燃气轮机燃气热力性质计算软件的开发

黎师祺,韩鹏飞,万 祥,胡海航

(1.武汉大学 动力与机械学院，武汉 4300721; 2.华电浙江龙游有限公司,浙江 龙游 324400)



燃气轮机燃气热力性质计算软件的开发

黎师祺1,韩鹏飞1,万 祥1,胡海航2

(1.武汉大学 动力与机械学院，武汉 4300721; 2.华电浙江龙游有限公司,浙江 龙游 324400)

根据燃料与空气燃烧的通用化学反应方程式,对燃气热力性质(燃料系数、比焓、定压比热容、绝热指数等)、空气热力性质、理论燃气热力性质建立了计算模型,采用可视化面向对象的编程语言Visual Basic 实现其软件开发。该软件能计算不同系数的C-H-O-N-S燃料与空气完全燃烧生成的燃气的热力性质,具有便捷、易用、通用性好的特点。

燃气轮机;燃气;热力性质;计算软件

在蒸汽-燃气联合循环机组的循环分析、设计计算、实验研究和在线监测等工作中,需要使用燃气热力性质的数据,传统的确定燃气热力性质的方法是应用燃气热力性质表。但目前现有的热力性质表仅适用于研究最多的辛烯(C8H16)或只适用于烃类燃料[1-2]。对于柴油、重油、气化煤气、天然气等由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的各种燃料,很难找到合适的燃气热力性质表,过去借助于已有的燃气热力性质图表进行近似计算的方法往往很难兼顾计算的准确与简捷,不仅要进行多次插值,而且有时还需要进行试算,计算过程十分繁琐复杂。对此,本文将计算烃类燃料与空气燃烧后产生的燃气热力性质的方法推广到由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的任意燃料,介绍燃气的热力性质的数学计算公式,并利用计算机将上述算法形成可视化软件。

1 燃气热力性质的计算

1.1 基本假设

将空气作为理想气体考虑,则不计压力的影响,其热力性质如焓、熵、比热、比热比等只是温度的单值函数,即f=f(T)。当燃气温度不超过1500 ℃时,燃气遵循理想气体状态方程[3],其热力性质都只是温度的函数,而与压力和比容无关。

1 mol燃料完全燃烧所需的最小空气量称为理论空气量,其燃烧产物称为理论燃气。燃烧过程中,与理论空气量的空气进行燃烧实际所用的燃料量与生成理论燃气所用燃料量的比值称为燃料系数β。燃气轮机过量空气系数α是指实际空气量与理论空气量的比值。

空气中除氧气以外的其他气体统称为大气氮,用N2′来表示,其主要含有N2以及少量Ar和CO2。为简化计算,可以将燃料系数为β的燃气看作是燃料系数β=1的理论燃气和燃料系数β=0空气的混合物。然后利用这两种燃气的的热力性质按理想气体混合规则确定燃气的热力性质。

1.2 燃气成分

假设燃料是碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成的化合物,其化学通式为CxHyOzNuSv。那么1 mol燃料完全燃烧需要的理论空气量摩尔数为

L0=4.7737(x+y/4-z/2+v)

(1)

燃料系数为β的燃料与L0摩尔空气完全燃烧的化学反应方程式为

βCxHyOzNuSv+L0(β=0)→β(L0+y/4+

z/2+u/2)(β=1)+L0(1-β)β=0

(2)

根据式(2)可知,燃烧产生的燃气中理论燃气和理论空气的摩尔数分别为:

Nβ=1=β(L0+y/4+z/2+u/2),mol

(3)

Nβ=0=L0(1-β),mol

(4)

已知空气的平均分子质量为Ma=28.97,则燃料的平均分子质量为

Mf=12.011x+1.008y+16z+14.008u+32.066v

(5)

1 kg燃料完全燃烧需要的质量理论空气量为

(6)

1.3 气体热力性质

燃气以及理论燃气的热力性质可以由各组分的气体热力性质按理想气体混合规则确定,用温度

的幂级多项式来描述气体热力性质[4]。本文选用温度的六次幂级多项式作为气体焓值的近似表达式

I=A0+A1T+A2T2+A3T3+A4T4+A5T5+A6T6

(7)

根据完全气体热力性质之间的关系,可以得到定压比热的近似表达式

cp=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5=

A1+2A2T+3A3T2+4A4T3+5A5T4+6A6T5

(8)

