掺氢对天然气燃烧室燃烧及排放特性影响数值模拟研究

本文针对以天然气为燃料的燃气轮机使用掺氢燃料后的燃烧及其排放特性开展研究,基于DLN1.0燃烧室火焰筒,采用数值模拟的方法研究不同的掺氢比(H2体积含量0~30%一共7种工况)在恒定热功率和相同当量比条件下对天然气混合气燃烧过程的影响,获得火焰筒内流场、温度场和燃烧产物的分布参数以及对应关系。研究显示,随着掺氢比的增加火焰温度上升,燃烧反应区扩大,火焰筒出口处的温度分布均匀性变差;掺氢造成局部释热量的改变,会导致NOx的排放随着掺氢比的增加而呈现增加趋势;CO和CO2的排放量都有显著的减少,H2O的生成量显著增加。同时本文提出稀释燃烧的方法来解决由掺氢造成的一系列问题,研究不同当量比的工况下掺氢燃烧后的燃烧及排放特性变化,并计算得到各个掺氢比工况下最佳的当量比范围。研究结果为后续工业燃气轮机天然气掺氢燃烧技术的应用提供了理论指导。     

燃气轮机天然气掺氢燃烧及排放特性数值模拟研究

为了解掺氢对贫预混燃气轮机的性能影响,采用数值模拟的方法研究了某燃气轮机天然气掺氢比(体积分数0～30%)对其燃烧及排放特性的影响,对比了燃料体积流量恒定和热负荷恒定的情况下,掺氢对燃烧温度、NO_x、CO和CO₂排放的影响规律。结果表明,在燃料体积流量恒定的情况下：如果固定燃料当量比,掺氢会降低燃烧室热负荷,并能够降低燃气中CO和CO₂浓度,但会导致出口燃气超温和NO_x排放超标;如果固定掺氢比,随着当量比的降低,燃烧温度降低,NO_x和CO₂浓度降低,CO浓度先降低后升高,当掺氢比为30%时,推荐的燃料当量比为0.48。在热负荷恒定的情况下,如果固定燃料当量比,掺氢能够降低燃气中CO和CO₂浓度,并导致出口燃气超温和NO_x排放超标;如果固定掺氢比,随着当量比的降低,燃烧温度降低,NO_x和CO₂浓度降低,CO浓度先降低后升高,当掺氢比为30%时,推荐的燃料当量比为0.47。...     

掺氢对燃气轮机燃烧室燃烧和排放性能的影响研究

为了研究以天然气为燃料的干式低排放（DLE）贫预混（LP）燃烧室改用氢燃料时的性能变化和掺氢极限,满足低碳排放燃机安全可靠运行的要求,以某F级发电用重型燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了天然气/氢气混合燃料不同掺氢比（H₂体积分数0～100%共6种工况）对燃烧室燃烧和排放性能的影响,分析了燃烧室可能出现的问题。研究表明,燃用天然气的LP燃烧室在改用氢燃料时,存在着回火的巨大风险,在掺氢比达40%时回火导致的燃烧器喷口高温区域明显,在更高的掺氢比下存在烧毁的可能,且高氢条件下回火发生且向上游传播,为机组运行带来巨大的安全问题。中心以扩散方式工作的值班燃烧器不存在回火风险。产物中CO和CO₂的含量随掺氢比的增加而降低,H₂O含量增加;NO_x的排放量随氢含量的增加呈现增加的趋势,但增幅并不显著。     

天然气掺氢发动机性能试验

以台架实验的方法,对发动机燃用天然气(CNG)和天然气掺氢(HCNG)燃料的动力性和排放性能进行了对比研究.结果表明,发动机燃用天然气掺氢燃料能够加快缸内燃烧过程,改善CNG发动机稀燃性能,降低发动机排温.与纯天然气发动机相比,其排放物CO、CO2、HC得到降低,同时NOx排放量增加,但随着过量空气系数的增大,发动机NOx排放大幅减少,得到较优的排放性能.     

掺氢天然气干气密封启动特性研究

为评估天然气掺氢对管线压缩机轴端干气密封性能的影响,提出一种考虑阻塞效应的干气密封性能数值预测模型,分析了不同掺氢比下干气密封的静态特性和启动特性。首先,采用空气介质螺旋槽干气密封的气膜压力分布和开启力实验数据,验证了数值模型的可靠性;然后,针对GE PCL800机型天然气管线压缩机螺旋槽干气密封,分析了4种掺氢比(H₂体积分数分别为0、10%、20%、30%)和5种进口压力(4、6、8、10、12 MPa)对干气密封开启力、泄漏量和气膜刚度等静态特性的影响规律;最后,分析了4种掺氢比和5种进口压力下,转速、进口压力、平衡比和弹簧比压对干气密封启动特性的影响规律。研究结果表明：所提出的干气密封性能数值预测模型能够可靠预测高压差下干气密封出口阻塞效应及其对密封性能的影响;掺氢比对干气密封开启力、泄漏量和气膜刚度等密封静态特性影响较小;干气密封开启临界转速随掺氢比的增加而增大(掺氢比增加30%时,开启临界转速增大8.51%～16.90%),因此天然气掺氢增大了干气密封的开启难度,需设计合适的平衡比和弹簧比压以保证干气密封顺利开启。该研究结果可为掺氢条件下天然气管线压缩...     

