（热能工程专业论文）双工质并联型联合循环热电冷三联产总能系统的研究.pdf

浙旺大学硕士学位论文 摘要 目前，世界性的能源危机与环境污染这两大问题已经严重威胁着人类的正常 生产和生瀵。如 可合理剩臻能源、提高能量l l 鼋剩瑙攀己成为国内扑学术磅究的重 点漂题。入 | 、j 逶透露多静方法、多秘形式的系统遴i 予疆究，努力提离系统翡麓量 利用率。联合循环与三联产技术的提出，为人们掇供了薪的思路，尤篡是湿空气 透平( h a t ) 循环以其优良的热力特性和环保性能引起了人们的特别蓑注。 本文酋先综述了国内外对提高能量利用率问题的研究现状和发展趋势，对湿 空气透乎( 壬 a t ) 循环和注蒸汽( s t i g ) 循环这两神典型的双工质并联型联合糖 巧透行了魄较，奔缓了h a t 缀环戆特毪；热、壤、冷三联产技术及该攘零繇采 眉的演化锾吸收式制冷枫。 在前人对燃气轮机总能系统和常规蒸汽循环热、电、冷三联产总熊系统的研 究的基础上，本文提出了以h a t 循环构成热、电、冷三联产总能系统的新的能 量利用形式。 为了诗簿分援豹嚣要，在w i n d o w s 9 8 操作系绞下，鞋动态连接露文馋豹形 式编制了溅燃气的热力往簇专t 舞程序，用任俺一种基于w i n d o w s 的语言编程都 可以调用其中的库函数。并用v i s u a lb a s l e 语言对所得到的热、电、冷三联产总 能系统进行了编程计算。 f 对以鹧融压气机的简单h a t 循环构成的热、电、冷三联产总能系统避行了 可孳亍蠖分砉露，获褥了建立三联产总糍系统嚣，系缀的主要运行参数对h a t 锤骂 特性及总筑系统静影响靓律。 在前人工作的基础上，本文对h a t 循环系统进行进一步改造，引入压气机 的进气冷却技术，并对h a t 循环的给水加热系统殿压气机的中间冷却部分进行 改造，从而得到了较为完善的h a t 循环热、电、冷三联产的总能系统。 在戴鏊瓣上，鼹完善屠豹蕊熊系统进行了熬经济性豹诗算分孝厅。以绳裹能量 剥瑟率为簿掇，综台评徐了藏缮翔静总麓系统，劳程给定的条传下，鼹h a t 薅 环的增压陇及其压气机中间冷却的压比分配进行了优化。 本文的研究，对于开拓人们提高能量利用率的思路，提高双工质并联型联合 循环的实用性具有一定的现实憋义和理论价值。x j 关键词： 能量利用蓼7 湿空气遴罕( h a t ) 循球热电冷三联产惑能系硗“ 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w o r l d w i d ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r em e n a c i n gt h ec o m m o n p r o d u c t i o n a n d l i v i n g o ft h eh u m a nb e i n g s e v e r a l l y n o w h o wt o u s e e n e r g y r e a s o n a b l ya n di m p r o v et h er a t i o o fu s i n ge n e r g yh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t p r o b l e mi nw o r l ds c i e n t i f i cs t u d i e s h u m a nm a k e s e f f o r tt oi m p r o v et h er a t i oo f u s i n g e n e r g yt h r o u g ha l lk i n d so f m e t h o d sa n da l lk i n d so f s y s t e m s c o m b i n e d c y c l ea n d c o g e n e r a t i o np r o v i d et h en e ww a y f o rh u m a n t h eh u m i da i rt u r b i n e ( h a t ) c y c l eh a s b e e nn o t i c e de s p e c i a l l yf o ri t sg o o dt h e r m o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i ca n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o np e r f o r m a n c e f i r s t ，t h es t a t u sq u oa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do nh o wt oi m p r o v et h er a t i oo f u s i n ge n e r g yi nt h ew o r l da r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h e nt h eh u m i da i rt u r b i n e ( h a t ) c y c l ea n dt h ei n j e c t i n gs t e a m ( s t i g ) c y c l e ，w h i c ha r et h et w ot y p i c a ld o u b l e w o r kf l u i d ss h u n t - w o u n dc o m b i n e d - c y c l e sa r ec o m p a r e d a n dt h et h e r m o d y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i co fh a tc y c l e ，t h e h e a t p o w e r c o o lc o g e n e r a t i o n a n dt h el i t h i u m b r o m i d e a b s o r b i n gr e f r i g e r a t o rw h i c h i su s e di nt h eh e a t - p o w e r - c o o l c o - g e n e r a t i o na r e i n t r o d u c e d t h e h e a t - p o w e r c o o lc o g e n e r a