燃机污染物排放的预测方法、燃机调节方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及燃机污染物排放预测的技术领域，具体涉及一种燃机污染物排放的预测方法、燃机调节方法、系统及装置。

背景技术

燃气轮机的燃烧室在燃烧过程产生大量的氮氧化物排放，造成环境污染。随着我国“双碳”政策的出台，控制燃机的低污染排放就显得尤为重要。燃烧室是燃气轮机重要组成部分之一，同时也是产生污染物的源头，燃烧室性能指标，如工作压力、燃烧室温度、当量比、空气流量和运行工况等，都会对燃汽轮机产生重要的影响。

由于近年来对燃气轮机的性能要求不断增加，燃气轮机的功率和流量也持续增加，使燃烧室内的工作压力与温度也不断提高，最终温度和压力的增加会加剧NOx的产生。伴随人类环保意识的增强和排放标准的日趋严格，国家明确指出高效低污染是燃气轮机的重要指标。所以新一代燃气轮机的设计、运行和调整过程中就需要考虑到污染排放问题。以往在这些环节中更多的是利用试验机进行测试来获得污染排放结果，这需要耗费大量的时间、人力和金钱，所以发展一块合理且快速的污染物排放预测的技术方案对燃机燃烧室初始设计、运行工作状态监测和调整具有重要意义和实用价值。

发明内容

本发明公开一种燃机污染物排放的预测方法，包括以下步骤：

S1、选择燃机的运行工况，确定燃烧室的设计参数；

S2、基于所述设计参数开展数值分析，获得该工况的额定数据下的温度场和速度场的数据；

S3、基于所述步骤S2中计算得到的温度场数据、速度场数据，以及Da和燃烧室的结构尺寸数据，对燃烧室进行区域划分，建立化学反应网络模型，并建立污染物计算程序；

S4、输入需要计算的所述设计参数的基础值和变化范围的最大值和最小值；

S5、基于所述步骤S4中的输入值，利用拉丁超立方法，确定所述设计参数的样本空间；

S6、利用所述步骤S3中的污染物计算程序，计算样本空间的污染物排放值；

S7、基于所述步骤S5中的样本空间和所述步骤S6得到的污染物排放值，进行非线性拟合，得到污染物排放公式。

本发明的进一步设置为：在所述步骤S3中利用S2的计算结果将燃烧室划分出11个区域，分别是区域A至区域K，区域A为喷嘴的头部混合区、区域B为头部火焰锋面区、区域C为火焰区、区域D为中心火焰区、区域E为内火焰区、区域F为二次掺混区、区域G为上掺混区、H区域为二次火焰锋面区、区域I为二次主燃烧区、区域J为后火焰区、区域K为火焰过渡区，结合不同区域选择适用的反应器模型，计算得到运行工况的污染物排放值。

本发明的进一步设置为：所述设计参数包括燃烧室进口压力P3、燃烧室出口温度T4、主空气质量流量Ma和当量比Eq。

本发明的进一步设置为：在所述步骤S3中，区域A、区域F和区域G选用MIX反应器模型。区域C、区域D、区域E、区域I、区域B、区域H和区域K选用PSR反应器。区域J选用PFR反应器模型。

本发明的进一步设置为：在所述步骤S3中，利用化学反应网络模型，计算污染物排放值；

本发明的进一步设置为：在所述步骤S5中，利用拉丁超立方法，确定所述步骤S4中的设计参数，包括燃烧室进口压力P3、燃烧室出口温度T4、主空气质量流量Ma和当量比Eq的20个样本的样本空间；

本发明的进一步设置为：在所述步骤S7中，将所述步骤S5的样本空间和S6的污染物排放值，利用非线性拟合，拟合得到更为适合所选设置参数范围的精确污染排放公式。

本发明提出一种燃机调节方法，基于上述所述的预测方法来获得一种型号燃机的污染物排放公式，将调控参数的优先级依次确定为：燃烧室出口温度T4、当量比Eq、主空气质量流量Ma、燃烧室进口压力P3；参数调整后代入所述污染物排放公式并判断污染物的排放量是否达标，若不达标则再次调控参数，若达标则停止。