高压直喷天然气发动机外特性燃烧及NO_x排放

以六缸增压中冷发动机为研究对象,采集不同工况下示功图并对NOx排放进行了测试,分析了外特性燃烧特性及排放随转速的变化规律.试验结果表明:在外特性整个转速范围内,瞬时放热率呈先急后缓的趋势,转速越高,瞬时放热率峰值越低;由于低速时滞燃期较长,因此天然气预混燃烧比例较大,各燃烧阶段分界较明显,转速升高到1 100r/min时,滞燃期明显缩短,天然气预混燃烧比例减小,扩散燃烧成为天然气主导的燃烧模式;转速小于900r/min时,NOx排放随转速升高而增加;转速在900~1 600r/min之间时,随转速升高而降低;转速高于1 600r/min时,NOx排放没有明显变化.     

贫燃预混燃烧室混氢燃烧性能研究

为加快实现碳中和,传统化石燃料燃气轮机逐步向含氢气燃料转型,因此需要掌握燃料中氢气对燃气轮机燃烧室性能影响,为燃气轮机燃氢化奠定理论基础。本文以国内某型现役低排放燃气轮机燃烧室参数与结构为例,采用氢气甲烷混合燃料燃烧,研究混氢比例对燃烧室性能影响。研究表明：氢气体积占比低于30%时,燃烧室喷嘴无回火;燃料中氢气占比由0增加至30%,燃烧室总压损失升高11%,NOx排放(@15%O₂干基)升高31%,火焰筒上游区域温度略有升高,燃烧效率升高,出口温度场均匀性几乎无变化。     

过量空气系数对HCNG发动机燃烧排放的影响

为了使天然气掺氢(HCNG)发动机达到更好的经济性和排放性,在一台6缸天然气发动机上研究了过量空气系数(λ)与掺氢体积比对HCNG发动机燃烧、效率及废气排放的影响.结果表明: 对各种掺氢比燃料,随着λ增大,最大燃烧放热率都降低,燃烧持续期增加,发动机指示热效率、 NOx排放先增后降, CH4、 CO排放先降后增;掺氢天然气相对纯天然气燃烧持续期缩短,因此HCNG发动机相对纯天然气发动机经济性和排放性更好.对于发动机的每个工况,都存在一个最佳的λ, 使得发动机的各种性能达到最优平衡.     

T型天然气管道掺氢输送流动特性数值模拟研究

由于天然气掺氢输送会对输气管道水力热力特性、输送安全等有较大影响,因此研究天然气掺氢输送特性十分必要。采用Simdroid仿真平台与Fluent软件,建立T型天然气掺氢管道流动计算模型,仿真模拟天然气-氢气掺混过程,进而明确管道规格、流速、掺氢比等对掺混效果的影响作用。结果表明,当掺氢比由10%增大至20%时,管内中上部氢气浓度明显增加,氢气的分层现象也更为显著,宽度约占主管道管径的1/2;混合气在掺混中心处会形成速度为3 m/s的区域,该区域右侧靠近壁面位置,出现一个速度低于0.5 m/s的氢气低速区,随着掺混的进行,在距离掺混中心200 mm左右处,该区域消失。该研究可明确天然气掺氢后混合气均匀性、氢气低速区和氢气聚集区,为实现天然气管道掺氢输送、开发高效掺混工艺提供依据。     

燃气轮机中心分级燃烧器天然气掺氢燃烧的受迫振荡特性

天然气掺氢燃烧是燃气轮机机组降低碳排放重要措施之一,但掺氢燃料的组分变化会导致燃烧室火焰结构及燃烧稳定性发生变化.为分析中心分级燃烧器掺氢燃烧条件下的燃烧不稳定性问题,通过试验研究了燃烧器入口速度扰动下,不同掺氢比对中心分级掺氢燃烧的瞬态火焰结构、压力以及热释放响应的影响,并利用本征正交分解(POD)法提取了火焰脉动的特征模态,发现其主要包含火焰干涉区强脉动和轴向扰动两种模态.试验结果表明,随着掺氢体积比从0%增大到30%,火焰前沿向上游移动,两级火焰间距缩短,火焰干涉对应的脉动模态的能量占比增大,加强了压力与热释放的耦合,导致燃烧室内的压力响应增大9%,热释放响应增大37%.     

