贫燃催化燃烧燃气轮机部分负荷特性分析

第30卷第23期中国电机工程学报Vol.30No.23Aug.15,20102010年8月15日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2010)23-0001-07中图分类号：TK472文献标志码：A学科分类号：470⋅20贫燃催化燃烧燃气轮机部分负荷特性分析尹娟1，翁一武1，李明2（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海市闵行区200240；2.中国建筑工业出版社，北京市西城区100037）InvestigationonPartLoadCharacteristicsofGasTurbineWithaLean-burnCatalyticCombustionChamberYINJuan1,WENGYi-wu1,LIMing2(1.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,MinhangDistrict,Shanghai200240,China;2.ChinaArchitectureandBuildingPress,XichengDistrict,Beijing100037,China)ABSTRACT:Theflowsheetandavailablecontrolstrategiesforpartloadoperationofalean-burncatalyticcombustiongasturbinesystemwereinvestigated.Themodelsofthekeycomponentsweresetup.Thepartloadcharacteristicsundervariouspart-loadcontrolstrategieswereanalyzed.Theperformanceofproposedpartloadcontrolstrategyusingcompressorinletheatingwascomparedwiththatoftheothercontrolstrategies.Themainresultsshowthatthecombustorinlettemperatureisasignificantfactorthatcanaffectthepartloadcharacteristicsofthesystem,theoperationrangeofspeedmodulationisverywide,thebleedingmodulationrangeisrelativelynarrowandthefuelflowmodulationrangeisnarrowest,themethaneconversionrateoffuelflowmodulationislowest,thethermalefficiencyunderfuelflowcontrolstrategyishigherthanthatunderbleedingcontrolstrategywithintheoperationrange,compressorinletheatingmodulationcanextendtherangeofthepart-loadoperationunderfuelflowmodulationattheexpenseofthermalefficiency.KEYWORDS:leanburncatalyticcombustion;gasturbine;partloadcharacteristics;controlstrategies摘要：介绍了贫燃催化燃烧燃气轮机系统的流程及可采用的部分负荷调节方式。建立各主要部件的数学模型，进行各调节方式下部分负荷特性的分析。提出了压气机进气加热调节方式，将此调节方式下的部分负荷特性与其他调节方式下的特性进行了对比。得到的主要结论有：催化燃烧室入口温度是影响系统部分负荷运行的关键因素；转速调节的工作范围最大，抽气调节居中，燃料气量调节最小；燃料气量调节方式下，甲烷转化率最低；在正常工作范围内，燃料气量调节工况下的系统热效率高于抽气调节工况下的热效率；压气机进气加热调节能延伸燃料气量调节方式的工作范围，但是降低了热效率。关键词：贫燃催化燃烧；燃气轮机；部分负荷特性；调节方式0引言超低热值燃料气(ultralowheatvaluefuel，ULHVF)包括煤矿通风瓦斯，部分低热值沼气、秸秆气等生物质气和钢铁、化工、矿物燃烧生产过程中产生的低热值燃气如高炉煤气[1-2]，总量巨大。但ULHVF中甲烷的浓度在1%~5%，通常很难点火燃烧，很多直接排放到大气中，造成了环境污染。催化燃烧与常规燃烧相比，起燃温度低、可以实现NOx等污染物的超低排放甚至零排放[3]，是处理ULHVF最有效的燃烧方法。催化燃烧ULHVF将其作为动力能源应用于燃气轮机系统是一项环境与能源共同驱动的技术。本文研究的贫燃催化燃烧燃气轮机(leanburncatalyticcombustiongasturbine，LBCCGT)是以催化燃烧室作为唯一的燃烧装置，ULHVF作为主燃料的微型燃气轮机动力系统。燃料气通入压气机内被压缩，温度压力上升后经回热器换热，温度达到催化燃烧的起燃要求后，ULHVF在催化燃烧室内进行反应，高温的烟气通入透平做功发电。系统如图1所示。在压气机进口处设置燃料气/空气分配阀，通过调节两者流量实现燃料气量调节。系统起动时，经压气机压缩后的燃气温度未能达到ULHVF基金项目：国家863高技术基金项目(2007AA05Z134)；上海市科委科技攻关计划(08DZ1200102)。ProjectSupportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina(863programme)(2007AA05Z134);ProjectSupportedbytheKeyTechnologiesR&DProgramofShanghai(08DZ1200102)。