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文档简介

2010年第2期豪言芘扮按1DONGFANGTURBINEL37艾松赵世全东方汽轮机有限公司,I1111德阳,618000摘要通过详细对比目前国内普遍采用的燃气轮机工质燃气热力性质计算方法与基础数据,分析现有计算方法与基础数据的准确性和存在的误差,确定了新的燃气轮机工质燃气热力性质计算用方法与基础数据,该基础数据包括11种主要的组成燃气的单质成分,计算温度范围从200K到3200K。该基础数据与国际权威机构发布的数据对比,误差在很小的范围内,其计算精度达到足够的工程实用要求,并开发了相应的整套燃气热力性质计算子程序。关键词燃气性质计算方法;基础数据;单质成分STUDYONCALCULATIONOFTHERMODYNAMICSPROPERTIESOFFLUEGASAISONG,ZHAOSHIQUANDONGFANGTURBINECO,LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTANEWSETOFCALCULATIONMETHODANDBASEDATAISCHOSENANDCONFIRMEDBYDETAILCOMPARISONOFMETHODSANDBASEDATAFORCALCULATIONOFPROPERTIESOFFLUEGASASGASTURBINEWORKINGMEDIUMANDBYSTUDYINGACCURACYANDERRORSOFTHOSEEXISTEDMETHODSANDBASEDATA,WHICHARENOWCOMMONLYUSEDDOMESTICTHENEWBASEDATACONSISTSOF11KINDSOFMAINCOMPONENTSOFFLUEGASANDCOVERSTEMPERATUREFROM200KTO3200KTHECALCULATIONRESULTBYTHEMETHODHASGOODACCURACYCOMPAREDTOTESTDATAFROMNISTWEBITSERRORISLESSENOUGHTOMEETENGINEERINGUSEANDAWHOLESETOFCODEFORCALCULATIONOFPROPERTIESOFFLUEGASHASBEENDEVELOPEDKEYWORDSCALCULATIONMETHODOFPROPERTIESOFFLUEGAS,BASEDATA,UNIQUECOMPONENT0引言众所周知,在燃气轮机的循环计算和变工况计算中,必须计算燃气的温度和焓等热力参数。燃气作为燃气轮机工质,不同于水蒸汽作为蒸汽轮机的工质,在不同的环境条件、不同的燃料成分以及燃气轮机通流中的不同位置条件下,燃气的成分都要发生变化。燃气的比热随温度变化,而且与燃气的组成成分有关,将比热视为常数的计算方法会产生较大的误差。因此,精确地计算燃气在不同成分、不同温度、不同压力条件下的热力性质,对于燃气轮机的设计与研发工作非常重要。目前对于燃气的热力性质计算不同于水蒸汽具有统一的国际标准,燃气的热力性质计算方法以及支持计算方法的基础数据在不同的标准、不同的厂家之间都存在差异。随着技术的进步,测量手段和测量精度不断提高,燃气中各种单质成分的热力特性试验数据的准确性和测量范围也在不断提高、扩大。因此,可以建立一套更为先作者简介艾松1973一,男,西安交通大学热能动力专业工程硕士主要从事燃气轮机工程设计研究工作。38I圣言汽粉臻IDONGFANGTURBINE进、更接近于试验数据的燃气性质计算方法和基础数据。1国内现有主要的燃气热力性质计算方法1燃气的热力性质表科学出版社,1959年9月第二版一般的空气和燃气都可视为理想气体,可用理想气体状态方PVRR。吴仲华先生的燃气的热力性质表就是在此基础上建立起来的。表中引入了摩尔燃料系数和相对压比两个参数,前者用来表明燃气组成,后者用来求取燃气等熵焓降和压力等。性质表计算用CH,燃料为基础来进行,所算得的热力性质可代表CH,N、CH,N和CHN燃料燃烧产物的热力性质。任何不同组成成分的燃气都可看成是空气与纯燃气的混合物,即由57171MOL空气与6117,8MOL纯燃气所组成的,燃气的总量为57174,8MOL。据此,空气在燃气中所占的比例为A雩,纯燃气在燃气中所占的比例为。因此,在知道值后与的数值就确定了。