一种氨柴双燃料燃气轮机燃烧室

本发明属于燃气轮机燃烧，具体涉及一种氨柴双燃料燃气轮机燃烧室、全工况燃烧控制方法及处理系统。

背景技术：

1、碳中和目标的约束促使航运、发电等难以电气化的重工业部门转向零碳替代燃料。氨兼具氢的零碳属性与液态储运的工程优势：常温下仅需约0.8mpa即可液化，体积能量密度约为液氢的5倍，且可直接沿用现有液化气基础设施，被视为比氢更具规模化可行性的碳中和终极能源载体之一。与内燃机相比，燃气轮机因更高的燃烧温度和压力，理论上更适合作为氨燃料的应用平台，氨燃料燃气轮机已成为零碳动力领域的重要研究方向。

2、然而，氨的燃烧特性与传统碳氢燃料存在根本性差异，严重制约其在燃气轮机中的直接应用。首先，氨的层流燃烧速度极低（约0.07 m/s，仅为甲烷的约1/4），导致点火困难、火焰传播缓慢，易出现局部熄火；其次，氨燃烧时燃料型nox生成机理被充分激活，在典型燃气轮机工况下nox排放浓度可达数百至数千ppm，远超排放标准上限；此外，氨的最小点火能量高、可燃极限宽，稳定火焰的建立条件更为苛刻。

3、在中大型燃气轮机中，压气机出口压力通常超过1mpa，氨在该压力下已处于液态（常温液化压力约0.8mpa），故液氨向燃烧室的输送和喷射是工程必然。液氨进入燃烧室后在高温低压环境中经历剧烈的闪急沸腾相变，产生三类连锁危害：其一，液氨汽化潜热高达约1371kj/kg，大量吸热导致主燃区温度骤降，易引发火焰中断与熄火；其二，闪急沸腾产生的气泡核化和破碎过程引发剧烈压力脉动，激发燃烧室热声振荡，降低燃烧效率并对结构件施加交变载荷；其三，上述效应叠加导致燃烧室内当量比时空分布极不均匀，局部富燃区与高温区并存，既增加nox生成，又增大碳烟和未燃氨的排放。

4、现有纯氨预混旋流方案在全工况下nox控制存在明显瓶颈；氨/氢混合方案增加了制氢或氢气储运环节，系统复杂度与成本大幅提升；催化分解方案的分解效率受温度制约，低负荷工况下难以维持稳定氨转化率。

5、因此，亟待提供一种氨柴双燃料燃气轮机燃烧室，用于解决上述技术问题，是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种氨柴双燃料燃气轮机燃烧室，旨在能够解决现有的氨燃料燃气轮机燃烧室中液氨直喷引发的闪急沸腾、热声振荡及燃烧不稳定，nox排放过高且缺乏燃烧过程内原位脱硝手段，以及点火困难和低负荷工况下燃烧稳定性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种氨柴双燃料燃气轮机燃烧室，包括机匣、火焰筒、辅燃喷射器、液氨预处理组件及旋流混合组件，所述机匣上设有相邻布置的高压空气入口与高温燃气出口；所述火焰筒同轴设于所述机匣内部，所述火焰筒壁面沿轴向分区设有冷却孔与掺混孔，所述高压空气入口与所述高温燃气出口二者与所述火焰筒之间构成回流式通道；所述辅燃喷射器设于所述火焰筒头部，用于喷射辅助燃料；所述液氨预处理组件包括：贴合于所述火焰筒主燃区内壁的换热管，用于吸收废热以气化管内液氨；与所述换热管出口连通的稳压气化部件；及设于其出口的流量调节阀；所述旋流混合组件包括同轴设于所述辅燃喷射器外周的第一旋流器及设于其外周且旋转方向相反的第二旋流器；所述流量调节阀与所述第一旋流器连通。

3、优选地，所述机匣内形成使燃气由火焰筒头部轴向流入、自高温燃气出口折返排出的回流通道。

4、进一步地，所述换热管呈螺旋状缠绕贴合所述火焰筒内壁；所述换热管与所述稳压气化部件之间连接有保温输氨管道。

5、优选地，所述换热管的换热面积满足热力学匹配条件，以确保液氨吸收废热后完全气化为过热气态。

6、进一步地，所述稳压气化部件内置加热元件。

7、优选地，加热元件用于在启动或低负荷工况下补充气化热量，其出口压力通过背压阀维持稳定，背压阀装在稳压气化部件的出口、流量调节阀的上游，用于对稳压罐出口压力进行维持，使得流量调节阀的开度-流量关系能保持线性。

8、进一步地，所述第一旋流器为径向叶片旋流器，所述流量调节阀与所述第一旋流器之间连接有氨气供给通道，所述氨气供给通道的出口位于所述第一旋流器叶片根部；所述氨气供给通道与所述第二旋流器连接。

