一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能源燃料领域，具体涉及一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 由于受我国能源禀赋的限制，我国天然气供应量不足，使得燃气电厂设备年利用 小时数大幅下降，而且天然气价格居高不下，涨价趋势明显，这些都对燃气发电的经济性造 成极大影响，严重限制天然气发电装机容量的快速增长。因此，寻找清洁、洁净、经济的替代 燃料成为一种重要选择。国内外开展了替代燃料的研宄，甲醇是其中的一种。甲醇作为燃 气轮机的燃料在国外已做过很多试验。与天然气及油相比，甲醇在某些方面似乎更是燃气 轮机理想的燃料：其可以实现更高的效率，更大的功率输出（由于流量的增加）；在同样的透 平进口温度下，甲醇的燃烧温度低（由于火焰温度较低)，所以其燃烧具有较低的NOx排放。 由于甲醇中硫含量非常低，因此基本没有SO2的排放问题。此外，甲醇燃烧干净，使得透平 部件的清洗次数大大减少，有助于降低维护费用。
[0003] 常温常压下，天然气为气态，醇基燃料为液态，如何用一种简单易行的装置和方法 将两种物理性质差异明显的燃料均匀混合是首先要解决的问题。目前尚未见相关报道。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置，以保证 两种燃料均匀掺混，为混合燃料送入喷嘴燃烧提供了必要的燃烧条件。
[0005] 本发明另一目的是提供一种用于天然气掺烧醇基燃料的方法，使天然气与醇基燃 料掺混前后始终处于气体状态，并对燃烧火焰检测分析，以获得可靠的掺有不同比例醇基 燃料的天然气的燃烧数据。
[0006] 上述目的是通过如下技术方案实现的： 一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置，该装置包括： 燃料系统：包括天然气管道，按天然气流向依次还包括天然气源、天然气阀门和天然气 流量计；醇基燃料管道，按醇基燃料流向依次还包括醇基燃料源、醇基燃料阀门、醇基燃料 流量计和设于醇基燃料源处驱动醇基燃料的压力源；天然气与醇基燃料预热混合管道； 空气系统：包括空气管道，按空气流向依次还包括空气压缩机、空气阀门、空气压力计、 空气流量计、空气第一温度计、空气加热器、靠近空气加热器的空气第二温度计和靠近燃烧 室的空气第三温度计； 燃烧系统：包括燃烧室； 天然气管道与醇基燃料管道分别接至天然气与醇基燃料预热混合管道；混合后的天然 气与醇基燃料混合气体与空气系统中的空气同时送入燃烧系统燃烧。
[0007] 各阀门、压力计、流量计和温度计分别与采集控制系统相连。
[0008] 进一步地，所述装置还包括测量系统，具体包括用于测量火焰温度的热电偶，用于 测量火焰流场的粒度测定仪，用于测量烟气组成的烟气采样分析仪和用于测量火焰痕量组 分浓度场的平面激光诱导荧光系统，它们的测量端分别设置于火焰处。
[0009] 进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道包括燃料管道、加热单元、温度测 定单元和压力测定单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段、收缩段、高速混合 段、扩张段、低速混合段和喷嘴，高速混合段近收缩段一端分支设有醇基燃料管道段；加热 单元包括设于天然气管道段的第一加热器，设于醇基燃料管道段的第二加热器和设于低速 混合段的第三加热器；温度测定单元包括设于天然气管道段上位于第一加热器与收缩段 之间的第一温度计，设于醇基燃料管道段上位于第二加热器与高速混合段之间的第二温度 计，设于低速混合段近扩张段一端的第三温度计和设于低速混合段末端的第四温度计；压 力测定单元包括设于低速混合段近扩张段一端的压力计。压力计、各加热器、各温度计分别 与采集控制系统相连。
