一種用于天然氣摻燒醇基燃料的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能源燃料領(lǐng)域，具體涉及一種用于天然氣摻燒醇基燃料的裝置和方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于受我國能源稟賦的限制，我國天然氣供應(yīng)量不足，使得燃?xì)怆姀S設(shè)備年利用 小時數(shù)大幅下降，而且天然氣價格居高不下，漲價趨勢明顯，這些都對燃?xì)獍l(fā)電的經(jīng)濟性造 成極大影響，嚴(yán)重限制天然氣發(fā)電裝機容量的快速增長。因此，尋找清潔、潔凈、經(jīng)濟的替代 燃料成為一種重要選擇。國內(nèi)外開展了替代燃料的研宄，甲醇是其中的一種。甲醇作為燃 氣輪機的燃料在國外已做過很多試驗。與天然氣及油相比，甲醇在某些方面似乎更是燃?xì)?輪機理想的燃料：其可以實現(xiàn)更高的效率，更大的功率輸出（由于流量的增加）；在同樣的透 平進口溫度下，甲醇的燃燒溫度低（由于火焰溫度較低)，所以其燃燒具有較低的NOx排放。 由于甲醇中硫含量非常低，因此基本沒有SO2的排放問題。此外，甲醇燃燒干凈，使得透平 部件的清洗次數(shù)大大減少，有助于降低維護費用。
[0003] 常溫常壓下，天然氣為氣態(tài)，醇基燃料為液態(tài)，如何用一種簡單易行的裝置和方法 將兩種物理性質(zhì)差異明顯的燃料均勻混合是首先要解決的問題。目前尚未見相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于天然氣摻燒醇基燃料的裝置，以保證 兩種燃料均勻摻混，為混合燃料送入噴嘴燃燒提供了必要的燃燒條件。
[0005] 本發(fā)明另一目的是提供一種用于天然氣摻燒醇基燃料的方法，使天然氣與醇基燃 料摻混前后始終處于氣體狀態(tài)，并對燃燒火焰檢測分析，以獲得可靠的摻有不同比例醇基 燃料的天然氣的燃燒數(shù)據(jù)。
[0006] 上述目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 一種用于天然氣摻燒醇基燃料的裝置，該裝置包括： 燃料系統(tǒng)：包括天然氣管道，按天然氣流向依次還包括天然氣源、天然氣閥門和天然氣 流量計；醇基燃料管道，按醇基燃料流向依次還包括醇基燃料源、醇基燃料閥門、醇基燃料 流量計和設(shè)于醇基燃料源處驅(qū)動醇基燃料的壓力源；天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道； 空氣系統(tǒng)：包括空氣管道，按空氣流向依次還包括空氣壓縮機、空氣閥門、空氣壓力計、 空氣流量計、空氣第一溫度計、空氣加熱器、靠近空氣加熱器的空氣第二溫度計和靠近燃燒 室的空氣第三溫度計； 燃燒系統(tǒng)：包括燃燒室； 天然氣管道與醇基燃料管道分別接至天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道；混合后的天然 氣與醇基燃料混合氣體與空氣系統(tǒng)中的空氣同時送入燃燒系統(tǒng)燃燒。
[0007] 各閥門、壓力計、流量計和溫度計分別與采集控制系統(tǒng)相連。
[0008] 進一步地，所述裝置還包括測量系統(tǒng)，具體包括用于測量火焰溫度的熱電偶，用于 測量火焰流場的粒度測定儀，用于測量煙氣組成的煙氣采樣分析儀和用于測量火焰痕量組 分濃度場的平面激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)，它們的測量端分別設(shè)置于火焰處。
[0009] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道包括燃料管道、加熱單元、溫度測 定單元和壓力測定單元；燃料管道按天然氣流向依次包括天然氣管道段、收縮段、高速混合 段、擴張段、低速混合段和噴嘴，高速混合段近收縮段一端分支設(shè)有醇基燃料管道段；加熱 單元包括設(shè)于天然氣管道段的第一加熱器，設(shè)于醇基燃料管道段的第二加熱器和設(shè)于低速 混合段的第三加熱器；溫度測定單元包括設(shè)于天然氣管道段上位于第一加熱器與收縮段 之間的第一溫度計，設(shè)于醇基燃料管道段上位于第二加熱器與高速混合段之間的第二溫度 計，設(shè)于低速混合段近擴張段一端的第三溫度計和設(shè)于低速混合段末端的第四溫度計；壓 力測定單元包括設(shè)于低速混合段近擴張段一端的壓力計。壓力計、各加熱器、各溫度計分別 與采集控制系統(tǒng)相連。
