论文部分内容阅读
随着我国电力行业的快速发展,以天然气为燃料、燃气轮机为核心的燃气-蒸汽联合循环发电方式已成为国内的潮流。燃气轮机朝着高参数、高效率、低排放的方向发展,其中氮氧化合物的排放始终是重点关注的课题之一。政策层面对氮氧化合物排放要求日趋严格,国内在役以天然气为燃料的燃气-蒸汽联合循环电站将面临着降低氮氧化合物排放的巨大挑战。针对日趋严格的燃气轮机NOx排放限额日趋严格、天燃气气源多样性引起燃烧特性波动等问题,有必要对天然气预混水蒸汽的低氮燃烧方法以及余热锅炉烟气脱硝进行针对性研究。本文利用FLUENT软件对某联合循环电站在役F型燃气轮机燃烧室燃烧过程进行三维数值模拟研究,在与实际运行数据对比基础上,分析燃烧室入口燃料预混水蒸汽后的燃烧特性以及污染物排放特性,并利用CHEMKIN软件包对该过程进行化学动力学研究。利用ASPEN PLUS对余热锅炉新增SCR烟气脱硝反应器进行流程计算,分析全工况行下余热锅炉烟气脱硝相关特性。最后利用燃气轮机变工况特性逐级叠加分析法研究SCR烟道阻力对燃气轮机性能的影响。研究表明,对比40%、60%、100%负荷率三个典型工况的运行数据验证了燃烧室三维数值模拟模型的合理性;从燃烧筒的轴向来看,烟气温度最高可达1841K,烟气静压损失约为0.22MPa;NO浓度的变化规律和温度的变化规律几乎保持一致,且主要为热力型NO;在值班喷嘴附近最高温度可达约1900K,而主燃烧喷嘴附近温度最高达约1200K;在出口段烟气速度达到约140m/s;整个燃烧筒空间的NO ppm浓度最高的区域出现在值班燃烧喷嘴附近,最高可达约250 ppm,而在主燃烧喷嘴附近的NO浓度则较低,燃烧筒的出口段NO浓度分布均匀,约为37.6 ppm。在燃烧室过渡段出口,40%、60%、100%负荷率时的NO浓度分别约55.88 ppm、42.04 ppm、18.62 ppm。燃料预混水蒸汽的燃烧特性及污染物排放特性研究表明,随着燃料中水蒸汽预混比的增加,烟气平均流速和出口烟气平均温度减小,燃烧室出口NO平均浓度减小。经CHEMKIN计算,火焰区为NO_x的主要生成场所,且主要为热力NO,燃料中预混入适量的水蒸汽可以大幅度减低NO的生成,但同时也会带来燃气速度受影响、火焰长度变长、燃烧室燃烧效率变小等不利的结果;水蒸汽影响NO的生成主要是由于在高温高压的环境下燃料中的水蒸汽使得燃烧气氛中O、H、OH等自由基浓度大幅增加,从而使得生成NO的链式反应中的基元化学反应速率朝着有利于抑制NO生成的方向改变。联合循环电站余热锅炉全工况下的SCR脱硝过程模拟研究表明,余热锅炉SCR脱硝反应器无需烟气升温改造措施可以使NO_x排放浓度小于30mg/Nm~3,能满足最新环保排放要求;机组在低负荷率下运行时,余热锅炉入口NO_x浓度较高,且存在排烟温度偏低及不同启停周期内NO_x浓度波动较大制约脱硝效率的情况。可根据NO_x浓度边界曲线判断是否需要进一步采用新增外补燃系统等烟气升温等改造措施。分析20%、40%、75%、100%四个典型负荷率下,新增SCR系统时烟气阻力增加,使得使主机的输出功率和热效率值出现一定程度的下降,排气特性发生一定程度上变化,烟气流量减小、压气机排气压力和透平排气温度不同程度增大。