CN114811655A - 燃气轮机低排放双燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供燃气轮机低排放双燃料喷嘴，包括喷嘴壳体，喷嘴壳体的端部分别设置液体燃料路入口、气体燃料1路入口、气体燃料2路入口、辅助雾化空气路入口，喷嘴壳体里设置液体燃料旋流器，液体燃料旋流器外部安装雾化空气旋流器，雾化空气旋流器外部安装帽罩，帽罩外部设置旋流器壳体，旋流器壳体里分别设置第1路空气旋流器和第2路空气旋流器。本发明使液体燃料扩散燃烧和气体燃料预混燃烧结合在一起，并通过增材制造和机械加工相结合的方式，解决复杂结构件成型和核心零件精密加工的技术难题，实现双燃料喷嘴在燃气轮机不同工况条件下的良好工作。

Description

燃气轮机低排放双燃料喷嘴

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的喷嘴。

背景技术

由于在石油开采中，不定期伴有大量难以储存运输的石油伴生气产出。目前对这种石油伴生气的处理方式是在开采现场直接燃烧，浪费能源。开发兼容气态和液态两相燃料的燃气轮机动力设备，可以在为石油平台提供动力能源的同时，充分利用开采过程中得到的气态和液体燃料，提高能源使用效率，节约资源。同时，随着绿色环保要求提升，对动力设备排放要求愈发严格。

低排放双燃料喷嘴是燃气轮机实现兼容气液态两相燃料并低排放燃烧的关键部件之一。由于双燃料燃气轮机大修周期的95％时间使用的都是气体燃料伴生气，仅偶尔故障或气体燃料供应调整时才需使用液体燃料，所以使用气体燃料时实现低排放的功能需求极为迫切。目前，纯气体燃料低排放喷嘴通常采用多级贫燃预混旋流燃烧，通过燃料空气均匀预混实现火焰温度可控低排，通过工质旋流和分级控制实现在不同功率负荷状态下稳定燃烧；而双燃料喷嘴则通过两套燃料喷射系统，实现两相燃料兼容燃烧。同时实现低排放双燃料燃烧，则要求燃料喷嘴不但要具备预混、旋流、分级控制功能和两套燃料系统，而且还要具备单燃料燃烧时非工作燃料系统防回火、防结焦等的保护功能，另外还要考虑燃气轮机的空间限制，设计难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供可使燃气轮机单独燃烧气体燃料、液体燃料、混烧气态和液体燃料，而且在高功率负荷运行时气体燃料低污染物排放燃烧的燃气轮机低排放双燃料喷嘴。

本发明的目的是这样实现的：

本发明燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：包括喷嘴壳体，喷嘴壳体的端部分别设置液体燃料路入口、气体燃料1路入口、气体燃料2路入口、辅助雾化空气路入口，喷嘴壳体里设置液体燃料旋流器，液体燃料旋流器外部安装雾化空气旋流器，雾化空气旋流器外部安装帽罩，帽罩外部设置旋流器壳体，旋流器壳体里分别设置第1路空气旋流器和第2路空气旋流器。

本发明还可以包括：

1、所述第1路空气旋流器后方设置预混1路压紧件，第2路空气旋流器后方设置预混2路压紧件，帽罩外侧设置防积碳冷态吹扫1路，旋流器壳体里设置防积碳冷态吹扫2路，预混2路压紧件外侧设置防积碳冷态吹扫3路，防积碳冷态吹扫1路与喷嘴壳体之间的部分设置弓形夹。

2、喷嘴壳体里分别设置与液体燃料路入口连通的液体燃料路、与气体燃料1路入口连通的气体燃料1路、与气体燃料2路入口连通的气体燃料2路、与辅助雾化空气路入口连通的辅助雾化空气通道，液体燃料路、气体燃料1路共用第1路空气旋流器，液体燃料路和气体燃料2路共用第2路空气旋流器。

