一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置
阅读说明：本技术 一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置 (Gas turbine power generation device adopting full-premixing low-nitrogen combustion mode ) 是由 李晓丰 肖俊峰 胡孟起 王峰 王玮 王致程 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置,包括进气道、压气机、燃烧室、透平、排气道、转子和发电机；呈喇叭收缩型的进气道布置在燃气轮机的最前端,其下游与压气机相连,燃烧室以设定倾角周向均匀布置在压气机和透平之间,燃烧室出口与透平入口相连,燃气轮机排气道布置在燃气轮机最右侧,压气机和透平通过转子连接,发电机位于发电装置的最左侧,发电机轴与转子相连。本发明解决了在役燃气轮机启机过程冒黄烟问题,同时有助于燃气轮机在稳定负荷运行时进一步降低NOx排放。(The invention discloses a gas turbine power generation device adopting a full-premixing low-nitrogen combustion mode, which comprises an air inlet channel, an air compressor, a combustion chamber, a turbine, an exhaust channel, a rotor and a generator, wherein the air inlet channel is connected with the air compressor; the air inlet channel in a horn contraction type is arranged at the foremost end of the gas turbine, the downstream of the air inlet channel is connected with the air compressor, the combustion chamber is circumferentially and uniformly arranged between the air compressor and the turbine at a set inclination angle, the outlet of the combustion chamber is connected with the inlet of the turbine, the exhaust channel of the gas turbine is arranged at the rightmost side of the gas turbine, the air compressor is connected with the turbine through a rotor, the generator is positioned at the leftmost side of the power generation device, and the generator shaft is connected with the rotor. The invention solves the problem of yellow smoke emission in the startup process of the in-service gas turbine, and is beneficial to further reducing the NOx emission when the gas turbine operates at a stable load.)