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.com.cn2中国电机工程学报第30卷催化燃烧的起燃温度，因此系统中设置了起动燃烧室。打开阀门3、关闭阀门4，油在起动燃烧室中燃烧，催化燃烧入口温度满足起燃要求后关闭阀门3、打开阀门4，催化燃烧反应顺利进行。系统起动后，进入加载过程。大气压气机透平催化燃烧室发电机燃料气空气阀门混合器12T1T2T2aTIT回热器起动燃烧室油34T2图1LBCCGT系统图Fig.1SchematicdiagramofLBCCGTsystem常规燃气轮机部分负荷调节方式一般有以下几种：压气机出口抽气后直接排向大气；减少通入的燃料量；降低压气机转速；改变压气机可调导叶的角度[4-6]。压气机抽气排气，不需要对压气机结构作大的改动；通过减少燃料量来减少燃气轮机的输出功率，不需要改造设备，简便易行；降低压气机转速的调节方式适用于微型燃气轮机系统；通过压气机的可调导叶调节压气机的进气量，同时改变燃料量来实现部分负荷工况运行，需加装可调导叶，费用较大，适用于兆瓦级燃气轮机系统[7-9]。LBCCGT部分负荷特性的研究并不多见。澳大利亚联邦研究院Su博士预计，LBCCGT的部分负荷调节明显不同与常规燃气轮机。LBCCGT系统中甲烷浓度很低，如果通过降低甲烷浓度实现部分负荷运行，超低的燃烧室入口温度很可能会导致燃烧熄火[10]。本文比较了各种调节方式下LBCCGT系统的部分负荷特性，目的在于对新系统选择变工况调节方式时提供一个有意义的参考。1关键部件建模1.1催化燃烧室模型在催化燃烧室建模时，做了如下假设：1）忽略径向温度、浓度、速度梯度。2）忽略轴向扩散。3）通道气流与固体壁面之间的流动不连续，因此连续性方程与能量守恒方程分别表达，两者依靠传热、传质系数经验公式耦合。燃烧室模型：1）摩尔守恒方程。气相4444CHbmm,CHbCH,bCH,SHd4()0dYCvkCYYzD+-=(1)固相4444m,CHbCH,bCH,SCHS()()kCYYRl-=-(2)式中11.3071.3070.97941.002[1()]lF--=+(3)2）化学反应速率方程[11]。4480.72CHSCH,SgS131000()2.8410exp()RYRT--=×(4)3）能量守恒方程。气相bmSbHd4()0dpTcvhTTzDr-+-=(5)固相42SSbRCHS2d()()0dWWTkhTTHRzdl---Δ-=(6)边界条件Sd0dTz=；0=z和lz=(7)4）动量守恒方程。2mmmH1dd()20ddpvvvfzzDr++=(8)5）传热系数方程。fHNukhD⋅=(9)6）传质系数方程[12]。44CH,airm,CHHShDkD⋅=(10)式中：C为气体摩尔浓度，mol/m3；vm为气体流速，m/s；Y为摩尔分数；z为轴向坐标，m；DH、dW分别为通道水力直径、壁厚，m；l为有效因子；F为Thiele模数；ΔHR为反应热，J/mol；cp为定压比热容，J/(kg⋅K)；r为密度，kg/m3；T为温度，K；p为压力，Pa；f为范宁摩擦系数；kf、kW分别为气体导热系数、固体壁面导热系数，W/(m⋅K)；4CH,airD为甲烷在混合气中的分子扩散系数，m2/s；Nu、Sh分别为努塞尔数、舍伍德数；h、4m,CHk分别为传热、传质系数，W/(m2⋅K)、m/s；角标b、s分别指通道气流、固体壁面。1.2透平模型LBCCGT系统中的燃料气直接通入压气机进PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.com.cn第23期尹娟等：贫燃催化燃烧燃气轮机部分负荷特性分析3行增压升温，在催化燃烧室中不再额外添加燃料，与常规燃气轮机工艺流程明显不同。因此，必须设计开发新的透平与压气机，实现叶轮机械与催化燃烧室工作性能的匹配。由于透平叶轮采用高温合金精密浇铸，该材料最高圆周速度不能超过525m/s，对于轮径为220mm的叶轮，其最高转速不能超过4.5×104r/min，要保证10%左右的转速裕度，设计点转速确定为4×104r/min。设计点透平的入口温度为1080K。根据系统优化分析结果，100kW燃气轮机的透平设计流量为1.3kg/s，膨胀比为2.4[13]。利用叶轮机械设计软件NREC中的RITAL以及CCAD进行叶片设计、叶轮工作特性分析。计算得到燃气透平特性曲线如图2~3所示，可以看出，设计的透平高效率工作区域宽，最高效率接近83%。0.81.21.62.02.42.80.30.50.70.91.11.31.5质量流量/(kg/s)膨胀比2.02.53.03.54.0转速/(104r/min)图2透平膨胀比特性Fig.2Expansionratiocharacteristicsoftheturbine0.00.20.40.60.81.02.02.53.03.54.0转速/(104r/min)0.30.50.70.91.11.31.5质量流量/(kg/s)效率图3透平效率特性Fig.3Efficiencycharacteristicsoftheturbine1.3压气机模型由于燃料气热值很低，与同容量常规燃气轮机相比，LBCCGT系统中燃料的质量流量必然有所增加，从而要求LBCCGT压气机的通流面积要较常规燃机系统中压气机的通流面积大[14]。压气机的通流面积大，则叶轮的出口轮径相对较大，是LBCCGT系统中压气机的结构特点。同时，ULHVF浓度波动大，对压气机的稳定工作范围提出很高的要求。为了拓展压气机在低转速下的工作区域，压气机叶轮罩壳采用了导风轮旁通再循环结构[15]。压气机叶轮的设计转速4×104r/min，设计流量1.3kg/s，压比2.7。利用NREC中的COMPAL以及CCAD进行叶片设计、叶轮工作特性分析。压气机特性曲线如图4