燃烧室结构形状对柴油机经济性和排放的影响

对于直喷式柴油机来说，燃烧室结构形状直接影响到燃烧室的气体运动及燃烧过程的进行．最终影响柴油机的经济性和排放性能．本文从小型直喷式柴油机的燃烧过程出发，通过试验对比．结合缸内燃烧放热过程的计算，分析探讨了三种燃烧室结构形状对燃烧放热及柴油机性能的影响，为设计开发新产品提供一定的参考依据．     

燃油系统若干参数对NO_x、CO排放的影响

本文针对直喷式柴油机的燃烧过程和NO_x、CO的排放浓度,通过试验对比,结合缸内燃烧放热过程的计算,分析讨论了直喷式柴油机燃油系统若干参数(柱塞直径D_p、油嘴启喷压力P_(in)、油嘴喷孔直径D_n、喷孔的空间分布角度α和β等)对直喷式柴油机燃烧过程的影响;进而分析讨论了它们对NO_x、CO排放浓度的影响。为合理地组织直喷式柴油机的燃烧过程、降低NO_x、CO的排放浓度提供了参考依据。     

缸内直喷天然气/氢气混合燃料配合废气再循环的性能与排放

在一台天然气/氢气混合燃料的缸内直喷火花点火发动机上通过引入废气再循环(EGR)实验研究了EGR率、掺氢比及喷射时刻对发动机性能和排放的影响.结果表明:掺入氢气,在小EGR率时可以减小平均有效压力(BMEP)和有效热效率,在大EGR率时可以增加BMEP和有效热效率;BMEP随EGR率的增大而减小,有效热效率随EGR率的增大先减后增.NOx排放随EGR率的增大而下降,随掺氢比的增大而上升;HC排放随EGR的增大而上升,随掺氢比的增大而下降;CO排放与EGR率变化基本无关,随掺氢比的增大而上升.平均指示压力变动系数Cimep随EGR率的增加而增大,相比于早喷射,晚喷射时Cimep的增大趋势更为明显,此时掺氢可以有效降低Cimep.     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性

开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究．研究结果表明：在给定喷射脉宽条件下，天然气掺氢比小时，燃烧放热率低，当氢气的体积分数达到10％～18％后，对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果；火焰发展期、快速燃烧期、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势，当氢气的体积分数达到18％时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期，放热率曲线型心位置对应的曲轴转角靠近上止点；缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度、最大压力升高率和最高放热率随掺氢比的增加呈先减小后增加趋势；天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大．     

浦东地区天然气转换技术方案的研究

提出浦东地区天然气转换的技术方案，从气源点起由近及远，分为６个５万户左右的小区，由高压至低压逐级转换，一年内完成．在输配管网转换中，根据现状近期采用不同级制过渡，可节省投资加快进程，最终再实现高中压二级输配系统．采用天然气直接置换人工煤气，当放散点取样煤气中ＣＯ≤１．０％时为合格．     

混氢天然气输气站场泄漏扩散数值模拟

将氢气混入天然气管网是目前世界上实现氢气大规模输送的最有效方式。氢气爆炸极限为4.0%～75.6%,上下限范围宽,且分子直径比甲烷小,极易泄漏,给输气站场带来很大隐患。针对多组分物系混氢天然气的泄漏,基于修正的二元扩散系数及热力学因子计算方法,计算了混氢天然气三物系Fick扩散系数矩阵,用来描述混氢天然气中各组分分子间相互运动的传质过程,以FLUENT为平台进行了CFD数值模拟分析,研究发现,混氢天然气泄漏后其扩散受到障碍物及风速等因素的影响;同体积混氢天然气与不含氢天然气泄漏,混氢天然气爆炸下限扩散半径更小;较低含氢量的混氢天然气泄漏后氢气组分爆炸区域仅限于泄漏点附近。研究结果可为站场内发生混氢天然气泄漏扩散提供预警和防护指导。     

地面燃机燃用不同燃料的燃烧室性能分析

从发动机燃烧性能的角度出发,研究了航空发动机改地面燃机后燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.利用流体计算软件Fluent,针对地面燃机燃烧室燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4种不同燃料,进行模拟计算,给出燃用不同燃料时的燃烧性能.结果表明,从燃烧的角度来看,轻柴油的燃烧性能与航空煤油差别不大,可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用,燃用天然气的NOx排放及CO排放都很低,天然气是一种理想的低污染燃料.工业酒精由于物性及热值与航空煤油差距很大,地面燃机改烧工业酒精还需作相当深入的研究.该研究对发展下一代航空替代燃料有一定的参考价值.     

含硫气井定量风险分析方法

随中国经济对石油天然气能源依赖程度的加深,大力开发含硫化氢气田成为重要任务,而定量评价含硫气井的风险显得更加必要和迫切。提出了含硫气井井喷事故硫化氢泄漏扩散过程中个人风险定量计算方法,根据相关统计资料,提出了井喷事故概率的参考值．将该方法应用于川渝地区某含硫气井。获取了该井周边区域个人风险等值线,并与可接受风险水平进行对比分析。结果表明,由于地形条件的影响。在气井周边不同方向的个人风险水平差异很大,可接受风险水平上限值等值线距井口的距离在不同方位上相差可达1000m。在对气井进行定量风险分析时必须充分加以考虑。该方法可为油气田开发企业、安全监管部门对含硫气井开发过程实施定量风险评价和管理提供有效技术手段,并为应急计划区的划分及边界确定提供参考。