微型燃气轮机生物质气燃烧实验台设计

本研究以现有的微型燃气轮机为原型,设计了单喷嘴生物质气燃烧实验台并具体介绍了实验台的系统、重要组成模块、测量参数和方法以及实验台的主要作用。本实验台能够实现关键流动参数测量、PIV流场测量、燃烧温度场测量和尾气排放测量等。实验室条件下,对微型燃气轮机燃烧室进行研究,得出的结论可应用于燃烧室流场结构分析、喷嘴的改型、火焰稳定性、排放控制、燃料组分改变对燃烧性能的影响以及相关的燃烧技术研究。     

低热值燃料对微型燃气轮机运行特性的影响

生物质气具有热值低、可燃成分不同的特点,这种特点导致生物质气在微型燃气轮机上的应用存在问题.为天然气设计的微型燃气轮机应用低热值燃料时,会导致工质流量和热力学特性的变化,从而导致燃气轮机运行特性的变化.为将这种低热值燃料应用于微型燃气轮机,提出了几种对微型燃气轮机进行调整和改进的方法,使微型燃气轮机能适应这种低热值的燃料.应用数学模型,计算出了在应用这些方法后对微型燃气轮机运行特性的影响.结果表明,应用低热值燃料后微型燃气轮机的运行特性会发生明显的改变,在调节和改进方法中对压气机和透平进行改进以适应新的流量匹配是最适合的方法.除匹配外,还提出了一些应用低热值燃料有待解决的问题.     

微型燃气轮机燃烧室性能的数值研究

针对Capstone公司的C30微型燃气轮机的燃烧室，采用κ—ε湍流模型、EBU—Ambenius湍流燃烧模型描述其燃烧流动，采用扩展Zeldivch机制描述HOx生成；应用分区结构化网格和SIMPLE算法求解控制方程，进行了三维燃烧流动的数值模拟研究，同时对燃烧室的整体性能进行了分析。通过数值计算及结果分析，着重研究了环型贫燃预混燃烧室的燃烧组织形式对燃烧室性能的影响，并探讨了流动控制板对燃烧室内燃烧流动和燃烧室出口HOx分布的影响。数值研究的主要目的是配合新型微型燃气轮机的研制，获得微型燃气轮机燃烧室的设计经验，为研制既有高燃烧效率和燃烧稳定性，又有低HOx排放特性的燃烧室奠定基础。     

微型燃气轮机低热值燃料燃烧室喷嘴流动实验研究

为适应生物质气低热值、组分变化大的特点,达到燃烧室燃烧稳定、低排放要求,在某60 kW级微型燃气轮机环形燃烧室结构的基础上,新设计了一种具有不同预混孔结构的新喷嘴,并在上海交通大学微型燃气轮机单喷嘴燃烧室实验台上对原喷嘴及新设计喷嘴进行冷态流动实验,对比分析不同稀释孔直径及工质参数条件下原喷嘴及新喷嘴对燃烧室空气流量分配比及过量空气系数的影响。研究表明:燃料流量、空气流量变化会影响燃烧室空气流量分配,空气温度变化对燃烧室空气流量分配无影响;燃料热值降低会导致燃烧室过量空气系数增大,需要匹配直径更大的燃烧室稀释孔;相比于原喷嘴新喷嘴的流量分配比较大,为使其适应低热值燃料,需要匹配的燃烧室稀释孔直径为11.0 mm,该条件下新喷嘴可适应CH_4摩尔分数为50%~90%的燃料。     

生物质气微型燃气轮机运行性能分析

为研究生物质气微型燃气轮机的运行性能,构建了微型燃气轮机模型。基于C60微型燃气轮机的设计数据,首先以天然气为燃料,验证了模型的合理性。然后以沼气、松木气和干牛粪气等生物质气为燃料,在机组输出功率为60 kW及燃烧室出口温度为1 145 K两个工况分别得到燃气轮机的主要输出参数。结果表明：维持燃气轮机输出功率为60 kW时,所需生物质气流量增大,燃烧室出口温度降低,压比增大,压气机耗功减少,机组效率提高;维持燃烧室出口温度为1 145 K,燃料流量增加,引起燃气流量增大,透平的输出功增多,机组输出功率和机组效率增大;燃料初温从300 K升高到700 K,当保持额定输出功率时随着燃料初温上升机组热效率增大;当保持额定燃烧室出口温度时,随着燃料初温上升燃料流量减少,机组输出功率和机组热效率降低。     

