（动力机械及工程专业论文）湿压缩燃气轮机气动热力学研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 作为改善燃气轮机装置性能的一种有效手段，近几年来湿压缩得到了 越来越广泛的研究。所谓湿压缩，就是在燃机装置的压气机进1 ：3 或在压缩 过程中向被压缩气体喷入水，利用水的汽化吸热，使压缩过程接近于定温， 从而减少压缩功，增大输出，提高热效率。在燃机装置中，压气机耗功通 常要占透平功的5 0 以上，在燃机上采用湿压缩技术，能够减小压缩功， 增大输出功，使燃机的性能得到提高。水的加入还可以使燃烧产物中n o 。 的生成量大大降低，减少环境污染。 迄今为止，我们习惯于用热效率及焓分析的方法来评价装置的性能。 而这样评价系统的损失和效率并不能揭示系统中有效能损失的部位和数 量。本文第一部分从热力学基本公式出发，分析湿压缩过程中熵和火用的变 化。进而在不同的喷水量，不同压比和效率及不同的大气条件下，对燃机 能量的有效利用进行分析。 因为两相工质存在于压气机通流部分内，其液相被压缩所耗的功，他 对原工质流场的影响以及由此造成的损失增加，都使湿压缩趋于不利。水 滴在压缩过程中汽化吸热，导致液滴尺寸的改变，并影响液滴动力特性。 湿压缩过程的数值模拟包括液体粒子在旋转流场中的相对速度和运动轨 迹，及对原流场的影响和两相流的分析。 把雾化水喷入压气机的遥流部分可以增加压气机压比，减小耗功，从 而提高燃气轮机性能。以目前计算机技术和计算流体力学的发展，可以运 用数值模拟的方法对三维流场进行数值模拟。本文第二部分用f l u e n t 流体 计算软件，以一级压气机为对象对湿压缩过程进行全三维计算。针对不同 喷水量，不同液滴直径，不同液滴初温各条件进行了单级计算，通过对结 果的对比分析，得出湿压缩对级压比和级效率的影响。逶过c f d 模拟计 算的方式，得到湿压缩过程的流场分布和对比结果，为今后湿压缩的装置 试验研究提供了理论指导。 关键词：湿压缩；压气机；数值模拟；两相流 a b s t r a c t w e tc o m p r e s s i o ni sa ne f f e c t i v ew a y o f g a s t u r b i n ep o w e r a u g m e n t a tio n ，b u ta tt h es a m eti m eitc a u s e ss o m en e wt h e r m o d y n a m i c p r o b l e m s h o wt oe v a l u a t et h et h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sa n dh o wt o i m p r o v et h ew e tc o m p r e s s i o np r o c e s sa n dw e tc o m p r e s s i o ng a st u r b i n e c y c l ea r ek e yt ot h ea c t u a la p p li c a t i o n so ft h et e c h n i q u ei n i n d u s t r i e s f r o mt h ee n t r o p ya n de x e r g yv i e w s ，w e tc o m p r e s s i o np r o c e s s e s a r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r b yc a l c u l a t i n gt h ee n t r o p ya n de x e r g y v a r i a t i o n s w i t ht h ee s t a b l i s h e dt h e r m o d y n a m i cm o d e l so fw e t c o m p r e s s i o np r o c e s s ，w ep r e s e n t e ds o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t st h a t c o u l du s e dt or e d u c et h ei n c r e a s eo fe n t r o p ya n dt h el o s so fe x e r g y i nt h ew e tc o m p r e s s i o np r o c e s s o nt h eb a s i so ft h e r m o d y n a m i c a n m y s i so fw e tc o m p r e s s i o n ，t h ee n t r o p ya n de x e r g ye f f e c t sa t d i f f e r e n te v a p o r a t i r er a t e s ，d i f f e r e n tp r e s s u r er a t i o se t c a r e f u r t h e ri