一种氢气掺混结构及燃气轮机掺氢燃料供给系统的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种氢气掺混结构及燃气轮机掺氢燃料供给系统。


背景技术：

2.光伏和风力发电一般具有明显的波动性、间歇性、季节性、随机性，近年来光伏和风力发电并网消纳问题日益突出。氢能是清洁的二次能源，能量密度高、容量大、便于储存和运输，利用光伏和风能等可再生能源发电制氢，实现可再生能源多途径就近高效利用，是解决光伏和风电等可再生能源并网消纳问题的重要方法之一，氢能将成为我国能源体系的重要组成部分。
3.燃气轮机是大规模能源转换效率最高的成熟装置，燃气轮机发电具有环保、低碳、启停快、升降负荷能力强、调节性能出色等优势，且可燃烧掺氢燃料，有助于实现化石能源清洁高效利用和促进“风光气储”一体化。
4.截至2022年10月底，国内燃气轮机发电机组装机容量已超1.44亿千瓦，若发电机组每年发电2600小时，则天然气年发电量约3744亿千瓦时，co2排放约12729万吨。若在燃机上掺烧30％(体积比)氢气的天然气混合燃料，则co2排放有望减少1273万吨/年。
5.掺氢燃料供给系统是燃气轮机实现掺氢燃烧的重要辅助系统。由于氢气相较于天然气，具有燃烧反应速度快、最小点火能量低、单位体积燃料热值小等特点，当氢气与天然气在掺氢燃料供给系统内掺混不均匀时，进入燃气轮机燃烧室的燃料燃烧特性会因氢含量的变化而改变，易引发燃气轮机燃烧不稳定，严重时将产生回火、污染物排放高、燃烧室烧损等故障。而氢气因质量轻、穿透力差，导致目前的掺氢燃料供给系统氢气与天然气的掺混效果不佳。
6.为了解决氢气与天然气掺混不均匀问题，现有燃气轮机电厂在燃气轮机掺氢燃烧升级改造过程中，一般设计了复杂的掺氢燃料供给系统，采用天然气与氢气掺混高压罐体结构，使氢气与天然气在缓冲高压罐内掺混。高压掺混罐内气流流速慢，可以保证燃料的掺混均匀性，但对建设安全距离具有较高的要求，对于已建好的燃气轮机电厂，一般并未预留有掺氢系统建设用地，使得燃气轮机无法实现掺氢燃烧，限制了氢燃料在现有燃气轮机电厂的广泛应用。


技术实现要素：

7.因此，本发明要解决的技术问题在于克服目前的掺氢燃料供给系统氢气与天然气的掺混效果不佳的缺陷，从而提供一种氢气掺混结构及燃气轮机掺氢燃料供给系统，以提升氢气与天然气掺混的均匀度。
8.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
9.一种氢气掺混结构，所述氢气掺混结构设置在燃气轮机进气端的上游；所述氢气掺混结构包括：
10.天然气燃料管，与天然气供给系统相连通；
11.氢气燃料管，设置在所述天然气燃料管内部，并与氢气供给系统相连通；
12.湍流涡发生管组件，设置在所述天然气燃料管内部并与所述氢气燃料管相连通；所述氢气燃料管与湍流涡发生管组件上均开设有若干氢气喷射孔，各氢气喷射孔适于将氢气喷射至天然气燃料管内的不同径向位置；
13.所述天然气燃料管中的天然气流经氢气燃料管和湍流涡发生管组件时，在气动黏性力作用下，在氢气燃料管和湍流涡发生管组件下游形成湍流涡，以使氢气与天然气均匀掺混。
14.进一步优化技术方案，所述氢气燃料管垂直设置在天然气燃料管内部。
15.进一步优化技术方案，所述湍流涡发生管组件包括若干层等间距布置在天然气燃料管内不同径向位置的圆形氢气燃料歧管，各圆形氢气燃料歧管分别与氢气燃料管相连通并与天然气燃料管同轴心设置。
16.进一步优化技术方案，所述氢气喷射孔等间距周向开设在圆形氢气燃料歧管和氢气燃料管背对天然气气流方向的后背面上，所述氢气喷射孔的开口方向与天然气燃料管中轴线方向平行。
17.一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，包括：
