中低熱值燃料對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行特性的影響分析

張昊春，孫 丹，金 鑫，魏衍強(qiáng)，王蛟龍

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;

2．中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

近年來全球能源緊缺，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。各國(guó)在積極開發(fā)新能源的同時(shí)，也在努力開展能源的再利用工作，最大限度地節(jié)約能源。燃燒低熱值燃料的燃?xì)廨啓C(jī)，將鋼廠排放的高爐煤氣、化工廠排放的低熱值尾氣等作為燃料，不僅提高了能源的利用率，而且降低了對(duì)原生能源的需求，減小了大氣污染，越來越受到人們的廣泛重視［1］。燃料根據(jù)發(fā)熱量的大小一般分為三類，發(fā)熱量大于15．07 MJ/m3為高熱值燃料，發(fā)熱量在6．28 ～15．07 MJ/m3為中熱值燃料，發(fā)熱量小于6．28 MJ/m3時(shí)為低熱值燃料［2］。我國(guó)中低熱值燃?xì)獠粌H種類繁多，而且總量非常巨大，在煤炭生產(chǎn)、煤化工、石油化工、鋼鐵、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中都會(huì)產(chǎn)生一些低熱值氣體燃料［3］。所以，發(fā)展中低熱值燃料燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境具有重要的意義。

目前，中低熱值燃料燃?xì)廨啓C(jī)的研究著重于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性和運(yùn)行工況的研究。Raik 等人［4］對(duì)單軸燃?xì)廨啓C(jī)在非設(shè)計(jì)工況下燃用低熱值燃料的性能進(jìn)行研究并指出，由于熱值較低及氣體成分變化，燃機(jī)性能和穩(wěn)定性會(huì)變差。Nikpey 等人［5］利用ANN 模型進(jìn)行模擬，研究生物質(zhì)氣與天然氣以不同比例混合而成的低熱值燃料對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)和排放性能的影響。Sharif 等人［6］對(duì)基于天然氣和新能源的能量利用提出新的節(jié)能方案，以提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能和降低排放。Liu［7］等人研究了燃料組分和熱值的變化對(duì)SGT －400 干式低排放燃?xì)廨啓C(jī)燃燒性能的影響，研究表明H2對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，CO 對(duì)火焰溫度影響較大。Jaber 等人［8］對(duì)來源于油頁巖的氣體燃料(屬于低熱值燃料)應(yīng)用于重型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電裝置進(jìn)行研究分析，得出由于燃料流量增大需要重新設(shè)計(jì)燃燒室。Dieter等人［9］研究中低熱值燃料對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響，得出:(1)透平入口處燃?xì)饬髁康牟煌?，?huì)給壓氣機(jī)和透平的匹配帶來影響;(2)在透平膨脹過程中由于燃?xì)獬煞莸牟煌瑫?huì)導(dǎo)致焓降不同。

由于中低熱值燃料的熱值和組分多種多樣，其燃燒穩(wěn)定性及燃燒后的工質(zhì)成分有較大差異，造成透平中膨脹做功的焓降發(fā)生變化。本文基于熱力學(xué)理論，根據(jù)燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)，建立膨脹功計(jì)算模型，分析燃料熱值和組分對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行特性的影響，為燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)和提高總體性能提供理論依據(jù)。

1 熱力計(jì)算模型

1．1 燃?xì)鉄崃π再|(zhì)計(jì)算

空氣和二氧化碳等多種氣體熱力性質(zhì)的統(tǒng)一計(jì)算公式［10］，如下

定壓比熱容焓溫度函數(shù)

燃?xì)鉄崃π再|(zhì)由各組成氣體熱力性質(zhì)按理想氣體混合規(guī)則求得［11］，即

1．2 燃?xì)廨啓C(jī)膨脹功計(jì)算

本文考慮壓氣機(jī)、燃燒室和透平各自的工作特性以及三者之間的相互聯(lián)系，利用C + +編寫了膨脹功計(jì)算程序。該程序考慮到中低燃料熱值低、燃料組分差異，以及由熱值低和組分不同引起的壓氣機(jī)和透平匹配問題，能更好模擬燃?xì)廨啓C(jī)工作狀況，更真實(shí)反應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行特性。

通過壓氣機(jī)部件計(jì)算壓氣機(jī)出口溫度t2，燃燒室部件計(jì)算燃料系數(shù)β，透平部件計(jì)算透平出口溫度t4，從而建立膨脹功w 計(jì)算模型。