本发明提出一种系统，用于执行如上述所述的方法。

本发明提出一种装置，包括存储器，所述存储器中写入如上述所述的系统。

本发明的有益效果为：能够快速预测任意运行工况的污染物排放值，对燃机调峰过程中，预测燃机排放值，调整运行工况设计参数具有重要价值。

本方案中涉及的方法能够较好的应用于燃气轮机燃烧室的初始设计、运行工作状态监测和调整，提供较为准确的结果反馈，减少返工和试验样机的数量，有利于燃机设计和运行企业的成本缩减。

附图说明

图1是鞍钢5号燃气轮机机组在满负荷工况下燃烧室内区域划分的示意图。

图2是本发明中预测方法的流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施案例，对依据本发明提出的方法和/或系统，详细说明如下。

实施例1

本实施例选用鞍钢5号燃气轮机机组的模型，具体的提出的燃机调峰过程中污染物排放的预测方法的执行过程如下：

S1、确定燃烧室的运行工况及其设计参数。设计参数包括燃烧室进口压力P3、燃烧室出口温度T4、主空气质量流量Ma和当量比Eq。

S2、基于设计参数进行CFD仿真，获得运行工况的额定数据下的温度场和速度场的数据；

S3、基于步骤S3中计算得到的温度场数据、速度场数据，以及Da(达姆科勒数)和燃烧室的结构尺寸，对燃烧室进行区域划分。划分时考虑三点因素，其一是基于温度按照每隔100度一个区间进行划分；其二是将速度为同一方向和相近每隔5m/s大小的区域进行划分；其三是考虑Da数的影响，将相近Da数的区域进行标记。综合以上三点，基于燃烧室的结构尺寸将燃烧室划分出11个区域，参见图1，分别是：区域A至区域K。区域A为喷嘴的头部混合区，主要是进口燃料和空气的混合，混合气流分成两股，一股进入燃烧室上段，另外一股流入燃烧室中段。区域B为头部火焰锋面区，温度高，可达到2000K以上，流速快，是燃烧十分剧烈的区域。燃烧室中段温度在1300-1700K之间，此区域是燃烧的主要区域，定义为C区，即外火焰区。D区域温度高，可达到1600K以上，为主要火焰区中心区域，定义D区域为中心火焰区。靠近中心火焰区的是区域E，在主火焰区内侧，定义为内火焰区。为了保证燃烧室内燃烧稳定，在燃烧室中游喷入二次空气，该区域内主要是主要火焰区的产物与二次空气的掺混，F区域定义为二次掺混区。二次掺混区的气体分成三股，一部分流向燃烧室上部，在G区域与头部火焰锋面区的产物进行掺混，进而流向H区域燃烧，H区域温度高，可达2100K，燃烧稳定，定义为二次火焰锋面区。二次掺混区一部分气体进入了燃烧室中部，由于二次空气喷入后有冷却的效果，燃烧室中部气体温度1000-1400K，I区域定义为二次主燃烧区。当气体流至区域J时，这一区域温度升高，化学反应时间短，J区域定义为后火焰区。在二次火焰锋面区和后火焰区之间，存在一个狭窄的区域K，这一区域温度在1700K左右，只有一小部分流入，K区域定义为火焰过渡区。

S3中、根据各个区域的和化学反应器的性质，利用开源软件Cantera，对区域A、区域F和区域G选用MIX反应器模型。将混合气体的温度、压力、气体组分和摩尔分数带入反应器模型，计算得到混合气体。对区域C、区域D、区域E、区域I、区域B、区域H和区域K选用PSR反应器，输入混合气体反应物的温度、压力组分和反应器容积，计算得到反应后的混合气体的性质。对区域J选用PFR反应器，计算得到后火焰区的反应产物。将区域H、区域K和区域J进行混合，得到燃烧室出口污染物排放数值。

