中低热值燃料对燃气轮机运行特性的影响分析

张昊春，孙 丹，金 鑫，魏衍强，王蛟龙

(1．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;

2．中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

0 引言

近年来全球能源紧缺，环境污染问题日益严峻。各国在积极开发新能源的同时，也在努力开展能源的再利用工作，最大限度地节约能源。燃烧低热值燃料的燃气轮机，将钢厂排放的高炉煤气、化工厂排放的低热值尾气等作为燃料，不仅提高了能源的利用率，而且降低了对原生能源的需求，减小了大气污染，越来越受到人们的广泛重视［1］。燃料根据发热量的大小一般分为三类，发热量大于15．07 MJ/m3为高热值燃料，发热量在6．28 ～15．07 MJ/m3为中热值燃料，发热量小于6．28 MJ/m3时为低热值燃料［2］。我国中低热值燃气不仅种类繁多，而且总量非常巨大，在煤炭生产、煤化工、石油化工、钢铁、冶金等工业生产过程中都会产生一些低热值气体燃料［3］。所以，发展中低热值燃料燃气轮机对经济和环境具有重要的意义。

目前，中低热值燃料燃气轮机的研究着重于燃气轮机燃烧特性和运行工况的研究。Raik 等人［4］对单轴燃气轮机在非设计工况下燃用低热值燃料的性能进行研究并指出，由于热值较低及气体成分变化，燃机性能和稳定性会变差。Nikpey 等人［5］利用ANN 模型进行模拟，研究生物质气与天然气以不同比例混合而成的低热值燃料对微型燃气轮机运行参数和排放性能的影响。Sharif 等人［6］对基于天然气和新能源的能量利用提出新的节能方案，以提高燃气轮机的性能和降低排放。Liu［7］等人研究了燃料组分和热值的变化对SGT －400 干式低排放燃气轮机燃烧性能的影响，研究表明H2对火焰传播速度的影响较大，CO 对火焰温度影响较大。Jaber 等人［8］对来源于油页岩的气体燃料(属于低热值燃料)应用于重型燃气轮机联合发电装置进行研究分析，得出由于燃料流量增大需要重新设计燃烧室。Dieter等人［9］研究中低热值燃料对燃气轮机的影响，得出:(1)透平入口处燃气流量的不同，会给压气机和透平的匹配带来影响;(2)在透平膨胀过程中由于燃气成份的不同会导致焓降不同。

由于中低热值燃料的热值和组分多种多样，其燃烧稳定性及燃烧后的工质成分有较大差异，造成透平中膨胀做功的焓降发生变化。本文基于热力学理论，根据燃气的热力性质，建立膨胀功计算模型，分析燃料热值和组分对燃气轮机运行特性的影响，为燃气轮机设计和提高总体性能提供理论依据。

1 热力计算模型

1．1 燃气热力性质计算

空气和二氧化碳等多种气体热力性质的统一计算公式［10］，如下

定压比热容焓温度函数

燃气热力性质由各组成气体热力性质按理想气体混合规则求得［11］，即

1．2 燃气轮机膨胀功计算

本文考虑压气机、燃烧室和透平各自的工作特性以及三者之间的相互联系，利用C + +编写了膨胀功计算程序。该程序考虑到中低燃料热值低、燃料组分差异，以及由热值低和组分不同引起的压气机和透平匹配问题，能更好模拟燃气轮机工作状况，更真实反应燃气轮机运行特性。

通过压气机部件计算压气机出口温度t2，燃烧室部件计算燃料系数β，透平部件计算透平出口温度t4，从而建立膨胀功w 计算模型。

1．2．1 压气机部件计算

压气机通用特性曲线包含压气机效率ηc、压气机压比π、相似流量和相似转速)四个参数，已知任意两个参数可确定其他参数。

根据压气机的通用特性曲线，设定空气进气流量q1和转速n，利用Lagrange 插值法，确定对应压气机压比πc(当地大气压为p0，温度为t0)。

空气在压气机中定熵压缩，定熵过程满足［12］

由公式(7)迭代法计算压气机出口温度t2。其迭代公式如下

1．2．2 燃烧室部件计算

燃烧室出口温度t3，一般由材料的性质决定。根据燃烧室进出口温度t2、t3，燃烧室燃烧效率ηB，燃料低位热值Q，燃料各组分体积比，迭代法计算燃料系数β。

不同的中低热值燃料，组成成分不同，一般燃料是由CH4、CO、H2、N2和CO2按照不同的体积比组成的混合气体。为了计算方便，根据各组分的体积比求出燃料化学通式CxHyOzNuSv，燃料系数为β 的CxHyOzNuSv燃料与理论空气量完全燃烧的反应方程为理论空气量摩尔数为

理论燃气量摩尔数为

燃料系数为β 的燃气摩尔数为

燃料系数为β 的燃气摩尔成分为

式中 d——空气的氮氧比，d=3．77382。

对于燃烧室，忽略燃烧室本身对外的散热，根据能量守恒定律:Qin=Qout，整理得燃料系数β 的表达式

式中 QL，T'——燃料在T'时的摩尔低位发热值/kJ·kmol－1;

