一种燃气轮机的氢气喷射系统及稳焰方法与流程

本发明属于能源与动力技术领域，特别涉及一种燃气轮机的氢气喷射系统及稳焰方法。

背景技术：

燃气轮机是最先进的热功转换装置，典型的发电重型燃气轮机以天然气为燃料，采用贫燃预混燃烧方式，具有较低的nox排放。氢是优良的能源载体，绿色氢能(指可再生能源制备的氢能)可以有效消纳波动性的风能、光能、水能。将波动的可再生能源转化为氢气，再通过燃烧与燃料电池等方式转化为稳定的电、冷、热等输出，是可行的能源低碳和分布式综合利用方案。氢气相比于传统碳氢燃料具有点火能量小，火焰传播速度快，可燃界限范围宽，热效率高，只生成少量的nox，无hc、co和温室气体co2且可再生等特点。将氢气和天然气混合后作为燃料，可以发挥两种燃料的优势，弥补不足，满足日益严格的排放性和经济性要求。相关研究表明，氢气掺混可以拓展燃烧的稀燃极限，有效的拓宽燃机的工作包线；同时，掺氢可以有效的提高燃料的点火性能，这对于极限工况下的燃机性能也十分有利；燃料中氢气比例的增加可以使火焰结构更加紧凑，进而燃烧过程会更加稳定；掺氢后碳氧化物排放的明显降低。

但由于氢气活跃的化学性质，富氢燃料的燃烧过程极易发生回火与自点火的现象；富氢燃料虽然在稀燃条件下具有较高的稳定性，但是掺氢比需要达到一定量才会有显著效果，掺氢燃料的燃烧过程中容易受到热声不稳定性的影响从而产生振荡；同时由于氢气具有较高的火焰温度，提高燃料掺氢比会非线性的增加nox排放。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃气轮机的氢气喷射系统及稳焰方法，通过少量氢气喷射，能够在稳焰的同时，进一步拓展燃烧的稀燃极限，提高燃料点火性能、燃烧效率，降低燃烧过程中回火、自点火、热声振荡出现的风险以及碳氧化物等污染物的排放。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种燃气轮机的氢气喷射系统，包括氢气储气罐9，所述氢气储气罐9通过带有气体质量流量计的管路连接氢气喷射器，向燃烧室23内按设定流量直接喷射氢气。

所述燃烧室23连接天然气储气罐10，以天然气和氢气为燃料，以体积百分比计，向燃烧室23内直接喷射的氢气占燃料总量的1％-5％。

所述天然气储气罐10的出口通过依次带有第二减压阀12、第一球阀13、第一气体质量流量计14、第六球阀33、防回火器32的管路连接第三三通接头31的接口一，第三三通接头31的接口二连接空气供应系统，接口三连接第二三通接头29的接口一，第二三通接头29的接口二和接口三均连接燃气喷嘴27。

所述空气供应系统包括压气机1，压气机1的出口通过依次带有前置稳压罐2、前置过滤器3、冷冻干燥机4、精密过滤器5、超精密过滤器6、后置稳压罐7、第七球阀34、第四气体质量流量计36和第八球阀35的管路与第三三通接头31的接口二连接。

所述燃气喷嘴27设置于燃烧室23的底部，且第二氢气喷射器28的喷口与燃气喷嘴27的喷口靠近。

所述氢气喷射器有两个，分别为喷口位于燃烧室23侧壁下部位置的第一氢气喷射器19和喷口位于燃烧室23底部的第二氢气喷射器28，其中，所述氢气储气罐9的出口连接第一三通接头16的接口一，第一三通接头16的接口二通过依次带有第三球阀17、第二气体质量流量计18和第四球阀20的管路连接第一氢气喷射器19，第一三通接头16的接口三通过依次带有第二球阀15、第三气体质量流量计21和第五球阀30的管路连接第二氢气喷射器28。