18.天然气供给系统，用于供给天然气；
19.氢气供给系统，用于供给氢气；
20.所述的一种氢气掺混结构，设置在天然气供给系统与氢气供给系统交接处，且出气端与燃气轮机的燃烧室燃料进气端相连接；所述氢气掺混结构用于将天然气与氢气进行均匀掺混，并将掺混后气体输入燃气轮机。
21.进一步优化技术方案，所述氢气掺混结构与燃气轮机之间设置有用于将掺混后气体进一步掺混的调压站。
22.进一步优化技术方案，所述氢气供给系统包括氢气气源以及连接设置在氢气气源与氢气燃料管之间的氢气输送管，氢气输送管上依次设置有氢气过滤器、氢气截止阀、氢气流量调节阀和氢气流量计。
23.进一步优化技术方案，所述天然气供给系统包括天然气气源以及连接设置在天然气气源与天然气燃料管之间的天然气输送管，天然气输送管上依次设置有天然气过滤器、天然气截止阀、天然气流量调节阀和天然气流量计。
24.进一步优化技术方案，还包括掺混控制系统，所述掺混控制系统用于根据燃气轮机发出的天然气掺氢比例和燃料流量要求，分别实时调节氢气和天然气燃料的流量。
25.本发明技术方案，具有如下优点：
26.1.本发明提供的一种氢气掺混结构，因在天然气燃料管内部设置有湍流涡发生管组件，天然气燃料管中的天然气流经氢气燃料管和湍流涡发生管组件时，在气动黏性力作用下，在氢气燃料管和湍流涡发生管组件后背面下游形成周期性旋转方向相反、排列规则的湍流涡，在湍流涡的作用下，可促进天然气燃料管内从不同径向位置氢气喷射孔喷出的氢气与管内天然气的掺混，使氢气喷出即可均匀分布于天然气燃料管内不同径向位置，进而解决氢气因质量轻、穿透力差导致与天然气掺混不均匀的问题，提升了氢气与天然气掺混的均匀度。
27.2.本发明提供的一种氢气掺混结构，湍流涡发生管组件包括若干层圆形氢气燃料歧管，本发明利用了气流流经圆形障碍物形成卡门湍流涡原理，在氢气燃料歧管和氢气燃料管后背面下游产生大量湍流涡，可进一步提升氢气与天然气的掺混效果。
28.3.本发明提供的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，基于燃气轮机电厂现有天然气管道，进行简单改造即可实现为燃气轮机提供稳定均匀的氢气掺混燃料，不需额外设计混氢站，不包含高压掺混罐等压力容器，对安全距离要求低，提高了氢能在已建燃气轮机电厂的使用便利性。
29.4.本发明提供的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，将氢气掺混结构布置在燃气轮机电厂现有调压站的上游，有利于利用调压站内的管路、阀体、过滤器等进一步加强氢气与天然气燃料的掺混，进而提升氢气掺混均匀度。
30.5.本发明提供的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，掺混控制系统根据燃气轮机发出的天然气掺氢比例和燃料流量要求，分别通过控制氢气流量调节阀和天然气流量调节阀的开度，实时调节氢气和天然气燃料的流量，使得氢气和天然气的掺混调节更加智能化。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明一种氢气掺混结构的中心剖面图；
33.图2为本发明一种氢气掺混结构的正视图；
34.图3为本发明一种燃气轮机掺氢燃料供给系统的结构示意图。
35.附图标记：
36.1、氢气气源，2、氢气过滤器，3、氢气截止阀，4、氢气流量调节阀，5、氢气流量计，6、天然气气源，7、天然气过滤器，8、天然气截止阀，9、天然气流量调节阀，10、天然气流量计，11、氢气掺混结构，12、调压站，13、燃气轮机，14、掺混控制系统，15、氢气燃料管，16、天然气燃料管，17、氢气喷射孔，18、圆形氢气燃料歧管。
具体实施方式