生物质气化与微型燃气轮机联合发电系统模拟分析

为了研究不同生物质对生物质气化与微型燃气轮机联合发电系统运行特性的影响,搭建了联合发电系统的模型.以木屑、秸秆、食物垃圾为原料,气化过程确定了这3种生物质的最佳空燃比依次为1.4、1.6、1.9,将相应条件下的生物质气作为微型燃气轮机的燃料,研究生物质气初温变化对燃气轮机及联合发电系统运行性能的影响.在机组输出功率为额定值时,生物质气初温由环境温度升高到450℃,所需要的生物质流量减小,联合发电系统净效率增加;在保持燃气轮机输出功不变的条件下,增设回热器,引起燃烧室出口温度升高,排烟温度降低,燃料流量减少,燃气轮机发电效率和联合发电系统净效率增大;增设回热器及提高生物质气初温均有利于减少联合发电系统中SO2、SO3的排放且不利于减少NO的排放.     

沼气成分对微型燃气轮机燃烧室影响的数值分析

为了探究沼气成分的变化对微型燃气轮机燃烧室性能产生的影响,对微型燃气轮机环形燃烧室在不同成分沼气条件下的流动及燃烧过程进行了数值分析,得到了燃烧室内部的压力、温度及污染物生成量等参数,并对比了在不同甲烷含量的沼气下,燃烧室燃气侧的来流参数、内部温度和污染物分布以及出口参数的变化。计算结果表明:为保证微型燃气轮机的热负荷,燃气中甲烷含量的降低将增大燃气侧的流量以及压力。而燃气中二氧化碳含量的增加,增大了燃烧室内的高温区域面积以及温度梯度,并影响了燃烧反应的充分进行,增加了NO_x与CO的生成量。     

微型燃气轮机燃油燃烧室燃烧特性的模化试验研究

基于模化试验方法,对设计的100kW级微型燃气轮机燃油燃烧室在额定工况下的性能以及在保持微型燃气轮机燃烧室出口排气温度不变的情况下,改变进口空气温度对燃烧室燃烧特性的影响进行了研究。结果表明,燃烧室燃烧效率达到99%以上,总压恢复系数达到94.5%,出口温度最大不均匀度低于20%,NOx排放指标低于9g/kg,火焰筒壁面温度分布均匀。此外,随着燃烧室进口温度的升高,燃烧效率增大,出口温度最大不均匀度减少,CO和UHC的排放指标明显降低,但总压恢复系数有所降低,NOx排放指标有所升高。     

微型燃气轮机燃烧室性能影响因素的探讨

针对微型燃气轮机燃烧室性能的各种影响因素(进气条件、燃料热值、燃烧室结构等)对燃烧稳定性和燃烧效率的影响,介绍了国内外相关实验和数值模拟研究现状,分析了燃烧室主要污染物的生成机理和影响因素,以及降低氮氧化物排放浓度的技术措施。     

微型燃气轮机富氧燃烧室数值及试验研究

研究了一种采用烟气循环富氧燃烧的微型燃气轮机燃烧室.由燃烧稳定、总压恢复系数、出口温度场等几个方面确定燃烧室基本的几何尺寸,在空气以及氧气体积分数30%的O2/CO2工况下,利用CFD软件和试验对设计燃烧室的热态流场、燃烧效率、压力损失等性能进行了对比研究.结果表明,在富氧燃烧条件下,设计的燃烧室流场合理,燃烧稳定、效率高,压力损失小,基本上达到了设计要求;在空气工况下,会出现燃烧效率低、出口温度过高、不均匀系数过高等问题.