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机，特别涉及一种采用全预混燃烧方式的燃气轮机发电装置，应用于天然气、氢气、合成气等气态燃料火力发电领域。
背景技术
扩散燃烧和预混燃烧是气态燃料燃烧的两种常用方式，扩散燃烧火焰面温度高，燃烧稳定性好，但NOx排放高，预混燃烧可调整燃空比降低火焰面温度，控制NOx排放生成，但燃烧稳定性较扩散燃烧差。
现有燃气轮机普遍采用干式低氮分级燃烧技术降低NOx排放，即将燃料分成主燃料和值班燃料分级进入燃烧室参与燃烧，主燃料采用预混燃烧方式，值班燃料采用扩散燃烧方式，这样结合了扩散燃烧和预混燃烧各自的优点，即可确保燃气轮机燃烧稳定，又可有效控制NOx排放。燃气轮机值班燃料和主燃料的分配比例跟随燃气轮机负荷变化，在燃气轮机启机过程中，为了确保燃烧室燃烧稳定，一般参与扩散燃烧的值班燃料占主导，这也意味着启机过程燃气轮机的NOx排放很难被控制，经常会在烟囱看到冒黄烟现象。为了解决烟囱冒黄烟的问题，燃气轮机制造商设计了全预混燃烧系统，即值班燃料和主燃料均采用预混燃烧方式，这种技术在一定程度上降低了启机过程燃气轮机的NOx排放，但并不能完全解决冒黄烟问题，在燃气轮机启机过程部分时段仍能看到微弱黄烟；另燃气轮机制造商设计的全预混燃烧系统采用的是强旋流燃料喷嘴结构，依靠燃料喷嘴上的旋流叶片形成强旋转射流，在燃料喷嘴出口形成用于稳定点火的高温回流区，回流区的存在虽然可提高燃烧稳定性，但也增加了燃烧后的烟气在燃烧室内的停留时间，促使热力型NOx污染物生成，这必然导致燃气轮机在稳定负荷工况下，仍存在一定的NOx排放，很难直接满足日益严苛的污染物排放法规要求，一般还需在余热锅炉内通过加装脱销装置才能解决NOx排放高的难题，增加了系统运行复杂性和运行成本。
发明内容
为了解决在役燃气轮机启机过程冒黄烟和稳定负荷运行下NOx排放问题，本发明提出一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置。本发明基于弱旋流燃料喷嘴较强旋流燃料喷嘴NOx排放低的性能优势，在燃气轮机中采用了旋流数可自适应调整的全预混分级燃烧燃料喷嘴结构，燃料喷嘴上的旋流叶片角度可跟随燃气轮机负荷自动变化，使压气机压缩后的空气经燃料喷嘴后形成不同强度的旋转射流进入燃烧室进行燃烧。当燃气轮机负荷较低时，燃料喷嘴工作在强旋流燃料喷嘴模式，以确保燃气轮机燃烧稳定；随着燃气轮机负荷增加，燃料喷嘴逐渐从强旋流模式转变为弱旋流燃料喷嘴模式，以有效控制NOx排放。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置，包括进气道、压气机、燃烧室、透平、排气道、转子和发电机；
呈喇叭收缩型的进气道布置在燃气轮机的最前端，其下游与压气机相连，燃烧室以设定倾角周向均匀布置在压气机和透平之间，燃烧室出口与透平入口相连，燃气轮机排气道布置在燃气轮机最右侧，压气机和透平通过转子连接，发电机位于发电装置的最左侧，发电机轴与转子相连。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机的燃烧室采用的是全预混低氮燃烧方式，燃烧室燃料喷嘴的预混旋流叶片和值班旋流叶片均设计成旋流数能够自适应变化调整结构。
本发明进一步的改进在于，所述燃料喷嘴包括燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁、吹扫空气外壁、预混旋流叶片、值班旋流叶片、环形预混燃料隔板和环形值班燃料隔板；其中，燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁和吹扫空气外壁均为同心圆形截面薄壁结构；
所述预混旋流叶片位于燃料喷嘴外壁和预混燃料外壁构成的环形通道内，用于将燃料喷嘴外壁和预混燃料外壁所构成的环形通道分隔成上游的主燃空气流道和下游的主燃料预混腔；
所述值班旋流叶片位于值班空气外壁和值班燃料外壁构成的环形通道内，用于将值班空气外壁和值班燃料外壁所构成的环形通道分隔成上游的值班空气流道和下游的值班燃料预混腔；