37.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
41.实施例1
42.如图1和图2所示，本实施例公开了一种氢气掺混结构的一种具体实施方式，氢气掺混结构设置在燃气轮机13进气端的上游，因此本发明是在天然气与氢气进入燃气轮机13前的掺混，避免了因燃气轮机内部体积有限而掺混效果不佳的问题。
43.氢气掺混结构包括天然气燃料管16、氢气燃料管15和湍流涡发生管组件。
44.天然气燃料管16与天然气供给系统相连通，用于接收天然气供给系统供给的天然气。
45.氢气燃料管15设置在天然气燃料管16内部，并与氢气供给系统相连通，用于接收氢气供给系统供给的氢气。
46.湍流涡发生管组件设置在天然气燃料管16内部并与氢气燃料管15相连通。氢气燃料管15与湍流涡发生管组件上均开设有若干氢气喷射孔17，各氢气喷射孔17适于将氢气喷射至天然气燃料管16内的不同径向位置。
47.上述一种氢气掺混结构，因在天然气燃料管16内部设置有湍流涡发生管组件，天然气燃料管16中的天然气流经氢气燃料管15和湍流涡发生管组件时，在气动黏性力作用下，在氢气燃料管15和湍流涡发生管组件后背面下游形成周期性旋转方向相反、排列规则的湍流涡，在湍流涡的作用下，可促进天然气燃料管16内从不同径向位置氢气喷射孔喷出的氢气与管内天然气的掺混，进而使氢气与天然气均匀掺混。
48.更为具体地，氢气燃料管15垂直设置在天然气燃料管16内部。
49.作为一种优选的实施方式，湍流涡发生管组件包括若干层等间距布置在天然气燃料管16内不同径向位置的圆形氢气燃料歧管18，各圆形氢气燃料歧管18分别与氢气燃料管15相连通并与天然气燃料管16同轴心设置。本实施例利用了气流流经圆形障碍物形成卡门湍流涡原理，在氢气燃料歧管和氢气燃料管后背面下游产生大量湍流涡，可进一步提升氢气与天然气的掺混效果。
50.氢气喷射孔17等间距周向开设在圆形氢气燃料歧管18和氢气燃料管15背对天然气气流方向的后背面上，氢气喷射孔17的开口方向与天然气燃料管16中轴线方向平行。如图2所示，氢气掺混结构的正视图中，圆形氢气燃料歧管18上的氢气喷射孔与氢气燃料管15上的氢气喷射孔形成若干层氢气喷射孔圆环，每一氢气喷射孔圆环上分别等间距周向开设有若干氢气喷射孔，氢气喷射孔等间距垂直于天然气燃料管壁方向。本实施例在多层圆形布置的氢气喷射孔和湍流涡的双重作用下，使氢气喷出即可均匀分布于天然气燃料管16内不同径向位置，进而解决氢气因质量轻、穿透力差导致与天然气掺混不均匀的问题。
51.上述一种氢气掺混结构，采用将氢气燃料管15垂直插入天然气燃料管16，同时在天然气燃料管16内不同径向位置布置有与氢气燃料管15连通的多路圆形氢气燃料歧管18，且在圆形氢气燃料歧管18和氢气燃料管15背对天然气气流方向的后背面上呈圆形等间距开设多个氢气喷射孔的设计方案，提升了氢气与天然气的掺混效果。
52.实施例2
53.如图3所示，本实施例公开了一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，包括天然气供给系统、氢气供给系统以及实施例中的氢气掺混结构。
54.天然气供给系统，用于供给天然气。
55.氢气供给系统，用于供给氢气。
56.氢气掺混结构设置在天然气供给系统与氢气供给系统交接处，且出气端与燃气轮机13的燃烧室燃料进气端相连接。氢气掺混结构用于将天然气与氢气进行均匀掺混，并将掺混后气体输入燃气轮机13。
57.上述一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，基于燃气轮机电厂现有天然气管道进行改造，在现有的天然气管道上设置氢气供给系统、氢气掺混结构，不需额外的高压掺混罐设备，对建设安全距离要求较低，可解决现有燃气轮机电厂因用地限制无法建设混氢站导致不能实现燃气轮机掺氢燃烧的问题，进而推广氢能在现有燃气轮机电厂的大量应用。