[0010] 进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道中天然气管道段与高速混合段的 内径之比为（3~4) :1。天然气管道段与高速混合段的内径比例关系到高速混合段的气体流 速，决定了天然气与气态的醇基燃料在高速混合段的混合效果。这一比例过大（即天然气管 道段内径一定时，高速混合段内径过小）会导致高速混合段气体流速过高，天然气与气态的 醇基燃料不能在此段充分混合就进入扩张段；这一比例过小（即天然气管道段内径一定时， 高速混合段内径过大）又不能明显提高天然气进入高速混合段后的流速，不能起到使天然 气和气态醇基燃料高速混合的作用。
[0011] 进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道中高速混合段的长度与内径之比 为（150~180) :1。在高速混合段内径一定的前提下，该参数关系到高速混合段的长度，过短 会降低高速混合的时间，影响掺混效果；过长会增加气态醇基燃料凝结的风险。
[0012] 进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道中高速混合段与低速混合段的长 度之比为（3~5):1。在高速混合段长度一定的前提下，该参数关系到低速混合段的长度。低 速混合段过短会降低低速混合的时间，影响掺混效果；过长浪费管道，还会增加气态醇基燃 料凝结的风险。
[0013] 进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道第一加热器和第二加热器为油浴 加热装置，经过油浴加热装置的天然气管道和醇基燃料管道呈螺旋状。螺旋状有助于管道 内燃料快速均匀的加热。
[0014] 一种利用上述装置在天然气中掺烧醇基燃料的方法：醇基燃料压力源作为醇基 燃料动力，把液态醇基燃料从醇基燃料源中压出，经第二加热器加热变成气态，第二温度计 对气态醇基燃料的温度进行监测，控制第二温度计的温度数值在180~190°c范围；从第一 加热器吸热的天然气经收缩段射出与气态醇基燃料在高速混合段混合，再通过扩张段进入 低速混合段继续混合，在刚进入低速混合段时第三温度计和压力计监测混合燃料的温度和 压力，控制第三温度计的温度数值在95~105°C范围，压力计的压力数值在0· 103~0· IlOMpa 范围；在进入喷嘴前，第四温度计监测混合燃料的终温，控制第四温度计的温度数值在 70~90°C范围；同时，空气系统中的空气被空气压缩机压缩后，经空气加热器加热，空气第二 温度计监测刚加热后的空气的温度，控制在200~250°C，空气第三温度计监测空气进入燃烧 室前的终温，控制在90~110°C ;后续的测量系统对燃烧火焰进行相关参数实时测量。控制 天然气与醇基燃料预热混合管道中第二温度计的温度数值为180~190°C，一方面保证醇基 燃料能够完全气化，另一方面保证气化后的醇基燃料具有较高热量，不会凝结；控制第一温 度计的温度数值为150~170°C的目的在于保证天然气具有一定的热量，防止与醇基燃料混 合后导致气化后的醇基燃料预冷凝结。控制第四温度计的温度数值为70~90°C可以保证混 合后的燃料在进入喷嘴前不出现凝结，保证在低速混合段一直处于完全气化状态。控制低 速混合段压力计的压力数值在〇· 103~0· IlOMpa范围内，是为了让低速混合段管道压力微 大于低速混合段管道出口处的环境大气压（0.1 Mpa)，这样混合气体在经历一定长度的低速 混合段的管道流动损失之后，既可以达到继续充分混合的目的又可以达到克服流动阻力与 空气在喷嘴处汇合的目的。由于整个装置在大气环境下运行，装置内部的压力也没必要设 置过高(否则对设备要求会很高，增加成本)。因此，0. 103~0.1 lOMpa范围较为合适。第三温 度计的温度数值选择在95~105°C，是因为混合后的气体燃料还将在一定长度的低速混合段 流动并且散热，虽然低速混合段设有加热装置，但由于低速混合段的内部换热表面积较大， 很容易降温到完全蒸发温度以下，为了充分保证混合燃料进入喷嘴前的温度在70~90°C不 发生凝结，所以把第三温度计的温度数值选择在该范围。控制空气系统中空气第二温度计 的温度数值为200~250°C是为了保证将空气加热到该温度范围，使其具有较高的热量，不至 于在进入燃烧室前温度过低；控制空气第三温度