CN113606041A

CN113606041A - 燃煤型燃气轮机

Info

Publication number: CN113606041A
Application number: CN202110916360.6A
Authority: CN
Inventors: 尚艳杰; 何永顺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2021-11-05

Abstract

本发明提供燃煤型燃气轮机，包括体内压气机和燃烧室通道，还包括体外燃气蒸汽混合发生器，该发生器设置进气管和出口，进气管和出口通过各自的保温管道分别接到压气机出口和燃烧室通道进口。燃气蒸汽混合发生器输出的高温高压燃气蒸汽混合气经过燃烧室通道，驱动发动机涡轮旋转做功，带动压气机连续旋转压气，经过压力空进气管供给体外的燃烧室混合燃料燃烧后，将高温高压燃气喷入罐体水中，使水直接吸热挥发出的蒸汽和升出水面的燃气混合，经罐体上部侧面出口输出燃气蒸汽混合气，再驱动发动机涡轮和动力涡轮，形成连续运行的哈特循环。

Description

燃煤型燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机，具体说是燃气轮机发动机的燃烧室及其火焰筒。

背景技术

燃气轮机发动机包括，在压气机和涡轮之间有燃烧室，以燃烧室为同心轴的压气机、涡轮的各机匣组合体（以下简称体内）。燃烧室中的燃料一般为天然气、煤气或燃油，与来自火焰筒进口的压力空气在燃烧室混合燃烧后，向发动机涡轮喷高温高压燃气，驱动发动机涡轮叶片旋转做功。显然上述燃料价格昂贵，限制了燃气轮机在地面驱动发电机的经济效益。

上述体内燃烧室包括在燃烧室机匣内设置火焰筒。本文将燃烧室机匣内设置的火焰筒取消后，体内燃烧室机匣称为体内燃烧室通道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种燃煤型燃气轮机。

本发明的目的是这样实现的：它包括体内压气机和燃烧室通道（即取消了体内火焰筒），其特征是：还包括在体外设置的燃气蒸汽混合发生器，燃气蒸汽混合发生器设置压力空气进气管和燃气蒸汽混合气出口，压力空气进气管和燃气蒸汽混合气出口通过各自的保温管道分别接到压气机出口和燃烧室通道进口。燃气蒸汽混合发生器输出的高温高压燃气蒸汽混合气经过燃烧室通道，驱动发动机涡轮旋转做功，带动压气机连续旋转压气，经过压力空气进气管供给体外燃气蒸汽混合发生器混合燃料燃烧后，将高温高压燃气喷入罐体水中，使水直接吸热挥发出的蒸汽和升出水面的燃气混合，经罐体上部侧面出口输出燃气蒸汽混合气，再驱动发动机涡轮和动力涡轮，形成连续运行的哈特循环。从功能上说，燃气蒸汽混合发生器相当于燃气轮机体内火焰筒。

燃气蒸汽混合发生器自下而上由燃气蒸汽混合罐体、燃烧室机匣、燃烧室供气机匣、供燃料机匣和供煤粉管组成；其中罐体盛半罐水，燃烧室机匣安装在罐体的罐口上；在燃烧室供气机匣设置压力空气进气管，经保温管道接到压气机出口，压力气体经压力空气进口扁管向空气套管供气；在供燃料机匣中设有起动燃油管；起动燃油管、空气套管和供煤粉管在供气机匣里呈由内到外三套管形式，三套管、火焰筒和直筒火焰燃气管依次相接，其中火焰筒在燃烧室机匣里，直筒火焰燃气管在罐体里，直筒火焰燃气管的出口插入罐体的水中；在罐体水面的上部开燃气蒸汽输出口，燃气蒸汽输出口经保温管道接到体内燃烧室通道进口处；三套管的出口设置空心叶片旋流器，在空心叶片出口下端设置煤粉引射喷嘴，在旋流器的外圈依次设置一圈主燃空气孔和供气孔，其中一圈供气孔设置在供气机匣底座；在燃烧室机匣设置的点火电嘴贯通于火焰筒壁，电火花嘴探入火焰筒壁内。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1、燃气轮机体外燃烧室火焰筒燃烧煤粉结构改进，将发动机燃烧室的火焰筒取消，成为体外盛水罐体上部侧面出口高温高压混合气通向发动机涡轮入口通道。在发动机的体外盛水罐体上部中心安装一套可燃烧煤粉的燃烧室，煤粉经燃烧室上方锥体调节阀控制，按本燃烧室空燃比状态，连续向燃烧室火焰筒上部空气旋流器空心叶片输入煤粉，煤粉经高压空气旋流器叶栅出口高速气流引射空心叶片煤粉出口边缘喷嘴流出的煤粉，叶栅出口气流连续引射掺混煤粉在火焰筒内形成涡旋火焰流状态燃烧，实现分布式能源燃气轮机燃用低成本煤粉做功并网发电。