S4、输入需要计算的所述设计参数的基础值和变化范围的最大值和最小值

S5、基于步骤S4中的输入值，确定设计参数的样空间。具体执行本步骤时执行以下子步骤。

S5.1、根据拉丁超立方方法的特点，确定试验次数为5倍变量，由于设计参数是四个，所以确定要抽取20组数据。

S5.2、对设计参数进行等概率分区。例如，对满负荷工况下的自变量：燃烧室进口压力17atm，燃烧室出口温度为1700K，当量比为0.55，空气流量为8.37kg/s的参数初始值进行高低水平取值，确定燃烧室进口压力区间为[16,18]，主燃区温度区间为[1600,1800]，当量比区间为[0.5,0.6]，空气流量区间为[8.0,8.64]，在各自变量区间，平均分成20个等长区间。详情参见表1。

表1

S5.3、在各自的等概率分区中随机选择分区的代表“数”，然后对应20个等概率区间，每个区间抽取一个数据。

S5.4、形成样本空间数据表，如表2中的设计参数包括燃烧室进口压力P3、燃烧室出口温度T4、主空气质量流量Ma和当量比Eq所示。

S6、利用所述步骤S3中的计算程序，计算样本空间的污染物排放值，如表2中的NOx排放量所示。

表2

S7、对表2中的数据进行非线性拟合，拟合实时参数对应的污染物排放公式；

NOx＝e

CO＝e

基于步骤S7中的公式，可以去计算任意设计点的污染物排放值、设计参数与污染物排放的单因素和多因素影响关系。

基于单因素和多因素影响关系曲线，从而可以对燃机在满负荷工况下的运行提出合理化建议。燃机的调节方法是将调控参数的优先级依次确定为：燃烧室出口温度T4、当量比Eq、主空气质量流量Ma、燃烧室进口压力P3；参数调整后代入所述污染物排放公式并判断污染物的排放量是否达标，若不达标则再次调控参数，若达标则停止。如，当燃机污染物高于预测值时，采用降低燃烧室温度的方法改善污染物排放的方法最为合适。即保持压气机转速不变，不改变燃烧室进口压力，调节旁路空气流量，增大燃烧室空气流量供给，逐步增加燃料供给，即保证降低燃烧室温度，又可以兼顾进口空气和燃料供给调节。当保持较低的燃烧室温度的情况下，应尽量的增大燃烧室空气流量，增加燃油供给，提升燃烧室当量比，这样对燃机进学校调整操作有利于污染物排放。

实施例2

依照实施例1中的方法，针对于鞍钢5号燃气轮机机组30％负荷工况的参数，得到NOx的排放数据如表3所示。

表3

拟合得到的30％工况的实时参数对应的污染物排放公式；

NOx＝e

CO＝e

实施例3

依照实施例1中的方法，针对于鞍钢5号燃气轮机机组空载工况的参数，得到NOx的排放数据如表4所示。

表4

拟合得到的50％工况的实时参数对应的污染物排放公式；

NOx＝e

CO＝e

将上述表2至表4中NOx排放的预测数据取平均值，并针对鞍钢5号燃气轮机机组在空载、30％负荷和满负荷三种工况进行实际的NOx排放测试，所得数据以及计算求得的偏差均显示于表5中。

表5

从表5中可知，对比之下的最大的偏差为4.9％，显然预测的结果与实际的测试结果基本匹配，能够将污染物排放公式的预测的结果反馈到设计环节当中，并且本方法可以应用于燃气轮机机组的各个工况。

综上所述，本方案中涉及的方法能够较好的应用于燃气轮机的设计过程中，提供较为准确的结果反馈，并且确定各设计参数的调节逻辑以及调节效果，减少返工和试验样机的数量，有利于设计过程中的成本缩减。

实施例4

本实施例提出一种系统，用于执行如实施例1-3中所述的方法，具备实施例1-3中全部的技术效果。

实施例5

本实施例提出一种装置，包括存储器，存储器中写入如实施例4中的系统，具备实施例4中全部的技术效果。

本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员能够在不脱离本发明内容、精神和范围对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应是为本发明的保护范围。