所述环形预混燃料隔板位于预混燃料外壁和值班空气外壁之间，用于将预混燃料外壁和值班空气外壁所构成的环形通道分隔成上游预混燃料流道和下游预混燃烧冷却空气流道；
所述环形值班燃料隔板位于值班燃料外壁和吹扫空气外壁之间，用于将值班燃料外壁和吹扫空气外壁所构成的环形通道分隔成上游值班燃料流道和下游值班燃烧冷却空气流道；
所述吹扫空气外壁位于燃料喷嘴中心，吹扫空气外壁内部为吹扫空气流道。
本发明进一步的改进在于，预混旋流叶片由叶片直段、旋流叶片和旋转扭簧构成，叶片直段为中空结构，旋流叶片和叶片直段之间通过旋转扭簧连接，根据旋流叶片所受气动力的变化情况，预混旋流叶片能够自由转动，自适应改变预混可燃混气的旋流数。
本发明进一步的改进在于，叶片直段前缘开设有预混燃料喷射孔，叶片直段后部开设有预混燃烧冷却空气孔。
本发明进一步的改进在于，值班旋流叶片由叶片直段、旋流叶片和旋转扭簧构成，叶片直段为中空结构，旋流叶片和叶片直段之间通过旋转扭簧连接，值班旋流叶片能够自由转动，自适应改变值班可燃混气的旋流数。
本发明进一步的改进在于，叶片直段前缘开设有值班燃料喷射孔，叶片直段后部开设有值班燃烧冷却空气孔。
本发明进一步的改进在于，所述预混燃烧冷却空气流道、值班燃烧冷却空气流道和吹扫空气流道下游断面开设有冷却空气喷射孔。
本发明进一步的改进在于，所述预混燃烧冷却空气流道、值班燃烧冷却空气流道和吹扫空气流道下游断面开设有吹扫空气喷射孔。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提出的一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置，采用了旋流数可自适应调整的全预混分级燃烧燃料喷嘴结构，考虑到燃料喷嘴上的旋流叶片所受气动力与燃气轮机负荷存在正相关关系，将预混旋流叶片和值班旋流叶片设计成可转动部件，当燃气轮机负荷变化时，预混旋流叶片和值班旋流叶片的角度会自适应变化，进而自动调整燃料喷嘴的旋流数。燃气轮机从启动至满负荷工作过程中，燃料喷嘴的旋流数可随燃气轮机负荷自适应调整，通过调整旋流数改变进入燃烧室旋转射流的强度，进而控制燃烧室内回流区的大小，在确保燃烧稳定的情况下，尽量缩小回流区，直至回流区完全消失，这可有效减小高温烟气在燃烧室内的停留时间，降低NOx排放，解决在役燃气轮机启机过程冒黄烟问题，同时有助于燃气轮机在稳定负荷运行时进一步降低NOx排放。
附图说明
图1是一种采用全预混低氮燃烧方式的燃气轮机发电装置实施案例的示意图；
图2是图1中燃烧室部件示意图；
图3是图2中燃料喷嘴部件示意图；
图4是图3中旋流叶片结构示意图；
图5是旋流叶片自适应调整示意图。
附图标记说明：
1、进气道；2、压气机；3、燃烧室；4、透平；5、转子；6、排气道；7、透平轴承；8、压气机轴承；9、发电机；10、燃料喷嘴端盖；11、火焰筒；12、过渡段；13、点火器；14、弹簧密封片；15、燃烧主空气进气孔；16、燃料喷嘴；17、燃烧火焰高温区；18、主燃料管；19、吹扫空气管；20、值班燃料管；21、燃料喷嘴预混燃烧空气进气孔；22、燃料喷嘴值班燃烧空气进气孔；23、燃料喷嘴外壁；24、预混燃料外壁；25、值班空气外壁；26、值班燃料外壁；27、吹扫空气外壁；28、预混旋流叶片；29、值班旋流叶片；30、预混燃料喷射孔；31、预混燃烧冷却空气孔；32、值班燃料喷射孔；33、值班燃烧冷却空气孔；34、环形预混燃料隔板；35、环形值班燃料隔板；36、主燃空气流道；37、主燃料预混腔；38、预混燃料流道；39、预混燃烧冷却空气流道；40、值班燃料流道；41、值班燃烧冷却空气流道；42、值班空气流道；43、值班燃料预混腔；44、吹扫空气流道；45、预混燃烧冷却空气喷射孔；46、值班燃烧冷却空气喷射孔；47、吹扫空气喷射孔；48、叶片直段；49、扭簧；50、旋流叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