所述氢气储气罐9的出口设置第一减压阀11，将从氢气储气罐9出来的氢气压力调节至所需压力。

本发明还提供了一种利用所述燃气轮机的氢气喷射系统的稳焰方法，将空气和燃料分别计量后混合送入燃烧室23，之后将氢气计量，按设定流量直接喷射入燃烧室23，点火燃烧。

所述燃料为天然气和氢气，所述氢气的体积百分比为1％-5％，所述天然气的体积百分比为99％-95％，氢气和天然气两者体积百分比之和为100％。

所述空气与天然气采用贫燃预混方式经燃气喷嘴27进入燃烧室，以限制nox的排放。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明是在燃气轮机上摒弃传统的氢气与燃料先预混再燃烧的方式，将燃料和氢气采用非预混燃烧方式，并通过气体质量流量计对氢气、天然气以及空气的体积流量进行精确计量和控制。通过两种方法将氢气喷入燃烧室，一种方法是将少量氢气从燃气轮机燃烧室头部直接喷入燃烧室进行燃烧，另一种方法则是从燃烧室侧壁注入进行燃烧。实验表明，当氢气与燃料采用非预混的燃烧方式，仅需体积分数为2％的氢气就可以达到很好的稳焰效果。同等氢气含量的掺氢燃料与其相比，火焰结构并没有明显变化，且其有效的拓宽燃机的工作包线；提高了燃料的点火性能、燃烧效率；进一步降低了碳氧化物的排放。由于此种稳焰方式所需的氢气体积分数很小，降低了回火和自点火以及热声不稳定的发生；空气、天然气采用预混稀燃的燃烧方式，所以进一步限制了nox的排放。最终获得直喷氢气的优化体积分数为1％-5％，直喷氢气最佳体积分数为4％。

附图说明

图1为本发明的一种燃气轮机的氢气喷射系统。

图2为本发明的一种包括氢气喷射系统的气体供应系统及测量、控制系统。

图3为当量比φ＝0.5，流速u＝15m/s时，体积分数zh2＝2％的氢气从燃烧室的头部直喷的火焰宏观结构图。

图4为当量比φ＝0.5，流速u＝15m/s时，体积分数zh2＝2％的掺氢天然气的火焰宏观结构图。

图5为当量比φ＝0.7，流速u＝15m/s时，co排放量随直喷氢气与掺氢天然气的氢气体积分数的变化关系。

图6为当量比φ＝0.7，流速u＝15m/s，nox排放量随直喷氢气与掺氢天然气的氢气体积分数的变化关系。

图7为体积分数zh2＝2％的直喷氢气与掺氢天然气对火焰吹熄极限的影响对比。

图8为体积分数zh2＝2％的直喷氢气与掺氢天然气对火焰点火性能的影响对比。

图1和图2中，1为压气机，2为前置稳压罐，3为前置过滤器，4为冷冻干燥机，5为精密过滤器，6为超精密过滤器，7为后置稳压罐，8为油水分离器，9为氢气储气罐，10为天然气储气罐，11为第一减压阀，12为第二减压阀，13为第一球阀，14为第一气体质量流量计，15为第二球阀，16为第一三通接头，17为第三球阀，18为第二气体质量流量计，19为第一氢气喷射器，20为第四球阀，21为第三气体质量流量计，22为摄像机，23为燃烧室，24为取样探针，25为点火电嘴，26为傅里叶变换红外光谱气体分析仪，27为燃气喷嘴，28为第二氢气喷射器，29为第二三通接头，30为第五球阀，31为第三三通接头，32为防回火器，33为第六球阀，34为第七球阀，35为第八球阀，36为第四气体质量流量计，37为电脑，38为主机，39为进气端壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种燃气轮机的氢气喷射系统，氢气与天然气、空气预混气不掺混，而是从燃烧室头部或从燃烧室的侧壁直喷进入燃烧。根据设定的贫燃工况，经气体质量流量计对天然气、空气及氢气的流量进行精确计量和控制。

如图1所示，本发明包括氢气储气罐9，其通过带有气体质量流量计的管路连接氢气喷射器(其喷口直径可细如针孔般大小)，向燃烧室23内按设定流量直接喷射氢气。作为一种优化，可在氢气储气罐9的出口设置第一减压阀11，以将从氢气储气罐9出来的氢气压力调节至所需压力。

参考图2，在本发明的具体实施例中，氢气喷射器有两个，分别为喷口位于燃烧室23侧壁下部位置的第一氢气喷射器19和喷口位于燃烧室23底部的第二氢气喷射器28。其中，氢气储气罐9的出口连接第一三通接头16的接口一，第一三通接头16的接口二通过依次带有第三球阀17、第二气体质量流量计18和第四球阀20的管路连接第一氢气喷射器19，第一三通接头16的接口三通过依次带有第二球阀15、第三气体质量流量计21和第五球阀30的管路连接第二氢气喷射器28，本发明燃气轮机工作时，氢气可只选择从其中一条支路直喷进入燃烧室23，具体操作时可选其一。当选择氢气从燃烧室23的底部喷入，则关闭第三球阀17和第四球阀20以及第二气体质量流量计18，打开第二球阀15和第五球阀30以及第三气体质量流量计21；当选择氢气从燃烧室23的侧壁喷入，则关闭第二球阀15，第五球阀30以及第三气体质量流量计21，打开第三球阀17和第四球阀20以及第二气体质量流量计18。

