贫燃催化燃烧微型燃气轮机特性研究

摘要

贫燃催化燃烧微型燃气轮机(LBCCGT)可以利用超低热值燃料气，将其转变成机械能，创造巨大的经济效益，同时减少甲烷排放对环境造成的污染，社会效益十分显著，对此新型燃气轮机系统主要部件及系统特性的研究工作具有重要的意义。本文对贫燃催化燃烧微型燃气轮机系统以及燃烧室特性、叶轮特性进行了数值计算，并进行了实验研究。主要在以下几个方面取得了明显进展。
　　 (1)贫燃催化燃烧微型燃气轮机主要部件特性
　　 论文介绍了催化燃烧室的内部结构及化学反应机理；根据催化燃烧室内部机理，做了合理的假设与近似，推导了塞流数学模型。利用此模型，结合化学反应动力学模型，对贫燃催化燃烧进行了数值研究。分析了燃烧室的进口温度、压力、流速、甲烷摩尔百分数等工作条件以及燃烧室物理参数对催化燃烧的影响，为设计高效的催化燃烧室提供理论依据。对工作条件对催化燃烧特性的影响进行了敏感性分析，为如何提高催化燃烧的燃烧效率提出了有效的解决措施。研究了氢气辅助甲烷贫燃催化燃烧的特性，对控制甲烷催化燃烧反应进程的研究具有一定的参考价值。得到的主要结论有以下几点。催化燃烧特性是由各项工作条件共同决定的。在一定设计工况下，促进贫燃催化燃烧的措施有：增加进口温度，增加甲烷摩尔百分数，降低进口流速，以及降低工作压力。进口温度是影响催化燃烧转化率的最敏感因素。提高进口温度和提高甲烷摩尔百分数是促进催化燃烧的最有效的手段。在进口温度、流速及压力相同的条件下，相同的氢气摩尔百分数工况下，甲烷转化率随着甲烷摩尔百分数的增加而增加；相同甲烷摩尔百分数条件下，甲烷转化率随着氢气摩尔百分数的增加而增加。
　　 论文进行了叶轮的气动设计，分析了其流场特性，预测了其工作性能。研究表明：低透平进口温度工况相对高透平进口温度工况的工作区域较窄、高效区域较窄。系统中透平的主要特性：透平叶轮通道中气流最大马赫数较小；轮盖面上，压力面向吸力面的泄流现象非常明显；轮盖面损失中泄流损失占主要地位，轮盘面损失中进口攻角损失和壁面损失占主要地位，尾迹损失则相对较小；高转速时效率曲线无拐点出现，说明透平出口处没有发生阻塞。系统中压气机的主要特性：低宽径比、高比转速是压气机叶轮的特点：压气机叶轮通道中气流最大马赫数较小；子午面上近盘侧和流道中央的流动状况良好，叶轮通道内没有发现回流区，吸力面上轮盖侧的气流流动有附面层分离现象发生；轮盖面损失中二次流损失占主要地位，轮盘面损失中进口攻角损失和壁面损失占主要地位；压气机的高压比区域、高效率区域均远离喘振线；即使在低转速条件下，该压气机也能在比较宽的流量范围内保持较高的效率。
　　 与同功率常规微型燃气轮机叶轮特性进行了对比，得到的主要结论有：LBCCGT系统中透平的膨胀比较小、流量较大、转速较低、透平进口温度较低，叶轮直径较大、比功较小，比转速较低；叶片间50％处子午面上，叶片载荷较均匀；顶部间隙的影响较小，相对马赫数较小；转速对流量的影响较大，转速对效率及高效率区域的影响较小。LBCCGT系统中压气机的压比较小，流量较大，转速较低，叶轮直径较大，叶片出口宽度较大，叶片出口后弯角度较小，比转速较低；叶尖进口相对马赫数较小；后弯角度较小，保证了压比和效率特性线都比较平坦，有利于压气机和透平的匹配。
　　 (2)运行方式对贫燃催化燃烧燃气轮机系统性能的影响
　　 根据已经得到的新型燃气轮机系统中主要部件的特性，研究了不同运行方式下的系统部分负荷特性。在Aspen Plus仿真环境下搭建了系统主要部件的数学模型，比较了在变浓度、变转速、抽气放气及压气机进气加热四种运行方式下LBCCGT系统的部分负荷特性，对新系统选择变工况运行方式时提供了有意义的参考。得到的主要结论有：催化燃烧室进口温度是LBCCGT系统部分负荷运行的关键因素；变转速运行方式的工作范围最大，抽气放气工作范围居中，变浓度运行方式下系统在低负荷无法运行；变浓度运行方式下，甲烷转化率最低；抽气放气与变转速运行方式下，甲烷能够完全转化；在正常工作范围内，变浓度运行方式下的系统热效率高于抽气运行方式下的系统热效率；压气机进气加热运行方式能极大地延伸变浓度运行方式的工作范围，但是牺牲了热效率。
　　 (3)贫燃催化燃烧实验和叶轮特性实验
　　 对不同催化剂、进口温度、压力、流量、甲烷摩尔百分数工况下的贫燃催化燃烧进行了实验研究。比较了数值结果与实验结果的异同，验证了催化燃烧室简化模型的准确性，探求了氢气辅助甲烷贫燃催化燃烧的根本原理。为系统特性的研究提供了重要的价值和实验基础。结果表明，催化燃烧影响因素与氢气辅助甲烷催化燃烧的实验结论与数值计算得到的结论相吻合；四种催化剂比较，催化剂3活性最好，适宜应用于LBCCGT系统中：利用简化模型进行系统特性的分析是可行的。
　　 进行了所设计的压气机、透平的特性实验，检验了叶轮部件的性能指标及运行可靠性，为合理调整系统参数和控制规律作准备。通过对设计压气机、透平的实验验证，基本上可以确定叶轮部分的设计是成功的。实验结果证明系统特性分析中所使用的压气机、透平特性曲线是可信的。