根据混合气体定律可计算得到摩尔燃料系数为时燃气的热力性质焓骄口相对压比。HAHP_O。11G7ROLGOD一。,012目前已有计算程序将吴仲华先生燃气热力性质表中的空气和纯燃气的焓和相对压比拟合成温度的函数关系计算式,可以简便、准确地进行计算。吴仲华先生热力性质表计算温度范围为一501500C。它不能根据燃气的组成单质成分进行计算。当燃料摩尔系数O5时、采用非C。H,燃料时、或燃料的碳氢比例超出其书中规定范围时,燃气热力性质计算数据也会出现相应2010年第2期的误差。对此,吴仲华先生采用了“校正系数方法”进行校正计算。校正法对鼓风炉煤气、地下气化煤气、重油和萨拉多夫天然煤气四种不同燃料给出了校正系数。而对于别的超出规定的燃料,没有给出校正系数。2前苏联李浦金空气和燃料燃烧产物热力学性质统一计算式1957年1973年目前国内采用较多的是用该方法进行计算,国内很多书籍和程序基本上是按照该方法进行撰写和编制的。该方法是基于CH一0一NS系燃料的燃气热力性质计算其中N是由氮气N,和氩气AR按大气中成分比例进行组合后形成的计算用空气或燃气单质成分,称之为“大气氮”,单质成分表示为N,。计算公式如下定压比热CPY3比焓。A一BH1N4温度函数FBS5该计算方法的问题是组成燃气的单质仅包括二氧化碳CO、水H0、氧气0。、大气氮、二氧化硫SO,这五种成分。计算温度范围除S0,外均为一50“C1500C,二氧化硫SO,的计算仅适用于300K1100K。其中由于大气氮是按大气中比例的氮气N,和氩气AR组成的,氩气AR不能进行单独的计算和成分分析。根据目前的工程经验,天然气中AR成分的存在是普遍的,所产生的燃烧产物中氮气N,和氩气AR的成分比例也会发生改变。而且在联合循环项目中,作为余热锅炉入口设计数据的燃机排放燃气成分,也要求精确到给出氩气AR的成分。这也是该方法需要解决的问题之一。通过详细计算比较,在除去二氧化硫SO,影响的情况下,该方法计算结果与吴仲华2010年第2期燃气的热力性质表相当吻合。2新的燃气热力性质计算方法与基础数据21大气的组成成分和性质空气是燃气产生的基础成分。空气成分较为精准的确定、空气热力性质的精确计算,是燃气热力性质计算的重要保证。前面介绍的目前国内普遍采用的计算方法,均未考虑空气中含有水蒸。ONGFAT汔URL39DGNGBINEIVV汽的影响,而燃气轮机在工况计算时,要考虑空气的相对湿度。要进行燃气的热力性质计算,首先要对空气的成分进行较为精确的计算。特别是其中氧气0,的含量,它的成分比例会直接影响到燃烧化学反应式中燃料摩尔系数计算的准确性。空气既可以干空气的形式存在,也可以湿空气的形式存在。由于测量手段、测量环境的不同,对于大气干空气的具体组成成分有不同数据。表1列举了几种常见的组成成分数据。表1大气干空气成分数据表湿空气的成分和性质可在已知干空气成分、干球温度和相对湿度或绝对湿度的基础上计算而得到。根据干球温度,可计算得到饱和蒸汽压力,再根据饱和蒸汽压力和相对湿度,可求得湿空气中水H20的分压力,进而求得它的摩尔成分。目前,根据干球温度可靠地计算湿空气中饱和蒸汽压力的方法有两种1根据IAPWSIF97标准区域4饱和线方程计算;2根据国际计量局BITLBUREAUINTERNATIONALDESPOIDSETMEASURES发布的1991版“湿空气密度计算公式”标准计算。根据这两种标准,计算的对应干球温度饱和蒸汽压力,在430C以下时,最大误差不超过373,见图1。XTOZU1O。FLO5O2OO一5OL02030图L两种方法计算的饱和蒸汽压力差异BIPM91公式作为基准由于BIPM专门致力于湿空气性质的研究,所40L圣言沌扮按IDONGFANGTURBINE以其计算公式较为可靠。本文中空气成分与性质计算采用BIPM的1991年版标准公式。22莫斯科电力研究院AD亚历山大洛夫燃气热力性质计算方法莫斯科电力研究院AD亚历山大洛夫于2005年发表了燃气热力性质计算方法及其相关常数基础数据以下简称亚氏计算方法。笔者进行计算研究的结果表明该计算方法及相关基础数据与美国国家标准技术研究院NISTNATIONALINSTITUTEOFSTANDARDSANDTECHNOLOGY最新公布的试验数据极其吻合。图2为燃气中最主要的成分氮气N,、氧气0、二氧化碳C0、水蒸汽H20采用亚氏计算方法与美国NIST公布数据焓及比熵的差异对比。;_端度K2O10年第2期相对差值百分比采用美国NIST数据作为基准进行计算。