[0010] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道中天然氣管道段與高速混合段的 內(nèi)徑之比為（3~4) :1。天然氣管道段與高速混合段的內(nèi)徑比例關(guān)系到高速混合段的氣體流 速，決定了天然氣與氣態(tài)的醇基燃料在高速混合段的混合效果。這一比例過大（即天然氣管 道段內(nèi)徑一定時，高速混合段內(nèi)徑過?。?dǎo)致高速混合段氣體流速過高，天然氣與氣態(tài)的 醇基燃料不能在此段充分混合就進入擴張段；這一比例過?。刺烊粴夤艿蓝蝺?nèi)徑一定時， 高速混合段內(nèi)徑過大）又不能明顯提高天然氣進入高速混合段后的流速，不能起到使天然 氣和氣態(tài)醇基燃料高速混合的作用。
[0011] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道中高速混合段的長度與內(nèi)徑之比 為（150~180) :1。在高速混合段內(nèi)徑一定的前提下，該參數(shù)關(guān)系到高速混合段的長度，過短 會降低高速混合的時間，影響摻混效果；過長會增加氣態(tài)醇基燃料凝結(jié)的風(fēng)險。
[0012] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道中高速混合段與低速混合段的長 度之比為（3~5):1。在高速混合段長度一定的前提下，該參數(shù)關(guān)系到低速混合段的長度。低 速混合段過短會降低低速混合的時間，影響摻混效果；過長浪費管道，還會增加氣態(tài)醇基燃 料凝結(jié)的風(fēng)險。
[0013] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道第一加熱器和第二加熱器為油浴 加熱裝置，經(jīng)過油浴加熱裝置的天然氣管道和醇基燃料管道呈螺旋狀。螺旋狀有助于管道 內(nèi)燃料快速均勻的加熱。
[0014] 一種利用上述裝置在天然氣中摻燒醇基燃料的方法：醇基燃料壓力源作為醇基 燃料動力，把液態(tài)醇基燃料從醇基燃料源中壓出，經(jīng)第二加熱器加熱變成氣態(tài)，第二溫度計 對氣態(tài)醇基燃料的溫度進行監(jiān)測，控制第二溫度計的溫度數(shù)值在180~190°c范圍；從第一 加熱器吸熱的天然氣經(jīng)收縮段射出與氣態(tài)醇基燃料在高速混合段混合，再通過擴張段進入 低速混合段繼續(xù)混合，在剛進入低速混合段時第三溫度計和壓力計監(jiān)測混合燃料的溫度和 壓力，控制第三溫度計的溫度數(shù)值在95~105°C范圍，壓力計的壓力數(shù)值在0· 103~0· IlOMpa 范圍；在進入噴嘴前，第四溫度計監(jiān)測混合燃料的終溫，控制第四溫度計的溫度數(shù)值在 70~90°C范圍；同時，空氣系統(tǒng)中的空氣被空氣壓縮機壓縮后，經(jīng)空氣加熱器加熱，空氣第二 溫度計監(jiān)測剛加熱后的空氣的溫度，控制在200~250°C，空氣第三溫度計監(jiān)測空氣進入燃燒 室前的終溫，控制在90~110°C ;后續(xù)的測量系統(tǒng)對燃燒火焰進行相關(guān)參數(shù)實時測量?？刂?天然氣與醇基燃料預(yù)熱混合管道中第二溫度計的溫度數(shù)值為180~190°C，一方面保證醇基 燃料能夠完全氣化，另一方面保證氣化后的醇基燃料具有較高熱量，不會凝結(jié)；控制第一溫 度計的溫度數(shù)值為150~170°C的目的在于保證天然氣具有一定的熱量，防止與醇基燃料混 合后導(dǎo)致氣化后的醇基燃料預(yù)冷凝結(jié)?？刂频谒臏囟扔嫷臏囟葦?shù)值為70~90°C可以保證混 合后的燃料在進入噴嘴前不出現(xiàn)凝結(jié)，保證在低速混合段一直處于完全氣化狀態(tài)?？刂频?速混合段壓力計的壓力數(shù)值在〇· 103~0· IlOMpa范圍內(nèi)，是為了讓低速混合段管道壓力微 大于低速混合段管道出口處的環(huán)境大氣壓（0.1 Mpa)，這樣混合氣體在經(jīng)歷一定長度的低速 混合段的管道流動損失之后，既可以達(dá)到繼續(xù)充分混合的目的又可以達(dá)到克服流動阻力與 空氣在噴嘴處匯合的目的。由于整個裝置在大氣環(huán)境下運行，裝置內(nèi)部的壓力也沒必要設(shè) 置過高(否則對設(shè)備要求會很高，增加成本)。因此，0. 103~0.1 lOMpa范圍較為合適。第三溫 度計的溫度數(shù)值選擇在95~105°C，是因為混合后的氣體燃料還將在一定長度的低速混合段 流動并且散熱，雖然低速混合段設(shè)有加熱裝置，但由于低速混合段的內(nèi)部換熱表面積較大， 很容易降溫到完全蒸發(fā)溫度以下，為了充分保證混合燃料進入噴嘴前的溫度在70~90°C不 發(fā)生凝結(jié)，所以把第三溫度計的溫度數(shù)值選擇在該范圍。控制空氣系統(tǒng)中空氣第二溫度計 的溫度數(shù)值為200~250°C是為了保證將空氣加熱到該溫度范圍，使其具有較高的熱量，不至 于在進入燃燒室前溫度過低；控制空氣第三溫度