由于理论燃气的热力性质数据往往难以获得,因此需由构成燃气的CO2、H2O、SO2、N2′ 等气体热力性质温度多项式系数算出各组分气体热力性质,然后根据质量加权平均得到。以1 kg理论燃气在温度t下的定压比热容cp(β=1)为例,计算时考虑各组分的质量分数,可求不同温度下的cp(β=1),即

cp(t)(β=1)=rmCO2cpCO2(t)+rmH2OcpH2O(t)+

(9)

由于水蒸气热力性质受压力影响较大不能将其热力性质考虑为温度的单值函数,因此计算的时候需要另行查询。本文利用基于水和水蒸气热力性质IAPWS-IF97公式编写的查询计算软件[5]对水蒸气的热力性质进行查询。

根据已有的热力性质表[6]通过最小二乘法曲线拟合可以确定CO2、SO2、N2′等组分气体以及空气的焓值、定压比热容六次幂级多项式系数,如表1、表2所示。

表1 空气和理论燃气中各组分气体焓值六次幂级拟合多项式系数

表2 空气和理论燃气各组分气体定压比热六次幂级拟合多项式系数

由式(2)以及理想气体的混合规则得知,理论燃气的热力性质的计算表达式为

(10)

对于空气而言,其热力性质可以直接利用上面的近似表达式以及拟合系数,将温度值带入公式来确定。

已知某一温度条件下的空气和理论燃气的热力性质以及燃气中空气和理论燃气的质量比,则燃气的热力性质可以根据理想气体混合规则计算,即

Eg=Nmβ=1Eβ=1+Nmβ=0Eβ=0

(11)

在燃气轮机压气机内的绝热压缩过程以及余热锅炉内的热力计算过程中涉及到空气和燃气绝热指数的应用。理想气体的绝热指数(定熵指数)通常以κ表示。气体的绝热指数κ等于定压比热容值和定容比热容值之比,恒大于1。

空气、燃气的绝热指数κ可按下式求得:

(12)

空气的平均分子量Ma=28.97 kg/kmol,气体常数R=0.287 05 kJ/(kg·K),根据对应稳定下的定压比热容可以求出对应温度下的绝热指数。

1.4 燃料系数

一般地,燃烧反应的燃料系数β是根据燃烧室内定压燃烧过程的热平衡原理来确定的。如果进入燃烧室的空气流量为Ga(kg/s),供应的燃料流量为Gf(kg/s),则燃料系数可表示为

(13)

燃气的热力性质不仅取决于温度和燃料种类,还与燃料系数β或过量空气系数α有关。燃烧后燃气的焓和温度与燃料空气比、燃料的热值Hu有关,燃料系数的计算表达式为

(14)

对于选定的燃料,其热值Hu和理论空气量L0m都是已经确定的。受透平叶片材料、冷却技术的限制,燃气透平进口处燃气的初温T3取值是选定的,一般为1000～1400 ℃。根据环境温度以及压气机温比τ可以确定进入燃烧室的高压空气的温度T2。理论燃气和空气在T0、T2、T3温度下的焓值都可以通过查询热力性质程序得到。将这些已知参数值带入式(14)中,则能计算出燃料系数。

2 应用软件的编制和特点开发

2.1 应用软件的实现

本文利用Visual Basic语言开发软件,其计算程序并非针对某一特定的燃料,而对任一具有确定化学式CxHyOzNuSv的单一燃料或混合燃料都适用,因此具有较强的通用性。程序自动根据所输燃料化学式中各元素系数x、y、z、u、v以及式(1)～(14)计算燃料平均分子量、理论空气量、分析理论燃气组分、燃气中理论燃气与空气的组分含量、燃气的平均分子量等热力参数;然后根据空气和理论燃气各成分气体热力性质近似表达式的拟合系数计算出空气和理论燃气的热力性质,再根据理想气体混合规则确定燃气的热力性质。

气体热力性质查询程序流程如图1所示,程序计算函数说明如表3所示,其计算原理和计算过程同上述嵌入Excel算法函数库中的热力性质计算子程序完全相同。

对于燃料种类和热力参数,程序默认显示的是C8H16在燃烧室入口温度为573.2423K、燃烧室出口温度1338.15K、燃烧效率99%、燃料在25 ℃试验条件下热值为43 100kJ/kg等燃烧条件下的燃气热力性质计算数据。

