航改型燃气轮机燃料灵活性改造初步研究

航改型燃气轮机燃料灵活性改造初步研究

孙宇

天津华电北宸分布式能源有限公司   天津市  300400

摘要：天然气作为清洁能源，在全球都在提倡环保、降碳的大前提下，航改型燃机通过燃料灵活性改造，利用天然气中比例增加氢气燃料，既能有效缓解天然气用气需求，也可提高燃气机组发电、供热持续稳定，航改燃气轮机的燃料灵活性意味着其可以适应多种不同类型的燃料，从而减少对传统石化燃料的依赖，降低碳排放，提高燃烧效率，更能积极响应国家节能减碳目标。

关键词：航改燃气轮机；燃料；氢气、灵活性

引言

随着对环境保护和可持续发展的需求不断增强，燃气轮机正面临着转型升级的压力。天然气作为燃机不可或缺的部分，尤其航改型燃机在天然气中探索添加氢气对提高燃料灵活性方面具有重要意义，为航改燃气轮机的研究与发展注入了新的活力，其燃料灵活性改进研究将推动航改型燃机向更加环保和可持续的方向迈进。

1航改型燃机概述

航改型燃机是指针对航空领域发动机根据特定需求而进行技术改进和优化的燃气轮机，通过优化设计移去前端风扇、轴承结构改进，增加进气导叶等方式作为快速启动、灵活负荷调节的发电装置，对于提高效率、降低排放、提升可靠性具有重要意义。航改型燃机相较于传统燃机在性能上有了很大提升，通过新材料、先进制造工艺、热管理系统等方面的创新，航改型燃机得以提高推力输出、降低气耗，同时减少对环境的影响。对于碳达峰、碳中和的大趋势下，航改型燃机应该积极在适应多种燃料方面表现出较强的灵活性，这种在天然气掺氢灵活性应用使得航改型燃机具备更好的抗扰动能力，在异常情况下也能够保持较高的可靠性。此外，航改型燃机在结构设计和维护保养方面也得到优化，新一代航改型燃机在结构设计上更加紧凑、轻量化，并采用先进的材料和制造工艺，使得其具有更高的可靠性和安全性，并且维护保养周期得到延长，降低了运营成本和维护成本。

2天然气掺氢燃料特性分析

天然气掺氢燃料是一种具有潜在环保和可持续发展优势的新型燃烧方式，通过探讨其燃烧特性，可以更好地评估其在航改机发电领域的应用前景。天然气掺氢燃料的主要成分包括天然气和氢气，天然气作为清洁能源之一，含有甲烷等碳氢化合物，燃烧时产生的污染物相对较少，对大气环境影响较小。而掺入氢气可以进一步降低燃料的燃烧温度和排放物的生成，使得燃烧更加清洁高效。天然气掺氢燃料具有较高的点火性能和燃烧速率，氢气的点火性能极佳，可以加速燃烧反应的进行，提高燃烧效率。同时，氢气的高燃烧速率可以改善燃烧的稳定性和可控性，减少火焰的不稳定现象，提高燃烧过程的控制性。此外，天然气掺氢燃料还具有燃烧释放热值高、震动性低等特点，这不仅有利于提高发动机的功率输出和燃烧效率，还能减少振动对飞行员、乘客和机身结构的影响，提升飞机的舒适性和安全性。

3天然气掺氢在航改燃气轮机中的燃烧特性研究

天然气掺氢作为一种有效的降低碳排放方式，在航改燃气轮机中的应用备受关注。本文旨在对天然气掺氢在航改燃气轮机中的燃烧特性进行深入研究，以探讨其对发动机性能和环保效益的影响。天然气是一种清洁燃料，具有较低的碳排放和颗粒物排放，能够有效减少对大气环境的污染。而氢气作为清洁能源的代表之一，燃烧产生的唯一副产品是水蒸气，无二氧化碳和颗粒物排放，是一种极为清洁的燃料。因此，将天然气与氢气混合使用，不仅可以减少传统燃料带来的环境负荷，还能提高燃烧效率。天然气掺氢燃料的燃烧特性对于航改燃气轮机的性能具有重要意义。研究显示，天然气掺氢燃料具有较高的燃烧速率和热值，可显著提高发动机的推力输出和燃烧效率。同时，由于氢气的高点火性能和高压缩比，可以促进燃烧的快速进行，使得燃烧更加稳定和充分，降低未燃尽物质的排放，提高发动机的工作效率。