n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h et h e r m o d y n a m i ea n a l y s e sa n da c t u a la p p l i c a t i o n so fw e t c o m p r e s s i o nh a sd e m o n s t r a t e st h eh e n e f i t so ft h ew e tc o m p r e s s i o n t e c h n o l o g y t h ea e r o d y n a m i cf l o wf i e l do ft h ew e tc o m p r e s s i o n c o m p r e s s o rc a s c a d ec a ng i v em o r ei n f o r m a t i o na b o u tt h ei n t e r n a l f l o wp a t t e r n s t h ew a t e rd r o p l e t sm o v e m e n tp a t h ，t h ew a t e rd r o p l e t s e v a p o r a t i o np r o c e s s ，t h ee f f e c t so fp h a s ec h a n g ea n dc o r r e s p o n d l a t e n th e a to nt h ei n t e r n a lf l u i df i e l da r ed e s e r v e dt oi n v e s t i g a t e d i n d e t a i l t h ec u r r e n t d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n i q u e s a n d c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) h a sm a d ei tp o s s i b l et oe m p l o y an u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o df o r p e r f o r m i n g t h ef u l l t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no far e a lf l o wf i e l d b y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u t i l i z i n gaf l u e n tf l u i dc o m p u t a t i o ns o f t w a r ea n dw i t hac o m p r e s s o r c a s c a d es e r v i n ga sa no b j e c to ft h es t u d y ，af u l lt h r e e d i m e n s i o n a l c a l c u l a t i o no ft h ew e tc o m p r e s s i o np r o c e s si sc o n d u c t e d t h e c a l c u l a t i o n sh a v e b e e np e r f o r m e dw i t hr e g a r dt oav a r i e t yo f c o n d i t i o n s ：d i f f e r e n tv a ll l e so fw a t e rs p r a yf l o wr a t e ，1 i q u i dd r o p d i a m e t e ra n di n i t i a lt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：w e tc o m p r e s s i o n ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：c o m p r e s s o r t w op h a s ef l o w 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：鲤整 日期：年月 日 1 1 引言 第1 章绪论 自从燃气轮机装置问世以来，人们一直为改善其性能进行着不懈的努 力。近年来，世界性的能源危机和环境污染的加剧以及燃气轮机装机容量 的增加和使用范围的扩展，使燃气轮机性能的改善显得更加重要。寻找行 之有效而又经济、简便的改善方法已经成为动力领域的重要研究课题。 在燃气轮机装置中，压气机耗功通常要占透平功的5 0 以上，在燃机 上采用湿压缩技术，能够减小压缩功，增大输出功。使燃机的性能得到提 高。所谓湿压缩就是在压气机进口或在压缩过程中向被压缩气体喷入液 体，利用液体的气化吸热，使湿压缩过程向定温过程靠近，减小压缩功， 增大输出功，以此达到改善燃机性能的目的。