多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统
专利汇可以提供多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种多级高效环保型 燃气轮机 气体 燃料 分级燃烧方法及系统，将燃料气的完全燃烧分成若干级，所有的高压燃料气全部送入第一级 燃烧室 并依次通过后面各级燃气轮机和燃烧室，在最后一级之前的所有燃烧室内分别送入一定量的 氧 化剂，控制燃烧室中的气氛为还原性气氛并使送入 氧化剂 和部分燃料气反应释放的热量造成燃料气升温至特定的高温；在末级燃烧室内，补充足够的化学计量比的氧化剂完成全部的燃料气燃烧并使之达到某一特定 温度 值后送入末级燃气轮机做功。可实现高的发电效率和优良的环保性能，适用于以 煤 气化 为 基础 的多联产系统、整体 煤气化 燃气 蒸汽 联合循环系统、 天然气 、 焦炉 煤气、 高炉 煤气、转炉煤气和 煤层 气等气体燃料的利用系统等。，下面是多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法，其特征在于， 将燃料气的完全燃烧分成若干级，即将所有的高压燃料气全部送入第一级 燃烧室并依次通过后面各级燃气轮机和燃烧室，在最后一级之前的所有燃 烧室内分别送入一定量的氧化剂，控制燃烧室中的气氛为还原性气氛并使 送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成燃料气升温至特定的高温， 该温度选择燃气透平所能承受的最高温度；在末级燃烧室内，补充入足够 的化学计量比的氧化剂完成全部的燃料气燃烧并使之达到某一特定温度值 后送入末级燃气轮机做功，实现高效低NOx燃烧以及高的循环效率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的燃烧室和燃气轮机至 少分成两级。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的氧化剂为空气、富氧 空气或氧气，氧化剂和燃料气量有控制的偏离化学当量比，保证末级燃烧 室之前的每一级燃烧室中燃料和氧化剂在还原性气氛下进行燃烧，即燃料 气逐级氧化或燃烧，末级燃烧室之前的每级燃气轮机只完成部分燃料气的 燃烧，然后进入这一级的燃气轮机做功，在末级燃烧室中，补充入足够的 化学计量比的氧化剂完成剩余的全部燃料气的燃烧，进入末级燃气轮机做 功。
4.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的末级燃烧室和末 级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃气汽轮机组成。
5.实现权利要求1所述方法的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级 燃烧系统，其特征在于，该系统包括：
多级压气机，用于分级压缩和分级供给氧化剂，一级压气机上有氧化 剂进口，压气机按相应的燃气轮机燃烧所需氧化剂的压力和流量分成若干 级，压气机各级之间设置间冷器或不设置间冷器；不同级的压缩气体根据 压力分别送入对应的燃烧室内，供给燃料气的燃烧所需氧化剂；
多级燃气轮机，它被来自该级的燃烧室的高温高压燃气所驱动，用于 带动发电机发电，还可驱动压气机压气；
多级燃烧室，用于分级燃烧燃料气，以便生成高温燃气，它的第一级 燃烧室连接在末级压气机和第一级燃气轮机之间；其它级燃烧室设置在两 级燃气轮机之间，第一级燃烧室上有高压燃气进口，前一级燃气轮机的排 气作为下一级燃烧室的燃料；
空气、富氧空气或纯氧由氧化剂进口进入一级压气机，被压缩到一定 的压力后，一部分送入末级燃烧室供燃料气的燃烧需要，其余部分经过一 级间冷器后进入二级压气机进一步压缩到更高压力，然后再分出一部分送 入倒数第二级燃烧室供燃料气燃烧所需，其余部分经过二级间冷器后进入 三级压气机进一步压缩到更高压力，经过若干级后，直至进入末级压气机 进一步压缩后再送入一级燃烧室供燃料气的燃烧；
有一定温度的高压燃料气由高压燃气进口进入一级燃烧室与末级压缩 机送来的氧化剂混合，部分燃烧后生成高温高压的气体进入一级燃气轮机 膨胀做功，压力和温度降低到一定值后进入二级燃烧室与倒数第二级压气 机送来的补充氧化剂混合并部分燃烧，生成高温和一定压力的气体进入二 级燃气轮机膨胀做功，经过若干级后，直至气体降温降压到一定值后排入 末级燃烧室，与一级压气机送入的补充气体完成燃烧进入末级燃气轮机做 功然后经排气出口排出。
