航改燃气轮机燃料灵活性初步研究
发布时间：2021-06-23 08:40
由于天然气价格高居不下,以天然气为主要能源的燃气轮机机组需要支付较高的发电成本,因此世界各国都希望采用不同类型燃料拓宽燃气轮机燃料灵活性,以利用更多中低热值煤气和其他燃料,降低天然气燃气轮机机组的发电成本。因此如何改型设计相关燃气轮机机组,使得其能够燃烧多种燃料是人们关注的重点。航改型燃气轮机由于其体积小、燃料适应性强等特点受到越来越多的关注。本文对发展燃气轮机燃料灵活性这一大背景下,针对航改型燃气轮机燃料灵活性进行了研究,主要内容和结论如下:本文首先进行了航改燃气轮机燃烧室改进设计。以原型燃烧室指标为基础,确定改型燃烧室设计要达到的指标,并进行燃气轮机气量分配,以某典型焦炉煤气为燃料,计算了其物性参数,并根据设计指标明确了焦炉煤气燃料流量,同时计算燃烧室总当量比为0.3297。针对航改燃气轮机和中低热值燃料特点,初步确定采用扩散燃烧方式的燃烧器结构。由于低工况下的燃料燃烧不稳定性和宽爆炸极限,采用双燃料双油路结构喷嘴,根据经验公式系数法对喷嘴液体路进行设计,确定喷口半径、旋流槽大小等参数,并进行雾化粒径SMD校验。计算得出副油路SMD在设计点2.5MPa时为40μm,与试验对比较好,...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GE燃气轮机使用燃料能力[3]
第1章绪论3先概述常用的燃气轮机燃料来源，再介绍国内外各大燃气轮机厂商的燃料灵活性工程应用实例进行总结，最后对国内外研究机构对中低热值燃料燃烧技术的基础研究进行综述。1.2.1航改燃气轮机的燃料及其来源早期的重型燃气轮机是在燃煤的蒸汽轮机基础上发展的，轻型燃气轮机是燃用煤油的航空燃气轮机改型。面对地球上各种气态、液态和固态燃料的开发和利用，为了合理利用、节约能源，重型和轻型燃气轮机都必须扩大燃料使用范围，这些燃料主要是源自于地底的化石燃料，如气体和原油。图1.2中展示了陆地地底的化石燃料，同时海洋底下也同样存在化石燃料，可通过海洋钻井平台开发。我们每天使用的许多燃料都是从其中一种来源生产的。还有一些燃料则是工业过程的直接或间接产物。本节对其中一些发电用的替代燃料进行概述。图1.2传统化石能源来源Figure1.2Sourcesoffossilfuels（1）天然气天然气虽然不属于替代燃料，但了解天然气的特性非常重要，因为它是许多其他燃料的组分部分。天然气的开采过程通常分为两类：伴生和非伴生。伴生气主要来自生产原油的油井，在这种情况下，天然气被称为伴生气，因为它与原油一起被泵送。在非伴生井中，天然气是从专用井抽出来的，不生产任何原油。天然气可以来自被盖层覆盖（或密封）的气穴中的常规气井，也可以来自富含天然气的页岩地层。根据大多数国家的定义，标记为天然气的气体可以在燃气轮机中直接使用，几乎没有困难。美国环保署（USEPA）定义天然气为“至少含有70%（体积含量）的甲烷”。欧盟标准将天然气定义为不超过20%（体积含量）的惰性气体，或者换句话说，至少有80%（体积含量）的甲烷。
第1章绪论7续表1.1多种燃料在国内外燃气轮机机组的应用[10-20]Table1.1ApplicationofVariousFuelsinDomesticandForeignGasTurbineUnits[10-20]沈阳发动机设计研究所QD128航改型燃机焦炉煤气/柴油双燃料喷嘴；扩散燃烧室根据需求，可燃烧天然气、柴油或柴油/焦炉煤气双燃料；最低热值11.7MJ/m3R0110重型燃机合成气/柴油双燃料喷嘴；氮气稀释；CO含量占60%、H2含量占35%的合成气；从表中可以看出，国外各大燃气轮机公司均对燃料灵活性做了大量的应用研究，并取得了不少的成果，GE公司对这类中低燃料的使用有着更丰富的经验，例如LM2500和LM6000系列航改燃机自1969年投入使用至今已有50年，并积累了大量的商用运行时间[21]。下面对GE公司的燃料灵活性应用做进一步的介绍。GE公司[22]对MS6001机组燃烧室内的的喷嘴进行了改型设计，使其可以燃烧低热值煤气，改造后的喷嘴采用了双燃料双涡流器结构，如图1.3所示。中心使用柴油空气雾化喷嘴，空气涡流器与燃料旋流器旋向相反，这样可以通过增强燃料和空气射流的旋流强度，使燃料和空气能够快速混合，并在燃烧室头部形成中心回流区来稳定火焰。图1.3MS6001机组低热值喷嘴[22]Figure1.3LowCalorificValueNozzleofMS6001Unit[22]Battista和Bahr等人[23]通过实验方法，分别研究了GE公司LM500和MS5001机组，改烧各类中低热值气体燃料的可行性。实验证明燃料热值为16.74MJ/Nm3时，燃烧室的性能都能够达到甚至超过原本的设计值。当燃料的热值在±20%范围内波动时，燃烧室仍能保持在足够高的性能状态。Sabla等人[25]以实验方式，测试了LM2500机组使用由一氧化碳、氢气和氮气组成的燃料气体的燃烧性能，这些气体类似于煤气化炉或生物质气化炉，典型
