天然气加氢燃烧混合装置的制作方法

1.本实用新型属于天然气加氢燃烧领域，尤其涉及一种天然气加氢燃烧混合装置。


背景技术：

2.天然气加氢燃烧是指通过向天然气中掺一定量的氢气进行燃烧，它是一种高效的降低碳排放技术。天然气加氢燃烧技术目前主要应用于燃气轮机。天然气加氢燃烧组织的燃烧方式是预混燃烧。预混燃烧是将氢气预先和管道内的天然气均匀混合，然后通过燃料喷嘴进入燃烧室与空气混合进行燃烧。预混燃烧能够更好的组织流场，保证稳定的燃烧和均匀的温度场分布，而天然气管道加氢混合装置就是将天然气和氢气混合的设备。
3.天然气和氢气预混的均匀程度对后期燃烧的影响很大，要求加氢混合装置必须能够保证天然气和氢气能够快速而均匀的混合，避免由于氢气和天然气混合的过慢而在管道内发生危险以及由于混合不均匀导致后期燃烧不稳定。目前用于天然气和氢气混合的装置缺乏规范性的设计，基本均是简单的混合，存在天然气和氢气的不均匀问题，这严重影响到天然气加氢燃烧技术的应用。
4.另外，根据我国提出的碳中和、碳达峰的目标，在此背景下，燃气轮机加氢燃烧技术应运而生。然而加氢燃烧技术自我国燃气轮机发电领域还未见工程示范。加氢混合装置的开发也未见新的进展。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是为了提供一种天然气加氢燃烧混合装置，以解决现有技术中天然气和氢气混合不均匀的问题。该装置可应用于燃气轮机加氢燃烧领域，本实用新型根据流体力学理论，设计了天然气加氢燃烧混合装置的形状和尺寸，且其可根据天然气管道尺寸灵活更换，以保证天然气和氢气的均匀混合。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种天然气加氢燃烧混合装置，包括由内管、以及围绕所述内管的外管组成的注氢夹套管，所述内管与外管之间形成封闭的环形空腔，所述的内管的两端还延长并形成天然气管道接口端，所述的外管上安装有接通环形空腔的氢气入口端，在内管上还设有连通环形空腔与内管内部空腔的注氢喷嘴。
8.进一步的，所述的注氢喷嘴沿垂直于内管的中心轴线方向布置。优选的，注氢喷嘴中心处的法向量(即注氢喷嘴的中心线)与内管的中心轴线相交。
9.更进一步的，所述的注氢喷嘴设有若干个，并围绕内管的中心轴线等间隔均匀分布。优选的，注氢喷嘴以30-90
°
的圆弧等间隔平均分布，其可以45
°
圆弧等间隔平均分布。
10.进一步的，所述的注氢喷嘴上还设有若干喷口，且所述喷口的直径为注氢喷嘴内径的0.3～0.5倍，可选为0.4倍。
11.进一步的，所述的氢气入口端沿垂直于外管的中心轴线方向布置。优选的，氢气入口端的中心点的法向量(即氢气入口端的中心线)与外管的中心轴线相交。
12.进一步的，所述的注氢夹套管的长度为氢气入口端内径的3倍-5倍，可选为4倍。
13.进一步的，所述的内管与外管的内径差为内管直径的0.2～0.3倍。可选为0.25倍。
14.进一步的，所述的注氢喷嘴的内径为氢气入口端内径的0.1～0.3倍。可选为0.16倍。
15.进一步的，所述的注氢喷嘴的伸入内管部分的长度为内管的内径的0.1～0.2倍。可选为0.12倍。
16.进一步的，所述内管的中心轴线与外管的中心轴线重合。
17.在进行氢气入口端、注氢喷嘴的位置和方向以及尺寸、注氢喷嘴的直径等的优化过程中引入了变异系数c.v和平均湍流动能k。变异系数的定义为标准差与平均值之比，即：c.v＝(sd/mn)
×
100％。变异系数越小，说明混合越均匀，混合效果越好。通过对不同工况的速度(v)、氢气浓度(c)变异系数的对比分析，从而得出最佳限定范围和最优结果。比如：在进行注氢喷嘴上喷口直径优化时，所述喷口的直径为注氢喷嘴内径的0.3～0.5倍时速度变异系数和氢气浓度变异系数呈先减小后增大趋势，在0.4倍时速度(v)、氢气浓度(c)的变异系数相对最小，均低于6％，混合效果最好，此时氢气与天然气在相同条件下混合最均匀且湍流动能达到能使混合气体混合充分而不至于扰动过强或过弱状态。其他参数的优化过程亦是如此。
18.本实用新型中，外界氢气通过氢气入口端进入注氢夹套管内，并通过所述注氢喷嘴以与天然气管道壁垂直方向喷出，实现氢气和天然气的均匀混合。氢气入口端的尺寸和氢气管道的尺寸相同，以保证两者连接后氢气入口端和氢气管道同轴。
19.本实用新型中，可以根据天然气管道的尺寸选用不同规格的加氢燃烧混合装置，并通过焊接固定，从而完成加氢燃烧混合装置的更换及安装，以便根据实际情况灵活选用。本实用新型中的天然气加氢燃烧混合装置具有使天然气和氢气混合均匀的效果。
20.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
21.(1)本实用新型通过注氢夹套管内侧均匀分布的喷嘴将氢气沿着天然气管道的径向均匀的喷出，使氢气覆盖整个天然气管道的横截面，依靠氢气和天然气较大的速度差，保证了氢气和天然气快速、均匀的混合；
22.(2)本实用新型提供的天然气加氢燃烧混合装置可改善由于氢气和天然气混合不均匀导致的后期速度场和温度场分布不均匀的问题，为加氢燃烧技术进行工业运用提供了保障，避免了由于氢气和天然气混合的过慢而在管道内发生危险以及由于混合不均匀导致后期燃烧不稳定。
附图说明
23.图1为本实用新型提供的一种天然气加氢燃烧混合装置的结构示意图；
