燃料重整及燃烧室旋转爆轰增压燃烧技术研究

摘要

提高燃气轮机的热效率和降低污染物排放是能源动力领域的一个非常重要的研究方向。基于布雷顿循环的传统简单循环燃气轮机通过提高部件效率，增加压气机压比和涡轮前温度的方式已经达到了非常高的热动力学效率，进一步提高循环热效率需要付出高昂的代价。在传统简单循环燃气轮机中，燃烧热力过程产生压力损失，从而使工质做功能力下降；同时，简单循环燃气轮机的排气余热没有得到利用，限制了循环效率的提高。本文从能量综合利用的角度出发，基于化学回热循环概念，采用低温等离子体与催化剂协同催化的新型重整形式对燃料进行深度蒸汽重整，提高燃料当量热值，进而提高燃气轮机循环的热效率；从突破传统布雷顿循环等压燃烧热力过程产生压损的角度出发，基于爆轰燃烧具有增压特征的原理，构建一个新型燃烧加热的热力过程，采用连续爆轰增压燃烧模态使重整气燃料燃烧放热，提高工质的做功能力，以进一步提高燃气轮机循环热效率。为此，本文开展了以下几个方面的基础研究工作：
　　（1）搭建了燃料蒸汽重整等温反应试验台，利用自主设计的反应器开展了燃料蒸汽重整的实验研究。结果表明 DBD催化蒸汽重整方案更容易产生高碳烃。根据这一特点，结合蒸汽重整实验结果，建立和发展了一套等离子催化甲烷蒸汽重整的反应机理及动力学模型，并开展了DBD催化甲烷蒸汽重整的反应路径流分析，找到了影响DBD催化产物选择性的主要限制反应，为提高目的产物的选择性提供了依据。
　　（2）为了提高余热利用率，设计了低温等离子体协同催化反应器，在原有试验台的基础上，分别从燃料转化和能量回收两个角度，系统研究了甲烷空速、反应器壁面温度、燃料重整的水碳比（S/C）、等离子放电特性等因素对化学回热操作条件下不同重整形式的重整特性的影响。结果表明采用并列协同重整技术在余热回收及增加H2选择性等方面均具有明显优势。在等离子系统输入功率相同的前提下，并列协同重整可以回收更多的涡轮排气余热。而且，并列协同重整可以在更低的温度下回收更多余热，这更有助于提高不同工况下涡轮排气余热的利用深度。
　　（3）基于某型环管燃烧室，从燃料燃烧的角度考查了不同重整形式的重整特性，数值分析了燃料重整对等压燃烧热力过程的影响。在保证相同入口焓值的前提下，数值研究了不同组分的重整气燃料在等压燃烧模态下的流场特性及燃烧室性能，进一步验证了等压燃烧热力过程中由流阻和热阻带来的总压损失这一固有特性。
　　（4）采用数值模拟的方法，利用二维欧拉方程，忽略黏性、热扩散等传输特性，研究了当量H2/air在连续旋转爆轰燃烧室中的流场特性。利用MATLAB和开源程序CANTERA，得到了H2/air、CH4/air、CH4/H2/air等燃料的爆轰胞格宽度，为燃烧室尺寸的选择提供依据。分析了连续旋转爆轰燃烧室的宏观流场结构及总压分布特征，考察了平均流场参数随时间的变化规律，揭示了连续旋转爆轰增压燃烧过程机理。
　　（5）采用数值模拟的方法，系统分析了不同入流总压、入流总温、轴向尺寸及周向尺寸等参数对 CH4/air预混气下爆轰燃烧室性能的影响规律，并在此基础上建立和发展了可用于预测二维旋转爆轰流场结构及性能的理论预测模型。结合数值模拟与理论分析，发现了旋转爆轰燃烧室具有几何相似性这一根本特征。所建立和发展的理论预测模型可以准确预测旋转爆轰燃烧室内部流场参数及出口参数等。
　　（6）基于环型燃烧室，进一步分析了燃料重整对爆轰燃烧热力过程的影响。随着重整气中H2含量增加，爆轰波传播速度不断加快，但爆轰波强度逐渐减弱；当入流总温为300 K时，不同重整气组分下的旋转爆轰燃烧室的增压比在2.5-2.7之间，大大提高了燃气的做功能力。
　　（7）采用数值模拟的方法，研究了旋转爆轰燃烧室流线上流体的热力学特性，并基于“广义爆轰燃烧过程”的概念，建立了新型爆轰增压燃气轮机热力循环方案，开展了不同压气机压比条件下的爆轰增压燃气轮机实际循环热效率的理论分析，并与等压燃烧模态下的燃气轮机实际循环热效率进行了对比。结果表明爆轰燃烧模态在提高燃气轮机热效率方面具有明显的优势。

目录

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缩略词表

中文摘要

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 化学回热循环及其燃料低温重整研究进展

1.3 燃气轮机燃烧室及旋转爆轰燃烧研究进展

1.4 主要研究内容

第2章 低温等离子体辅助燃料蒸汽重整的实验研究

2.1 引言

2.2 甲烷蒸汽重整的实验系统设计

2.3 介质阻挡放电催化甲烷蒸汽重整特性的机理研究

2.4 等离子体及催化剂协同催化重整特性的实验研究

2.5 并列协同催化重整技术的能量利用分析

2.6 本章小结

第3章 燃料重整对传统等压燃烧室燃烧特性的影响

3.1 引言

3.2 数值方法及计算模型

3.3 等压燃烧流场特性分析

3.4 等压燃烧室性能分析

3.5 本章小结

第4章 旋转爆轰燃烧室增压燃烧机理研究

4.1 引言

4.2 数值方法及计算模型

4.3 模型验证分析过程

4.4 旋转爆轰燃烧过程稳定性条件研究

4.5 旋转爆轰增压燃烧流场结构分析

4.6 旋转爆轰燃烧过程机理研究

4.7 本章小结

第5章 旋转爆轰燃烧室增压燃烧特性分析

5.1 引言

5.2 甲烷/空气旋转爆轰的起爆条件分析及数值模型验证

5.3 甲烷/空气爆轰增压燃烧特性分析

5.4 甲烷/空气爆轰增压燃烧特性的无量纲研究

5.5 爆轰增压燃烧特性二维预测模型的发展

5.6 爆轰增压燃烧特性系统分析

5.7 本章小结

第6章 燃料重整对旋转爆轰燃烧室增压燃烧特性的影响

6.1 引言

6.2 甲烷氢气混合气/空气爆轰特性分析

6.3 重整气爆轰特性分析

6.4 本章小结

第7章 基于CRDC的新型燃气轮机循环性能分析

7.1 引言

7.2 旋转爆轰燃烧室性能的热动力学分析

7.3 新型燃气轮机循环性能的热动力学分析

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录