6.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述的氧化剂量按下述 方法确定：送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成生成燃料气升温 至特定的高温，该高温为燃气轮机的最高承受温度。
7.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述的末级燃烧室和末 级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃气汽轮机组成，或者 不设置末级燃烧室和末级燃气轮机，由前一级燃气轮机直接排气。
技术领域
本发明内容属于动力设备领域，涉及包括气体燃料燃烧的燃气轮机发 电装置，尤其是用于提高重型燃气轮机电力发电效率和降低重型燃气轮机 电力发电污染物排放的装置。具体地说，本发明涉及到这样一种多级高效 环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统，在这种燃气轮机循环系统 中，氧化剂(空气、富氧空气或氧气)分级送入各级燃烧室，燃料气逐级 氧化或燃烧，分别进入各级燃气轮机做功。从第一级至最后一级，可燃气 体浓度和压力逐级减小。
背景技术
简单循环燃气轮机的排气温度高达450℃～600℃，如果在燃气轮机中 加装回热器，利用这高温排气来加热压气机出口的空气，提高它进入燃烧 室的温度，可以减少加入燃烧室中的燃料量，从而提高了热效率，这就是 回热循环。由于回热器的体积和尺寸较大，设备投资和运行费用较高，随 着燃气—蒸汽联合循环技术的迅速发展，目前在大型燃气轮机中实际应用 回热循环并不多见。
在气体压缩过程中，气体会升温而导致压缩机功耗增加。因此在压缩 过程中，把工质引至冷却器冷却后，再回到压气机中继续压缩的中间冷却、 逐渐压缩的过程，这称为间冷循环。理论上，间冷次数无穷多时，压缩过 程就变为等温压缩，压缩耗功降至最低，循环比功增加最多。
在膨胀过程中间，把工质引出至再热燃烧室中加热后，再回到燃气透 平中继续膨胀以完成膨胀过程，这称为再热循环。理论上，再热次数无穷 多时，燃气轮机中的膨胀过程就变为等温膨胀，膨胀功达到最大，循环比 功增加最多。实际上，无穷多次间冷循环和无穷多次再热循环是做不到的。
法律及环境方面的要求对发电装置的氧化氮(NOx)排放量采取了严格 的限制。通常，在燃气轮机中，要求燃烧室有较低的燃烧温度以降低氧化 氮(NOx)排放量。先有技术采用相当极端的措施来降低氧化氮的排放。例 如，常规办法是给燃气轮机燃烧室内加入过量的空气、水或水蒸气以降低 其中的反应温度。虽然这种方法至少在降低燃烧温度方面是部分有效的， 但过多的空气、水或水蒸气的使用增添了计量燃烧室合适供给量的复杂性 和降低了燃烧效率，并且增加了可用能的损失，从而限制了整个燃气轮机 循环的发电效率提高。
另一种可能的方法是催化燃烧的办法，使用一种催化剂以促使燃烧能 在比常规可能情况更低的浓度下进行。但是总的来说，催化剂是很昂贵的， 并且依靠它们来得到有效的完全反应的技术是很复杂的。再就是在余热锅 炉中安装选择性催化还原反应器来减少NOx的最终排放。
现有的燃气轮机装置一般都配有多级燃烧室，其上有多个可并行运行 的燃烧器级，这些燃烧器级根据燃气轮机装置的负载情况可以单个运行或 联合运行。中国专利申请(申请号：200480028655.4)提及了一种采用在 燃烧之前把气态燃料和空气精确地预混起来的方法，使燃烧在较低的温度 下进行从而使氧化氮及一氧化碳的排放量降低。中国专利申请(申请号： 97120031.9)提出了一种具有顺序燃烧的燃气轮机，属于上面所述的一种 常规的再热循环，即在二级燃烧室中喷入燃料。但总体上看，上述诸技术 的多级燃烧室内的燃烧仍然是在贫燃料的条件下所进行的，并未明确提出 本发明所说的分级燃烧。
上述燃气轮机循环和已有的再热循环不足之处在于：燃料(或者燃料 与氧化剂一起)喷入再热燃烧室中定压下完全燃烧；其特点是燃料的燃烧 是在氧化性气氛甚至高过量氧的氧化性气氛下进行的，因此不得不靠降低 燃烧温度来减少NOx排放。而且由于燃烧的温度降低，必然限制整个燃气 轮机装置效率的提高。
发明内容