4航改燃气轮机燃料系统适应性改造

4.1燃料供应系统的优化与调整

为提升航改燃气轮机对天然气掺氢燃料的适应性，燃料供应系统必须进行深度优化。喷嘴和喷管作为燃料喷射的关键部件，需根据掺氢燃料的燃烧特性重新设计，以强化燃料混合与雾化效果，实现高效燃烧。阀门与泵站等关键部件的调整亦不可或缺，确保燃料供应稳定、流量精确。此外，燃料管路材质需升级，氢气与天然气掺混后，由于氢含量增加，在管道局部区域可能会达到饱和，使材料的韧性降低，诱发裂纹或产生滞后断裂，造成氢脆。同时，氢也会与天然气管线钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和产生微裂纹，导致钢材的材料性能不可逆转的恶化，出现氢损伤。因此，输气管道及其配套设施对氢气的适应性是决定能否掺氢及掺氢比例多少的主要因素。通过上述优化措施，燃料供应系统能够更好地满足天然气掺氢燃料的需求，提升燃气轮机运行效率与安全性。

4.2燃烧室喷嘴设计与改造

燃烧室喷嘴的设计对于天然气掺氢燃料在航改燃气轮机中的高效燃烧至关重要，由于天然气掺氢燃料的燃烧特性不同于传统燃料，喷嘴的改造成为提高燃料灵活性的关键环节。在改造过程中，重点考虑了燃料混合与雾化的优化，通过精确调整喷嘴的几何形状和喷射角度，确保天然气掺氢燃料在燃烧室内能够充分混合，提高燃烧效率和稳定性，通过改进燃烧室结构以应对较高的燃料体积流量和减少NOx排放。同时，也注重喷嘴材料的选择和耐高温、耐腐蚀性能的提升，以适应燃气轮机掺氢后回火和火焰燃烧脉动问题。通过这些设计与改造措施，期望实现更高的掺烧百分比，提升航改燃气轮机对天然气掺氢燃料的适应性。

4.3控制系统对掺氢燃料的适应性提升

在航改燃气轮机中，控制系统扮演着至关重要的角色，尤其是在适应天然气掺氢燃料时。针对掺氢燃料的燃烧特性，控制系统必须进行适应性提升。首先，燃烧过程的控制算法需要更新优化，以精确控制燃料与空气的混合比例，确保掺氢燃料在不同工况下都能实现稳定燃烧和高效利用。其次，控制系统还需增强对燃料供应和混合的精准调节能力，通过精确控制阀门开度等参数，实现燃料在不同工作条件下的稳定供应和均匀混合。这些适应性提升措施将有效提升航改燃气轮机对天然气掺氢燃料的控制精度和燃烧效率，为燃气轮机的稳定运行提供有力保障。

4.4安全性系统的强化与升级

航改燃气轮机在适应天然气掺氢燃料时，安全性系统的强化与升级显得尤为重要。由于掺氢燃料具有一定的爆炸性和易燃性，系统安全性面临更高的挑战。因此，在燃气轮机的安全系统中，需要加强对燃料泄漏、火灾和爆炸等危险情况的监测与应对能力。通过安装更先进的传感器和监测设备，实时监测燃料系统的运行状态，及时发现和处理潜在的安全隐患。同时，对安全阀、紧急切断装置等关键部件进行强化设计和升级，确保在紧急情况下能够及时切断燃料供应，保障系统和机组的安全。通过这些安全性系统的强化与升级，可以有效降低天然气掺氢燃料在航改燃气轮机中的安全风险，确保燃气轮机的稳定安全运行。

结束语

航改燃气轮机燃料灵活性的研究是在减碳大环境下发展的必然趋势，将为减少碳排放、提高燃烧效率、推动清洁能源应用等方面带来新的突破。虽然在燃料灵活性方面仍面临技术挑战和标准化问题，但通过不懈的努力和持续的研究，相信航改燃气轮机的燃料灵活性改进将迎来更加美好的发展前景。

参考文献

[1]伍赛特.航改燃气轮机工作特点及先进循环技术研究[J].能源与环境,2021,(04):51-53.

[2]伍赛特.航改燃气轮机选型设计要点及应用发展研究[J].现代工业经济和信息化,2021,11(02):13-17.

[3]姜磊.航改燃气轮机燃烧室头部结构参数及燃烧特性研究[D].中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所),2020.

[4]王博涵.航改燃气轮机燃料灵活性初步研究[D].中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所),2020.

[5]伍赛特.航改燃气轮机技术发展历程及未来趋势研究[J].上海节能,2020,(03):213-220.