湿压缩过程中水的加入还可 使燃烧产物中n o x 的生成量大大降低( 实验表明，喷入1 水量，n o x 的生 成量可减少4 0 ) ，减少环境污染。因此湿压缩有环保效益。理论上，喷 入的可以是水、乙醇、苯等各种液体，但是由于水的冷却效果最好，且价 廉易得，因此迄今为止，所有关于湿压缩的研究都是围绕喷水进行的。 1 1 1 湿压缩的特点 从热力学方面而言，湿压缩与传统的分级压缩。中间冷却方法目的相 类似，都是降低空气压缩过程的温升，减少压缩功耗，但二者又有不同之 处： 1 湿压缩过程中，水滴与空气在压气机中直接接触，发生相间的热 量传递和质量传递，空气在被压缩的同时被冷却，因此湿压缩过程是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一个连续的冷却过程。中冷则是将被压缩气体从压气机级间抽出，经 冷却后再送回压气机继续压缩。为防止系统过于复杂和成本过高，中 冷的次数是有限的，一般只有一两次，因此中冷只能对气体进行不连 续冷却。 2 湿压缩通过水的蒸发来减低空气温度，空气减少的能量等于水或 水蒸气增加的能量，仍处于系统中，因此湿压缩过程又是一个热量回 收过程。而采用中冷时，中冷热量通常被冷却水带走。冷却水温升有 限，很难加以利用，中冷热量通常释放给环境，成为系统能量损失的 又一来源，同时还会对环境造成热污染。 3 采用湿压缩时，水蒸气的存在使透平工质质量流量增加，同时由 于湿燃气的比热容较大，相同温降时的焓降也大，从而透平功增加。 采用中冷时透平功基本不变。因此采用湿压缩后燃机装置输出功的增 加比中冷显著。 4 湿压缩时，只要水滴雾化良好、喷嘴位置合理、喷水对压气机效 率影响不大，就可使燃机装置输出功率得到改善。而中冷只有用于回 热燃机才能使热效率提高。 5 湿压缩燃机的功率输出可以通过改变喷水量来调节。 6 湿压缩燃机中，随空气进入燃烧室的水蒸气可使n o 。的生成速率降 低，从而减少对环境的污染。 1 1 2 燃气轮机喷水方式 根据喷水位置和喷水方式的不同，可大致分为三类： 1 压气机进口喷水 压气机进口喷水通常是在压气机进气通道安装喷嘴，向空气流中 喷入水滴。与进气蒸发式冷却不同，喷水量不受空气湿球温度的限制。 进入压气机前，会有少量水气化，起到进气冷却的作用，未蒸发的水 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进入压气机实现湿压缩。因此，进口喷水是压气机进气蒸发冷却技术 和湿压缩技术的有机结合。 采用压气机进口喷水技术无需对压气机进行改动，简便易行。为 了防止结冰，只有在环境温度较高时才能使用。 2 压气机级间喷水 空气经过压气机低压级压缩后，温度上升，相对湿度降低。在级 间喷水，水滴蒸发非常迅速，减小了喷水引起的摩擦和可能对叶片造 成的损伤。同时，由于蒸发迅速，喷水量可以适当增大。这种方式不 受环境温度的限制，使湿压缩的应用范围大大扩展。但是，在级间喷 水，需在压气机机壳上安装喷水装置，操作比进口喷水复杂。 3 叶片注水 这种方式是通过压气机叶片上的小孔将水注入到被压缩工质中。 显然，叶片注水湿压缩更有效，但对工艺和设计的要求也更高，实现 的难度很大。目前，叶片注水方面的研究文献很少。本文着重介绍压 气机进口喷水湿压缩和级间喷水湿压缩。 1 2 燃气轮机装置湿压缩技术的研究发展状况 1 2 1 国外研究发展状况 早在4 0 年代末5 0 年代初，美国人r v k l e n s c h m i d t 就提出了湿压缩 的概念。向压气机内喷入雾化水，利用水高于空气定压比热2 0 0 0 倍以 上的汽化潜热降低压缩过程温升，使其更接近于等温压缩从而减少压缩耗 功。此后十几年，美国和前苏联都对湿压缩技术进行了理论和实验研究 “1 。由于对湿压缩过程认识的局限性和当时技术条件的限制，早期的这 些研究并未取得预期成果，因雾化达不到要求，产生的液滴颗粒过大，水 没有经过处理，带来积垢等问题。加之当时改善内燃机性能的可行手段还 较多，湿压缩的研究被淡化了。但得到的一些结论对现在的研究仍有一定 的指导作用或参考价值。 2 0 世纪6 0 年代以后，美国对湿压缩的研究基本中断。前苏联则进行 了较为详尽的理论和实验研究。 近年来，燃气轮机装机容量的增大和能源与环境问题的同益严重，使 湿压缩技术再度受到重视。目前，美国、一些独联体国家、中国、日本都 在进行这方面的工作。由于技术的改进和一些有效措施的采用( 如高效雾 化喷嘴和高效过滤器的使用、喷水量的优化控制、喷嘴位置的合理安排 等) ，湿压缩技术在改善现有燃气轮机装置的性能方面已取得成效，已有 湿压缩机组投入商业运行。 美国在湿压缩技术的实用化方面走在最前列。e p r i ( e l e c t r i cp o w e r r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 率先开发了多级喷水冷却技术。1 9 9 6 年，u t i lj c o r p 能源集团利用e p r i 的技术在r a l p hg r e e n 电厂的7 e 型燃气轮机上进行了 实验“。在压气机进行气道内侧排列了1 4 0 0 个高压雾化喷嘴，分为8 级， 以便于根据环境状况和n o 。的排放要求调节水量。