您好,欢迎来到爱go旅游网。
搜索
您的当前位置:首页燃用焦炉煤气的燃气轮机性能分析

燃用焦炉煤气的燃气轮机性能分析

来源:爱go旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com

第48卷第2期 2006年4月 汽轮机技术 V01.48 No.2 Apr.2006 TURBINE TECHNOLOGY 燃用焦炉煤气的燃气轮机性能分析 王松岭,董 君,陈海平,张学镭 (华北电力大学能源与动力工程学院,保定071003) 摘要:将焦炉煤气用于燃气轮机发电,是有效利用焦炉煤气的形式。选用M701F型燃气轮机,对其燃用焦炉煤气的 性能进行研究。为了得到更多关于该燃气轮机的性能参数,首先对该燃气轮机燃用天然气的设计工况下的性能参 数进行计算,将计算结果输入ASPEN PLUS软件进行模拟,得到与设计值极为吻合结果。根据这些数据,计算 M701F型燃气轮机燃用焦炉煤气工况下的燃气轮机性能参数,同样将计算结果输入软件进行模拟,最后得出结果。 关键词:燃气轮机;焦炉煤气;天然气;性能分析 分类号:TK47 文献标识码:A 文章编号:1001.5884(2006)02-0108-04 Performance Analysis of Coke..oven..gas..ifred Gas Turbine WANG Song—ling,DONG Jun,CHEN Hai-ping,ZHANG Xue—lei (School of Energ And Power Engineering,NoAh China Electric Power University,Baoding 07 1003,China) Abstract:It is a effective way of using coke oven gas to generate electricity by gas turbine.Take M701F gas turbine for exmple.study the performance of gas turbine fired coke oven gas.In order to get more information of the gas turbine design condition,first,calculate the performance parameters of the gas turbine desing condition,then,put the result in the ASPEN PLUS software to simulate,and get the result that coincides soundly with the design value.Base on the result,calculate the eprformance parameters of M701 F gas turbine while buring coke oven gas.Also put the result in the ASPEN PLUS soft- ware,at last get the simulation result. Key words:gas turbine;coke oven gas;natural gas;performance analysis 符号名称 G广一燃料流量; G ——透平排气流量; ——透平膨胀比; 卜净功率; 丌 ——压气机压比; ——燃气的绝热指数; ——净效率; ,——压气机进气总温; ——排气总温; 仉——燃料热值; ——压气机排气总温; 而 ——压气机的比折合等熵效率; ——燃烧室燃烧效率; ——压气机等熵效率; ——压气机的等熵效率; G ——燃烧空气流量; Il} ——空气的绝热指数; ——。压气机比折合转速 G ——透平排气流量; 丌l——燃气透平压比; 西。——透平的比折合等熵效率; G ——压气机的空气流量; ——总压恢复系数; ——透平的等熵效率 G ——冷却空气流量; 田。——透平等熵效率; ——透平的比折合转速。 常规机型一样,这种燃气轮机也是按照燃用天然气设计和开 0前言 发的,燃气轮机燃用焦炉煤气(热值为18 Mj/m ,是天然气 热值的1/2),燃料热值的变化导致在维持同样的透平进口温 焦炉煤气是在炼焦过程中,在产出焦炭和焦油产品的同 度 的条件下,燃气流量增加。维持同样的燃烧空气流量。 时所得到的可燃气体,是炼焦的副产品,也是很好的燃料。 压气机进口的空气流量会发生变化,燃气流量也会发生变 但是目前很多焦化企业没有回收副产品,造成严重的资源浪 化,这些变化必然会导致压气机和透平工作点的变化。本文 费和环境污染。因此如何有效和经济的使用焦炉煤气是人 就是要利用ASPEN PLUS软件研究燃气轮机燃用焦炉煤气 们一直研究的课题。 