1．2．1 壓氣機(jī)部件計(jì)算

壓氣機(jī)通用特性曲線包含壓氣機(jī)效率ηc、壓氣機(jī)壓比π、相似流量和相似轉(zhuǎn)速)四個(gè)參數(shù)，已知任意兩個(gè)參數(shù)可確定其他參數(shù)。

根據(jù)壓氣機(jī)的通用特性曲線，設(shè)定空氣進(jìn)氣流量q1和轉(zhuǎn)速n，利用Lagrange 插值法，確定對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)壓比πc(當(dāng)?shù)卮髿鈮簽閜0，溫度為t0)。

空氣在壓氣機(jī)中定熵壓縮，定熵過程滿足［12］

由公式(7)迭代法計(jì)算壓氣機(jī)出口溫度t2。其迭代公式如下

1．2．2 燃燒室部件計(jì)算

燃燒室出口溫度t3，一般由材料的性質(zhì)決定。根據(jù)燃燒室進(jìn)出口溫度t2、t3，燃燒室燃燒效率ηB，燃料低位熱值Q，燃料各組分體積比，迭代法計(jì)算燃料系數(shù)β。

不同的中低熱值燃料，組成成分不同，一般燃料是由CH4、CO、H2、N2和CO2按照不同的體積比組成的混合氣體。為了計(jì)算方便，根據(jù)各組分的體積比求出燃料化學(xué)通式CxHyOzNuSv，燃料系數(shù)為β 的CxHyOzNuSv燃料與理論空氣量完全燃燒的反應(yīng)方程為理論空氣量摩爾數(shù)為

理論燃?xì)饬磕枖?shù)為

燃料系數(shù)為β 的燃?xì)饽枖?shù)為

燃料系數(shù)為β 的燃?xì)饽柍煞譃?/p>

式中 d——空氣的氮氧比，d=3．77382。

對(duì)于燃燒室，忽略燃燒室本身對(duì)外的散熱，根據(jù)能量守恒定律:Qin=Qout，整理得燃料系數(shù)β 的表達(dá)式

式中 QL，T'——燃料在T'時(shí)的摩爾低位發(fā)熱值/kJ·kmol－1;

T'——測(cè)定燃料發(fā)熱值的基點(diǎn)溫度/℃，通常為25℃。

1．2．3 渦輪部件計(jì)算

渦輪通用特性曲線與壓氣機(jī)通用特性曲線一樣是根據(jù)相似原理，將表征渦輪工作特性的參數(shù)，整理出的渦輪變工況性能曲線［13］。該參數(shù)包含πT、四個(gè)參數(shù)，當(dāng)其中兩個(gè)參數(shù)確定后，其余兩個(gè)參數(shù)也相應(yīng)確定了，這時(shí)透平就有一個(gè)完全確定不變的工況。

燃燒室部件的計(jì)算得出燃料系數(shù)β，根據(jù)β 和壓氣機(jī)進(jìn)氣流量qc，求出透平的燃?xì)饬髁縬f，再由透平的通用特性曲線，利用Lagrange 插值法計(jì)算透平膨脹比πc。燃?xì)庠谕钙街卸嘏蛎涀龉?，由定熵公式求出透平出口溫度t4。透平進(jìn)出口燃?xì)鉁囟萾3、t4都已知，而焓只是溫度的函數(shù)，因此可求得透平進(jìn)出口燃?xì)獾撵手?，定熵膨脹功w=h3－h(huán)4。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本文分別對(duì)燃用天然氣和合成氣燃料燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行計(jì)算。天然氣屬于高熱值燃料，合成氣包含三類:高熱值的焦?fàn)t煤氣、中熱值合成氣和低熱值合成氣。合成氣燃料熱值及組分如表1［14］。

表1 合成氣燃料熱值及組分體積比

在分別對(duì)供給天然氣和合成氣燃料燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，維持透平前燃?xì)獬鯗夭蛔?，?jì)算結(jié)果如表2。

為進(jìn)一步分析，本文選取了14 種不同組分、不同熱值的中低熱值燃料，燃料熱值范圍為4 240 ～16 780 kJ/kg，分析燃料熱值對(duì)燃料系數(shù)、渦輪出口溫度、燃料流量及膨脹功的影響規(guī)律。