喷嘴和压气机之间安装 过滤器除去了大的液滴，仅允许小液滴进入压气机，减小了对叶片的冲击 和对压气机流场的影响。1 9 9 6 年夏天1 5 0 h 的运行表明，燃机装置功率增 加了1 5 5 ，同时热耗下降。与传统的压气机入口介质式蒸发冷却相比， 湿压缩技术对燃机装置性能的改善更显著，初投资也更低( 见图1 ) 。不 计软化水费用，单位千瓦投资为9 0 - 1 0 0 5 。到1 9 9 9 年，美国已安装了5 0 多套这样的压气机入口过喷系统“。 1 9 9 8 年美国g e 公司推出了喷雾中间冷却的l m6 0 0 0 航改型燃气轮机 ”。9 1 。l m 6 0 0 0s p r i n t 技术就是向压气机通流部分喷水的一种方案，即在连 接低压压气机和高压压气机的过渡段处喷入水。这项技术使l m 6 0 0 0 p c p d 型燃机在i s o 条件下的输出功率增加9 。在3 2 0 c 外部空气温度下输出 功率增加2 0 。借助于把雾化的水雾喷入1 4 级高压压气机的前面，压气 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机的出口温度明显减小。这就允许涡轮在与燃烧温度有关的固有的控制范 围下，而不是在压气机出口温度限制下工作。这一结果是获得更高的输出 功率和更好的效率。 3 初投资s 矗1 夏d l 0 02 0柏8 0l 环境相对湿度 图1 1 新燃机装置、压气机入口介质式蒸发冷却器和喷雾冷却器初投资比 较 实验得出，在3 2 。c 环境温度下向高压压气机前注入0 2 7 空气流量的 水，就可使燃气轮机功率增加2 0 4 ，热效率从3 7 2 增加到3 8 7 ，也 就是使效率增加4 ( 相对值) 。s p r i n t 水雾中间冷却技术适用于具有较高 压比的压气机。 由于花费很少的投资就能取得明显的经济效益，l m 6 0 0 0s p r i n t 技术 一出现就得到电站营运者的青睐。英国南方电力公司已决定在英格兰南部 二个电站安装l m 6 0 0 0s p r i n t 系统。美国得克萨斯州拉博克市m a s s s e n g a l e 电站基于l m6 0 0 0s p r i n t 燃气轮机系统的联合循环装置将于1 9 9 9 年投入 商业化运行。 2 0 0 0 年，在美国科罗拉多州的f tl u p t o n 安装的一台l m 6 0 0 0 燃气轮 机采用在低、高压压气机喷水的技术。据称，这是世界上首台在压气机间 采用喷水的商用燃气轮机，功率已从4 3 5 m w 提高到4 7 5 m w 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近两年很多国外学者也进行了大量的湿压缩方面的研究。 w h i t e ，a j a n dm e a c o c k ，a j ”1 把水滴蒸发和平均计算方法相结合， 在描述湿压缩过程的计算中使用了数值方法。通过这个简单的数值方法， 从热力学和动力学角度研究了湿压缩。结果显示，由于不可逆相变引起的 熵增取决于水滴颗粒的大小，压气机的平均法计算显示：喷水使得压气机 特性向高流量，高压比推移，这些作用可以用空气动力学原理解释。但是， 单个压气机级将会相当大的偏离设计点运行，前几级向阻塞靠近，后几级 向失速靠近。这些会降低效率。引起这些的原因在于蒸发冷却比理想湿压 缩小很多。 r y a d a v ”在第一定律的基础上对湿空气燃气轮机装置进行了热力学 研究。运用控制方程和数学模型，得到的数据显示，和普通的燃气轮机循 环相比湿空气燃气轮机循环的性能更优越，但比注蒸气循环更复杂。在 h a l 循环中，比功提高了1 2 - 1 6 ，效率也提高了2 4 个百分点。效率和比 功随着含湿量的增加而增加。最大比功对应的最佳湿度范围为8 5 9 ， 可是装置的效率随湿度的增加而增加。 m i c h a e ld e n e v e 在文献 5 9 中描述了在1 5 0 m w 燃气轮机上首次使用 湿压缩系统s w i r l f l a s h “，s w i r l f l a s h ”技术是一个过喷系统，使用加压 的( 1 2 0 b a r ) 和加热的( 1 8 0 度) 水。蒸发所需的潜热来自于通过压气机 的气流，潜热也使气流得到冷却。为了保证透平出口温度不变，需要喷入 更多的燃料。结果显示，功率增加了9 。同时根据周围温度和喷入的 流量：温度越高，喷入流量越大，输出功率增加的越多。尽管此h e a v y d u t y 燃气轮机使用了d l n 燃烧系统，n o ，的生成量还是下降到3 5 。他们的研究 还指出湿压缩系统对燃机的材料，也就是i g v 和第一级压气机通道，没有 特殊的影响，因为水滴很微小，没有腐蚀的严重危害。 1 2 2 国内湿压缩发展状况 国内虽然对湿压缩技术的研究起步较晚，但已取得了一系列研究成 果，已有湿压缩机组投入商业运行。 在国内陈大燮对燃气轮机循环压缩过程的喷水，有过分析和讨论，对 比了喷水冷却湿压缩过程与等温压缩过程”。 哈尔滨工程大学涡轮机实验室9 5 年开始进行了这方面的研究”1 。在 压气机进口喷水湿压缩和级间喷水湿压缩方面做了大量的理论和实验研 究工作”“”。4 “。理论方面包括湿压缩机理分析。7 ”。”