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法，其特征在于， 将燃料气的完全燃烧分成若干级，即将所有的高压燃料气全部送入第一级 燃烧室并依次通过后面各级燃气轮机和燃烧室，在最后一级之前的所有燃 烧室内分别送入一定量的氧化剂，控制燃烧室中的气氛为还原性气氛并使 送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成燃料气升温至特定的高温， 该温度选择燃气透平所能承受的最高温度；在末级燃烧室内，补充入足够 的化学计量比的氧化剂完成全部的燃料气燃烧并使之达到某一特定温度值 后送入末级燃气轮机做功，实现高效低NOx燃烧以及高的循环效率。
所述的燃烧室和燃气轮机至少分成两级。
所述的氧化剂为空气、富氧空气或氧气，氧化剂和燃料气量有控制的 偏离化学当量比，保证末级燃烧室之前的每一级燃烧室中燃料和氧化剂在 还原性气氛下进行燃烧，即燃料气逐级氧化或燃烧，末级燃烧室之前的每 级燃气轮机只完成部分燃料气的燃烧，然后进入这一级的燃气轮机做功， 在末级燃烧室中，补充入足够的化学计量比的氧化剂完成剩余的全部燃料 气的燃烧，进入末级燃气轮机做功。
所述的末级燃烧室和末级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或 注汽燃气汽轮机组成。
以上所述方法的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统，其 特征在于，该系统包括：
多级压气机，用于分级压缩和分级供给氧化剂，一级压气机上有氧化 剂进口，压气机按相应的燃气轮机燃烧所需氧化剂的压力和流量分成若干 级，压气机各级之间设置间冷器或不设置间冷器；不同级的压缩气体根据 压力分别送入对应的燃烧室内，供给燃料气的燃烧所需氧化剂；
多级燃气轮机，它被来自该级的燃烧室的高温高压燃气所驱动，用于 带动发电机发电，还可驱动压气机压气；
多级燃烧室，用于分级燃烧燃料气，以便生成高温燃气，它的第一级 燃烧室连接在末级压气机和第一级燃气轮机之间；其它级燃烧室设置在两 级燃气轮机之间，第一级燃烧室上有高压燃气进口，前一级燃气轮机的排 气作为下一级燃烧室的燃料；
空气、富氧空气或纯氧由氧化剂进口进入一级压气机，被压缩到一定 的压力后，一部分送入末级燃烧室供燃料气的燃烧需要，其余部分经过一 级间冷器后进入二级压气机进一步压缩到更高压力，然后再分出一部分送 入倒数第二级燃烧室供燃料气燃烧所需，其余部分经过二级间冷器后进入 三级压气机进一步压缩到更高压力，经过若干级后，直至进入末级压气机 进一步压缩后再送入一级燃烧室供燃料气的燃烧；
有一定温度的高压燃料气由高压燃气进口进入一级燃烧室与末级压缩 机送来的氧化剂混合，部分燃烧后生成高温高压的气体进入一级燃气轮机 膨胀做功，压力和温度降低到一定值后进入二级燃烧室与倒数第二级压气 机送来的补充氧化剂混合并部分燃烧，生成高温和一定压力的气体进入二 级燃气轮机膨胀做功，经过若干级后，直至气体降温降压到一定值后排入 末级燃烧室，与一级压气机送入的补充气体完成燃烧进入末级燃气轮机做 功然后经排气出口排出。
所述的氧化剂量按下述方法确定：送入氧化剂和部分燃料气反应释放 的热量造成生成燃料气升温至特定的高温，该高温为燃气轮机的最高承受 温度。
所述的末级燃烧室和末级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或 注汽燃气汽轮机组成，或者不设置末级燃烧室和末级燃气轮机，由前一级 燃气轮机直接排气。
本发明的方法及其多级燃烧的燃气轮机循环系统可提高燃气轮机循环 的发电效率和降低NOx的排放。
附图说明
图1是本发明方法实现的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧 系统的一个实施例的示意图，为一个分为三级燃烧的高效环保型同轴燃气 轮机系统。其他级数(包括二级)的分级燃烧高效环保型燃气轮机也在本 发明的范围之内。图中的标号分别表示：1、氧化剂进口，2、一级压气机， 3、二级压气机，4、末级压气机，5、一级燃气轮机，6、二级燃气轮机，7、 末级燃气轮机，8、一级间冷器，9、二级间冷器，10、高压燃气进口，11、 一级燃烧室，12、二级燃烧室，13、末级燃烧室，14、二级燃烧室补氧调 节阀，15、末级燃烧室补氧调节阀，16、排气出口，17、发电机，18、一 级燃烧室回热器，19、二级燃烧室回热器，20、末级燃烧室回热器。
