煤制燃料气燃气轮机建模及性能分析

发布时间：2017-06-29 15:20

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【摘要】： 整体煤气化联合循环(IGCC)是洁净煤发电技术的重要发展方向。燃气轮机是IGCC的核心部件之一,其设计燃料一般为天然气和轻柴油,在改烧热值较低的煤制燃料气时,面临着性能预测、通流匹配、及其高温部件寿命降低等问题。本文建立了压气机特性曲线信息推测和透平冷却信息推测方法,发展了煤制燃料气燃气轮机性能模型,对比研究了多种通流调整方式对燃气轮机性能、通流能力、高温叶片寿命和IGCC整体性能的影响。论文的主要内容为： 1.压气机特性曲线推测方法 建立了三种基于不同的已知信息反推压气机特性曲线的方法,分别是：基于参数估计的多项式拟合法；基于参数估计的模化方法；基于燃气轮机整机运行数据的当量反推法。结果表明：基于参数估计的多项式拟合法适用于已知每条转速下8组实验数据,且原始数据分布能反映整条特性线的形状走向的情景；模化方法以设计工况点为中心,引入了线性的模化方法,在设计工况附近的推测精度很高,随着远离设计点,误差会有所增大。适用于燃机运行工况点范围一直在设计转速附近时的情景；基于燃气轮机整体运行数据的当量反推法,结合合理假设可用于估算燃气轮机整机性能。 2.透平冷却信息推测方法 分析了三种不同简化程度的估算透平冷却空气量的方法,分别是：结合燃气轮机整机效率、燃烧室出口温度、排气温度等热力参数,对冷却空气信息进行反推的简单热力学推测方法；考虑了冷却叶片金属温度、热容比等参数,采用经验公式对冷却空气量进行估算的模型；考虑了换热系数、换热面积、比热等换热过程参数以及冷却效率、有效冷却系数等表征冷却效果的参数,采用半经验公式对冷却空气量进行估算的模型。分析了各模型参数的选取原则以及适用场合。采用文献的结果验证了模型计算的准确性,并对GE PG9351FA燃气轮机的冷却空气量进行了估算。 3.燃气轮机整机热力性能模型比较 对PG9351FA燃气轮机建立了模拟其整机热力性能的当量透平前温模型、透平不分级模型以及考虑透平冷却的分级模型。采用三种模型对其设计工况和变工况性能进行了模拟。结果表明,虽然三种模型对透平膨胀过程考虑的详细程度差别较大,且得到的透平效率也不一样,但由于某种当量性,各模型计算得到的燃机变工况下的功率、热耗率、排气流量等结果基本一致,且与文献结果相比,最大误差均不超过3%。 4.煤制燃料气燃气轮机模拟及其通流调整方式分析 计算了GE PG9351FA燃气轮机改烧中低热值煤制燃料气后的性能。分析了改烧中低热值煤制燃料气,对燃气轮机通流匹配、一级静叶金属温度以及高温叶片平均寿命的影响。探讨了调整压气机进口导叶安装角(Inlet Guide Vane, IGV)、增大透平通流面积、以及降低T3温度等几种通流调整方式对煤制燃料气燃气轮机性能的影响。分析了不同热值和成分的煤制燃料气为燃料时GE 9FA燃气轮机性能,并提出了相应的燃气轮机通流调整方案。计算结果表明,燃机改烧中低热值燃料气后,功率增加、喘振裕度下降、高温部件寿命缩短,需要进行通流调整。不同的通流调整方式在限制燃机最大功率、增加喘振裕度、提高平均寿命方面各有利弊。 5.燃气轮机通流调整对IGCC系统性能的影响 以基于空气气化的输运床IGCC系统为研究对象,从IGCC整体热力性能的角度出发,评价了燃机各种通流调整方案。考察了燃气轮机与气化炉的集成对缓解燃气轮机通流的作用。结果表明,当不对燃机做其他调整时,为了满足燃气轮机通流,要求燃机与气化炉的集成化率达到70%。从IGCC整体性能的角度看,采用整体化时系统的供电功率和效率均最高,70%集成时,IGCC供电功率比燃机进行通流调整时高50-160MW左右,供电效率高0.7-3.6个百分点左右。
【关键词】：压气机特性曲线 透平冷却 燃气轮机 煤制燃料气 IGCC
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK47
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 引言14-22
• 1.1 课题背景和意义14-15
• 1.2 研究现状综述15-20
• 1.2.1 压气机特性曲线推测研究综述15-16
• 1.2.2 透平冷却模型和膨胀模型研究综述16-19
• 1.2.3 中低热值煤制燃料气燃气轮机研究综述19-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-22
• 第二章 压气机特性曲线推测22-38
• 2.1 压气机特性曲线推测的理论基础22-26
• 2.1.1 压气机特性曲线的表述方法22-24
• 2.1.2 极大似然的参数估计法24-26
• 2.2 基于参数估计的多项式拟合法26-30
• 2.2.1 多项式拟合方法26-28
• 2.2.2 全转速范围内的特性曲线28
• 2.2.3 结合验证及分析28-30
• 2.3 基于参数估计的模化方法30-34