3、喷嘴壳体的喷口处设置防积碳冷态吹扫1路喷口、防积碳冷态吹扫2路1喷口、防积碳冷态吹扫2路2喷口。

4、第1路空气旋流器和第2路空气旋流器的空气量配比为1:7，与气体燃料1路和气体燃料2路供入的燃料相匹配，控制两级燃烧区当量比相同且在2.5～4.5的低排放区间，进而保证燃烧区温度处于低排放燃烧温度控制区间1700℃～1900℃。

5、使用液体态燃料工作时，液体燃料通过液体燃料入口至液体燃料旋流器达到旋流状态，最终由雾化空气旋流器内腔液体燃料喷口喷射而出形成雾化锥，进入至燃烧空间与压缩空气混合燃烧；雾化空气由辅助雾化空气路入口供入，进入至辅助雾化空气通道，再经过由喷嘴壳体与雾化空气旋流器以及帽罩构成的旋流通道空间及旋流槽达到旋流状态，最终经过雾化空气旋流器以及帽罩构成的雾化空气喷口旋转射流而出，对液体燃料雾化锥液膜进行旋转剪切辅助液滴破碎；在此过程中，气体燃料1路入口及气体燃料2路入口供入压缩空气对气体燃料1路、气体燃料2路进行吹扫冷却，并防止喷嘴工作时高温燃气倒灌回火。

6、使用气体燃料工作时，气体燃料从气体燃料1路入口供入，输送至由壳体及弓形夹形成燃料通道后进入第1级旋流器中并喷出，与空气进行混合后进入燃烧空间进行预混燃烧，在此过程中，气体燃料路吹扫气通过气体燃料2路入口进入，液体燃料路吹扫气通过辅助雾化空气路入口和液体燃料路入口进入，进行吹扫冷却；机组高功率负荷运行时，气体燃料从气体燃料1路入口与气体燃料2路入口同时供入，通过壳体与第1路空气旋流器输送至由第2路空气旋流器，由第2路空气旋流器喷出，与空气进行混合后进入燃烧空间，与气体燃料1路的气提一同进行预混燃烧，在此过程中，液体燃料吹扫空气通过辅助雾化空气路入口和液体燃料路入口供入，对各通道进行吹扫冷却。

本发明的优势在于：本发明采用集成化设计思想，喷嘴壳体及旋流器采用增材制造加工方式，一体化成型；喷嘴液体燃料路的核心部件采用精细机械加工方式独立加工，且核心部件可拆卸模；径向嵌套结构，紧凑布局，体积小，重量轻。

本发明可以实现气体和液体燃料混烧，并可以通过双燃料控制系统实现在不停机的情况下，气体和液体燃料的在线双向平稳切换，减少机组因切换燃料而启停机次数，提高机运行灵活性。

本发明使用气体燃料工作时，燃料喷嘴通过两级贫燃预混方式提高气体燃料和空气均匀混合程度，其中第1级空气旋流器和第2级空气旋流器的空气量配比为1:7，与第1气体燃料路和第2气体燃料路供入的燃料相匹配，控制两级燃烧区当量比相同且在2.5～4.5的低排放区间，进而保证燃烧区温度处于低排放燃烧温度控制区间1700℃～1900℃，从而实现高效稳定燃烧的同时将NOx的排放值控制在低排放范围内，同时火焰筒中部设计有主燃孔，提供空气与燃料进一步混合，降低主燃区温度，增强降排放效果，最终达到或更优于GB13223-2011的排放标准。

本发明使用液体燃料工作时，液体喷嘴空气路供入辅助雾化空气，改善液体燃料雾化性能，细化液体燃料颗粒，提升机组点火性能和燃烧效率，减少积碳和一氧化碳等污染物产生。

本发明为防止单燃料工作时，非工作燃料路在高温环境下积碳或回火，在喷嘴中设计了空气吹扫通道结构，保护非工作燃料路，提升本发明工作可靠性和总体寿命。本发明具有重要应用价值。