请参阅图1所示，本实施例所涉及的燃气轮机发电装置，以进气道1、压气机2、燃烧室3、透平4、转子50、排气道6、透平轴承7、压气机轴承8、发电机9组成，形成如图1中箭头所示通过它们的气体流路。
沿燃气轮机的气流方向，进气道1置于燃气轮机的最前端，压气机2与进气道1相连，燃烧室3以一定倾角周向均匀布置在压气机2和透平4之间，燃烧室出口与透平入口相连，压气机2和透平4通过转子5连接，转子5由透平轴承7和压气机轴承8支撑，排气道6与透平出口相连，发电机9位于发电装置的最左侧，发电机轴与转子5相连。所述进气道1、压气机2、透平4、转子5和发电机9与传统燃气轮机相同。
燃气轮机发电装置工作时，空气被高速旋转的压气机2抽吸入进气道1，经进气道1导流后进入压气机2，经多级压气机逐级压缩后形成高压空气，由燃烧室3与燃气轮机外壳形成的夹层空间折回流向燃烧室头部，由燃烧室头部进入燃烧室3，在燃烧室3内与燃料快速燃烧形成高温高压燃气，然后进入透平4内膨胀做功，透平4将燃气能量转化为旋转机械能，以轴功率方式输送给压气机2和发电机9，带动压气机2旋转，同时通过发电机9将机械能转化为电能，膨胀完后的乏气经排气道6排出，为充分利用乏气剩余热能，可在排气道6下游加装余热锅炉，形成燃气-蒸汽联合循环发电机组。
请参阅图2所示，本实施例所涉及的燃气轮机燃烧室3，以燃料喷嘴端盖10、火焰筒11、过渡段12、点火器13、弹簧密封片14、燃烧主空气进气孔15、燃料喷嘴16组成，并形成如图2中箭头所示通过它们的气体流路。燃料喷嘴端盖10上安装有燃料喷嘴16，火焰筒11与燃料喷嘴16之间通过弹簧密封片14连接，过渡段12与火焰筒11相连；在火焰筒11的头部开设有燃烧主空气进气孔15，在火焰筒11中部开设有点火器13。燃烧室3工作时，参与燃烧的空气通过燃烧主空气进气孔15经燃料喷嘴16后以旋转射流方式进入火焰筒11，参与燃烧的燃料经燃料喷嘴16与空气掺混后进入火焰筒11，在火焰筒11内的可燃混气经点火器13点燃后，在燃料喷嘴16下游火焰筒11内部形成燃烧火焰高温区17，点火成功后，点火器13退出火焰筒11，燃烧火焰高温区17不断点燃新进入火焰筒11的可燃新鲜混气，燃料在火焰筒11内燃烧完成形成高温高压烟气，烟气在过渡段12内掺混均匀高速喷入下游的透平4内膨胀做功。
请参阅图3所示，本实施例所涉及的燃气轮机燃料喷嘴组件，以燃料喷嘴端盖10、主燃料管18、吹扫空气管19、值班燃料管20、燃料喷嘴预混燃烧空气进气孔21、燃料喷嘴值班燃烧空气进气孔22、燃料喷嘴外壁23、预混燃料外壁24、值班空气外壁25、值班燃料外壁26、吹扫空气外壁27、预混旋流叶片28、值班旋流叶片29等组成，并形成如图3中箭头所示通过它们的气体流路。燃料喷嘴外壁23、预混燃料外壁24、值班空气外壁25、值班燃料外壁26与吹扫空气外壁27呈同轴心布置；预混旋流叶片28布置在由燃料喷嘴外壁23和预混燃料外壁24构成的环形流道内，叶片数量为10，呈周向均匀布置，叶片直段前缘叶背和叶盆均等间距开设有7个直径为1.5mm的预混燃料喷射孔30，叶片直段后部开设有长5mm、宽3mm的方形截面预混燃烧冷却空气孔31；值班旋流叶片29布置在由值班空气外壁25和值班燃料外壁26构成的环形流道内，叶片数量为6，呈周向均匀布置，叶片直段前缘叶背和叶盆均等间距开设有4个直径为1.5mm的值班燃料喷射孔32，叶片直段后部开设有长5mm、宽3mm的方形截面值班燃烧冷却空气孔33。环形预混燃料隔板34布置在由预混燃料外壁24和值班空气外壁25构成的环形流道内；环形值班燃料隔板35布置在由值班燃料外壁26和吹扫空气外壁27构成的环形流道内。预混旋流叶片28将燃料喷嘴外壁23与预混燃料外壁24构成的环形通道分成两部分，一是位于预混旋流叶片28上游的主燃空气流道36，二是位于预混旋流叶片28下游的主燃料预混腔37。值班旋流叶片29将值班空气外壁25与值班燃料外壁26构成的环形通道分成两部分，一是位于值班旋流叶片29上游的值班空气流道42，二是位于值班旋流叶片29下游的值班燃料预混腔43。