• 2.3.1 设计工况模化因子30-31
• 2.3.2 变工况模化因子31-32
• 2.3.3 结果和讨论32-34
• 2.4 结合燃机整机运行特性的反推法34-36
• 2.4.1 设计工况性能35
• 2.4.2 结果及分析35-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第三章 透平冷却模型38-50
• 3.1 热力学反推方法38-41
• 3.2 经验公式冷却模型41-43
• 3.2.1 冷却模型简介41-42
• 3.2.2 模型验证及GE 9FA冷却空气总量计算42-43
• 3.3 半经验公式冷却模型43-47
• 3.3.1 膨胀模型43
• 3.3.2 冷却空气量计算模型43-46
• 3.3.3 冷却介质掺混过程的压力损失46
• 3.3.4 模型验证及GE 9FA燃气轮机各级冷却空气量计算46-47
• 3.4 各模型比较47
• 3.5 本章小结47-50
• 第四章 燃气轮机整体热力性能模型50-60
• 4.1 系统计算平台50-52
• 4.1.1 设计工况系统计算模型50-51
• 4.1.2 变工况系统计算模型51-52
• 4.2 系统计算基准52-54
• 4.2.1 PG 9351FA燃气轮机基本信息52-53
• 4.2.2 燃料信息53
• 4.2.3 其他系统计算信息53
• 4.2.4 系统变工况计算结果验证及比较模型53-54
• 4.3 PG 9351FA燃气轮机模型及变工况性能比较54-59
• 4.3.1 当量透平前温模型54
• 4.3.2 考虑冷却的透平不分级模型54-55
• 4.3.3 透平分级模型55-56
• 4.3.4 变工况性能比较56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 燃气轮机改烧中低热值燃料气性能分析60-74
• 5.1 燃气轮机改烧中低热值煤气60-62
• 5.1.1 中低热值燃料气成分及热值60-61
• 5.1.2 燃烧中低热值燃气时的燃机性能61-62
• 5.2 通流调整措施62-67
• 5.2.1 关小IGV角度63-64
• 5.2.2 增大透平通流面积64-65
• 5.2.3 降低T_3温度以满足功率限制65-66
• 5.2.4 降低T_3温度以满足喘振裕度要求66-67
• 5.3 改烧中低热值燃料气对高温部件寿命的影响67-72
• 5.3.1 一级静叶金属温度和平均寿命67-68
• 5.3.2 计算结果和讨论68-70
• 5.3.3 通流调整后的部件寿命分析70-72
• 5.4 本章小结72-74
• 第六章 燃机通流调整对空气气化输运床IGCC系统性能的影响74-84
• 6.1 单元部件模型74-77
• 6.1.1 输运床气化炉模型74-75
• 6.1.2 煤气冷却、除尘及净化单元75-76
• 6.1.3 蒸汽循环76
• 6.1.4 NO_X排放量计算76-77
• 6.1.5 燃气轮机77
• 6.2 系统方案设计77-78
• 6.3 系统计算结果及分析78-82
• 6.3.1 输运床气化炉计算结果78-79
• 6.3.2 燃气轮机通流调整对IGCC整体性能影响计算结果分析79-80
• 6.3.3 燃气轮机与气化炉的集成80-82
• 6.4 本章结论82-84
• 第七章 结论与展望84-88
• 7.1 结论84-86
• 7.2 展望86-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文92-93
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目93-94
• 致谢94

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 迟金玲;张士杰;王波;肖云汉;;CO_2捕集对输运床气化炉IGCC系统技术经济性的影响[J];中国电机工程学报;2013年23期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 迟金玲;IGCC电站二氧化碳捕集研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2011年

2 周贤;联合循环电站改造为IGCC和甲醇联产系统的研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2011年

3 李振;IGCC热力性能的发展潜力分析[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 杜莹莹;中低热值燃料多轴燃气轮机热力性能模拟[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2013年

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本文编号：498382