附图说明

图1为本发明安装在火焰筒的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的外观图；

图4为本发明侧视图；

图5为本发明主要接口及组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，低排放双燃料燃烧室8由燃烧室外壳1、燃烧室内壳2、前承力壳体4、后支撑壳体5、低排放双燃料喷嘴9、火焰筒3、扩压器6和定位器7组成。其中低排放双燃料喷嘴9穿过前承力壳体4前部环锥面的安装孔，插接在火焰筒3的头部插接孔内，并通过喷嘴安装法兰固定及密封；火焰筒3头部设置有喷嘴插接安装。燃烧室工作时，来自压气机的高温高压空气由燃烧室进口6A进入扩压器6进行减速扩压后流入燃烧室环腔，随后部分空气流经低排放双燃料喷嘴9的第1级空气旋流器、第2级空气旋流器，与液体燃料或气体燃料混合形成可燃混合物，在火焰筒3内高效稳定燃烧，最终形成的高温燃气由燃烧室出口5A排出，推动涡轮输出功进而发电。

本发明双燃料喷嘴主要包括第一路径向空气旋流器及第一路气体燃料供给组件、第二路径向空气旋流器及第二路气体燃料供给组件、液体燃料旋流雾化组件、液体燃料辅助雾化组件、液体燃料喷口防止积碳气冷组件及压紧件防止积碳气冷组件等。两种燃料路采用集成化设计思想，喷嘴壳体及旋流器采用增材制造加工方式，一体化成型，喷嘴油路的核心部件采用精细机械加工方式独立加工，且核心部件可拆卸；采用增材制造和机械加工相结合的方式，以保证复杂结构件的有效成型和精密件的加工精度需求。整个喷嘴有2个气体燃料路、1个液体燃料及1个雾化空气路，内侧是液体燃料路、外侧是气体燃料路，液体和气体燃料路交错布置；

如图5所示。低排放双燃料喷嘴9的液体燃料、辅助雾化空气、气体燃料1路、气体燃料2路端口分别与对应的总空气、燃料管路相连接。

雾化空气路1-5、液体燃料路、第1气体燃料路可保证燃气轮机发电机组(以下简称机组)维持较低功率负荷，且液体燃料路和第1气体燃料路共用第1旋流器2-5；雾化空气路1-5、液体燃料路和第2气体燃料路保证机组进入最高功率负荷，且液体燃料路和第2气体燃料路共用第2旋流器2-9；在液体燃料路上游外侧，设计了液体燃料隔热管1-13，防止液体燃料在管道内积碳，在喷嘴喷口处设计了防积炭的吹扫空气路，可有效防止液体燃料喷口高温积炭。所述的第1路及第2路径向空气旋流器2-5、2-9、第1气体燃料及第2气体燃料供给组件设有气体燃料通道，该通道连接帽罩1-3，帽罩1-3的端面均布有出气孔，帽罩1-3处于径向空气旋流器内，旋流器上处于帽罩的外围为环形腔，壳体上设有与环形腔相通的燃料进气通道，旋流器上设有与环形腔相通的燃料流出通道；所述的液体燃料旋流雾化组件包括液体燃料通道、液体燃料旋流器1-1、液体燃料喷口以及防积碳气冷装置；所述的液体燃料辅助雾化组件包括辅助雾化空气通道1-5、辅助雾化空气旋流器1-2以及辅助雾化空气喷口。所述的液体燃料旋流器1-1以插接的形式嵌套于雾化空气旋流器1-2的内腔，二者通过可拆卸的压紧固定组件按额定力矩的方式固定于喷嘴壳体5-1内；所述的可拆卸压紧固定组件由封盖3-4、垫片和螺塞1-4采用螺纹的方式进行与喷嘴壳体5-1连接，方便核心工作部件的修整、清洗与更换，缩短喷嘴研制周期，延长喷嘴使用寿命。液体燃料喷口防止积碳气冷组件由第1路空气旋流器2-5前部法向进气口引气至中心液体燃料喷口外环形成气冷通道，有效降低核心工作部件温度；压紧件防止积碳气冷组件由第1路空气旋流器2-5与第2路空气旋流器2-9间斜孔进气口引气至压紧件出口边处分两路旋转喷出，通过冲击冷却及气膜冷却降低压紧件部件温度；