环形预混燃料隔板34将预混燃料外壁24与值班空气外壁25构成的环形通道分成两部分，一是位于环形预混燃料隔板34上游的预混燃料流道38，二是位于环形预混燃料隔板34下游的预混燃烧冷却空气流道39。环形值班燃料隔板35将值班燃料外壁26与吹扫空气外壁27构成的环形通道分成两部分，一是位于环形值班燃料隔板35上游的值班燃料流道40，二是位于环形值班燃料隔板35下游的值班燃烧冷却空气流道41。吹扫空气外壁27包裹的空间为吹扫空气流道44。在预混燃烧冷却空气流道39、值班燃烧冷却空气流道41和吹扫空气流道44的右端面上分别开设有直径为1mm的预混燃烧冷却空气喷射孔45、值班燃烧冷却空气喷射孔46和吹扫空气喷射孔47。
燃料喷嘴组件工作时，经压气机压缩后的高压空气由火焰筒11头部的燃烧主空气进气孔15进入后，大部分空气分别经燃料喷嘴预混燃烧空气进气孔21、燃料喷嘴值班燃烧空气进气孔22进入主燃空气流道36、值班空气流道42，小部分空气经预混燃烧冷却空气孔31进入燃料喷嘴，压气机排气还有一部分经吹扫空气管19进入燃料喷嘴的吹扫空气流道44。参与燃烧的燃料分别经主燃料管18、值班燃料管20流入预混燃料流道38和值班燃料流道40进入燃料喷嘴。预混燃料经预混燃料流道38进入预混旋流叶片28内部的中空结构，并经预混燃料喷射孔30喷入主燃空气流道36，与进入主燃空气流道36的主燃空气进行掺混。主燃空气和预混燃料边掺混边流过预混旋流叶片28，经预混旋流叶片28后形成旋转气流，主燃空气和预混燃料在主燃料预混腔37内进一步掺混，掺混后的可燃混气以旋转射流方式进入下游的火焰筒11进行燃烧。值班燃料经值班燃料流道40进入值班旋流叶片29内部的中空结构，并经值班燃料喷射孔32喷入值班空气流道42，与进入值班空气流道42的值班空气进行掺混。值班空气和值班燃料边掺混边流过值班旋流叶片29，经值班旋流叶片29后形成旋转气流，值班空气和值班燃料在值班燃料预混腔43内进一步掺混，掺混后的可燃混气以旋转射流方式进入下游的火焰筒11进行燃烧。用于冷却燃料喷嘴的冷却空气由预混旋流叶片28上的预混燃烧冷却空气孔31进入燃料喷嘴，然后分成两路，一路经预混燃烧冷却空气流道39，由预混燃烧冷却空气喷射孔45喷出，对主燃料预混腔37和值班燃料预混腔43间的壁面进行冷却；另一路经值班旋流叶片29上的值班燃烧冷却空气孔33进入值班燃烧冷却空气流道41，并由值班燃烧冷却空气喷射孔46喷出，对值班燃料预混腔43和吹扫空气流道44间的壁面进行冷却。吹扫空气经吹扫空气流道44，由吹扫空气喷射孔47喷入下游的火焰筒11，通过控制吹扫空气的流量可调整燃烧室内回流区的轴向位置，防止高温回流区前移烧损燃料喷嘴。
请参阅图4、图5所示，本实施例所涉及的燃料喷嘴预混旋流叶片28和值班旋流叶片29，均由叶片直段48、扭簧49和旋流叶片50构成。燃气轮机启动时，预混旋流叶片28和值班旋流叶片29的旋流叶片50均位于最小位置51，主燃空气和值班空气分别经预混旋流叶片28和值班旋流叶片29后形成的旋转射流最强，在燃烧室头部形成强回流区，有利于燃烧室点火启动；待点火成功后，随着燃烧空气和燃料流量的增加，燃烧室温度逐渐升高，燃烧室的稳定性燃烧边界变宽，此时旋流叶片50所受的气动力也跟随空气流量增加而增加，在气动力作用下，旋流叶片50逐渐克服扭簧49的弹性力，旋流叶片50的位置自适应逐渐往大的方向调整至位置52。当空气流量增加到最大时，旋流叶片50自适应调整至最大位置53处，此时燃料喷嘴旋流数最小，主燃空气和值班空气分别经预混旋流叶片28和值班旋流叶片29后形成的旋转射流较弱，在燃烧室头部不形成回流区，可降低高温烟气在燃烧室内的停留时间，进一步降低NOx排放。燃气轮机停机时，工作流程刚好相反，预混旋流叶片28和值班旋流叶片29的旋流叶片50的位置从最大位置53处逐渐自适应调整至最小位置51处。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
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