2、发动机体外燃烧室中敞口火焰筒燃烧煤粉产生的高温高压燃气，经燃烧室出口与罐内通向水面之下的筒形燃气直管连接，将直管出口的高压高温燃气喷入罐内水面之下，以高效直接加热水方式，使水快速挥发出大量蒸汽上浮水面之上。为使喷入水中的高温高压燃气更高效充分对水传热，在燃气流冲入水下碟状陶瓷盘过程中牵引水返流向上流动，冲击由插入水下燃气喷口边界至筒体壁面倾斜辐射布置的多组凸凹形板及其支撑的多微孔固体板，水中反流向上升浮的燃气泡，穿过倾斜辐射布置的多组凸凹形板栅格空隙经过多微孔固体板，使水中燃气大泡破碎成微小气泡充分对水传热，挥发出更多蒸汽，与同台发动机燃气对涡轮做功相比增加了40%混合气流量，即可以驱动比同台燃气轮机动力涡轮进口大于40%流量的动力涡轮。

3、罐体内直筒燃气管出口喷出的高压高温燃气喷入水中，燃气流引射水流经蝶状陶瓷盘上翘边缘形成反流回旋上浮过程中出现大的燃气泡，经水中设置的多微孔固体板破碎后，可对罐内水充分散热，产出更多蒸汽随同喷入水中上浮的微小燃气泡一同升出罐体水面，水面上部的蒸汽与直筒燃气管外壁及水面之上的燃气混合过热，集结于罐体上部由侧面出口通过与其连接的保温管道，将高温高压混合气输送到体内发动机的燃烧室通道，对发动机涡轮做功，使涡轮高速旋转带动同轴的压气机旋转压气，并经保温管道将压力空气连续供给发动机体外罐体上方燃烧室进气口，实现燃气轮机的哈特循环做功发电。所述的哈特循环燃气轮机，是指燃烧室出口的燃气中参混一定比例的蒸汽，与燃气混合一同吹动涡轮做功旋转，由于蒸汽定压比热容明显大于燃气比热容，即混合气在涡轮前压力不变的条件下，随涡轮前温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量相差较大，其中混合气中蒸汽的比热为1.83千焦，而燃气的比热1.05千焦，所以燃气轮机的哈特循环对发动机涡轮做功的能力，要比单纯燃气对发动机涡轮做功能力要大得多。

4、为减少罐体喷入水中的燃气中氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫等气体对外排放，在向罐体内连续注水中掺混一些碱性液体与氮氧化物发生反应，起到吸收消除的作用，通常选取的碱性液体有：硝酸、氢氧化钠溶液，可减少燃气中氮氧化物排放；注水过程中也掺混氢氧化钙溶液（石灰粉），燃气中的二氧化碳气体与水结合后，生成碳酸并与水中氢氧化钙反应生成碳酸钙固体物，随同煤粉灰渣沿罐体水中多微孔固体板下方多组凹板支架组件，由凹板支架谷底倾斜向下流淌到支架凹板边缘至罐内壁与隔板之间的静态水中，并沿罐体内壁与环隔板之间静态水中垂直向下流动，集结在罐体下部排放口处，等待罐体外管道的间歇排放阀排除罐体外。在罐体补水中掺混一定比例的氨水与二氧化硫吸收反应生成亚硫酸铵，当吸收液相对密度达到1.30～1.32时，亚硫酸铵成为结晶体，随罐体水中煤粉灰渣一同沉降到罐底锥形底部排放口集结，再经罐体外连接的管道间歇排放阀一同排出罐体外。使燃气轮机体外罐体上部燃烧室燃煤产生的燃气蒸汽混合气驱动动力涡轮做功，实现高效并网发电和低污染及低碳排放环保要求。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是燃气蒸汽混合发生器的示意图。