下面借助附图和发明人给出的一个实例对本发明的其他特征、特性和 优点进行进一步的详细说明。
具体实施方式
压气机按相应的燃气轮机燃烧所需氧化剂的压力和流量分成若干级， 压气机各级之间可设置间冷器；由于不同级的压缩气体根据压力分别送入 对应的燃烧室内，供给燃料气的燃烧所需氧化剂，并不是所有的氧化剂都 压缩到最高压力，这可有效降低压气机的功耗，提高燃气轮机的净效率。
末级燃烧室和末级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃 气轮机组成，或者不设置末级燃烧室和末级燃气轮机，由前一级燃气轮机 直接排气。
各级燃烧室前还根据需要还设置有回热器，用于将燃气轮机的余热加 热氧化剂再送入燃烧室中。
本发明的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统还可以成为 一种能提高电站效率的燃气轮机。
本发明的各级燃烧室内补充氧化剂量的确定方法，使得该系统的每级 燃烧室中只完成部分燃烧过程，从而控制燃烧后生成烟气的温度在特定值， 通常可选择为燃气轮机所能承受的最高温度，以实现高效低NOx燃烧以及 高的循环效率。
参见图1，本发明的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统， 包括：多级压气机，它用于分级压缩和分级供给氧化剂(空气、富氧空气 或氧气)，压气机各级之间可设置间冷器，以降低压气机功耗而提高净发电 效率；多级燃烧室，它用于分级燃烧燃料气，以便生成高温燃气；多级燃 气轮机，它被来自该级的燃烧室的高温高压燃气所驱动；连接各级压缩机 出口、各级燃烧室和各级燃气轮机的管道等等。所述燃烧室内可产生诸如 1350℃～1650℃之类的1400℃级别上或更高温度的燃气。燃气的温度越 高，燃气轮机输出的功率就越大。
本发明的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统循环如下：
空气、富氧空气或纯氧由氧化剂进口1进入一级压气机2，被压缩到一 定的压力后，一部分送入末级燃烧室13供燃料气的燃烧需要，其余部分经 过一级间冷器8后进入二级压气机3进一步压缩到更高压力，然后再分出 一部分送入二级燃烧室12供燃料气燃烧所需，其余部分经过二级间冷器9 后进入末级压气机进一步压缩后再送入一级燃烧室11供燃料气的燃烧。
有一定温度的高压燃料气由高压燃气进口10进入一级燃烧室11与末 级压缩机4送来的氧化剂混合，部分燃烧后生成高温高压的气体进入一级 燃气轮机5膨胀做功，压力和温度降低到一定值后进入二级燃烧室12与二 级压气机3送来的补充氧化剂混合并部分燃烧，生成高温和一定压力的气 体进入二级燃气轮机6膨胀做功，气体降温降压到一定值后排入末级燃烧 室13，与一级压气机2送入的补充气体完成燃烧进入末级燃气轮机7做功 然后经排气出口16排出燃气轮机装置。三个级的压气机2、3、4和发电机 17由三个级的燃气轮机5、6、7带动。回热器18、19、20分别由从排气中 抽取部分加热氧化剂至一定的高温。
图中二级燃烧室补氧调节阀14，末级燃烧室补氧调节阀15可用来分别 调节进入各级燃烧室的补充氧化剂量，完成一定程度的调节作用。
下面给出附图中的实例参考的主要工作参数：
高压煤气入口参数：体积含量46％CO，54％CO2，压力12.25MPa，温 度600℃，流量Q NM3/min；
一级燃烧室送入空气：压力12.25MPa，温度600℃，流量0.41Q Nm3/min；
一级燃气轮机压比3.5，进气温度：1400℃，排气温度：950℃；
二级燃烧室送入空气：压力3.5MPa，温度600℃，流量0.32Q Nm3/min；
二级燃气轮机压比3.5，进气温度：1400℃，排气温度：950℃。
三级燃烧室送入空气：压力1.0MPa，温度600℃，流量0.37Q Nm3/min。
末级燃气轮机压比10，进气温度：1400℃，排气温度667℃。
排气16：压力0.1MPa，流量1.86Q Nm3/min。
一级压气机2的压比：10，空气流量1.1Q Nm3/min。
二级压气机3的压比：3.5，空气流量0.73Q Nm3/min。
末级压气机4的压比：3.5，空气流量0.41Q Nm3/min。
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