58.作为一种进一步改进的实施方式，氢气掺混结构与燃气轮机13之间的混合气输送管路上设置有用于将掺混后气体进一步掺混的调压站12。本发明将氢气掺混结构布置在燃气轮机电厂现有调压站12的上游，有利于利用调压站内的管路、阀体、过滤器等进一步加强氢气与天然气燃料的掺混，进而提升氢气掺混均匀度。
59.氢气供给系统包括氢气气源1以及连接设置在氢气气源1与氢气燃料管15之间的氢气输送管，氢气输送管上依次设置有氢气过滤器2、氢气截止阀3、氢气流量调节阀4和氢气流量计5。其中，氢气过滤器2用于对氢气气源1供给的氢气进行过滤；氢气截止阀3用于控制氢气输送管的通断，进而来控制氢气气源1是否进行供气操作；氢气流量计5用于检测氢气输送管上氢气的输送流量；氢气流量调节阀4用于根据燃气轮机需求，调节氢气输送管上氢气的输送流量。
60.天然气供给系统包括天然气气源6以及连接设置在天然气气源6与天然气燃料管16之间的天然气输送管，天然气输送管上依次设置有天然气过滤器7、天然气截止阀8、天然气流量调节阀9和天然气流量计10。其中，天然气过滤器7用于对天然气气源6供给的天然气进行过滤；天然气截止阀8用于控制天然气输送管的通断，进而来控制天然气气源6是否进行供气操作；天然气流量计10用于检测天然气输送管上天然气的输送流量；天然气流量调节阀9用于根据燃气轮机需求，调节天然气输送管上天然气的输送流量。
61.作为一种进一步改进的实施方式，一种燃气轮机掺氢燃料供给系统还包括掺混控制系统14，燃气轮机13、氢气流量计5和天然气流量计10的输出端分别连接于掺混控制系统14的输入端，氢气截止阀3、氢气流量调节阀4、天然气截止阀8和天然气流量调节阀9的受控端分别连接于掺混控制系统14的输出端。掺混控制系统14用于根据燃气轮机13发出的天然气掺氢比例和燃料流量要求，分别实时调节氢气和天然气燃料的流量。
62.上述一种燃气轮机掺氢燃料供给系统工作原理如下：
63.氢气燃料从氢气气源1流出，通过氢气输送管依次流经氢气过滤器2、氢气截止阀3、氢气流量调节阀4、氢气流量计5后，进入氢气掺混结构11，经开设在圆形氢气燃料歧管18与氢气燃料管15上的氢气喷射孔17喷出。同时天然气燃料从天然气气源6流出，通过天然气输送管依次流经天然气过滤器7、天然气截止阀8、天然气流量调节阀9、天然气流量计10后，进入氢气掺混结构11，与不同径向位置氢气喷射孔17喷出的氢气燃料进行掺混。天然气流
经氢气掺混结构11内的氢气燃料管15和圆形氢气燃料歧管18时，在气动力作用下，会在氢气燃料管15和圆形氢气燃料歧管18下游形成周期性旋转方向相反、排列规则的湍流涡。在湍流涡的作用下，加快了不同径向位置喷出的氢气与天然气与的掺混。
64.掺混后的混合气经混合气输送管路进入电厂现有的天然气调压站12，利用调压站12内的管路、阀体、过滤器等进一步加强氢气与天然气燃料的掺混，最后进入燃气轮机13内燃烧，释放能量。
65.在整个工作过程中，掺混控制系统14根据燃气轮机发出的天然气掺氢比例和燃料流量要求，分别通过控制氢气流量调节阀4和天然气流量调节阀9的开度，实时调节氢气和天然气燃料的流量。
66.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种氢气掺混结构，其特征在于，所述氢气掺混结构设置在燃气轮机(13)进气端的上游；所述氢气掺混结构包括：天然气燃料管(16)，与天然气供给系统相连通；氢气燃料管(15)，设置在所述天然气燃料管(16)内部，并与氢气供给系统相连通；湍流涡发生管组件，设置在所述天然气燃料管(16)内部并与所述氢气燃料管(15)相连通；所述氢气燃料管(15)与湍流涡发生管组件上均开设有若干氢气喷射孔(17)，各氢气喷射孔(17)适于将氢气喷射至天然气燃料管(16)内的不同径向位置；所述天然气燃料管(16)中的天然气流经氢气燃料管(15)和湍流涡发生管组件时，在气动黏性力作用下，在氢气燃料管(15)和湍流涡发生管组件下游形成湍流涡，以使氢气与天然气均匀掺混。