表2 燃用天然氣、合成氣燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)算結(jié)果

圖1、圖2 給出燃料流量和膨脹功分別隨燃料熱值的變化關(guān)系。圖1 表明，在維持透平前燃?xì)獬鯗夭蛔兊臈l件下，燃料熱值越低燃料流量越大;圖2表明，該條件下透平膨脹功也隨著燃料熱值的降低而增大。這是由于中低熱值燃料熱值低，要維持透平前燃?xì)獬鯗夭蛔?，根?jù)能量平衡方程，必然要增加燃料流量。燃料流量的增加使燃?xì)饬髁吭黾?，燃?xì)庠谕钙街械呐蛎浌υ黾印?/p>

圖1 燃料流量隨熱值的變化

圖2 膨脹功隨熱值的變化

在相同的工況下，計(jì)算不同熱值燃料對(duì)應(yīng)的透平出口溫度，得到如圖3 所示的變化關(guān)系。從圖3可以看出，相同工況下，透平出口溫度隨著燃料熱值的增大呈下降趨勢(shì)，且由于燃料組分的變化其值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

在達(dá)到燃燒室出口溫度為1 348℃，同時(shí)其它條件保持相同時(shí)，計(jì)算得到不同燃料對(duì)應(yīng)的燃料系數(shù)。圖4 給出燃料系數(shù)與燃料熱值的關(guān)系，由圖可以看出，燃料系數(shù)隨著燃料熱值的增大呈下降趨勢(shì)，同時(shí)也會(huì)隨著燃料組分的變化出現(xiàn)波動(dòng)。這說明，燃料熱值越低，要達(dá)到同樣的燃燒室出口溫度，需要的燃料量越大;燃料組分也會(huì)對(duì)燃料系數(shù)產(chǎn)生影響，這是由于燃料組分不同，燃燒特性也不同造成的。

圖3 透平出口溫度隨燃料熱值的變化

圖4 燃料系數(shù)隨燃料熱值的變化

3 結(jié)論

本文基于熱力學(xué)理論，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)特性曲線、渦輪特性曲線和熱力循環(huán)過程，考慮燃料的組分和熱值，分析計(jì)算燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)，建立膨脹功計(jì)算模型。分析燃料熱值對(duì)燃料系數(shù)、渦輪出口溫度、燃料流量及膨脹功的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論:

(1)在維持透平前燃?xì)獬鯗夭蛔兊臈l件下，燃料流量和膨脹功都隨燃料熱值的降低而增大，因此通過調(diào)整燃料熱值，可以提高燃料利用效率;

(2)燃料系數(shù)會(huì)隨著燃料熱值的降低而增大，根據(jù)燃料系數(shù)的變化，對(duì)空氣流量和燃料流量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使壓氣機(jī)和透平達(dá)到最佳匹配;

(3)燃料熱值的降低，會(huì)使透平出口溫度升高，由此采取有效措施，以改善燃?xì)廨啓C(jī)排放特性。

符號(hào)表

cp，200℃——200℃時(shí)的摩爾定壓比熱容/kJ·kmol－1·

C－1;

cp——摩爾定壓比熱容/kJ·kmol－1·C－1;

s0m——以T0為基準(zhǔn)溫度的摩爾熵/kJ·kmol－1;

H——摩爾焓/kJ·kmol－1;

Ha——空氣摩爾焓/kJ·kmol－1;

Hβ——燃料系數(shù)為β 的燃?xì)獾撵?kJ·kmol－1;

Q——燃料低位熱值/kJ·kg－1;

R——摩爾氣體常數(shù)/kJ·kmol－1·℃－1;

S——摩爾熵/kJ·kmol－1·℃－1;

β——燃料系數(shù);

πc——壓氣機(jī)壓比;

πT——透平膨脹比;

w——功/MW;

ac，i——摩爾定壓比熱容公式系數(shù);

As，as，i，bs——摩爾熵公式系數(shù);

r——燃?xì)饽柍煞?

ηB——燃燒室效率;

ηc——壓氣機(jī)效率;

ηT——透平效率;

t0——當(dāng)?shù)卮髿鉁囟?℃;

t2——壓氣機(jī)出口溫度/℃;

t3——燃燒室出口溫度/℃;

t4——透平出口溫度/℃;

p0——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?Pa;

q1——壓氣機(jī)進(jìn)氣流量/kg·s－1;

qc——壓氣機(jī)相對(duì)流量/kg·s－1;

qf——燃?xì)饬髁?kg·s－1;

n——轉(zhuǎn)速/r·min－1;

ah，i，bh——摩爾焓公式系數(shù)。

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