、湿压缩对压缩系统 热力循环分析“”1 、湿压缩对压缩系统和燃机装置性能分析“”1 等，得到了 一些有指导意义的结论。如文献 4 1 研究了湿压缩对压缩系统失速后瞬态 响应的影响，得出结论：在一定条件下，在系统刚刚发生喘振或旋转失速 时，喷水湿压缩可以消除喘振或旋转失速，提高系统运行的稳定性。我们 在现有燃气轮机中应用级间喷水湿压缩技术，在继续深入开展内部粘性三 元流动研究的同时开展了级间喷水湿压缩技术的探索性研究。为此，在我 校的s l a 一0 2 小型燃气轮机返回原生产工厂进行大修的情况下。在第一级 压气机和第二级压气机的中间壳体上加工了若干个孔口，以便安装级间喷 水系统“”。这项工作进行了喷嘴和喷水系统的设计和实验研究工作。将湿 压缩用于燃气轮机循环，对不同压比，不同初温的多方案进行循环计算， 结果表明：在一定喷水量后随喷水量的增加，燃机效率提高的幅度减少； 对进气初温较低的循环，喷水后效率提高幅度更大。 哈尔滨七0 三所的研究人员对进气用蒸发式冷却器中的气水分离技 术进行了实验研究“”，结果表明：当节距约为2 5 、气流速度在8 1 2 m s 之间时，波形板惯性级能够有效除去空气中的大粒度水滴，从而显著降低 空气中所含水滴的平均直径，满足湿压缩的要求。此外，还分析了湿压缩 特性“”和g t 2 5 0 0 0 燃气轮机组采用湿压缩后的性能“”等。 在文献 4 9 中，哈尔滨工业大学的王永青博士咀广义热力学力为驱动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 势研究传质过程，得出水蒸气在空气中传质系数的表达式，在此基础上， 建立了湿压缩过程的数学模型。研究了湿压缩的理想过程，给出了湿压缩 效率的定义，研究了湿压缩燃机循环的最佳性能，并与常规简单燃机循环 进行了比较。 1 3 本文主要研究工作 迄今为止，我们习惯于用热效率及焓分析的方法来评价装置的性能。 而这样评价系统的损失和效率并不能揭示系统中有效能损失的部位和数 量。我们需要从热力学基本公式出发，分析湿压缩过程中熵和 月的变化。 进而在不同的喷水量，不同压比和效率及不同的大气条件下，对燃机能量 的有效利用进行分析。同时，因为两相工质存在于压气机通流部分内，其 液相被压缩所耗的功，他对原工质流场的影响以及由此造成的损失增加， 都使湿压缩趋于不利。水滴在压缩过程中汽化吸热，导致液滴尺寸的改变， 并影响液滴动力特性。湿压缩过程的数值模拟包括液体粒子在旋转流场中 的相对速度和运动轨迹，及对原流场的影响和两相流的分析。 本文的主要任务分成两部分，第一部分是湿压缩过程熵和a 月分析，第 二部分是湿压缩过程数值模拟。 1 3 1 湿压缩过程熵和臾甩分析 在热力学模型的基础上，从热力学基本公式出发，对湿压缩过程的熵 和火用进行分析，对不同喷水量，不同压力和效率及不同的大气条件下，对 燃机能量的有效利用进行分析，具体工作如下： 1 压气机内湿压缩过程热力学分析。 对于湿压缩过程而言，由于存在水滴蒸发过程和两相流问题，使得湿 压缩过程的热力学过程与干压缩过程发生了很大的变化。从热力学的角度 对湿压缩过程进行分析，建立了湿压缩过程的热力学模型，给出湿压缩过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程状态参数的变化规律和计算方法。 2 湿压缩过程熵和火用的分析 在热力学模型的基础上，用m a t l a b 编制程序，对不同各种工况的熵 和火甩的变化进行分析，得出结论。并将其与中间冷却相比较，分析燃机效 率的交化。 1 3 2 湿压缩过程数值模拟 在对湿压缩过程传热传质分析的基础上，利用计算流体软件，运用数 值模拟的方法，对流场进行全三维数值模拟，本文以一级压气机为对象进 行数值模拟。具体工作如下： 1 基于燃气轮机压气机叶片成型数据建立物理模型，熟悉c f d 流体 仿真软件，运用c f d 软件进行计算，模拟真实流场。 2 首先研究单相纯气流流动。用三维流动模型对压气机一级叶栅流 畅的内部流动进行数值模拟。 2 研究喷入水后气液两相流动的性质，对单级压气机内的气液两相 流流场进行数值模拟。以及不同喷水量等条件下，流场的变化情况。 4 。对三维数值模拟计算的结果进行分析，研究湿压缩前后压气机内 部流场的变化。 哈尔滨i 科人学硕士学位论文 第2 章湿压缩过程熵和火用分析 2 1 湿压缩热力参数 作为改善燃气轮机装置性能的一种有效手段，近几年来湿压缩得到了 越来越广泛的研究。所谓湿压缩，就是在燃机装置的压气机进口或在压缩 过程中向被压缩气体喷入水，利用水的汽化吸热，使压缩过程接近于定温， 从而减少压缩功，增大输出，提高热效率。目前，湿压缩技术不仅仅处于 理论研究和试验研究阶段，已经在试验燃机上使用，但还未广泛采用。要 使湿压缩真正实用化，还有许多理论和技术问题需要解决。 实际上，饱和湿压缩过程才是极限的湿压缩过程。所谓饱和湿压缩， 即是在压缩过程中，湿空气始终处于饱和状态，或者说，工质始终得到充 分的冷却，此时工质温升最小，耗功最少。显然，只有当压缩时间远大于 系统恢复热、质、力平衡所需要的驰豫时间时，饱和湿压缩才能实现。如 果开始时空气处于饱和状态，且水温等于空气温度，水压等于空气压力( 即 开始时空气与水处于平衡态) ，则在饱和湿压缩过程中，工质时时刻刻处 于平衡态或准平衡态，饱和湿压缩过程是准平衡过程：如果同时无摩擦损 耗，则过程是可逆的，这样的过程即为理想饱和湿压缩过程。