当燃烧室8使用气体燃料工作时，通过两级贫燃预混方式实现气体燃料和空气形成均匀混合，其中第一级空气旋流器和第二级空气旋流器的空气量配比为1:7，与第1气体燃料路和第2气体燃料路供入的燃料相匹配，控制两级燃烧区总当量比在2.5～4.5的低排放区间，进而保证燃烧区温度处于低排放燃烧温度控制区间1700℃～1900℃，从而实现高效稳定燃烧室的同时将NOx的排放值控制在低排放范围内。

如图2所示，液体燃料旋流器1-1通过插接的方式安装于雾化空气旋流器1-2的内腔，与其内壁面共同构成液体燃料通道，螺塞1-4通过螺纹的连接方式与雾化空气旋流器1-2固定，进而以挤压方式压紧并固定液体燃料旋流器1-1，以保证良好的密封性及安装同心度。雾化空气旋流器1-2则同样以插接的方式安装于帽罩1-3的内腔，并同时与壳体5-1进行插接装配。旋塞1-14通过螺纹的连接方式与壳体5-1固定并旋转施加额定力矩，使得圆环1-15及密封圈1-16对密封盖1-17进行挤压，用以保证壳体5-1与旋塞1-14的密封，以及固定雾化空气旋流器1-2。

共设置了3路气冷通道，分别是液体燃料路防积碳吹扫路6-1、预混1路压紧件的冷却吹扫2-6、2-7和6-3、预混2路压紧件的冷却吹扫3-6和6-6；一股冷却空气从吹扫路6-1流入喷嘴，并在帽罩1-3内部的冷却通道进行流动，最终从防积碳冷态吹扫1路喷口6-2喷出至燃烧空间，形成隔热保护气模，降低帽罩1-3温度，防止积碳形成；另一股冷却空气从冷却吹扫路6-3流入喷嘴，并在旋流器壳体2-10、预混I路压紧件2-6及杯型1组件2-7形成的内部的冷却通道内流动，并在压差的作用下通过杯型1组件2-7上的多排孔对预混I路压紧件2-6进行冲击冷却，最终从防积碳冷态吹扫2路I喷口6-4及防积碳冷态吹扫2路II喷口6-5喷出至燃烧空间，形成隔热保护气模，通过冲击对流冷却和气膜冷却两种方式相结合，降低预混I路压紧件2-6的温度，保护I路压紧件；第三股冷却空气从6-6流入喷嘴，并在旋流器壳体2-10、套圈3-5及预混II路压紧件3-6形成的内部的冷却通道内流动，最终从预混II路压紧件3-6上的多个小孔喷出至燃烧空间，形成隔热保护气模，降低预混II路压紧件3-6温度。

(1)当燃烧室8使用液体态燃料工作时：液体燃料通过液体燃料入口1-11经过液体燃料过滤组件1-12过滤进入液体燃料隔热管1-13，再流经密封盖1-17及螺塞1-4形成的通道至液体燃料旋流器1-1达到旋流状态，最终由雾化空气旋流器1-2内腔液体燃料喷口喷射而出形成雾化锥，进入至燃烧空间与压缩空气混合燃烧。

雾化空气供入至喷嘴11的雾化空气通道。即由雾化空气入口1-6主动供入，雾化空气接口通过雾化空气联接螺帽1-7及雾化空气联接锥面1-8密封连接，进入至辅助雾化空气通道1-5，再经过由喷嘴壳体5-1与雾化空气旋流器1-2以及帽罩1-3构成的旋流通道空间及旋流槽达到旋流状态，最终经过雾化空气旋流器1-2以及帽罩1-3构成的雾化空气喷口旋转射流而出，对液体燃料雾化锥液膜进行旋转剪切辅助液滴破碎，达到良好雾化效果，解决燃气轮机慢车工况及点火工况运行时液体燃料雾化质量不佳的问题。

