超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機系統(tǒng)特性研究.pdf

1、根據(jù)發(fā)熱量的大小將氣體燃料分為高熱值、中熱值、低熱值三大類，而低熱值中又將發(fā)熱量小于1MJ/m3的稱為超低熱值類。超低熱值燃氣燃料種類繁多，總量非常巨大（包括煤礦通風氣、煤層氣、水煤氣、沼氣、秸稈氣等生物質(zhì)氣和鋼鐵、化工、礦物燃料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的超低熱值燃氣），但是在通常情況下不能點火燃燒，實際利用情況不甚理想，絕大多數(shù)超低熱值燃料被丟棄，不但能源浪費驚人，而且嚴重環(huán)境了污染。 針對超低熱值燃料熱值低、無法點火燃燒的特點，本文提

2、出一種超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機思想，采用無火焰催化燃燒的方式將超低熱值燃料催化氧化后得到高溫高壓的煙氣，再利用其推動燃氣輪機工作發(fā)出有效功。利用該技術(shù)可從現(xiàn)行人類活動中回收超低熱值燃料中80％～90％的能量，這不論是在國內(nèi)還是在世界上都是一項先進的技術(shù)。在當今全世界的能源危機和環(huán)境污染都異常嚴峻的時刻，發(fā)展超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機技術(shù)，具有極其重要的經(jīng)濟意義和社會意義。 本課題的研究立足于利用1％甲烷濃度的超低熱值燃氣，

3、對這種新型的催化燃燒燃氣輪機系統(tǒng)進行研究。這種超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機系統(tǒng)有以下主要特點：燃氣甲烷濃度很低，而且變動很大；燃燒時不需要加入助燃空氣；采用蜂窩狀催化燃燒室，Nox排放量很低，燃燒室阻力壓力變動很大；工質(zhì)流量很大，是同等級常規(guī)燃氣輪機工質(zhì)流量的5-10倍左右。從本質(zhì)上講，以上特點對這種新型燃氣輪機系統(tǒng)的熱力特性動態(tài)有很大影響，主要部件（壓氣機、燃燒室、回熱器和透平等）之間的相互匹配關(guān)系也變得更復雜。 本課題結(jié)合了

4、科技部國際合作項目、上海交大－澳大利亞聯(lián)邦科學研究院國際合作項目、上海市科委項目三個重要課題的研究工作，主要完成了以下幾部分的工作： 首先，依據(jù)這種新型燃氣輪機思想，在已有的大量研究工作的基礎(chǔ)上，分析其運行原理和技術(shù)關(guān)鍵點，在催化燃燒實驗的基礎(chǔ)上比較了此新型燃氣輪機與傳統(tǒng)燃氣輪機的異同點。 其次，分析超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機各組成部分的靜態(tài)方程，針對此燃氣輪機自身特點對其穩(wěn)態(tài)熱力計算方案做出調(diào)整，明確了穩(wěn)態(tài)熱力計算的

5、具體方案。給定穩(wěn)態(tài)熱力循環(huán)計算的參數(shù)變化范圍，得到不同參數(shù)值下的超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機的熱力循環(huán)參數(shù)。對所得數(shù)據(jù)進行分析，獲得了超低熱值燃料中甲烷濃度對燃燒室出口溫度的影響、循環(huán)溫比對機組循環(huán)熱效率的影響、甲烷濃度對機組循環(huán)熱效率的影響、壓氣機壓比對機組循環(huán)熱效率的影響，通過對這些影響關(guān)系的分析比較，得到此超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機設計點工況的各狀態(tài)點參數(shù)。 再次，根據(jù)熱力循環(huán)計算得到的超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機設計工

6、況下的熱力運行參數(shù)，對超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機主要工作部件――壓氣機和透平進行結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣動參數(shù)設計，最后基于商業(yè)軟件NREC得到壓氣機和透平各自的特性曲線。 最后，對超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機進行動態(tài)特性仿真模擬?；跍识ǔ＜僭O，采用模塊化建模的方法，對燃氣輪機以各部件為單位進行拆分后，分別建立起各自的數(shù)學模型，各部件模型中包含有相應的特性方程，將各部件模型按照實際的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接成流體網(wǎng)絡，建立起系統(tǒng)的流體網(wǎng)絡模型，依據(jù)

7、模型對各部件的特性變量(主要是進、出口壓力、穩(wěn)定和流量)，也是系統(tǒng)變量進行整體仿真。以模型為基礎(chǔ)，在仿真過程中分別考察在負荷階躍減少和階躍增加時機組各特性參數(shù)的隨動變化情況，從整體上把握此燃氣輪機在變工況時的工作特性。再依據(jù)此模型得到額定工況下機組穩(wěn)定后的各狀態(tài)點參數(shù)值，將所得結(jié)果與前述穩(wěn)態(tài)熱力計算得到的額定工況參數(shù)值相比較，以此驗證該數(shù)學模型的準確性和可靠性。 綜上，本文對超低熱值燃料催化燃燒燃氣輪機這種新型動力循環(huán)裝置進行了