不计压缩过 程与外界交换的热量，则理想饱和湿压缩过程是可逆绝热过程，即定熵过 程。 燃气轮机装置实际应用的湿压缩技术分为压气机入口喷水湿压缩和 级间喷水湿压缩。通常，压气机入口空气有一定湿度，但并不饱和，喷水 量也小于饱和过程的喷水量。因此，压气机入口喷水湿压缩的理想过程可 分为三个阶段：入口空气的绝热饱和过程( 此过程结束时，空气与水处于 平衡态) 、理想饱和湿压缩过程( 此过程结束时水滴蒸发完毕) 和可逆绝 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热干压缩过程。 2 2 湿压缩过程耗功 t p g f 0 图2 1 压缩过程p v 图 v o j mn s 图2 2 压缩过程丁一s 图 在图2 1 和图2 2 中1 _ 2 k 表示湿压缩过程。 图2 1 0 和图2 1 1 分别以p v 图和r s 图的形式描述了连续相的各 种压缩过程：湿压缩过程、等熵过程、等温过程和多变过程，并将它们进 行了比较。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从p v 图上看，各压缩过程的压缩功依次为： ，= 面积( ，一l 一2 ，一g 一) ( 等温过程) = 面积( ，一1 2 。一g f ) ( 湿压缩过程) = 面积( ，一1 2 。一g f ) ( 等熵压缩过程) = 面积( ，一1 - 2 。一g 一厂) ( 多变压缩过程) 比较以上过程所包含的面积，可以得到： 7 ， 职w 敝w 从r s 图上看，各压缩过程的压缩功依次为： 哦，= 面积( n 一1 2 ，一 ，一h ) ( 等温过程) = 面积一l 一2 女一2 ，一，一n ) ( 湿压缩过程) = 面积0 1 2 。一2 ，一，一，z ) ( 等熵压缩过程) = 面积( f 一2 。一2 ，一，一i ) ( 多变压缩过程) 由图中可见，理想湿压缩过程比等熵千压缩过程少耗功为， a w = 黟k 一玎7 & = 面积( 1 2 s 一2 r 一1 ) 而空气向外放热为， a q = 面积( 1 2 r m n 一1 ) 和压气机间冷比较，这部分热量被水蒸气吸收，并且有一部分被重新利用。 所以，加热过程耗费的热量埘一2 。一2 。一n m 并没有浪费，其中一部分是 节省了的耗功1 2 s 一2 。一l 。 比较连续相的湿压缩功和实际干压缩过程压缩功，可以发现节省的功 是非常可观的： a w = 阡。一阡k = 面积( 一一1 2 k 一2 。一i 一 ) 液滴蒸发物理模型的建立 为便于分析雾化水在气流中的传热、传质过程，做以下假定： 1 ) 液滴为球形，忽略液滴之间的碰撞等相互力作用； 2 ) 水分子蒸发所需的气化潜热是通过环绕液滴表面的一个很薄 的传热边界层( 占 r ) 传递； 3 )在传热过程中，只有液滴的汽化，没有空气和水之间的传质现 象发生； 4 )气体与液滴没有化学反应，气体按理想气体处理。 液滴被热空气包围，液滴表面的水的分压力比空气中水汽的分压力 高。于是水便从液滴表面汽化，并通过边界层扩散到空气中，汽化水分所 需的热量，取自气流的热量。液滴的体积随液滴质量的减少而变小，液滴 不断蒸发至完全融入气流中，并在热气流中达到温度平衡。 假设湿压缩过程是可逆的，根据g i b b s 方程，对于理想湿压缩过程， t d s 。d h 一生 ( 2 一1 ) p 忽略工质物性的变化，可以得到， t d s = 一工d w( 2 - 2 ) 式中，三一汽化潜热， w - - 汽空气质量比。 这时，g i b b s 方程就可以写成， 一l d w ：砌一生( 2 - 3 ) p 根据理想气体方程，方程( 2 3 ) 可以写成， 一l a w ：2 1 l 万一蔓芝r 丁 ( 2 4 ) ，l p 根据方程( 2 - 4 ) 就可以得到理想湿压缩过程方程， 虫：f 上+ 生塑1 塑( 2 - 5 ) pi y 一1 r d r ) t 从方程( 2 - 5 ) 可以看出，在湿压缩过程中，蒸发速率券起着非常重 要的作 月，要想得出湿压缩过程状态参数变化关系，就必须知道蒸发速率 罢，也正是这一项使得湿压缩过程不同于干压缩过程。 ；一；尘墼鎏三些堡皇耋垒篁圣一 根据连续流的l a n g m u i r m a x w e l l 方法， 塑：坐塑：一笪一2 n d v d , f 丝一丝1 ( 2 - 6 ) 十4 _ - _ 一i j 础d r 以 出 月g 、瓦乃。 式中，d ，一水分子向空气的扩散系数 d p - - 水滴直径 r 一气体常数 ，一水空气质量比 g o - - 空气流量 p l , e 一液滴表面压力、温度 p g , 一蒸发环境压力、温度 假设液滴表面的压力、温度分别等于饱和压力p ；、饱和温度t ，则 方程( 2 - 6 ) 可简化成， 一a f ：丝堕出一玛( 2 - 7 ) _ i 一， 西 尺瓯、7 ：。 如果取e = ，即假设液滴的饱和温度就是当时的气体( 或混合气体) 温度，得到， 警= 畿c p ，- p c ， s ， 因为在湿压缩过程中，等非常复杂，为了简化湿压缩过程，本文中 假设蒸发量随温度变化的规律是线性的，即：d 鬲w = 常数。 