24.图2为本实用新型提供的天然气加氢燃烧混合装置的剖面图。
25.图中标记说明：
26.1-注氢夹套管，2-氢气入口端，3-注氢喷嘴，4-天然气管道接口端。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型
技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
28.以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
29.为实现天然气与氢气的快速均匀混合，本实用新型提供了一种天然气加氢燃烧混合装置，其结构参见图1和图2所示，包括由内管、以及围绕所述内管的外管组成的注氢夹套管1，所述内管与外管之间形成封闭的环形空腔，所述的内管的两端还延长并形成天然气管道接口端4，所述的外管上安装有接通环形空腔的氢气入口端2，在内管上还设有连通环形空腔与内管内部空腔的注氢喷嘴3。
30.在一些具体的实施方式中，所述的注氢喷嘴3沿垂直于内管的中心轴线方向布置。优选的，注氢喷嘴3中心处的法向量(即注氢喷嘴3的中心线)与内管的中心轴线相交。
31.更进一步的，所述的注氢喷嘴3设有若干个，并围绕内管的中心轴线等间隔均匀分布。优选的，注氢喷嘴3以30-90
°
的圆弧等间隔平均分布，其可以45
°
圆弧等间隔平均分布。
32.在一些具体的实施方式中，所述的注氢喷嘴3上还设有若干喷口，且所述喷口的直径为注氢喷嘴3内径的0.3～0.5倍，可选为0.4倍。
33.在一些具体的实施方式中，所述的氢气入口端2沿垂直于外管的中心轴线方向布置。优选的，氢气入口端2的中心点的法向量(即氢气入口端2的中心线)与外管的中心轴线相交。
34.在一些具体的实施方式中，所述的注氢夹套管1的长度为氢气入口端2内径的3倍-5倍，可选为4倍。
35.在一些具体的实施方式中，所述的内管与外管的内径差为内管直径的0.2～0.3倍。可选为0.25倍。
36.在一些具体的实施方式中，所述的注氢喷嘴3的内径为氢气入口端2内径的0.1～0.3倍。可选为0.16倍。
37.在一些具体的实施方式中，所述的注氢喷嘴3伸入内管部分的长度为内管的内径的0.1～0.2倍。可选为0.12倍。
38.在一些具体的实施方式中，所述内管的中心轴线与外管的中心轴线重合。
39.以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
40.下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
41.下面具体说明图1和图2中所述天然气加氢燃烧混合装置的工作过程及作用：
42.图1所述天然气加氢燃烧混合装置工作过程：氢气通过与氢气入口端连接的氢气管道进入加氢夹套管内，再通过均布在加氢夹套管上的内侧喷嘴喷出，氢气射流切向喷入天然气管道，方向与天然气来流方向垂直，凭借着较大的速度差，氢气和天然气可以迅速而均匀的混合。
43.实施例1：
44.将本实用新型的上述实施方式用于一个额定功率170mw的电站燃气轮机，进行加氢的天然气管道天然气量为194033m3/h，注入的氢气总流量为34241m3/h，天然气管道内径为1320mm，氢气管道入口端直径为250mm。加氢燃烧时，在天然气管道注入氢气。注氢喷嘴3直径取所述氢气入口端内径的0.16倍，为40mm。注氢喷嘴3上分布有6个喷口，喷口直径为喷
嘴直径的0.4倍，为16mm，注氢夹套管1内管和外管的直径差取内管直径0.25倍，为330mm。注氢夹套管1的长度(不包含内管延长部分)为氢气入口端内径的4倍，为1000mm。多个注氢喷嘴3以注氢夹套管1的圆心为中心呈圆周分布且注氢喷嘴3以45
°
圆弧等间隔平均分布，数量为8个。注氢喷嘴3的长度为天然气管道直径的0.12倍，为160mm。氢气射流切向喷入天然气管道，方向与天然气来流方向垂直，凭借着较大的速度差，氢气和天然气可以迅速而均匀的混合。
45.对比例1：
46.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了注氢喷嘴与内管的中心轴线呈约15
°
角倾斜设置。此时速度(v)、氢气浓度(c)的变异系数分别为6.9％、8.2％，均高于于实施例1设置形式时的变异系数，说明注氢喷嘴与内管的中心轴线呈约15
°
角倾斜设置时混合均匀性相对较差。此外，在喷孔截面、混合装置整体和混合气体出口截面的平均湍流动能都较大，均高于实施例1的工况，这就导致了混合气体扰动强烈，在有限距离内并不能达到充分混合，混合效果与实施例1相比较差。
47.对比例2：
48.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了注氢喷嘴直径取所述氢气入口端内径的0.25倍。此时速度(v)、氢气浓度(c)的变异系数分别为7.3％、8.7％，均高于于实施例1设置形式时的变异系数，说明直径取所述氢气入口端内径的0.25倍时混合均匀性相对较差。此外，在氢气出口截面、混合装置整体和混合气体出口截面的平均湍流动能都较大，均高于实施例1的工况，这就导致了混合气体扰动强烈，在有限距离内并不能达到充分混合，混合效果与实施例1相比较差。
49.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。