在本发明的具体实施例中，第一氢气喷射器19的右侧与燃烧室23的进气端壁39外壁齐平；第一氢气喷射器19的喷口与燃烧室23的侧壁内侧齐平安装。第二氢气喷射器28和燃料喷嘴27与燃烧室23同轴连接；第二氢气喷射器28和燃料喷嘴27的喷口均与燃烧室23的进气端壁39的内壁齐平安装。

本发明的燃料采用天然气和氢气，由此系统还应包括天然气供应系统以及常规的空气供应系统，参考图2，天然气供应系统主要包括天然气储气罐10，天然气储气罐10的出口通过依次带有第二减压阀12、第一球阀13、第一气体质量流量计14、第六球阀33、防回火器32的管路连接第三三通接头31的接口一，第三三通接头31的接口二连接空气供应系统，接口三连接第二三通接头29的接口一，第二三通接头29的接口二和接口三均连接燃气喷嘴27。其中燃气喷嘴27设置于燃烧室23的底部，且氢气喷射器的喷口与燃气喷嘴27的喷口靠近，燃烧室23还连接一用于点火的点火电嘴25。

同样参考图2，空气供应系统包括压气机1，压气机1的出口通过依次带有前置稳压罐2、前置过滤器3、冷冻干燥机4、精密过滤器5、超精密过滤器6、后置稳压罐7、第七球阀34、第四气体质量流量计36和第八球阀35的管路与第三三通接头31的接口二连接。并可进一步设置油水分离器8。

为便于观察以及控制分析，本发明还包括了摄像机22、取样探针24、傅里叶变换红外光谱气体分析仪26、电脑37以及主机38等，摄像机22获得火焰的宏观结构；取样探针24、傅里叶变换红外光谱气体分析仪26、电脑37、主机38获得火焰燃烧过程中碳氧化物及氮氧化物的排放量。由此，第一球阀13，第一气体质量流量计14，第二球阀15，第三球阀17，第二气体质量流量计18，第四球阀20，第三气体质量流量计21，第五球阀30，第六球阀33，第七球阀34，第四气体质量流量计36，第八球阀35，摄像机22，取样探针24，傅里叶变换红外光谱气体分析仪26，电脑37，主机38等构成了本发明的测量和控制系统。

基于该氢气喷射系统，本发明提供了相应的稳焰方法：天然气和氢气采用非预混燃烧方式，先将空气和燃料天然气分别计量后混合送入燃烧室23，之后将氢气计量，按设定流量直接喷射入燃烧室23(从燃气轮机燃烧室23的进气端壁39直喷注入，或从燃烧室23的侧壁喷入)，点火燃烧。

本发明中，氢气的体积百分比为1％-5％，天然气的体积百分比为99％-95％，氢气和天然气两者体积百分比之和为100％。空气喷射的量根据所给定的当量比计算获得，如所述专利里当量比为0.7时，当掺混氢气的体积百分比为3％(占其与天然气总量的3％)时，计算得天然气的体积分数为6.78％，氢气的体积分数为0.21％，空气的体积分数为93.01％，三者体积分数之和为100％。

直喷氢气的优化体积分数为1％-5％，最佳体积分数为4％。

更具体的步骤如下：

1、空气由压缩机1提供，经前置稳压罐2储气稳压、前置过滤器3去除压缩空气中的粉尘杂质，冷冻干燥机4去除压缩空气中的水分，精密过滤器5除去压缩空气中的油颗粒，超精密过滤器6进一步去除压缩空气中的杂质，以及后置稳压罐7进一步稳压，之后经第七球阀34，第四气体质量流量计36对天然气的体积流量进行计量和控制，第八球阀35，第三三通接头31与天然气混合，经第二三通接头29，燃气喷嘴27进入燃烧室。此外，油水分离器8将稳压罐2中的沉积水，前置过滤器3，精密过滤器5，超精密过滤器6去除的杂质、油等废物以及冷冻干燥机4去除的水分收集。

2、以天然气作为燃料之一，部分天然气气体从天然气储气罐10经第二减压阀12达到所需压力，经第一球阀13控制天然气流量、第一气体质量流量计14对天然气体积流量计量后经第六球阀33、防回火器32以及第三三通接头31与空气混合后经第二三通接头29，燃气喷嘴27进入燃烧室。

3、少量氢气从氢气储气罐9出来经第一减压阀11、第一三通接头16将氢气分两路，一路氢气经第三球阀17、第二气体质量流量计18、第四球阀20及第一氢气喷射器19从燃烧室23侧壁直喷进入；一路氢气经第二球阀15、第三气体质量流量计21、第五球阀30以及第二氢气喷射器28直喷进入燃烧室23。燃气轮机工作时，氢气只选择经其中一条支路直喷进入燃烧室。即，天然气、空气在进入燃烧室23之前已完全预混，氢气与天然气、空气非预混，其直喷进入燃烧室。

