术方案中，所述分级供氧燃烧方法还包括分级调节方法，所述分级调节方法包括：

所述燃气轮机负荷逐渐升高，使通过分级供氧燃烧室的主喷嘴供入主燃区的燃料逐渐增加；

根据燃料与氧气量的化学当量比φ调增总氧气流量，当总氧气流量小于等于主燃区最大纳氧量，将氧气调节为通过分级供氧燃烧室的主喷嘴喷入主燃区，使一级氧气比为100％；当氧气流量继续增大且大于主燃区最大纳氧量，将超过主燃区最大纳氧量的部分氧气作为二级氧气通过次级氧气喷口喷入次燃区。

上述技术方案中，所述分级调节方法还包括：

所述燃气轮机负荷逐渐降低，使通过分级供氧燃烧室的主喷嘴供入主燃区的燃料逐渐减少；

根据燃料与氧气量的化学当量比φ调减总氧气流量，当总氧气流量大于主燃区最大纳氧量，按照先调减二级氧气供应后调减一级氧气供应的顺序依次调减总氧气量；当总氧气流量小于等于主燃区最大纳氧量，调减主燃区一级氧气量。

本发明具有以下优点及有益效果：1)氧气两级给入，两级之间的分配比例随负荷动态调节，拓宽了燃气轮机的运行负荷范围；2)通过分级氧气供给，第一级(主燃区)的燃烧模态在高负荷时富燃燃烧，随负荷降低逐渐过渡到等当量比燃烧，使得主燃区在高负荷时维持了稳定燃烧而总体上又减少了污染物排放，而在低负荷时能够维持稳定燃烧避免熄火停车等现象；3)二氧化碳分三级给入，第二级二氧化碳对第二级氧气喷嘴起保护作用，第三级二氧化碳则能有效降低燃烧室燃气温度。

附图说明

图1为本发明所涉及的富氧燃烧燃气轮机循环系统示意图。

图2为本发明所涉及的分级供氧燃烧室示意图。

图3为本发明所涉及的分级供氧燃烧室次级喷嘴布置示意图(a-a视图)。

图4为本发明所涉及的燃气轮机燃烧室运行参数调节示意图。

图中：1–分级供氧燃烧室；2–涡轮；3–发电机；4–冷凝器；5–分离阀；6–混合阀；7–压气机；8–空气分离器；9–连接轴；11–火焰筒；12–主喷嘴；121–燃料通道；122–主氧气通道；123–旋流器；13–次级喷嘴；131–次级氧气喷口；132–次级二氧化碳喷口；14–掺混孔；15–主燃区；16–次燃区；17–掺混区；18–分流阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明所述富氧燃烧燃气轮机，是指燃气轮机在以高于空气氧气含量(20.947％)的含氧气体进行燃烧的富氧燃烧条件下运行。此时，以燃料与氧气的化学当量比(φ)分析，存在三种燃烧状态，即富燃燃烧(φ>1)、等当量燃烧(φ＝1)和贫燃燃烧(φ<1)。等当量燃烧，即为燃料与氧气按照完全燃烧的化学当量比的配比进行燃烧。实际运行过程中，由于燃料与氧气为动态供给，φ≈1即视为等当量燃烧。燃料相对氧气富余(fuelrich)的燃烧状态即为富燃燃烧，反之燃料相对氧气不足(fuellean)的燃烧状态即为贫燃燃烧。

如图1所示，富氧燃烧燃气轮机循环系统包括依次相连的分级供氧燃烧室1、涡轮2和发电机3，涡轮2还与冷凝器4和分离阀5依次相连，分离阀5、混合阀6和压气机7依次相连，将分离后的二氧化碳混合、压缩后送回分级供氧燃烧室1。空气分离器8与分级供氧燃烧室1相连，将空气中的氧气与氮气、二氧化碳等其它气体分离，并将氧气送入分级供氧燃烧室1。连接轴9分别连接在涡轮2和发电机3以及涡轮2和压气机7之间，以实现涡轮2与压气机7、发电机3之间的传动，将涡轮2做功传递给发电机3发电。分级供氧燃烧室1至少设置一个，设置两个以上分级供氧燃烧室时，多个分级供氧燃烧室呈环形或多个筒形绕轴布置。

如图2所示，分级供氧燃烧室1包括燃烧室外套和设置在燃烧室外套内的火焰筒11。火焰筒11为一端呈圆弧形收缩状的筒状结构，火焰筒11和燃烧室外套之间为工质气体通道，对富氧燃烧燃气轮机而言，工质选用二氧化碳。按进出气流向为前后方向，火焰筒11内由前往后依次分为主燃区15、次燃区16和掺混区17。

主燃区15前端设置有主喷嘴12。主喷嘴12包括燃料通道121、主氧气通道122和主二氧化碳通道，主二氧化碳通道与火焰筒和燃烧室外套之间的工质气体通道连通。燃料通过燃料通道121喷入，一级氧气通过主氧气通道122喷入，一级二氧化碳通过主二氧化碳通道进入。燃烧室还包括设置在主喷嘴12前部的旋流器123和设置在主燃区15前端的点火装置。旋流器123以燃料通道121为中心轴设置在主喷嘴的前部，用于将一级氧气和一级二氧化碳旋流混合。

