一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器及使用方法与流程

本发明属于火力发电，具体涉及一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器及使用方法。

背景技术：

1、目前能源体系正加速向清洁化、低碳化转型。传统燃气轮机作为电力、航空、船舶等领域的核心动力设备，长期依赖天然气、重油等化石燃料，其碳排放占全球能源相关排放量的15%以上。氢气作为能源载体，在燃烧过程中仅产生水，不排放二氧化碳等温室气体，是一种真正的清洁能源。将氢气应用于燃气轮机，实现掺氢或纯氢燃烧发电或驱动机械做功，可有效减少对化石能源的依赖，助力能源结构向低碳、无碳方向转型，满足全球各国在应对气候变化、履行减排承诺方面的迫切需求。

2、相比传统燃气轮机，掺氢或纯氢燃气轮机在燃烧技术、材料性能、系统设计等方面提出了新的挑战和需求。例如，氢气的燃烧特性与天然气有很大差异，其燃烧速度快、火焰温度高、易回火等特性要求研发新型的燃烧器和燃烧控制技术。针对高掺氢比或纯氢燃气轮机，目前主要采用微混燃烧技术，将传统大尺度火焰转化为多个微小尺度火焰，增强空气和燃料的局部混合强度，提升混合均匀度，因而不再需回流区稳定火焰，可缩短高温燃气在高温区的停留时间，减少热力型nox生成。然而微混燃烧器普遍存在流阻大，在燃气轮机变工况工作时，火焰容易脱火或熄火，以及产生热声不稳定燃烧等问题，仍需进一步研究和验证。

技术实现思路

1、本发明提供了一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器及使用方法，目的在于克服传统燃气轮机的不足。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，包括第一级掺混管、第二级掺混管、燃料腔、空气引射器、燃烧器主体、空气进气孔、主空气腔、燃烧器安装法兰、燃料管、引射喷嘴、引射空气进气孔、引射空气腔和燃料喷射孔；

4、第一级掺混管、空气引射器、燃烧器主体、燃烧器安装法兰、燃料管和引射喷嘴呈中心轴对齐布置；引射喷嘴与燃料管连接；空气引射器的两端分别与燃料管和第一级掺混管连接；空气引射器与引射喷嘴之间形成引射空气腔，引射空气进气孔呈周向均匀布置在空气引射器的壁面上；燃料腔的同一端分别与第一级掺混管和圆柱型燃烧器主体连接；燃烧器安装法兰与燃烧器主体连接；空气进气孔开设在靠近燃烧器安装法兰的燃烧器主体的圆柱壁面上；第二级掺混管贯穿燃料腔，第二级掺混管的中心轴与第一级掺混管的中心轴平行；燃料喷射孔开设在第二级掺混管的末端。

5、本发明进一步的改进在于，引射喷嘴采用收敛比为0.7~0.85的收敛型引射喷嘴。

6、本发明进一步的改进在于，空气引射器采用圆柱腔体空气引射器。

7、本发明进一步的改进在于，空气进气孔采用方形的进气孔。

8、本发明进一步的改进在于，第二级掺混管的内径设计为2~6 mm。

9、本发明进一步的改进在于，第一级掺混管与第二级掺混管的管径比为3~5。

10、本发明进一步的改进在于，引射空气进气孔的孔径为5~10mm，周向均匀布置的数量为4~16个。

11、本发明进一步的改进在于，燃料喷射孔的孔径为0.2~1mm，数量为2~4个。

12、本发明进一步的改进在于，空气与燃料掺混后均经第二级掺混管通过喷射方式喷入燃烧室燃烧，不存在旋流器结构，在燃烧室内不会形成回流区，且第二级掺混管的内径设计为2~6 mm，微小的通道导致火焰与管壁的接触面积大幅增加，火焰的热量会被管壁快速吸收，能够防止掺氢燃料的回火。

13、一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器的使用方法，包括：

14、参与燃气轮机燃烧的主空气通过开设在燃烧器主体上的空气进气孔进入主空气腔，少部分空气通过引射空气进气孔进入引射空气腔，大部分空气通过第二级掺混管与从燃料喷射孔喷出的燃料进行混合后，进入下游的燃烧室进行燃烧；参与燃气轮机燃烧的燃料通过燃料管经引射喷嘴减压增速后喷入第一级掺混管，高速喷出的燃料气体对进入引射空气腔内的空气形成抽吸作用，吸入的引射空气和燃料在第一级掺混管内不断掺混，然后进入燃料腔，并在燃料腔内进一步掺混，最后通过燃料喷射孔喷入第二级掺混管，与进入第二级掺混管的主流空气进行掺混，掺混后进入燃烧室燃烧释热。

15、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

16、本发明中的燃料管末端设计有收敛型引射喷嘴，可有效提高燃料的喷射速度。高速喷出的燃料在气体分子间的黏性力作用下，对进入空气引射器内的空气进行抽吸，并与抽吸的空气在第一级掺混管内掺混，然后再在大空间的燃料腔内进一步掺混，最后通过燃料喷射孔喷入第二级掺混管与主流空气进行最后掺混。这种引射、掺混、燃料腔、再掺混相结合的创新结构，巧妙地利用了燃料与空气混合后平均分子量增加从而增强穿透能力的原理，来提高燃料气体与主流空气在第二级掺混管内掺混时的穿透力。燃料经第一级掺混后，因引射空气的分子量大于燃料气体的分子量，燃料通过融入分子量大的空气分子后，燃料气体的惯性力明显提高，使燃料气体从燃料喷射孔喷出后能更好的达到第二级掺混管中心，与主流空气进行更好的掺混，提高燃料与空气的掺混均匀性。

17、若采用传统的燃料直接从燃料喷射孔喷入掺混管进行掺混的结构，会因燃料的分子量小，穿透力不够，燃料气体大部分贴近掺混管壁，很难达到掺混管中心，导致掺混管中部缺少燃料，燃料与空气掺混不均。

1.一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，包括第一级掺混管、第二级掺混管、燃料腔、空气引射器、燃烧器主体、空气进气孔、主空气腔、燃烧器安装法兰、燃料管、引射喷嘴、引射空气进气孔、引射空气腔和燃料喷射孔；

2.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，引射喷嘴采用收敛比为0.7~0.85的收敛型引射喷嘴。

3.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，空气引射器采用圆柱腔体空气引射器。

4.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，空气进气孔采用方形的进气孔。

5.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，第二级掺混管的内径设计为2~6 mm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，第一级掺混管与第二级掺混管的管径比为3~5。

7.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，引射空气进气孔的孔径为5~10mm，周向均匀布置的数量为4~16个。

8.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，燃料喷射孔的孔径为0.2~1mm，数量为2~4个。

9.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器，其特征在于，空气与燃料掺混后均经第二级掺混管通过喷射方式喷入燃烧室燃烧，在燃烧室内不会形成回流区，且第二级掺混管的内径设计为2~6 mm，微小的通道导致火焰与管壁的接触面积大幅增加，火焰的热量会被管壁快速吸收，能够防止掺氢燃料的回火。

10.权利要求1至9中任一项所述的一种适用于燃气轮机的宽掺氢比燃烧器的使用方法，其特征在于，包括：