9、优选地，氨气供给通道的出口位于其叶片根部，在叶片根部以切向或径向喷入氨气，其中：切向喷入时，当氨气以切向方向喷入时，它会与由第一旋流器旋转产生的离心力场产生强烈的相互作用。这种喷射方式能够有效地穿透和撕裂空气涡团，极大地增加气态氨与助燃空气之间的接触面积和湍流强度。这对于氨这种燃烧速度较慢、化学反应活性较低的燃料来说至关重要，能显著提高其蒸发和混合速率，使燃料在短时间内均匀分布；径向喷入则更侧重于控制燃料在轴向（沿燃烧室中心线方向）的动量分布。在径向喷入时，氨气可以直接冲击或融入中心回流区（由两级反向旋流器共同形成的强湍流区域）。这有助于在火焰筒中心建立一个稳定的燃料富集核心，有利于火焰的稳定锚定，防止火焰被高速气流吹灭（即解决氨的低层流燃烧速度带来的稳焰难题）。

10、进一步地，所述第一旋流器与所述第二旋流器的对旋气流形成强湍流混合区，并在所述机匣的轴线区域形成中心回流区以稳定火焰。

11、进一步地，所述冷却孔包括位于头部的气膜冷却孔及位于主燃区下游的掺混冷却孔；所述掺混孔位于燃烧室后段。

12、优选地，三级空气量的分配比例协同调控，将主燃区体积平均温度维持在1000℃至1300℃；所述1000℃至1300℃的温度区间对应氨气选择性非催化还原(sncr)反应窗口，用于原位还原nox。

13、进一步地，所述高压空气入口与高温燃气出口位于机匣同一端面且相邻布置。

14、优选地，高压空气入口与高温燃气出口位于机匣同一端面且相邻布置，进入的冷空气和排出的热废气在空间上距离很近，使得刚进入的高温燃气能够直接与邻近的入口冷空气进行强烈的热交换（对流换热）。

15、进一步地，所述辅燃喷射器喷射端采用柴油压力雾化喷嘴。

16、一方面，提供一种基于上述所述氨柴双燃料燃气轮机燃烧室的全工况燃烧控制方法，根据燃气轮机运行负荷在以下工况之间切换：

17、启动点火工况：启动稳压气化部件的内置加热元件，辅燃喷射器喷入辅助燃料并点火，由辅助燃料火焰引燃氨气；

18、中等负荷工况：闭环调控氨气与辅助燃料流量，将主燃区温度维持在sncr反应窗口内；

19、高负荷工况：提升气态氨供给比例，向以氨为主燃料的低碳燃烧模式过渡。

20、优选地，中等负荷工况：根据燃气轮机运行负荷，通过布置于火焰筒主燃区的温度传感器及燃烧室出口的nox传感器采集实时反馈信号，控制器基于预设的sncr反应窗口目标温度（1000~1300℃，优选1100~1200℃）及氨/柴热值份额目标值，按pid控制律或负荷-空燃比查表方式闭环调节流量调节阀63的开度与辅燃喷射器5的柴油供给压力，使主燃区体积平均温度维持在sncr反应窗口中部，氨气热值份额控制在30%~70%（优选50%），实现nox原位还原与燃烧稳定性协同。

21、相较于传统尾部喷氨sncr的900~1100℃窗口，本发明因氨兼作主燃料于主燃区前端即参与反应，主燃区停留时间>150ms、氨自由基（nh2/nh）浓度显著高于尾部喷氨工况，故sncr有效窗口可向上拓展至1300℃；同时因主燃区当量比控制在0.65~0.78的贫燃侧，1300℃下热力型nox生成受抑，氨氧化生成的no被过量nh3原位还原，未出现氨突破。

22、一方面，提供一种用于氨柴双燃料燃气轮机燃烧室的液氨在线相变预处理系统，包括换热管、保温输氨管道、稳压气化部件及流量调节阀，所述换热管缠绕设于所述火焰筒主燃区内壁，用于吸收废热气化管内液氨；所述保温输氨管道连通所述换热管出口与所述稳压气化部件；所述稳压气化部件具有缓冲容积及内置加热元件，用于稳压及补充气化；所述流量调节阀设于所述稳压气化部件出口，用于控制气态氨供给量。

23、本发明与现有技术相比的优点在于：

24、1、换热管以螺旋方式贴合于火焰筒主燃区内壁，在吸收废热冷却壁面的同时，将液氨一步气化为过热气态，无需额外热源即可完成相变预处理，显著降低冷却空气消耗量，提升系统整体热效率；

25、2、液氨经换热管、稳压气化部件和流量调节阀处理后，始终以稳定过热气态进入旋流器，从根源上避免了闪急沸腾造成的温度骤降、热声振荡及熄火风险，保障燃烧室在全工况下的运行可靠性；

26、3、第一旋流器与第二旋流器反向旋转，形成强湍流剪切层和中心回流区，使气态氨、辅助燃料蒸气与空气在极短距离内达到高度均匀混合，同时为火焰根部提供持续高温回流热源，有效解决了氨燃烧速度低、点火困难的固有缺陷；

27、4、通过三级空气分配与液氨换热量的协同调控，将主燃区体积平均温度精准锁定在1000℃至1300℃的sncr反应窗口内，利用氨自身的还原特性将燃烧生成的nox原位还原为氮气，出口nox折算浓度可控制在50mg/nm3以下，大幅降低烟气后处理成本；

28、5、覆盖启动点火、中等负荷双燃料协同及高负荷准纯氨燃烧三种典型工况，实现从纯辅助燃料到高氨气比例的平稳过渡，在保证燃烧稳定性和低排放的前提下，将氨燃料热值份额提升至70%以上，显著降低碳排放。