次燃区16壁面设置有两个以上次级喷嘴13。次级喷嘴13包括次级氧气喷口131和次级二氧化碳喷口132，次级二氧化碳喷口132与工质气体通道连通。其中一种实施方式是，次级氧气喷口131设置在中心，次级二氧化碳喷口132以同心圆结构环绕着次级氧气喷口131设置，使得二级二氧化碳夹带着二级氧气喷入，并与从主燃区来流火焰产生交叉射流混合。次级喷嘴13靠近主燃区15一端环绕着次燃区16对称或均匀布置，如图3所示。

掺混区17壁面设置有若干掺混孔14，掺混孔14环绕着掺混区17均匀布置。

将通过分级供氧燃烧室1的主喷嘴12喷入主燃区15的氧气视为一级氧气，并将通过次级氧气喷口131喷入次燃区16的氧气视为二级氧气。氧气为将空气通过空气分离器8分离得到。总供氧量为，一级氧气比和二级氧气比分别为和其中

运行时，首先根据燃气轮机分级供氧燃烧室1主燃区15的极限温度，计算得到主燃区15最大纳氧量。燃气轮机燃烧室的极限温度由其材料决定。主燃区的温度与燃料量、氧气量以及二氧化碳量均直接相关。在作为工质的二氧化碳流量不变的情况下，主燃区内随着燃料量和氧气的增加，燃烧热量增加，由于二氧化碳流量不变，使得主燃区内温度不断升高，达到主燃区的极限温度，此时若继续增加主燃区的供氧量，势必会使得主燃区温度超过极限温度，造成主喷嘴熔蚀影响燃气轮机的运行。为了避免喷嘴熔蚀，该极限温度对应的供氧量即为主燃区的最大纳氧量，也是本发明分级供氧燃烧调控的临界点。

将二氧化碳通过压气机7压缩后作为工质送入燃烧室外套与火焰筒11之间形成的工质气体通道，使二氧化碳分别通过主喷嘴12、次级二氧化碳喷口132和掺混孔14进入分级供氧燃烧室1的主燃区15、次燃区16和掺混区17，分别形成一级二氧化碳、二级二氧化碳和三级二氧化碳喷入。其中，一级二氧化碳y1、二级二氧化碳y2和三级二氧化碳y3的比例为(50～60):(5～20):(20～45)。

将与负荷相对应的适量燃料全部通过燃气轮机的分级供氧燃烧室1的主喷嘴12供入主燃区15。

将燃料与总氧气量的化学当量比φ设为0.9≤φ≤1，由于氧气是通过空气分离得到，成本较高，φ的选择尽可能接近当量燃烧，又保证其燃烧充分。根据燃料量与氧气量的化学当量比计算总氧气流量，即式中k为质量流量与化学当量转换的燃料系数。比较总氧气流量与主燃区15最大纳氧量的大小。

当总氧气流量小于等于主燃区15最大纳氧量，使氧气通过主喷嘴12喷入主燃区15；使通过主喷嘴12进入的燃料、氧气和二氧化碳混合并点燃燃料，并使燃料和氧气在主燃区15内形成0.9≤φpz≤1的贫燃燃烧，生成燃烧相对充分的高温燃气。使来自主燃区15的高温燃气与通过次级喷嘴13通入的二级二氧化碳混合，在次燃区16内通过增加气体停留时间继续燃烧完全，生成高温烟气。

当总氧气流量大于主燃区15最大纳氧量，使氧气分别通过主喷嘴12和次级氧气喷口132进入主燃区15和次燃区16，形成一级氧气和二级氧气。此时通过主喷嘴12进入主燃区15的一级氧气量为主燃区最大纳氧量。使通过主喷嘴12进入的燃料、氧气和二氧化碳混合并点燃燃料，并使燃料和氧气在主燃区15内形成富燃燃烧，生成高温燃气。高温燃气往涡轮2方向推进进入次燃区16。使来自主燃区15的高温燃气与通过次级喷嘴13通入的二级氧气和二级二氧化碳混合，使高温燃气中的未完全燃烧成分(如co)与o2燃烧完全，生成高温烟气。同时，二级二氧化碳的喷入对次级喷嘴13形成低温保护，避免因燃烧高温造成的熔蚀。

通过掺混孔14喷入二氧化碳，与来自次燃区16的高温烟气混合使高温烟气温度降低，进入涡轮2做功，并带动发电机3发电。烟气经过涡轮2做功后温度降低成为废气，废气主要成分为二氧化碳和水蒸汽。

使废气通过分离阀5分离分别得到以二氧化碳为主要成分的干烟气和冷凝水，将部分干烟气作为再循环气体，其余干烟气进入碳捕集装置。再循环气体进入调节阀6，通过二氧化碳储罐增加/减少二氧化碳流量进行混合调节后送入压气机7压缩升压，作为工质送入燃烧室外套与火焰筒11之间形成的工质气体通道。