图2是图1的A部放大图。

图3是图2的B部放大图。

具体实施方式

它包括体内压气机和燃烧室通道（即取消了火焰筒），还包括体外燃气蒸汽混合发生器（不与体内压气机等同体），燃气蒸汽混合发生器设置压力空气进气管和燃气蒸汽混合气出口，压力空气进气管和燃气蒸汽混合气出口通过各自的保温管道分别接到压气机出口和燃烧室通道进口。燃气蒸汽混合发生器输出的高温高压燃气蒸汽混合气经过燃烧室通道，驱动发动机涡轮旋转做功，带动压气机连续旋转压气，经过压力空进气管供给体外的燃烧室混合燃料燃烧后，将高温高压燃气喷入罐体水中，使水直接吸热挥发出的蒸汽和升出水面的燃气混合，经罐体上部侧面出口输出燃气蒸汽混合气，再驱动发动机涡轮和动力涡轮，形成连续运行的哈特循环。

燃气蒸汽混合发生器自下而上由燃气蒸汽混合罐体1、燃烧室机匣2、燃烧室供气机匣7、供燃料机匣6和头部为三通的供煤粉管5组成；其中，在三通的旁路管里设置蜗杆蜗轮组件19，其中涡轮其中蜗轮中心孔为内螺纹（呈螺母形），锥体阀18设置在三通出口，锥体阀18阀杆22呈螺杆形，与蜗轮内螺纹配合；罐体1盛半罐水，燃烧室机匣安装在罐体的罐口上；在燃烧室供气机匣7设置压力空气进气管3，经保温管道接到压气机出口，燃烧室供气机匣7的压力气体经压力空气进口扁管23向空气套管24供气；在供燃料机匣中设有起动燃油管4；起动燃油管4、空气套管24和供煤粉管5在供气机匣7里呈由内到外三套管形式，三套管25、火焰筒21和直筒燃气管10依次相接，其中火焰筒21在燃烧室机匣2里，直筒燃气管10在罐体里，直筒燃气管的出口插入罐体的水中；在罐体水面上部罐内混合气9罐体上部侧面开燃气蒸汽输出口8，燃气蒸汽输出口经保温管道接到体内燃烧室通道进口处；三套管的出口设置空心叶片旋流器27，在空心叶片出口下端设置煤粉引射喷嘴29，在旋流器的外圈依次设置一圈主燃空气孔28和供气孔20，其中一圈供气孔20设置在供气机匣底座,向火焰筒21外围供压力气体，用于供火焰筒出口火焰助燃；在燃烧室机匣的火焰筒壁上部设置点火电嘴17。

向火焰筒21的起动电嘴17通高压电，产生电火花点燃火焰筒内腔旋流器27叶栅出口的旋流压力空气掺混的雾化燃油，使火焰筒头部内腔形成旋涡状燃烧的火焰。当供燃油燃烧稳定后，电控转动设置在三通管中的蜗杆蜗轮组件19中的蜗杆，驱动蜗轮转动，并经蜗轮中心孔内螺纹牵动锥体阀阀杆22螺纹，使锥体阀18向下移动（锥体阀裙部设有限转动凸台），煤粉三通管出口打开，调节煤粉供量及流向空心叶片旋流器27的煤粉流量，再经旋流器空心叶片煤粉喷嘴29随旋流器27叶栅出口的旋转气流将煤粉引射流出，并以涡旋形式喷入敞口火焰筒21头部内腔，使煤粉掺混燃油燃烧，煤粉燃烧稳定后，关闭外部燃油阀门，火焰筒内燃烧煤粉火焰通过敞口火焰筒21下部波形槽口供助燃空气，使火焰筒出口火焰充分燃烧，形成高温高压火焰峰从火焰筒出口喷入与其相连的直筒燃气管10中，并经该管插入罐内水中出口连续喷出的高温高压燃气对水直接传热，使罐内水连续挥发出高温蒸汽升出水面与对水传热后升出水面的燃气混合，成为高温高压燃气蒸汽混合气，并经盛水及燃气蒸汽混合罐体1上部侧面燃气蒸汽混合气出口8（见图1）连接的外部保温管道输送给体内的发动机燃烧室通道，向同心轴的涡轮供高温高压燃气蒸汽混合气做功旋转，带动体内同心轴的压气机转动做功，输出压力空气经连接的保温管道连续向体外的水罐上方的燃烧室供气机匣7输送压力空气，形成燃气轮机的哈特循环。体内发动机的涡轮做功后，排出的燃气蒸汽混合气再通过动力涡轮做功发电，然后经动力涡轮排气出口将做功后的乏汽排向冷凝塔，使混合气中的蒸汽冷凝成水，使其再循环向盛水及燃气蒸汽混合罐体1底部补水总管15供水，废燃气从冷凝塔上方排出。