时燃气轮机各部件(压气机、透平和燃烧室)性能的变化,并 焦炉煤气用于燃气轮机发电是利用剩余焦炉煤气的有 得出结果。 垫 查二!查塞堇旦 型燃气轮机为研究对象。和 使用ASPEN PLUS软件研究焦炉煤气燃气轮机的特性 收稿日期:2005-10-23 基金项目:本文属于国际合作项目。 作者简介:王松岭(1954・),男,教授,博士生导师,主要从事热力设备及大型回转机械的安全与运行方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 王松岭等:燃用焦炉煤气的燃气轮机性能分析 109 包括两部分:(1)使用ASPEN PLUS软件模拟天然气燃气轮 空气在透平入口进入冷却透平,与燃烧室排出的燃气混合后 机的设计工况下的性能;(2)使用ASPEN PLUS软件模拟焦 送入透平。最后燃气经过降温降压后与冷却空气一起排出 炉煤气燃气轮机在考虑部件变工况的燃气轮机性能。所建 燃气透平。 立的流程图如图1所示。模拟焦炉煤气燃气轮机的性能时, 不仅需要已知机组设计工况的主要性能参数和物流参数,而 且需要预知改变燃料后燃气轮机的主要性能参数和主要物 以上流程通过应用软件ASPEN PLUS模拟出来,其中模 块COMP模拟压气机,模块TURB模拟燃气透平,模块COM— BUST模拟燃烧室,模块COOLER模拟冷却器,模块WORK 流参数。在公开发表的文献资料中,仅能找到烧天然气的燃 气轮机的一些额定外特性和参数,如表1所示。而主要部件 性能和特性线很难得到。因此需首先建立一个烧天然气燃 将透平所做的功和压气机所消耗的功进行运算输出燃气轮 机的净功率。应用ASPEN PLUS软件只需要输入入口物流 (空气和燃料)的流量、温度、压力、成分;对于压气机和透平 气轮机设计工况核算的标准模型,以便基于表1的已知数据 推算出燃气轮机设计工况的部件性能(透平效率,燃烧效率 以及冷却空气流量等)和物流参数。这些数据对建立第二个 模型是必需的。 1三菱M701F型燃气轮机 本文选用三菱公司的具有燃用低热值煤气能力的 M701F(50Hz)型燃气轮机进行模拟,该机组燃用天然气的设 计参数在表1中给出。 表1 M701F(50Hz)型燃气轮机设计参数 参 数 单位设计值 参 数 单位设计值 出厂年份 年 1997 压比 17 机组出力 MW 270.3 压气机效率 %0.89 机组效率 % 38.2 透平进口温度 ℃ 1 400 设计转速 r/min 3 000 热平衡计算温度 ℃ 1 245 空气流量 k舀/s 651 透平排气温度 ℃ 586 以上是M701F型燃气轮机在设计工况下的部分参数, 仅靠这些参数,对于了解燃气轮机的中间过程的温度、压力 和流量的变化,及其对出力的影响是不够的。准确的研究燃 气轮机的技术特性需要知道燃气轮机的各个部件(压气机、 燃烧室和透平)特性。但实际上,由于我国的燃气轮机主要 依靠进口,而国外的燃气轮机生产厂家又对技术保密,使我 们很难得到燃气轮机的技术性能的详细信息。因此本文利 用已知的少量设计参数结合燃气轮机的热力计算数值。在 ASPEN PLUS软件上模拟出焦炉煤气燃气轮机的性能。 2 M701F型燃气轮机工艺流程和设计工况 的热力计算 原型燃气轮机是以天然气为燃料设计的,因此需要研究 燃气轮机燃用天然气的设计性能,并以此作为研究焦炉煤气 燃气轮机的基础,为研究焦炉煤气燃气轮机提供所需的数 据。 2.1工艺流程 M701F燃气轮机主要流程是:空气从压气机进口进入, 经过压气机压缩后增压,升温;在假定冷却窑气全部由压气 机出口抽出的情况下,压气机排气分成两部分:大约83%送 入燃烧室与同时送入燃烧室的燃料混合燃烧,产生高温高压 的燃气,从燃烧室排出,之后送入透平膨胀做功;另一部分约 17%,从燃烧室出口抽出后通过冷却器冷却、加压,作为冷却 模块只需要输入压比和等熵效率,燃烧室模块只需要输入排 气压力和热量损失。因此本文的计算就按照该软件运算所 需要的物流参数和模块的性能参数安排。 主要工艺流程如图1所示。 图1 燃气轮机系统流程图 2.2已知数据 燃气轮机在标况下工作,大气参数为:温度15 ̄C,压力 101。325kPa,相对湿度60%。 天然气的成分按100%CH 计算,完全CH 条件下热值 为50 030kJ/kg 。 2.3燃料流量和燃烧空气流量的计算 J (1)设定燃烧室效率 =0.99,已知设计工况下的净功率、 效率和天然气的燃料低位热值时,计算天然气的燃料流量: Gr: ,皿 (1) (2)根据燃料流量可以计算燃烧所需要的空气流量: G = Gr (2) 其中,余气系数计算公式为: 一———— :盟 ———一 ,监堂(3) 其中,Q 为燃料的低位发热量,kJ/kg; 为相对于lkg 进口空气而言lkg燃料的理论燃烧空气量,kg/kg;i ̄为在 条件下纯燃气的焓值,kJ/ -g; -288为在288K条件下纯燃气的 焓值,LI/ks;i ̄ 为在288K条件下空气的焓值,kJ/kg;it3为 在 条件下空气的焓值,kJ/kg;iT2为在 条件下空气的焓 值,kJ/kg。 理论空气量计算如下: 天然气的摩尔质量: ,=16.o42妒cH (4) 天然气的密度: P,P,: 盟一22.4  (5)L), 完全燃烧lm 天然气所需的理论空气量: 维普资讯 http://www.cqvip.com