当燃气轮机负荷变化时，无论是负荷升高还是负荷降低，其实质上都是先保证主燃区的氧气供应，即一级氧气先增后减。

当燃气轮机负荷逐渐升高，使通过分级供氧燃烧室1的主喷嘴12供入主燃区15的燃料逐渐增加。根据燃料与氧气量的化学当量比φ调增总氧气流量，当总氧气流量小于等于主燃区最大纳氧量，将氧气调节为通过分级供氧燃烧室1的主喷嘴12喷入主燃区15，使一级氧气比为100％；当氧气流量继续增大且大于主燃区最大纳氧量，将超过主燃区最大纳氧量的部分氧气通过次级氧气喷口132喷入次燃区16。

而当燃气轮机负荷逐渐降低，则使通过分级供氧燃烧室1的主喷嘴12供入主燃区15的燃料逐渐减少。此时仍根据燃料与氧气量的化学当量比φ调减总氧气流量，并按照先调减二级氧气后调减一级氧气的顺序依次调减总氧气量。具体调减方法为：当总氧气流量大于主燃区最大纳氧量时，只调减二级氧气量，一级氧气量不变；当总氧气流量调减至小于等于主燃区最大纳氧量时，停止二级氧气，只向主燃区供给氧气，并逐渐调减一级氧气量。

在正常运行情况下，即燃气轮机运行在负荷大于30％时，二氧化碳流量通常不变。当负荷降低到一定程度(通常30％以下，尤其接近停机)时，由于所需工质已经大大减少，需要逐渐调减二氧化碳流量直至停机。此时可以通过调节阀6，使用二氧化碳储罐回收多余的二氧化碳；或使用分离阀5，将多余的二氧化碳排走进行碳收集。

相应的，在燃气轮机启动过程时，也需要逐渐调增二氧化碳流量，在达到一定负荷(通常30％)后，二氧化碳流量维持不变。

图4是应用本发明所述分级供氧燃烧方法的其中一个实施例，并显示了分级燃烧燃气轮机负荷调控范围相对传统燃气轮机运行负荷范围的变化。如图所示，燃气轮机负荷约30％～70％的区间是主燃区维持φpz≈1的近当量燃烧状态且温度随负荷增长而升高的区间。此时分级燃烧室内燃料、氧气全部通过主燃区的主喷嘴供应，二氧化碳则分三级供应，燃料量、总氧量与一级氧气量为同步增加，主燃区内φpz等于分级燃烧室φ，这个阶段主燃区内燃料维持φpz≈1的近当量燃烧状态。次燃区和掺混区均作为高温燃气与工质进一步混合降温区。由于工质分三级供应使得主燃区内二氧化碳大为减少，相当于在小区域(主燃区)范围内维持充足氧量供应，使燃料的高温火焰得以维持而燃烧充分，使得低负荷状态下避免了因工质流量过大局部供氧不足造成燃料火焰温度难以维持而导致的co浓度过高甚至熄火停机。这正是传统燃烧室的富燃燃气轮机低负荷状态下难以克服的问题。因此，分级供氧燃烧方式大大拓宽了富燃燃气轮机的低负荷运行范围。

而当负荷进一步增加时，燃料量继续增加，此时主燃区供氧量不再增加(因此，主燃区φpz呈逐步增加趋势)，而是通过增加二级氧气，使得燃料先在主燃区进行富燃燃烧，生成不完全燃烧的高温燃气，高温燃气进入次燃区进一步燃烧完全，既避免了主燃区超过极限温度，又保证了燃料的充分燃烧，还使得高负荷状态下nox排放大为降低。这是由于氧气是从空气中分离而来，因此氧气中不可避免的会含有少量氮气，导致燃烧过程中生成nox，而上述分级供氧的燃烧方法，使得高负荷下因主燃区采用富燃燃烧，大大降低了nox的生成。因此，分级燃烧方式不但拓宽了燃气轮机低负荷运行范围，还降低了燃气轮机高负荷运行时的nox排放。

简言之，本发明通过分级供氧(氧化剂)和分级供二氧化碳(工质)形成分级供氧燃烧，灵活调节氧气在燃烧室各个燃烧区的分配比例，提高主燃区燃烧稳定性的同时，通过工质的低温保护作用，避免了高温损伤问题。在燃烧室低负荷运行时，增大主燃区氧气分配比例(从而增大主燃区αpz)来升高主燃区的火焰温度，避免因为火焰温度低导致的一氧化碳和氧气排放增加以及熄火等问题，从而拓宽了燃烧室运行工况范围。当燃烧室处于高负荷工况时，降低主燃区氧气分配比例，防止主燃区的火焰温度超过材料能够承受的极限温度，避免火焰温度过高引起的火焰筒和喷嘴熔蚀，以及回火等问题。

以上所述的分级供氧燃烧方法适用于常规富氧燃烧燃气轮机，也适用亚临界、超临界富氧燃烧燃气轮机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。