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国航改型燃气轮机发展现状及建议[J]. 刘培军,李辉全,张凤梅,谷思宇,李顺勇. 燃气轮机技术. 2019(02)
[2]合成气注氮燃烧室的数值模拟与实验研究[J]. 吴鑫楠,于宗明,冯永志,王岳,孔文俊. 推进技术. 2016(07)
[3]双燃料燃气轮机喷嘴结构及性能研究[J]. 李雅军,师蓓蓓,张晨曦,李名家. 舰船科学技术. 2015(05)
[4]重型燃气轮机现状与发展趋势[J]. 蒋洪德,任静,李雪英,谭勤学. 中国电机工程学报. 2014(29)
[5]M701SDA高炉煤气燃气轮机低热值试验研究[J]. 穆克进,雍一正. 燃气轮机技术. 2014(01)
[6]M701SDA燃气轮机BPT偏差大跳机事件分析[J]. 穆克进,雍一正. 燃气轮机技术. 2013(04)
[7]R0110合成气燃烧室方案设计和数值模拟[J]. 金戈,齐兵. 燃气轮机技术. 2013(03)
[8]N2稀释对双旋流合成气非预混燃烧特性的影响[J]. 葛冰,臧述升,郭培卿,田寅申. 工程热物理学报. 2012(09)
[9]当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响[J]. 谢岳生,胡国菊,郭培卿,葛冰,臧述升. 动力工程学报. 2012(06)
[10]现代舰船燃气轮机发展趋势分析[J]. 闻雪友,肖东明. 舰船科学技术. 2010(08)
博士论文
[1]气路蒸汽回注双燃料喷嘴设计及其性能研究[D]. 潘刚.哈尔滨工程大学 2015
[2]双旋流合成气非预混燃烧特性的实验研究与数值模拟[D]. 郭培卿.上海交通大学 2011
[3]多旋流合成气燃烧室燃烧特性的实验研究[D]. 宋权斌.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2009
硕士论文
[1]双燃料喷嘴设计与燃烧流场数值模拟[D]. 杨洪磊.哈尔滨工程大学 2010
[2]双燃料燃烧室燃烧流场数值模拟[D]. 贺红娟.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3244630
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GE燃气轮机使用燃料能力[3]
第1章绪论3先概述常用的燃气轮机燃料来源，再介绍国内外各大燃气轮机厂商的燃料灵活性工程应用实例进行总结，最后对国内外研究机构对中低热值燃料燃烧技术的基础研究进行综述。1.2.1航改燃气轮机的燃料及其来源早期的重型燃气轮机是在燃煤的蒸汽轮机基础上发展的，轻型燃气轮机是燃用煤油的航空燃气轮机改型。面对地球上各种气态、液态和固态燃料的开发和利用，为了合理利用、节约能源，重型和轻型燃气轮机都必须扩大燃料使用范围，这些燃料主要是源自于地底的化石燃料，如气体和原油。图1.2中展示了陆地地底的化石燃料，同时海洋底下也同样存在化石燃料，可通过海洋钻井平台开发。我们每天使用的许多燃料都是从其中一种来源生产的。还有一些燃料则是工业过程的直接或间接产物。本节对其中一些发电用的替代燃料进行概述。图1.2传统化石能源来源Figure1.2Sourcesoffossilfuels（1）天然气天然气虽然不属于替代燃料，但了解天然气的特性非常重要，因为它是许多其他燃料的组分部分。天然气的开采过程通常分为两类：伴生和非伴生。伴生气主要来自生产原油的油井，在这种情况下，天然气被称为伴生气，因为它与原油一起被泵送。在非伴生井中，天然气是从专用井抽出来的，不生产任何原油。天然气可以来自被盖层覆盖（或密封）的气穴中的常规气井，也可以来自富含天然气的页岩地层。根据大多数国家的定义，标记为天然气的气体可以在燃气轮机中直接使用，几乎没有困难。美国环保署（USEPA）定义天然气为“至少含有70%（体积含量）的甲烷”。欧盟标准将天然气定义为不超过20%（体积含量）的惰性气体，或者换句话说，至少有80%（体积含量）的甲烷。