图1 气体热力性质查询程序编写流程图

函数名输入参数输出参数用途T2HATHA根据温度确定空气的焓值T2CpATcpA根据温度确定空气的定压比热容T2KATκA根据温度确定空气的绝热指数T2HTH(β=1)根据温度确定理论燃气的焓值T2CpTcp(β=1)根据温度确定理论燃气的定压比热容fuelcoeHu、ηb、T0、T2、T3β根据燃料发热量、燃烧效率、燃烧初温和燃烧后温度确定燃烧系数βT2Hβ、TH根据燃料系数、温度确定燃气焓值βT2Cpβ、Tcp根据燃料系数、温度确定燃气定压比热容βT2KGβ、TκG根据燃料系数、温度确定燃气绝热指数

该程序除了具有燃气的热力性质查询功能,还有独立的空气热力性质查询和理论燃气热力性质查询模块,在界面上分别设有其框架控件,可单独计算空气热力性质和理论燃气热力性质,界面如图2～3所示。

图2 空气热力性质查询界面

图3 理论燃气热力性质查询界面

2.2 软件应用实例

本文使用一台35 MW单轴燃气轮机组作为算例,大气温度ta=15 ℃,大气压力pa=101.325 kPa,设定燃烧效率ηb=0.98,燃烧室入口温度621.9 K,燃烧室出口温度1256.75 K,燃料为C8H16,其热值Hu=43 100 kJ/kg。计算可得燃料系数β=0.3110,与文献[7]对比误差为0.13%。

以100 ℃的理论燃气焓值和空气焓值作为基准值,软件计算理论燃气焓差和空气焓差与文献[1]数据对比如表4所示。

表4 软件计算理论燃气焓差和空气焓差的误差分析

上述计算结果表明,精度符合应用要求。

2.3 应用软件的特点

燃气轮机燃气热力性质计算软件的开发归根结底是为了方便今后对燃气轮机热力过程的设计研究,因此特别注重代码的重复利用性、兼容性和用户体验,其特点分别为:

1) 本文利用Visual Basic编程语言编写了气体热力性质查询界面,其函数子程序与加载在Excel过程算法库内的热力性质计算函数完全一样。既可在软件中计算查询燃气热力性质,也可在利用Excel计算热力过程时直接调用函数获取相应的燃气热力性质,减少重复工作量,提高计算效率。

2) 在进行燃气热力性质计算时,程序将“空气热力性质查询”和“理论燃气热力性质”框架控件内的“空气温度”标签、“燃气温度”标签以及相应的温度输入文本框给隐藏起来,单击框架控件内的“计算”按钮,相应的温度标签和温度输入文本框就可以显示出来,在对应的框架控件内的文本框中输入新的温度值后单击“计算”按钮,就会在框架内显示空气或理论燃气在该温度下的各项热力性质。这样既兼顾软件的多用性,又避免用户误操作而产生错误。

3 结 论

1) 将实际燃气视为空气和理论燃气的混合物进行热力性质计算,能够便捷、有效、高精度地实现燃气热力性质的计算查询。

2) 通过可视化面向对象的编程语言,编写出燃气热力性质的计算模型程序,结构简单清晰,使用直观简便。

3) 计算软件其函数子程序与加载在Excel过程算法库内的热力性质计算函数完全一样,大大提高了程序的可重用性、扩充性,便于燃气轮机的设计研究。

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(责任编辑 郭金光)

Development of calculation software for gas thermodynamic properties of gas turbine

LI Shiqi1, HAN Pengfei1, WAN Xiang1, HU Haihang2

(1.School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2.Zhejiang Longyou Thermal Power Co. Ltd., Zhejiang 324400, China)

This paper constructs the main structure based on the chemical reaction equations of the combustion of fuel with air which can be used for calculating the thermodynamic properties of flue gas, including fuel coefficient, enthalpy, heat capacity at constant pressure, adiabatic exponent and so on, the thermodynamic properties of air and the thermodynamic properties of ideal gas. The visual and object-oriented program language Visual Basic was implemented, which was able to calculate the thermodynamic properties of flue gas generated from the combustion of fuel consisting of different coefficient C-H-O-N-S with air. It’s considered to be convenient and universal in the application.

gas turbine; fuel gas; thermodynamic properties; calculation software

2015-07-23。

黎师祺(1991—),男,硕士,研究方向为动力设备性能监测与故障诊断。

TK262

A

2095-6843(2016)01-0085-04