实线AH表示比焓差异,虚线AS表示比熵差异比焓H、比熵S计算条件是标准压力P0LOOKPA。从图2可以看出,两者之间相差最大的是水蒸汽H20。当温度小于1200K时,所有单质成分差异最大不超过02。当温度小于2000K时,所有单质成分差异最大不超过03。水蒸汽H20在温度小于3200K时,最大差异不超过056。而目前国内普遍使用的李浦金空气和燃料燃烧产物热力学性质统一计算式计算数据与美国NIST数据相比较,存在较大的差别。通过单质计算对比,发现二氧化硫S0、氧气0。差异较大如图3所示。一、温度K05001000L500200025003000350005001000L5002000250030003500入,一。一一一_一一CO2温度K0500L000L5002000250030003500图2亚氏计算方法与美国NIST数据差异对比32L01234A000O02010年第2期索言汔粉揍D0NGFANGTURBINE图3李浦金计算式与美国NIST数据差异对比从图3可以看出,对于二氧化硫SO,比焓H差异最小大于107,在小于1800K时,基本差异分布在23以上;比熵S差异则平均大于24。对于氧气0,在小于1800K时,比焓H及比熵S平均差异大于31。图3中表示数据仅是百分比的差异,换成比焓H及比熵S的绝对值,这个数值是较大的。对于其它氮气N2、二氧化碳C0、水H20等几种单质成分,差异较前两者小,但差异大于亚氏计算方法。4123新0一H一0一N一A系燃料化学反应与燃烧产物成分计算根据工程经验,CH一0一N_S系燃料成分不能充分满足工程计算的需要,且在进行组合大气氮N,成分计算时,存在不确定性。因此,很有必要采用新CHONSA系的燃料化学通式CXH0NS。燃料系数为的CH0NSA燃料与理论空气量完全燃烧的反应方程为FLCXHYOZNUSVAW一N21一O2E一ARFC一COGC一HZ。U一1N21WE一】A什【厂一】C。YG一主H20VSO21一1,一ZN,C02EC斛C一ZGC一H206注式6中不考虑复杂化学反应及电离分解。根据式6,可分别计算出燃料系数1和FLO时燃气的组成成分。燃料系数1时,所得燃气即为纯燃气;燃烧系数0时,所得燃气即为纯空气。24氮气N和氩气AR从大气氦N中分离计算的必要性国内目前普遍的计算方法是将氩气AR与氮气N组合成大气氮N进行计算和考虑的。本文中提出的计算方法是将氩气AR与氮气N。分离,进行分别考虑。下面,进一步说明氮气N和氩气AR从大气氮N中分离计算的必要性。采用美国NIST数据,将氮气N,和氩气AR主要热力性质数据比焓H及比熵S进行对比,以单质氮气数据作为基准,见图4。42J圣言芘粉1IIIDONGFANGTURBINE从图4可以看出,氩气AR与氮气N。比焓H差异大于50,比熵S差异大于43。因此,如果氩气AR与氮气N,比例发生较大变化,不同于大气中两者的成分比例,采用合二为一的大气氮N,计算方法是不合适的,很有必要分开处理。图4氮气N和氩气AR比焓、比熵差异对比25新的燃气热力性质计算方法与基础数据通过以上分析研究,确定以亚历山大洛夫燃气热力性质计算方法及基础数据为基础,建立新的燃气热力性质计算方法和基础数据,考虑工程实际运用要求,采用新的CH一0一NSA系燃料化学通式,确定了I1种单质成分作为燃气组成成分。这11种单质成分见表2。表211种燃气单质成分新方法中主要的热力性质参数计算公式定压比热2010年第2期C,口圭卜R7比焓喜“,LN甜姜8标准比熵N6子A善击C卜RSI9注标准比熵是标准压3JP。100KPA时的比熵值。上面各式中TT,T1000K,R为气体常数,AI为常系数基础数据,H、为积分常数。燃气其它热力性质参数计算式与常规热力学计算式相同。在表2中,目前常用的单质成分主要是氮气N、氧气0、二氧化碳CO、水蒸汽H20、二氧化硫S0,、氩气AR。其它几种成分会在复杂燃烧反应计算等情况中用到。3程序开发确立和验证了新的燃气热力性质计算方法及基础数据以后,要实现工程化、实用化,才能满足燃气轮机实际计算的要求。经过开发,目前已形成整套的燃气热力性质计算子程序集。本子程序集采用FORTRAN语言模块化编制,可供其它应用程序调用。燃气热力性质计算数据的14项基本参数见表3。表3燃气热力性质14项基本参数2010年第2期。ONGFA索NG讹TO

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