在此过程中，气体燃料1路入口2-1及气体燃料2路入口3-1供入压缩空气对气体燃料通道进行吹扫冷却，并防止喷嘴工作时高温燃气倒灌回火。

(2)当燃烧室8使用气体燃料工作时：机组以较低功率负荷运行时，气体燃料从2-1气体燃料1路入口供入，气体燃料1路接口通过气体燃料1路联接螺帽2-2及气体燃料1路联接锥管2-3密封连接，气体燃料通过壳体5-1内的孔输送至由壳体5-1及弓形夹2-4形成燃料通道后进入2-5第1级旋流器中的燃料小孔并喷出，与空气进行混合后进入燃烧空间进行预混燃烧，有效降低污染物排放。在此过程中，气体燃料路吹扫气通过气体燃料2路入口3-1进入喷嘴9，液体燃料路吹扫气通过雾化空气入口1-6和液体燃料路入口1-11进入喷嘴9，对各通道进行吹扫冷却，并防止喷嘴工作时高温燃气倒灌，残余燃料结焦和积碳。

机组以较高功率负荷运行时，气体燃料从2-1气体燃料1路入口与3-1气体燃料2路入口同时供入，除气体燃料1路外，气体燃料2路接口通过气体燃料2路联接螺帽3-2及气体燃料2路联接锥管3-3密封连接，气体燃料则通过壳体5-1与第1路空气旋流器2-5内的孔输送至由第2级旋流器2-9及封盖3-4形成的燃料通道后进入第2级旋流器2-9中的燃料小孔并喷出，与空气进行混合后进入燃烧空间，与气体燃料1路一同进行预混燃烧。在此过程中，液体燃料路状态与机组以较低功率负荷运行时相同，液体燃料吹扫空气通过雾化空气入口4-1和液体燃料路入口1-11供入，对各通道进行吹扫冷却，并防止喷嘴工作时高温燃气倒灌，残余燃料结焦和积碳。

通过两级贫燃预混方式提高气体燃料和空气均匀混合程度，其中第1级空气旋流器和第2级空气旋流器的空气量配比为1:7，与第1气体燃料路和第2气体燃料路供入的燃料相匹配，控制两级燃烧区当量比相同且在2.5～4.5的低排放区间，进而保证燃烧区温度处于低排放燃烧温度控制区间1700℃～1900℃，从而实现高效稳定燃烧的同时将NOx的排放值控制在低排放范围内，同时火焰筒中部设计有主燃孔，提供空气与燃料进一步混合，降低主燃区温度，增强降排放效果，最终达到或更优于GB13223-2011的排放标准。

(3)为防止双燃料喷嘴高温积碳，设置了3路防积碳气冷通道，其具体组成如下：

为了降低帽罩1-3的温度及防止积碳，在双燃料喷嘴工作时，在旋流器壳体2-10上开有多个孔，自燃烧室外壳与火焰筒之间的环腔间未经燃烧的压缩空气通过防积碳冷态吹扫1路6-1流入喷嘴，并在帽罩1-3内部的冷却通道进行流动，最终从防积碳冷态吹扫1路喷口6-2喷出至燃烧空间，形成隔热保护气模，降低温度，防止积碳形成。为了降低预混1路压紧件2-6的温度及防止积碳，在双燃料喷嘴工作时，在旋流器壳体2-10上开有多个孔，来自燃烧室外壳与火焰筒之间的环腔间未经燃烧的压缩空气从防积碳冷态吹扫2路6-3流入喷嘴，并在旋流器壳体2-10、预混I路压紧件2-6及杯型1组件2-7形成的内部的冷却通道内流动，并在压差的作用下通过杯型1组件2-7上的多排孔对预混1路压紧件2-6进行冲击冷却，最终从防积碳冷态吹扫2路2喷口6-4及防积碳冷态吹扫2路2喷口6-5喷出至燃烧空间，形成隔热保护气膜，降低温度，防止积碳形成。为了降低预混2路压紧件3-6的温度及防止积碳，在双燃料喷嘴工作时，在套圈3-5上开有多个孔，来自燃烧室外壳与火焰筒之间的环腔间未经燃烧的压缩空气从防积碳冷态吹扫3路6-6流入喷嘴，并在旋流器壳体2-10、套圈3-5及预混2路压紧件3-6形成的内部的冷却通道内流动，最终从预混2路压紧件3-6上的多个小孔喷出至燃烧空间，形成隔热保护气膜，降低温度，防止积碳形成。