第1章绪论7续表1.1多种燃料在国内外燃气轮机机组的应用[10-20]Table1.1ApplicationofVariousFuelsinDomesticandForeignGasTurbineUnits[10-20]沈阳发动机设计研究所QD128航改型燃机焦炉煤气/柴油双燃料喷嘴；扩散燃烧室根据需求，可燃烧天然气、柴油或柴油/焦炉煤气双燃料；最低热值11.7MJ/m3R0110重型燃机合成气/柴油双燃料喷嘴；氮气稀释；CO含量占60%、H2含量占35%的合成气；从表中可以看出，国外各大燃气轮机公司均对燃料灵活性做了大量的应用研究，并取得了不少的成果，GE公司对这类中低燃料的使用有着更丰富的经验，例如LM2500和LM6000系列航改燃机自1969年投入使用至今已有50年，并积累了大量的商用运行时间[21]。下面对GE公司的燃料灵活性应用做进一步的介绍。GE公司[22]对MS6001机组燃烧室内的的喷嘴进行了改型设计，使其可以燃烧低热值煤气，改造后的喷嘴采用了双燃料双涡流器结构，如图1.3所示。中心使用柴油空气雾化喷嘴，空气涡流器与燃料旋流器旋向相反，这样可以通过增强燃料和空气射流的旋流强度，使燃料和空气能够快速混合，并在燃烧室头部形成中心回流区来稳定火焰。图1.3MS6001机组低热值喷嘴[22]Figure1.3LowCalorificValueNozzleofMS6001Unit[22]Battista和Bahr等人[23]通过实验方法，分别研究了GE公司LM500和MS5001机组，改烧各类中低热值气体燃料的可行性。实验证明燃料热值为16.74MJ/Nm3时，燃烧室的性能都能够达到甚至超过原本的设计值。当燃料的热值在±20%范围内波动时，燃烧室仍能保持在足够高的性能状态。Sabla等人[25]以实验方式，测试了LM2500机组使用由一氧化碳、氢气和氮气组成的燃料气体的燃烧性能，这些气体类似于煤气化炉或生物质气化炉，典型
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国航改型燃气轮机发展现状及建议[J]. 刘培军,李辉全,张凤梅,谷思宇,李顺勇. 燃气轮机技术. 2019(02)
[2]合成气注氮燃烧室的数值模拟与实验研究[J]. 吴鑫楠,于宗明,冯永志,王岳,孔文俊. 推进技术. 2016(07)
[3]双燃料燃气轮机喷嘴结构及性能研究[J]. 李雅军,师蓓蓓,张晨曦,李名家. 舰船科学技术. 2015(05)
[4]重型燃气轮机现状与发展趋势[J]. 蒋洪德,任静,李雪英,谭勤学. 中国电机工程学报. 2014(29)
[5]M701SDA高炉煤气燃气轮机低热值试验研究[J]. 穆克进,雍一正. 燃气轮机技术. 2014(01)
[6]M701SDA燃气轮机BPT偏差大跳机事件分析[J]. 穆克进,雍一正. 燃气轮机技术. 2013(04)
[7]R0110合成气燃烧室方案设计和数值模拟[J]. 金戈,齐兵. 燃气轮机技术. 2013(03)
[8]N2稀释对双旋流合成气非预混燃烧特性的影响[J]. 葛冰,臧述升,郭培卿,田寅申. 工程热物理学报. 2012(09)
[9]当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响[J]. 谢岳生,胡国菊,郭培卿,葛冰,臧述升. 动力工程学报. 2012(06)
[10]现代舰船燃气轮机发展趋势分析[J]. 闻雪友,肖东明. 舰船科学技术. 2010(08)
博士论文
[1]气路蒸汽回注双燃料喷嘴设计及其性能研究[D]. 潘刚.哈尔滨工程大学 2015
[2]双旋流合成气非预混燃烧特性的实验研究与数值模拟[D]. 郭培卿.上海交通大学 2011
[3]多旋流合成气燃烧室燃烧特性的实验研究[D]. 宋权斌.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2009
硕士论文
[1]双燃料喷嘴设计与燃烧流场数值模拟[D]. 杨洪磊.哈尔滨工程大学 2010
[2]双燃料燃烧室燃烧流场数值模拟[D]. 贺红娟.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3244630
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