4、点火电嘴25点火使得气体燃烧，过程中可利用摄像机22对火焰的位置以及形状进行拍摄，与掺氢燃料燃烧火焰形态对比，分析直喷氢气对火焰的稳焰效果。利用取样探针24、傅里叶变换红外光谱气体分析仪26对碳氧化物以及nox排放进行测量，分析直喷氢气对火焰co、nox排放量的影响。

本发明具体实施例中，空气与天然气可采用贫燃预混方式经燃气喷嘴27进入燃烧室，以限制nox的排放。本发明通过将氢气直喷进入燃烧室的方法，提高了火焰燃烧稳定性，进一步拓展燃烧的稀燃极限，提高燃料点火性能，热效率，并降低了富氢燃料燃烧过程中的自燃、回火、自点火、热声振荡出现的风险以及限制氮氧化物等污染物的排放。

图3为当量比φ＝0.5，流速u＝15m/s时，体积分数zh2＝2％的氢气从燃烧室的头部直喷的火焰宏观结构图。对比图4相同当量比和流速下，氢气的体积分数也相同的掺氢天然气火焰的宏观结构，可以看出，氢气直喷的火焰相比掺氢天然气火焰更稳定地燃烧在燃烧室的头部，掺氢天然气火焰出现了抬升，并且已经接近临近吹熄的状态，所以使氢气与天然气不掺混，采用直喷少量氢气的方法就能达到很好的稳焰效果。

图5为当量比φ＝0.7，流速u＝15m/s时，co排放量随直喷氢气与掺氢天然气的氢气体积分数的变化关系。由图可以看出，采用直喷氢气的方法可以有效降低co的排放，并且随直喷氢气体积分数的增加，co的排放量也越低。在zh2＝4％，可以看出co的排放量显著降低，而当zh2＝5％，co的排放量降低的效果并不明显。对比相同氢气体积的掺氢天然气火焰，可看出掺氢天然气火焰对co排放量的降低效果也并不显著。

图6为当量比φ＝0.7，流速u＝15m/s，nox排放量随直喷氢气与掺氢天然气的氢气体积分数的变化关系。由图可以看出，在相同氢气体积分数下，直喷氢气相比掺氢天然气nox排放量高，且在氢气体积分数位于1％-4％之间，两者nox排放量相差不大，但当zh2>5％，直喷氢气的nox排放量急剧上升，所以直喷氢气的优化体积分数应位于1％-5％之间，最佳体积分数为4％，此体积分数下火焰稳定性良好，co排放量低，nox的排放量增加不明显。之后需要进一步对直喷氢气的nox排放进行优化。

图7为体积分数zh2＝2％的直喷氢气与掺氢天然气对火焰吹熄极限的影响对比。由图可以看出，相比掺氢天然气，直喷氢气可进一步拓展燃烧的稀燃极限，有效的拓宽燃机的工作包线，有利于限制nox的排放。

图8为体积分数zh2＝2％的直喷氢气与掺氢天然气对火焰点火性能的影响对比。由图可知，相比掺氢天然气，直喷氢气可进一步提高火焰的点火性能。

此外，由于直喷氢气与天然气、空气预混燃料在贫燃工况下燃烧，并且氢气直喷量较小及采用了氢气喷射器，所以减小了回火和自点火现象发生的概率；在实验过程中火焰燃烧稳定，降低了振荡燃烧的发生，提高了燃烧热效率。

上述是实施方式一产生的实验效果，并对其进行了详尽的分析，实施方式二所产生的实验效果和实施方式一相似，所以这里就不再赘述。

综上，本发明是在燃气轮机上摒弃传统的氢气与燃料掺混后再燃烧的方式，将燃料和氢气不掺混，并选择合适的氢气体积分数，一种方法是将少量氢气从燃气轮机燃烧室头部直接喷入燃烧室进行燃烧，另一种方法则是从燃烧室侧壁注入进行燃烧。且天然气、空气预混火焰在贫燃条件下与氢气在燃烧室同时燃烧。实验表明，氢气的体积分数zh2＝2％时就可以达到很好的稳焰效果，其中zh2＝xh2/(xh2+xch4)×100％，x表示摩尔分数，相比同等氢气含量的掺氢燃料，拓展了燃烧的稀燃极限；提高了燃料的点火性能；火焰结构更加紧凑稳定；碳氧化物的排放明显降低；并降低了热声不稳定、自点火现象的发生。由于喷射的氢气量较少，且与天然气、空气预混火焰在贫燃工况下燃烧，所以限制了nox的排放。且使用的是氢气喷射器，所以显著降低了发生回火的可能性。

以上，仅为本发明中的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。