罐体1罐底呈倒锥体形，在最低点设置排污口16。经罐内直筒燃气管10喷入水中的燃气含有二氧化碳气体，与罐内水结合后，生成碳酸，并与水中氢氧化钙反应生成碳酸钙固体物，随同罐内直筒燃气管10出口燃气喷入水中后，使燃气中煤粉燃烧后的颗粒遇水散热后成为煤粉灰渣，沿罐体水中多微孔固体板11下方多组凹板支架组件12的凹板谷底斜向下流淌，至罐内壁与隔板之间的静态水中，并沿罐体内壁与环隔板之间静态水中垂直向下流动，伴随碳酸钙固体物一同集结在罐体下部倒锥体罐体排放口16（见图1）处，等待罐体外与其相连管道的间歇排放阀排除罐体外，实施燃气轮机燃煤发电的低碳排放。

为减少罐体上部燃烧室燃用煤粉产生的燃气含有氮氧化物、二氧化硫等酸性气体，采用向罐体内连续注水中掺混一些碱性液体与氮氧化物发生反应，起到吸收消除的作用，通常选取的碱性液体有：硝酸、氢氧化钠溶液，可减少燃气中氮氧化物排放；在罐体补水中掺混一定比例的氨水与二氧化硫吸收反应生成亚硫酸铵，当吸收液相对密度达到1.30～1.32时，亚硫酸铵成为结晶体，随罐体水中煤粉灰渣一同沉降到罐底倒锥座（见图1）底部，再经罐体外连接的管道间歇排放阀一同排出罐体外，使整套哈特循环燃烧煤粉动力系统实现低污染及低碳排放环保要求。

Claims

1.一种燃煤型燃气轮机，包括体内压气机和燃烧室通道，其特征是：还包括体外燃气蒸汽混合发生器；

燃气蒸汽混合发生器自下而上由燃气蒸汽混合罐体、燃烧室机匣、燃烧室供气机匣、供燃料机匣和供煤粉管组成；其中罐体盛半罐水，燃烧室机匣安装在罐体的罐口上；在燃烧室供气机匣设置压力空气进气管，经保温管道接到压气机出口，压力气体经压力空气进口扁管向空气套管供气；在供燃料机匣中设有起动燃油管；起动燃油管、空气套管和供煤粉管在供气机匣里呈由内到外三套管形式，三套管、火焰筒和直筒燃气管依次相接，其中火焰筒在燃烧室机匣里，直筒燃气管在罐体里，直筒燃气管的出口插入罐体的水中；在罐体水面的上部开燃气蒸汽输出口，燃气蒸汽输出口经保温管道接到体内燃烧室通道进口处；三套管的出口设置空心叶片旋流器，在空心叶片出口下端设置煤粉引射喷嘴，在旋流器的外圈依次设置一圈主燃空气孔和供气孔，其中一圈供气孔设置在供气机匣底座；在燃烧室机匣设置的点火电嘴贯通于火焰筒壁，电火花嘴探入火焰筒壁内。

2.按照权利要求1所述的燃煤型燃气轮机，其特征是：所述供煤粉管的头部呈三通形，在三通的旁路管里设置蜗杆蜗轮组件，蜗杆蜗轮组件的蜗轮呈螺母形，锥体阀设置在三通出口，锥体阀阀杆呈螺杆形，与螺母形蜗轮配合。

3.按照权利要求1或2所述的燃煤型燃气轮机，其特征是：罐体罐底呈倒锥体形，在最低点设置排污口。