llO 汽轮机技术 第48卷 = (6) 完全燃烧lkg天然气所需的理论空气量为: , 1.293 —— (7) pi (3)计算冷却空气流量和燃气流量: 冷却空气流量: Gf=G +G^ (8) 燃气流量: G,=G^+ (9) 2.4燃气轮机的性能计算 利用表1的数据,计算燃气轮机各部件的设计工况的性 能。 2.4.1压气机性能的计算 已知压比 和压气机的等熵效率 ,首先假设k = 1.4,在压气机进气流量,进气温度和压力均已知的情况下, 经过反复利用公式(10) 试算并利用ASPEN PLUS软件模 拟确定 和k 。 kt-I 田 : 田 — —一 (10)L Ju  2.4.2燃气透平性能的计算 透平的压比 t(膨胀比 )可以通过压气机的压比 计算: 仃。= (11) 其中, 在后面压力计算部分设定。 假设k,=1.33,根据表1给定的 和 。在公式(11)的 基础上利用公式(12) 经过反复计算模拟确定透平的等熵 效率 和k 。 l一孕 ,7 =— (12) 1一屈-g-- 2.4.3燃烧室性能计算 燃烧室的燃烧效率: 叼r —— —一 L lj J 其中,Q 为燃料的低位发热量,J/ks ̄;∑Q为燃烧室中 的热量损失,J/kg燃料。 计算单位质量燃料量下燃烧室损失的热量∑Q。那么, 实际燃烧室的热量损失为: Q = ∑Q (14) 燃用天然气时设定叼 =0.99,从而利用公式(14)计算燃 烧室的热量损失。 3 M701 F型燃气轮机燃用焦炉煤气的性能 模拟及分析 3.1 已知数据 模拟计算焦炉煤气时,设大气条件保持不变,不改变流 程中的模块和结构,只改变焦炉煤气的成分,如表2所示。 裹2 焦炉煤气的体积百分比 H2 CH4 CO CO2 C2H4 N2 02 55.52 27.82 7.oo 2.86 3.29 3.40 0.11 注:焦炉煤气的热值为39 381.27kJ/kg 3.2空气流量和燃料流量的计算 因为透平进口温度 的变化对机组功率和效率的变化 影响很大,因此在改燃焦炉煤气后保持透平进口温度 不 变,转速rt也不变。为此本文采用保持燃烧所需的空气流量 不变,即按照将同量的空气升高到相同的温度计算燃料流 量。 (1)保持透平进口温度 不变就要保持焦炉煤气燃料 量G,和燃烧所需的空气量G (G =G 一GI)应满足关系式: =乏 (15) 其中,余气系数的计算公式: 一————— 一 堡± 二 ± 望二 二 !±———一 盈二  (16) 其中, 为煤气在进入燃烧室时的温度为 条件下的 焓值,kJ/kg;i ̄ 为煤气在288K条件下的焓值,kJ/kg。 先假设 的温度(按照天然气的 ),计算出压气机的 压比、流量和效率后经过反复模拟验证 温度,最后确定 温度为408.6oC。 的计算方法如下: 焦炉煤气的摩尔质量: 晰 2-016 ̄H2+16.042q ̄c“4+28.01q ̄co+44.01qco2 +28・165 ̄N2+28-052q ̄C2H4+32妒o2 (17) 焦炉煤气的密度: =一2 24 (18) .完全燃烧lm 焦炉煤气的理论空气量为: ,= (0.5 +0_5 +2 +3 ̄c2s ̄)(19) 完全燃烧1 kg焦炉煤气的理论空气量为: : (20) (2)计算空气流量G 由于燃气流量G,=G +G,,从而利用流量平衡关系式: Gr=丘 【(21)  计算燃用焦炉煤气时的空气流量G (下标有0的为设计 值)。 在近似计算中,常假定变工况时流量比丘保持不变,即 =1。 (3)计算冷却空气流量和透平排气流量: 冷却空气量为: G£=G 一Gk(22) 透平排气流量为: =G +G, (23) 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 3.3燃气轮机特性计算 3.3.1压气机的特性计算 (1)压气机等熵效率的计算 王松岭等:燃用焦炉煤气的燃气轮机性能分析 衰3 燃气轮机性能参数计算结果 燃用焦炉煤气时,保持转速和进口空气参数不变,通过 比折合等熵效率计算压气机的等熵效率。 而 :[1-c(1 ) ]苦(2一 ) (24) 竺 其中,c = Go. 元 = — c = ;c:0.3。 T7 (2)压气机压比的计算 对于焦炉煤气根据燃气流量首先计算膨胀比,然后根据 仃 = 仃 ,确定压气机压比。 