Claims (7)

1.燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：包括喷嘴壳体，喷嘴壳体的端部分别设置液体燃料路入口、气体燃料1路入口、气体燃料2路入口、辅助雾化空气路入口，喷嘴壳体里设置液体燃料旋流器，液体燃料旋流器外部安装雾化空气旋流器，雾化空气旋流器外部安装帽罩，帽罩外部设置旋流器壳体，旋流器壳体里分别设置第1路空气旋流器和第2路空气旋流器。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：所述第1路空气旋流器后方设置预混1路压紧件，第2路空气旋流器后方设置预混2路压紧件，帽罩外侧设置防积碳冷态吹扫1路，旋流器壳体里设置防积碳冷态吹扫2路，预混2路压紧件外侧设置防积碳冷态吹扫3路，防积碳冷态吹扫1路与喷嘴壳体之间的部分设置弓形夹。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：喷嘴壳体里分别设置与液体燃料路入口连通的液体燃料路、与气体燃料1路入口连通的气体燃料1路、与气体燃料2路入口连通的气体燃料2路、与辅助雾化空气路入口连通的辅助雾化空气通道，液体燃料路、气体燃料1路共用第1路空气旋流器，液体燃料路和气体燃料2路共用第2路空气旋流器。

4.根据权利要求2所述的燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：喷嘴壳体的喷口处设置防积碳冷态吹扫1路喷口、防积碳冷态吹扫2路1喷口、防积碳冷态吹扫2路2喷口。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：第1路空气旋流器和第2路空气旋流器的空气量配比为1:7，与气体燃料1路和气体燃料2路供入的燃料相匹配，控制两级燃烧区当量比相同且在2.5～4.5的低排放区间，进而保证燃烧区温度处于低排放燃烧温度控制区间1700℃～1900℃。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：使用液体态燃料工作时，液体燃料通过液体燃料入口至液体燃料旋流器达到旋流状态，最终由雾化空气旋流器内腔液体燃料喷口喷射而出形成雾化锥，进入至燃烧空间与压缩空气混合燃烧；雾化空气由辅助雾化空气路入口供入，进入至辅助雾化空气通道，再经过由喷嘴壳体与雾化空气旋流器以及帽罩构成的旋流通道空间及旋流槽达到旋流状态，最终经过雾化空气旋流器以及帽罩构成的雾化空气喷口旋转射流而出，对液体燃料雾化锥液膜进行旋转剪切辅助液滴破碎；在此过程中，气体燃料1路入口及气体燃料2路入口供入压缩空气对气体燃料1路、气体燃料2路进行吹扫冷却，并防止喷嘴工作时高温燃气倒灌回火。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机低排放双燃料喷嘴，其特征是：使用气体燃料工作时，气体燃料从气体燃料1路入口供入，输送至由壳体及弓形夹形成燃料通道后进入第1级旋流器中并喷出，与空气进行混合后进入燃烧空间进行预混燃烧，在此过程中，气体燃料路吹扫气通过气体燃料2路入口进入，液体燃料路吹扫气通过辅助雾化空气路入口和液体燃料路入口进入，进行吹扫冷却；机组高功率负荷运行时，气体燃料从气体燃料1路入口与气体燃料2路入口同时供入，通过壳体与第1路空气旋流器输送至由第2路空气旋流器，由第2路空气旋流器喷出，与空气进行混合后进入燃烧空间，与气体燃料1路的气提一同进行预混燃烧，在此过程中，液体燃料吹扫空气通过辅助雾化空气路入口和液体燃料路入口供入，对各通道进行吹扫冷却。

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