2 4 压缩工质的熵和火用 迄今为止，我们习惯于用热效率及焓分析的方法来评价装置的性能。 而这样评价系统的损失和效率并不能揭示系统中有效能损失的部位和数 量。本节从热力学基本公式出发，分析了湿压缩过程中熵和 月的变化。 在湿压缩过程中，由于向压缩工质喷入水，实际压缩工质为湿空气和 4 水的混合物，要讨论压缩过程中工质熵和火用的变化，必须先确定工质熵及 月的计算方法。 2 4 1 湿压缩过程中的熵变计算 在确定工质的熵时，取含有1k g 干空气的湿空气为计算基准，它是 ik g 干空气的熵、k g 水蒸气和，k g 水的熵的总和。 s ( r ，p ，d ) = s 。( r ，p 。) + ，吣，( 丁，p ，) + 扣，( r ，p ，) ( 2 - 9 ) 燃气轮机在喷水的过程中，随着水的喷入，空气的含湿量发生变化， 所以要考虑工质熵的变化，必须考虑空气含湿量w 的变化。 d s = d s 。+ d ( w s 。) + d ( f s ，) ( 2 - 1 0 ) = d s 4 七s 。a w + w d s 七f a s | - i - s | 谢 除此之外，别的因素也会导致熵的变化，如各种摩擦损失。水喷入 压气机会改变工质的熵。在湿压缩过程中存在水和蒸汽的相变，熵也随之 变化。 在湿压缩过程中，水的熵变相对很小，取d s ，= 0 ， 由d w = 一万，可得： d s = 呶- i - ( s ，一s - ) 咖+ w d s w ( 2 - 1 1 ) 喷入的液态水，吸收热量变为蒸汽，产生相变，所以水在湿压缩过 程中的熵变必须分段计算。此过程的熵变等于液体的熵变，气化过程熵变 和蒸汽的熵变之和，即： v j 。一s ，2 j 。一j 2 + 寺 ( 2 - 1 2 ) j g 把( 2 - 1 2 ) 带入( 2 - i 1 ) 可得： d s = d s 。+ w d s 。+ ( s ，- - s g + 善) 咖 ( 2 1 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a s = j 。2 一j + w 2 s 。2 一j 。l + 厶5 ，2 一；。，l ( 2 1 4 ) = s 。2 一s 。l + w l ( s 。2 一s 。1 ) + a w s 。2 + ( 5 ，2 5 ，1 ) 一a f s l 在压气机出口，蒸汽处于过热或饱和状态，水全部蒸发，取 = 0 ， 则熵增可表示为： a s = s 。2 一s 。i + w l ( s 。2 一s 。】) + a w ( s 。2 一s i ) ( 2 - 1 5 ) 如果w ，= 0 ，意味若压缩过程从干空气开始，由上式可得： a s = j 口2 一j d l + a w ( s w 2 一s ，1 ) ( 2 - 1 6 ) 通常来说进口空气不是绝对的干空气，都含有一定湿度，在压气机 进口也会采取各种蒸发冷却技术，即w 1 0 ， 从干压缩可得： a s = 一l ( 2 - 1 7 ) 对湿空气的压缩，设进出口含湿量分别为w l ，w 2 a s = j 2 一s l = j 。2 ( 正，岛2 ) 一s a l ( 五，儿1 ) + ，忱( 五，“2 ) 一w 1 j 。1 ( 互，p w l ) ( 2 一1 8 ) w 2 s 。2 ( 正，p 们) 一w 1 ( t i ，p 。= ( w ：一w 1 ) 考+ w 2r 2 出。 ( 2 1 9 ) 湿压缩过程中，将干空气和水蒸气视为理想气体，比热视为定值的话 有： w 2 s 。2 ( 疋，p 。2 ) 一w 】l ( 7 ；，以i ) = ( 一w 1 ) 言+ w z ( c ，l n 詈一凡l i l p p w 。2 。) ( 2 - 2 0 ) m s o = c l m d ，r _ r 。害 ( 2 - 2 1 ) a s = s a 2 幔，见2 ) 一s 们( 石，见i ) ( 2 - 2 2 ) 6 = 。w l i l - r g i n p a 2 一 将( 2 4 ) 和( 2 1 3 ) 带入( 2 2 ) 可得 血n 鲁- r g i n p 几2 饥飞，考州c c p i n 鲁2 咄n 等， 2 4 2 火用的计算 火用的定义是在除环境外无其他热源的条件下，当系统由任意状态可逆 的变化到与给定的环境相平衡的状态时，能够最大限度转换为有用功的那 部分能量。在燃气轮机的热力分析中，火用作为一种评价能量价值的物理量， 它能反映出能量的可用性实际上有多大。 根据文献2 提供的物理火甩的计算式，取环境温度和压力为工质焓和熵 的计算基准点温度和压力， e 。= h 一矗j ( 2 - 2 4 ) d e 。= d h r o d s = 讲乙+ w d h 。+ ( 。一h g + ) d w t o d s 。+ w d s 。+ ( s 。一s g + 一) d 州 g = d 吃一瓦凼。+ w d k t o w d s 。+ 。d w 一击妒+ 吆d w 一瓦0 。一占g + - ) 西v 1 9 = d e 。+ w d e 。+ 【矗。一h g + j 一兀占，+ 瓦j g 一矗了l a w g = d e 。+ w d e 。+ ( e ，一e g ) d w ( 2 - 2 5 ) a e 。