一種用于天然氣摻燒醇基燃料的裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及能源燃料領域，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】
[0002] 由于受我國能源稟賦的限制，我國天然氣供應量不足，使得燃氣電廠設備年利用 小時數大幅下降，而且天然氣價格居高不下，漲價趨勢明顯，這些都對燃氣發電的經濟性造 成極大影響，嚴重限制天然氣發電裝機容量的快速增長。因此，尋找清潔、潔凈、經濟的替代 燃料成為一種重要選擇。國內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氣 輪機理想的燃料：其可以實現更高的效率，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，醇基燃料為液態，如何用一種簡單易行的裝置和方法 將兩種物理性質差異明顯的燃料均勻混合是首先要解決的問題。目前尚未見相關報道。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述問題，本發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，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據。
[0006] 上述目的是通過如下技術方案實現的： 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：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 流量計和設于醇基燃料源處驅動醇基燃料的壓力源；天然氣與醇基燃料預熱混合管道； 空氣系統：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：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中的空氣同時送入燃燒系統燃燒。
[0007] 各閥門、壓力計、流量計和溫度計分別與采集控制系統相連。
[0008] 進一步地，所述裝置還包括測量系統，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熒光系統，它們的測量端分別設置于火焰處。
[0009] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預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有醇基燃料管道段；加熱 單元包括設于天然氣管道段的第一加熱器，設于醇基燃料管道段的第二加熱器和設于低速 混合段的第三加熱器；溫度測定單元包括設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，設于低速混合段近擴張段一端的第三溫度計和設于低速混合段末端的第四溫度計；壓 力測定單元包括設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 與采集控制系統相連。
[0010] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預熱混合管道中天然氣管道段與高速混合段的 內徑之比為（3~4) :1。天然氣管道段與高速混合段的內徑比例關系到高速混合段的氣體流 速，決定了天然氣與氣態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 道段內徑一定時，高速混合段內徑過小）會導致高速混合段氣體流速過高，天然氣與氣態的 醇基燃料不能在此段充分混合就進入擴張段；這一比例過小（即天然氣管道段內徑一定時， 高速混合段內徑過大）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熱混合管道中高速混合段的長度與內徑之比 為（150~180) :1。在高速混合段內徑一定的前提下，該參數關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；過長會增加氣態醇基燃料凝結的風險。
[0012] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預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，該參數關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，還會增加氣態醇基燃 料凝結的風險。
[0013] 進一步地，所述天然氣與醇基燃料預熱混合管道第一加熱器和第二加熱器為油浴 加熱裝置，經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，把液態醇基燃料從醇基燃料源中壓出，經第二加熱器加熱變成氣態，第二溫度計 對氣態醇基燃料的溫度進行監測，控制第二溫度計的溫度數值在180~190°c范圍；從第一 加熱器吸熱的天然氣經收縮段射出與氣態醇基燃料在高速混合段混合，再通過擴張段進入 低速混合段繼續混合，在剛進入低速混合段時第三溫度計和壓力計監測混合燃料的溫度和 壓力，控制第三溫度計的溫度數值在95~105°C范圍，壓力計的壓力數值在0· 103~0· IlOMpa 范圍；在進入噴嘴前，第四溫度計監測混合燃料的終溫，控制第四溫度計的溫度數值在 70~90°C范圍；同時，空氣系統中的空氣被空氣壓縮機壓縮后，經空氣加熱器加熱，空氣第二 溫度計監測剛加熱后的空氣的溫度，控制在200~250°C，空氣第三溫度計監測空氣進入燃燒 室前的終溫，控制在90~110°C ;后續的測量系統對燃燒火焰進行相關參數實時測量。控制 天然氣與醇基燃料預熱混合管道中第二溫度計的溫度數值為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；控制第一溫 度計的溫度數值為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 合后導致氣化后的醇基燃料預冷凝結。控制第四溫度計的溫度數值為70~90°C可以保證混 合后的燃料在進入噴嘴前不出現凝結，保證在低速混合段一直處于完全氣化狀態。控制低 速混合段壓力計的壓力數值在〇· 103~0· IlOMpa范圍內，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境大氣壓（0.1 Mpa)，這樣混合氣體在經歷一定長度的低速 混合段的管道流動損失之后，既可以達到繼續充分混合的目的又可以達到克服流動阻力與 空氣在噴嘴處匯合的目的。由于整個裝置在大氣環境下運行，裝置內部的壓力也沒必要設 置過高(否則對設備要求會很高，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，雖然低速混合段設有加熱裝置，但由于低速混合段的內部換熱表面積較大， 很容易降溫到完全蒸發溫度以下，為了充分保證混合燃料進入噴嘴前的溫度在70~90°C不 發生凝結，所以把第三溫度計的溫度數值選擇在該范圍。控制空氣系統中空氣第二溫度計 的溫度數值為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