T'——测定燃料发热值的基点温度/℃，通常为25℃。

1．2．3 涡轮部件计算

涡轮通用特性曲线与压气机通用特性曲线一样是根据相似原理，将表征涡轮工作特性的参数，整理出的涡轮变工况性能曲线［13］。该参数包含πT、四个参数，当其中两个参数确定后，其余两个参数也相应确定了，这时透平就有一个完全确定不变的工况。

燃烧室部件的计算得出燃料系数β，根据β 和压气机进气流量qc，求出透平的燃气流量qf，再由透平的通用特性曲线，利用Lagrange 插值法计算透平膨胀比πc。燃气在透平中定熵膨胀做功，由定熵公式求出透平出口温度t4。透平进出口燃气温度t3、t4都已知，而焓只是温度的函数，因此可求得透平进出口燃气的焓值，定熵膨胀功w=h3－h4。

2 计算结果与分析

本文分别对燃用天然气和合成气燃料燃气轮机进行计算。天然气属于高热值燃料，合成气包含三类:高热值的焦炉煤气、中热值合成气和低热值合成气。合成气燃料热值及组分如表1［14］。

表1 合成气燃料热值及组分体积比

在分别对供给天然气和合成气燃料燃气轮机进行计算时，维持透平前燃气初温不变，计算结果如表2。

为进一步分析，本文选取了14 种不同组分、不同热值的中低热值燃料，燃料热值范围为4 240 ～16 780 kJ/kg，分析燃料热值对燃料系数、涡轮出口温度、燃料流量及膨胀功的影响规律。

表2 燃用天然气、合成气燃气轮机计算结果

图1、图2 给出燃料流量和膨胀功分别随燃料热值的变化关系。图1 表明，在维持透平前燃气初温不变的条件下，燃料热值越低燃料流量越大;图2表明，该条件下透平膨胀功也随着燃料热值的降低而增大。这是由于中低热值燃料热值低，要维持透平前燃气初温不变，根据能量平衡方程，必然要增加燃料流量。燃料流量的增加使燃气流量增加，燃气在透平中的膨胀功增加。

图1 燃料流量随热值的变化

图2 膨胀功随热值的变化

在相同的工况下，计算不同热值燃料对应的透平出口温度，得到如图3 所示的变化关系。从图3可以看出，相同工况下，透平出口温度随着燃料热值的增大呈下降趋势，且由于燃料组分的变化其值会出现波动。

在达到燃烧室出口温度为1 348℃，同时其它条件保持相同时，计算得到不同燃料对应的燃料系数。图4 给出燃料系数与燃料热值的关系，由图可以看出，燃料系数随着燃料热值的增大呈下降趋势，同时也会随着燃料组分的变化出现波动。这说明，燃料热值越低，要达到同样的燃烧室出口温度，需要的燃料量越大;燃料组分也会对燃料系数产生影响，这是由于燃料组分不同，燃烧特性也不同造成的。

图3 透平出口温度随燃料热值的变化

图4 燃料系数随燃料热值的变化

3 结论

本文基于热力学理论，根据燃气轮机压气机特性曲线、涡轮特性曲线和热力循环过程，考虑燃料的组分和热值，分析计算燃气的热力性质，建立膨胀功计算模型。分析燃料热值对燃料系数、涡轮出口温度、燃料流量及膨胀功的影响规律，得出以下主要结论:

(1)在维持透平前燃气初温不变的条件下，燃料流量和膨胀功都随燃料热值的降低而增大，因此通过调整燃料热值，可以提高燃料利用效率;

(2)燃料系数会随着燃料热值的降低而增大，根据燃料系数的变化，对空气流量和燃料流量进行适当调整，使压气机和透平达到最佳匹配;

(3)燃料热值的降低，会使透平出口温度升高，由此采取有效措施，以改善燃气轮机排放特性。

符号表

cp，200℃——200℃时的摩尔定压比热容/kJ·kmol－1·

C－1;

cp——摩尔定压比热容/kJ·kmol－1·C－1;

s0m——以T0为基准温度的摩尔熵/kJ·kmol－1;

H——摩尔焓/kJ·kmol－1;

Ha——空气摩尔焓/kJ·kmol－1;

Hβ——燃料系数为β 的燃气的焓/kJ·kmol－1;

Q——燃料低位热值/kJ·kg－1;

R——摩尔气体常数/kJ·kmol－1·℃－1;

S——摩尔熵/kJ·kmol－1·℃－1;

β——燃料系数;

πc——压气机压比;

πT——透平膨胀比;

w——功/MW;

ac，i——摩尔定压比热容公式系数;

As，as，i，bs——摩尔熵公式系数;

r——燃气摩尔成分;

ηB——燃烧室效率;

ηc——压气机效率;

ηT——透平效率;

t0——当地大气温度/℃;

t2——压气机出口温度/℃;

t3——燃烧室出口温度/℃;

t4——透平出口温度/℃;

p0——当地大气压力/Pa;

q1——压气机进气流量/kg·s－1;

qc——压气机相对流量/kg·s－1;

qf——燃气流量/kg·s－1;

n——转速/r·min－1;

ah，i，bh——摩尔焓公式系数。

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