3.3.2透平的特性计算 (1)透平的等熵效率的计算 在已知透平的燃气流量的条件下,保持转速不变,再根 据压气机和透平的压比和各个压力损失计算出透平进口压 力,并利用该压力计算出比折合燃气流量,从而计算出透平 的比等熵效率和等熵效率。 [1-f(1~/7 ,t]苦(2一 /7,t) (25) .'l' G ≮1 舯 0-3 ; 兰-1.c, P3; P P . 叩 。 (2)透平膨胀比的计算 在已知透平燃气流量C,的情况下,保持ISO温度和转 速不变,透平的流量和透平的压比关系的特性用改进的弗留 格尔公式 计算: G, G,0 (26) 其中, = 1.4—0.4h 。 3.3.3燃烧室的特性计算 J 改燃焦炉煤气后,即使进入燃烧室的燃烧空气流量G 不改变,温度 、压力P。、燃烧耗量G,也要改变,这些变化必 然会引起燃烧室性能的变化。本文设燃用焦炉煤气时燃烧 室效率叩。=0.98。热量损失按式(13)、(14)计算。 4燃气轮机性能参数的计算结果 燃气轮机各个部件:压气机、燃烧室和透平的主要性能 参数的计算结果由表3给出。 5压力的计算结果 ] 设压气机的进气压力损失系数为 .=1.010 1;燃烧室的 压力损失系数为 2=1.020 4;排气道的压力损失系数 = 1.010 1;则总压力损失系数为 =u,112 =1.041 1。为简化 计算,假设在改燃焦炉煤气时压力损失保持不变。 已知大气压力P。=101.325kPa和压气机压比,根据压力 平衡的原理,可求得压气机进气压力P.、压气机排气压力P 、 燃烧室出口压力P 和透平排气压力P 。现将各个压力列于 表4。 表4 燃气轮机各部分压力分布 6模拟结果与结论 以上述计算的燃气轮机进口物流参数、燃气轮机性能参 数和压力分布数值为根据,应用ASPEN PLUS软件分别对燃 气轮机燃用天然气和焦炉煤气进行模拟,天然气的模拟结果 是焦炉煤气模拟的基础,二者的模拟结果列于表5。 衰5 两种燃料模拟的结果 (下转第113页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 杜连庆等:海豚叶型设计的初步尝试 113 (砷原型 < 改型 图2 Sl流面马赫数分布(M=1.2) 、 水 骚 ■J 础 图3型面压力比较 图4不同马赫数条件下的损失比较 行了海豚叶型的设计,并数值研究了原型与改型叶栅的流 3结论 场。计算结果表明,将叶型改型为海豚叶型后对叶栅气动性 能的影响不大。在某些较高的马赫数下叶栅的气动性能可 本文以某跨音速叶型为原型,在超跨音速范围,尝试进 能有轻微的提高,但流动性能并不稳定。 (上接第111页) 参考文献 续表5 两种燃料模拟的结果 王强.M701F燃气轮机的结构特点[J].东方电气评论, 2003,17(4):180. 李政,江宁,等、西门子V94.3燃气轮机冷却空气信息推 测[J].燃气轮机技术,2002,15(4):14、 焦树建.燃气一蒸汽联合循环的理论基础[M].北京:清华大 学出版社,2o03.92—133. 清华大学电力工程系燃气轮机教研组编.燃气轮机[M],北 京:水利电力出版社,1977.121. 倪维斗,等.热动力系统建模与控制的若干问题[M].北京: 科学出版社,1996.58—59. 通过以上的结果可以看到燃气轮机燃用焦炉煤气时,为 朱梅林.燃气轮机[M].华中工学院出版社,1982.159. 了保持 温度不变,燃料流量比天然气流量增加了约29%, 焦树建.燃气一蒸汽联合循环[M].北京:机械工业出版社, 2004.267. 在保持空气流量不变的情况下,机组的净功率和净效率都略 张娜,蔡睿贤.单轴恒速燃气轮机及其功热并供装置的变工 有增加。 况显式解析解[J].工程热物理学报,1998,19(2):142—143. M701F型燃气轮机改烧焦炉煤气后由于转速和进口温 Na Zhang,Ruixian Cai.Analytical solutions and typical character- 度 都不变,压气机工况的变化在同一条无因次折合转速 istics of part—load performances of single shaft gas turbine and its 线上进行。因为压气机的无因次折合转速线非常陡,所以在 cogenerafion[J].Energy Conversion and Management,2002,43: 压比变化不大的条件下,压气机能够保证足够的喘振裕度。 l326—1327. _二 j

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- igat.cn 版权所有 赣ICP备2024042791号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务