張昊春，孫 丹，金 鑫，魏衍強，王蛟龍

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

2．中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

0 引言

近年來全球能源緊缺，環(huán)境污染問題日益嚴峻。各國在積極開發(fā)新能源的同時，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氣輪機，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時為低熱值燃料［2］。我國中低熱值燃氣不僅種類繁多，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)展中低熱值燃料燃氣輪機對經(jīng)濟和環(huán)境具有重要的意義。

目前，中低熱值燃料燃氣輪機的研究著重于燃氣輪機燃燒特性和運行工況的研究。Raik 等人［4］對單軸燃氣輪機在非設計工況下燃用低熱值燃料的性能進行研究并指出，由于熱值較低及氣體成分變化，燃機性能和穩(wěn)定性會變差。Nikpey 等人［5］利用ANN 模型進行模擬，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微型燃氣輪機運行參數(shù)和排放性能的影響。Sharif 等人［6］對基于天然氣和新能源的能量利用提出新的節(jié)能方案，以提高燃氣輪機的性能和降低排放。Liu［7］等人研究了燃料組分和熱值的變化對SGT －400 干式低排放燃氣輪機燃燒性能的影響，研究表明H2對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，CO 對火焰溫度影響較大。Jaber 等人［8］對來源于油頁巖的氣體燃料(屬于低熱值燃料)應用于重型燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電裝置進行研究分析，得出由于燃料流量增大需要重新設計燃燒室。Dieter等人［9］研究中低熱值燃料對燃氣輪機的影響，得出:(1)透平入口處燃氣流量的不同，會給壓氣機和透平的匹配帶來影響;(2)在透平膨脹過程中由于燃氣成份的不同會導致焓降不同。

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。本文基于熱力學理論，根據(jù)燃氣的熱力性質(zhì)，建立膨脹功計算模型，分析燃料熱值和組分對燃氣輪機運行特性的影響，為燃氣輪機設計和提高總體性能提供理論依據(jù)。

1 熱力計算模型

1．1 燃氣熱力性質(zhì)計算

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

定壓比熱容焓溫度函數(shù)

燃氣熱力性質(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 燃氣輪機膨脹功計算

本文考慮壓氣機、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和透平匹配問題，能更好模擬燃氣輪機工作狀況，更真實反應燃氣輪機運行特性。

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

1．2．1 壓氣機部件計算

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

根據(jù)壓氣機的通用特性曲線，設定空氣進氣流量q1和轉(zhuǎn)速n，利用Lagrange 插值法，確定對應壓氣機壓比πc(當?shù)卮髿鈮簽閜0，溫度為t0)。

空氣在壓氣機中定熵壓縮，定熵過程滿足［12］

由公式(7)迭代法計算壓氣機出口溫度t2。其迭代公式如下

1．2．2 燃燒室部件計算

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。為了計算方便，根據(jù)各組分的體積比求出燃料化學通式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方程為理論空氣量摩爾數(shù)為

理論燃氣量摩爾數(shù)為

燃料系數(shù)為β 的燃氣摩爾數(shù)為

燃料系數(shù)為β 的燃氣摩爾成分為

式中 d——空氣的氮氧比，d=3．77382。

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

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

T'——測定燃料發(fā)熱值的基點溫度/℃，通常為25℃。

1．2．3 渦輪部件計算

渦輪通用特性曲線與壓氣機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、四個參數(shù)，當其中兩個參數(shù)確定后，其余兩個參數(shù)也相應確定了，這時透平就有一個完全確定不變的工況。

燃燒室部件的計算得出燃料系數(shù)β，根據(jù)β 和壓氣機進氣流量qc，求出透平的燃氣流量qf，再由透平的通用特性曲線，利用Lagrange 插值法計算透平膨脹比πc。燃氣在透平中定熵膨脹做功，由定熵公式求出透平出口溫度t4。透平進出口燃氣溫度t3、t4都已知，而焓只是溫度的函數(shù)，因此可求得透平進出口燃氣的焓值，定熵膨脹功w=h3－h(huán)4。

2 計算結果與分析

本文分別對燃用天然氣和合成氣燃料燃氣輪機進行計算。天然氣屬于高熱值燃料，合成氣包含三類:高熱值的焦爐煤氣、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

在分別對供給天然氣和合成氣燃料燃氣輪機進行計算時，維持透平前燃氣初溫不變，計算結果如表2。

為進一步分析，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、合成氣燃氣輪機計算結果

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系。圖1 表明，在維持透平前燃氣初溫不變的條件下，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，要維持透平前燃氣初溫不變，根據(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氣流量增加，燃氣在透平中的膨脹功增加。

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，計算不同熱值燃料對應的透平出口溫度，得到如圖3 所示的變化關系。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，且由于燃料組分的變化其值會出現(xiàn)波動。

在達到燃燒室出口溫度為1 348℃，同時其它條件保持相同時，計算得到不同燃料對應的燃料系數(shù)。圖4 給出燃料系數(shù)與燃料熱值的關系，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，同時也會隨著燃料組分的變化出現(xiàn)波動。這說明，燃料熱值越低，要達到同樣的燃燒室出口溫度，需要的燃料量越大;燃料組分也會對燃料系數(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 結論

本文基于熱力學理論，根據(jù)燃氣輪機壓氣機特性曲線、渦輪特性曲線和熱力循環(huán)過程，考慮燃料的組分和熱值，分析計算燃氣的熱力性質(zhì)，建立膨脹功計算模型。分析燃料熱值對燃料系數(shù)、渦輪出口溫度、燃料流量及膨脹功的影響規(guī)律，得出以下主要結論:

(1)在維持透平前燃氣初溫不變的條件下，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)會隨著燃料熱值的降低而增大，根據(jù)燃料系數(shù)的變化，對空氣流量和燃料流量進行適當調(diào)整，使壓氣機和透平達到最佳匹配;

(3)燃料熱值的降低，會使透平出口溫度升高，由此采取有效措施，以改善燃氣輪機排放特性。

符號表

cp，200℃——200℃時的摩爾定壓比熱容/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 的燃氣的焓/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——燃氣摩爾成分;

ηB——燃燒室效率;

ηc——壓氣機效率;

ηT——透平效率;

t0——當?shù)卮髿鉁囟?℃;

t2——壓氣機出口溫度/℃;

t3——燃燒室出口溫度/℃;

t4——透平出口溫度/℃;

p0——當?shù)卮髿鈮毫?Pa;

q1——壓氣機進氣流量/kg·s－1;

qc——壓氣機相對流量/kg·s－1;

qf——燃氣流量/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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