= a h 一瓦a s ( 2 - 2 6 ) 要计算工质的扩散火用需规定环境大气的相对湿度。取温度瓦，压力 p 。，湿度w 。的环境大气做标准来计算工质的扩散 月，由文献 2 给出的含 l k g 干空气的湿空气的扩散火用的表达式为： e d ：r 。瓦( 士1 n 立+ l n 导) ( 2 _ 2 7 ) l 一工vx v ol 一工v 0 ：型l 一x ：j l(2-28x ) v 。礤而k 。丽赢 。 将( 2 - 2 8 ) 带入( 2 - 2 7 ) ，可进一步将湿空气的扩散 月表示为： e d 咄础嘶2 2 + w ) i n 等+ w i n ( 2 _ 2 9 ) = r ，t “( 0 6 2 2 + w ) i n ( 0 6 2 2 + wo ) 一( o 6 2 2 + w ) i n ( 0 6 2 2 + w ) + wi nw wi nwo d ed = r ，t o 【l n ( 0 6 2 2 + wo ) d w i n ( 0 6 2 2 + w ) a w d w( 2 - 3 0 ) + i n w d w + d w i n w o d w ：r ，l ! 坐堡! 型d w ”w o ( 0 6 2 2 + w ) 湿空气的火用应等于湿空气的焓朋和扩散火用之和，因此有： e2 e 口+ e d d e = d e p + d e d 如加脚隅渊咖( 2 - 3 1 ) 2 5 理想饱和湿压缩 理想饱和湿压缩以饱和状态开始，以饱和状态终了。压缩开始时有饱 和的湿空气加上一定数量的同温度的液态水，压缩终了时则有饱和状态的 湿空气。在饱和湿压缩过程中，工质时时刻刻处于平衡态，如果忽略压缩 过程的摩擦损失和流动损失，把燃机看作一个绝热系统，则理想湿压缩过 程是可逆绝热过程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由理想湿压缩过程可得： 毛= 5 2 ( 2 - 3 2 ) 即 a s = c p , , l n 詈- r g i n p 几 2 + ( 如一吐) 专+ 以( c n 鲁- r 。i n p “ 2 ) = 。 ( 2 3 3 ) d ：0 6 2 2 旦二一 ( 2 - 3 4 ) p p ， p ，= e x p ( 1 8 5 9 1 6 一淼) p 一2 1 6 一百i 涵) 上述方程组可通过迭代计算求解。 因为血= 0 ， a e = a e 口+ a e d 由2 - 2 6 ：a e ，= a h 一矗s 可得： a e = 幽+ a e o ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 因为是理想湿压缩过程，w = 一h 。= 幽，由3 2 7 可知，在湿压缩 过程中，燃机消耗的功全部转化为工质的姗储存在工质中，同时水的喷入 也使工质的扩散火用增加。 本章的计算是根据上述公式编制的m a t l a b 程序，对压气机通道进行 工 的热力计算。压气机进口取大气边界条件，等取定值0 0 0 0 0 7 4 6 ，由公 d 式2 3 3 ，2 - 3 4 ，2 - 3 5 叠代结算。计算了不同压比，不同喷水量，不同压 气机效率状况下的压气机出口参数，如图2 3 至图2 6 所示。 由图2 3 可见，在不同的压比条件下，湿压缩出口温度比干压缩出口 温度明显下降了很多，湿压缩明显减少了压缩功，但同时工质的可用能也 随着出口温度的降低而减少了。 理想饱和湿压缩过程中，虽然混合工质整体的熵不发生变化，但在混 合工质内部，水发生相变，需要吸收空气的热量，是一个熵增的过程，而 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 空气对外传热，是一个熵减的过程。 e ，q 7 0 0 图2 3 干压缩和湿压缩的出口温度 图2 4 理想干压缩和理想湿压缩出口 m 值 对于理想饱和湿压缩过程，因为熵增血= 0 ，所以火月的变化 a e = 幽4 - a e 。，由压缩功和和扩散火用转化而来。因为湿压缩过程节省了压 缩功，所以湿压缩压气机出口的火用值比千压缩的火用值要小。 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 0 4 0 s 0 图2 5 理想饱和湿压缩过程空气和水蒸气的熵随压比变化隋况 和中间冷却一样，湿压缩的主要目的也是为了降低压气机压缩过程工 质的温度，从而减少压缩功。但是和中间冷却相比，被冷却工质带走的热 量仍留在蒸汽中，提高了能量的利用效率。如果采用中间冷却得到和湿压 缩相同效果的压比和出口温度的话，出口工质的火用会下降很多。 为了比较湿压缩和中间冷却的效果，我们取中间冷却的出口温度， 等于湿压缩的出口温度正。中间冷却的压缩过程被分成两部分，中间冷 却过程中空气的温度被冷却到进口初温。 口f - 旦：旦( 2 - 3 7 ) p 1p mp i 尝= c 等，击= 印吉( 2 - 3 8 ) 盟= p f 芦) ( 2 3 9 ) p lp ， 风是中间冷却过程的中间压力。 由图2 6 可知，我们把湿压缩和中间冷却相比较，在相同的压比，相 同的出口压力情况下，中间冷却的出口畎用要比湿压缩小很多。这使湿压缩 2 l m m 柚| ； m s 哈尔