2.根据权利要求1所述的一种氢气掺混结构，其特征在于，所述氢气燃料管(15)垂直设置在天然气燃料管(16)内部。3.根据权利要求2所述的一种氢气掺混结构，其特征在于，所述湍流涡发生管组件包括若干层等间距布置在天然气燃料管(16)内不同径向位置的圆形氢气燃料歧管(18)，各圆形氢气燃料歧管(18)分别与氢气燃料管(15)相连通并与天然气燃料管(16)同轴心设置。4.根据权利要求3所述的一种氢气掺混结构，其特征在于，所述氢气喷射孔(17)等间距周向开设在圆形氢气燃料歧管(18)和氢气燃料管(15)背对天然气气流方向的后背面上，所述氢气喷射孔(17)的开口方向与天然气燃料管(16)中轴线方向平行。5.一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，其特征在于，包括：天然气供给系统，用于供给天然气；氢气供给系统，用于供给氢气；如权利要求1至4任意一项所述的一种氢气掺混结构，设置在天然气供给系统与氢气供给系统交接处，且出气端与燃气轮机(13)的燃烧室燃料进气端相连接；所述氢气掺混结构用于将天然气与氢气进行均匀掺混，并将掺混后气体输入燃气轮机(13)。6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，其特征在于，所述氢气掺混结构与燃气轮机(13)之间设置有用于将掺混后气体进一步掺混的调压站(12)。7.根据权利要求5所述的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，其特征在于，所述氢气供给系统包括氢气气源(1)以及连接设置在氢气气源(1)与氢气燃料管(15)之间的氢气输送管，氢气输送管上依次设置有氢气过滤器(2)、氢气截止阀(3)、氢气流量调节阀(4)和氢气流量计(5)。8.根据权利要求5所述的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，其特征在于，所述天然气供给系统包括天然气气源(6)以及连接设置在天然气气源(6)与天然气燃料管(16)之间的天然气输送管，天然气输送管上依次设置有天然气过滤器(7)、天然气截止阀(8)、天然气流量调节阀(9)和天然气流量计(10)。9.根据权利要求5至8任意一项所述的一种燃气轮机掺氢燃料供给系统，其特征在于，还包括掺混控制系统(14)，所述掺混控制系统(14)用于根据燃气轮机(13)发出的天然气掺氢比例和燃料流量要求，分别实时调节氢气和天然气燃料的流量。

技术总结
本发明公开了一种氢气掺混结构及燃气轮机掺氢燃料供给系统，所述氢气掺混结构包括：天然气燃料管，与天然气供给系统相连通；氢气燃料管，设置在天然气燃料管内部，并与氢气供给系统相连通；湍流涡发生管组件，设置在天然气燃料管内部并与氢气燃料管相连通；所述氢气燃料管与湍流涡发生管组件上均开设有若干氢气喷射孔，各氢气喷射孔适于将氢气喷射至天然气燃料管内的不同径向位置。本发明天然气流经氢气燃料管和湍流涡发生管组件时，在气动黏性力作用下，在氢气燃料管和湍流涡发生管组件后背面下游形成湍流涡，在湍流涡的作用下，可促进天然气燃料管内从不同径向位置氢气喷射孔喷出的氢气与管内天然气的掺混。喷出的氢气与管内天然气的掺混。喷出的氢气与管内天然气的掺混。


技术研发人员：肖俊峰 李晓丰 高松 王玮 王峰 李乐 夏家兴 胡孟起 夏林
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/5/30