超低热值燃料催化燃烧燃气轮机系统特性研究

摘要

根据发热量的大小将气体燃料分为高热值、中热值、低热值三大类，而低热值中又将发热量小于1MJ/m3的称为超低热值类。超低热值燃气燃料种类繁多，总量非常巨大（包括煤矿通风气、煤层气、水煤气、沼气、秸秆气等生物质气和钢铁、化工、矿物燃料生产过程中产生的超低热值燃气），但是在通常情况下不能点火燃烧，实际利用情况不甚理想，绝大多数超低热值燃料被丢弃，不但能源浪费惊人，而且严重环境了污染。 针对超低热值燃料热值低、无法点火燃烧的特点，本文提出一种超低热值燃料催化燃烧燃气轮机思想，采用无火焰催化燃烧的方式将超低热值燃料催化氧化后得到高温高压的烟气，再利用其推动燃气轮机工作发出有效功。利用该技术可从现行人类活动中回收超低热值燃料中80％～90％的能量，这不论是在国内还是在世界上都是一项先进的技术。在当今全世界的能源危机和环境污染都异常严峻的时刻，发展超低热值燃料催化燃烧燃气轮机技术，具有极其重要的经济意义和社会意义。 本课题的研究立足于利用1％甲烷浓度的超低热值燃气，对这种新型的催化燃烧燃气轮机系统进行研究。这种超低热值燃料催化燃烧燃气轮机系统有以下主要特点：燃气甲烷浓度很低，而且变动很大；燃烧时不需要加入助燃空气；采用蜂窝状催化燃烧室，Nox排放量很低，燃烧室阻力压力变动很大；工质流量很大，是同等级常规燃气轮机工质流量的5-10倍左右。从本质上讲，以上特点对这种新型燃气轮机系统的热力特性动态有很大影响，主要部件（压气机、燃烧室、回热器和透平等）之间的相互匹配关系也变得更复杂。 本课题结合了科技部国际合作项目、上海交大－澳大利亚联邦科学研究院国际合作项目、上海市科委项目三个重要课题的研究工作，主要完成了以下几部分的工作： 首先，依据这种新型燃气轮机思想，在已有的大量研究工作的基础上，分析其运行原理和技术关键点，在催化燃烧实验的基础上比较了此新型燃气轮机与传统燃气轮机的异同点。 其次，分析超低热值燃料催化燃烧燃气轮机各组成部分的静态方程，针对此燃气轮机自身特点对其稳态热力计算方案做出调整，明确了稳态热力计算的具体方案。给定稳态热力循环计算的参数变化范围，得到不同参数值下的超低热值燃料催化燃烧燃气轮机的热力循环参数。对所得数据进行分析，获得了超低热值燃料中甲烷浓度对燃烧室出口温度的影响、循环温比对机组循环热效率的影响、甲烷浓度对机组循环热效率的影响、压气机压比对机组循环热效率的影响，通过对这些影响关系的分析比较，得到此超低热值燃料催化燃烧燃气轮机设计点工况的各状态点参数。 再次，根据热力循环计算得到的超低热值燃料催化燃烧燃气轮机设计工况下的热力运行参数，对超低热值燃料催化燃烧燃气轮机主要工作部件――压气机和透平进行结构参数和气动参数设计，最后基于商业软件NREC得到压气机和透平各自的特性曲线。 最后，对超低热值燃料催化燃烧燃气轮机进行动态特性仿真模拟。基于准定常假设，采用模块化建模的方法，对燃气轮机以各部件为单位进行拆分后，分别建立起各自的数学模型，各部件模型中包含有相应的特性方程，将各部件模型按照实际的系统结构连接成流体网络，建立起系统的流体网络模型，依据模型对各部件的特性变量(主要是进、出口压力、稳定和流量)，也是系统变量进行整体仿真。以模型为基础，在仿真过程中分别考察在负荷阶跃减少和阶跃增加时机组各特性参数的随动变化情况，从整体上把握此燃气轮机在变工况时的工作特性。再依据此模型得到额定工况下机组稳定后的各状态点参数值，将所得结果与前述稳态热力计算得到的额定工况参数值相比较，以此验证该数学模型的准确性和可靠性。 综上，本文对超低热值燃料催化燃烧燃气轮机这种新型动力循环装置进行了结构、原理及技术关键点分析，进行了稳态热力循环性能计算、对其压气机和透平等主要部件进行了结构和气动特性设计、最后对其变工况下的动态特性进行仿真模拟，通过这些工作为此新型燃气轮机的进一步研究设计甚至产业化打下了坚实的基础。