燃用合成煤气的燃气轮机变工况特性研究

论文摘要

燃气轮机联合循环作为一种先进的发电技术,是目前世界上电力生产的主要发电方式之一。国内已经投运一批燃气轮机联合循环电站,共包括25个电站项目59台燃气轮机发电机组;虽然燃气轮机联合循环发电技术有着广阔的发展前景,但是从目前国内的情况来看,相当一部分燃用天然气的联合循环电站的发电形势不容乐观,燃料供应问题成为目前困扰天然气发电的主要因素。我国是典型的少气多煤国家,在相当长的时间内煤炭将牢牢占据中国一次能源消费的主要地位。2007年中国煤炭的消费量为25.8亿吨标煤。煤为我国的经济发展提供了能源保障,但是燃煤带来的环境污染问题不容忽视。燃煤会带来硫氧化物、氮氧化物、重金属和固体颗粒等污染物的排放以及二氧化碳等温室气体。通过大力发展洁净煤气化在煤炭中的应用,可有效发挥我国的煤炭资源优势,并减少环境污染。这些都为整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术的发展提供了可行性和必要性。我国承担的二氧化碳减排义务和相关政策将决定和制约我国未来发电模式,也是决定我国IGCC发展前景的最主要因素。整体煤气化联合循环(IGCC)发电首先是将煤气化生成中、低热值的合成煤气,然后通过燃气轮机和蒸汽轮机发电,间接实现了煤在联合循环中作为燃料的应用。不仅具有较高的热效率,而且由于合成气煤气体积比烟气小很多,因此净化处理也要容易的多,可以实现硫和氮的零排放,二氧化碳则更容易捕获封存,具有良好的环保性能。目前全世界共有超过36座IGCC电站正在运行或在建,总装机容量超过11000MW,其中已投入商业运行IGCC电站达到4050MW。美国、西班牙、荷兰、意大利、日本、印度等均有IGCC电站投运,我国也积极发展IGCC技术,华能绿色煤电公司建设的近零排放煤基发电示范项目预计将在2010年建成投运。燃气轮机是IGCC发电技术的核心设备,由于IGCC系统和气化工艺的多样性,并且设计一台燃气轮机是一件繁杂而浩大的工程,所以不可能针对每个IGCC电站重新设计一台燃气轮机,使其适应燃用中、低热值的合成煤气。目前通常采用的办法是对原设计为燃用天然气的燃气轮机进行适当的改造,使之满足燃用合成煤气的要求。本文主要内容是研究燃气轮机燃用合成煤气时的变工况特性。对于每一种具体的燃料,由于其热值和性质不同,改烧该燃料对燃气轮机改造的要求也不尽相同。针对论文的研究内容和IGCC中燃气轮机的特殊性,本文主要作了以下工作:1、选取PG9351FA燃气轮机作为研究对象,收集、整理了大量不同工况的电厂实际运行数据,推算出燃气轮机压气机运行工况特性。计算分析了在不同热值燃料条件下PG9351FA应用的适用性及其热经济性。2、计算了燃气的热力性质。得出不同元素和不同组分的燃料在燃烧后产生的燃气的热力性质,以自编程序完成计算过程。3、完成了燃气轮机机组循环计算建模,根据电厂实际运行数据建立了在有可转导叶作用下的压气机特性,结合燃烧室透平的特性计算,组成了简单循环下燃气轮机特性建模。4、通过燃气轮机燃用不同热值的合成煤气计算得出:使用热值10476 kJ/kg以上的合成煤气只需调整压气机的进口导叶(静叶);当合成煤气热值低至4240kJ/kg时,除调整压气机进口导叶外还需旁通压气机排气即能满足透平的通流能力,保证机组能安全运行。这些都为常规的联合循环改造成IGCC提供有用的参考数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国燃气轮机联合循环电站的发展状况
• 1.1.2 我国IGCC 技术的展望
• 1.2 燃用合成煤气燃气轮机的特点
• 1.2.1 燃气轮机的特殊性
• 1.2.2 燃气轮机燃烧系统的改造
• 1.2.3 中热值煤气燃烧问题
• 1.2.4 低热值煤气燃烧室
• 1.2.5 燃气轮机通流部分的改造
• 1.3 燃用合成煤气燃气轮机的变工况特性
• 1.3.1 燃气轮机的变工况性能的重要性
• 1.3.2 研究燃用合成煤气燃气轮机变工况特性的重要性
• 1.4 分析燃气轮机变工况的方法
• 1.5 本文选用的燃气轮机
• 1.6 PG9351FA 型燃气轮机简述
• 1.7 本文的研究内容和拟解决的问题
• 第二章 燃气轮机工质的热力性质计算
• 2.1 概述
• 2.2 燃气的燃料系数β
• 2.2.1 燃料系数β的含义
• 2.2.2 燃料系数β的计算方法
• 2.3 燃料系数为β的燃气的热力性质计算方法
• 2.3.1 燃料系数为β的燃气摩尔成分
• 2.3.2 燃料系数为β的燃气热力性质计算
• 2.3.3 已知焓值计算工质温度
• 2.3.4 已知对数相对压力计算工质温度
• 2.4 燃料系数为β的燃气的热力性质计算程序说明
• 2.5 计算程序所计算的空气的热力性质
• 第三章 燃气轮机变工况计算模型
• 3.1 压气机通用特性曲线的估算
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 压气机运行数据的采集和处理
• c 的修正方法'>3.1.3 压气机压比π_c的修正方法
• 3.1.4 压气机折合流量比q|- 的修正方法
• 3.1.5 压气机喘振边界的确定
• 3.1.6 压气机通用特性曲线
• 3.1.7 压气机进口可调导叶角度值的确定
• 3.2 透平变工况特性计算模型
• 3.3 燃烧室变工况特性计算模型
• 3.4 燃气轮机平衡方程
• 3.4.1 功率平衡方程
• 3.4.2 流量平衡方程
• 3.4.3 压力平衡方程
• 3.4.4 转速平衡方程
• 3.5 论文采用燃气轮机透平膨胀功的计算方法
• 3.5.1 燃气轮机透平初温
• 3.5.2 燃气轮机透平膨胀功计算
• 3.6 燃气轮机的热力循环计算模型
• 3.6.1 变比热容的可逆绝热过程的计算
• 3.6.2 压气机热力过程计算
• 3.6.3 燃烧室热平衡计算
• 3.6.4 透平热力过程计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 燃气轮机变工况特性计算
• 4.1 以天然气为燃料的燃气轮机变工况计算
• 4.1.1 燃烧天然气的燃气轮机变工况计算程序流程图
• 4.1.2 燃烧天然气的燃气轮机变工况计算结果
• 4.2 燃用不同热值合成煤气的燃气轮机变工况计算
• 4.2.1 本文采用的燃气轮机流量匹配方案
• 4.2.2 合成煤气的组分与热值
• 4.2.3 改烧合成煤气后燃气轮机变工况计算程序流程图
• 4.2.4 以焦炉煤气为燃料的燃气轮机变工况计算
• 4.2.5 以Texaco 气化煤气为燃料的燃气轮机变工况计算
• 4.2.6 以Preneflo 气化煤气为燃料的燃气轮机变工况计算
• 4.3 本章小结
• 第五章 本文总结
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参与的项目及获得的专利