t i o ns y s t e mc o m p o s e d w i t i lh a tc y c l ei s p r o p o s e db a s e dt h ep r e d e c e s s o r s s t u d i e so ng a st u r b i n ec o g e n e r a t i o ns y s t e ma n dt h e g e n e r a ls t e a mc y c l eh e a t - p o w e r c o o lc o g e n e r a t i o ns y s t e m f o rc a l c u l a t i o na n a l y s i s ，t h ep r o g r a mt oc a l c u l a t et h et h e r m o d y n a m i c s p r o p e r t i e s o fh u m i dg a si sp r o g r a m m e du n d e rt h ew i n d o w s9 8s y s t e ma st h ek i n do fd y n a m i c l i n kl i b r a r yf i l e ，s oa n yk i n do f c o m p u t e r l a n g u a g eu n d e r t h ew i n d o w s9 8s y s t e mc a n u s et h ef u n c t i o n si ni t a n dt h e p r o g r a m t oc a l c u l a t et h e t h e r m o d y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c so fh a t c y c l eh e a t - p o w e r - - c o o lc o g e n e r a t i o ni sp r o g r a m m e dw i t ht h e v i s u a lb a s i c6 0l a n g u a g e t h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i so fh a t c y c l eh e a t - p o w e r - c o o lc o - g e n e r a t i o ns y s t e mi s d o n e t h el a wo ft h ei n f l u e n c et ot h eh a t c y c l ea n dt h ew h o l ee n e r g ys y s t e mb yt h e p r i m a r yp r o p e r t yh a sb e e ng a i n e d h a t c y c l eh a sb e e na m e l i o r a t e df u r t h e rb a s e dt h es t u d yo fp r e d e c e s s o r si nt h i s p a p e r ：t h et e c h n o l o g yo f c o o l i n g t ot h ei n p u ta i rt ot h ec o m p r e s s o rh a sb e e nu s e d ，a n d t h e s y s t e mo fh e a t i n gs u p p l y i n gw a t e ra n dt h ep a r to ft h em i d w a yc o o l i n go ft h e c o m p r e s s o rh a sb e e na m e l i o r a t e d t h e nt h ep e r f e c th a tc y c l eh e a t p o w e r - c o o lc o i i 浙江大学硕士学位论文 g e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e n o b t a i n e d t h eh e a te c o n o m i c a n a l y s i s o ft h e p e r f e c th a tc y c l eh e a t p o w e r c o o l c o g e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nd o n e u n d e rt h ep r e c o n d i t i o nt oi m p r o v et h er a t i oo f u s i n g e n e r g y ，t h ep e r f e c t h a tc y c l e h e a t - p o w e r - c o o lc o g e n e r a t i o ns y s t e m h a sb e e n e v a l u a t es y n t h e t i c a l l y a n dt h er a t i oo fp r e s s u r ei n c r e a s eo fh a t c y c l ea n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h er a t i oo f p r e s s u r ei n c r e a s eo f t h em i d w a y c o o l i n go f t h ec o m p r e s s o r h a v eb e e n o p t i m i z e du n d e rt h eg i v e nc o n d i t i o n t h es t u d yo ft h i sp a p e r ，h a st h es o m er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n d t h e o r yv a l u et o d e v e l o p t h e t h o u g h t so fi m p r o v i n gt h er a t i oo fu s i n ge n e r g ya n di m p r o v i n gt h e p r a c t i c a l i t yo f t h ed o u b l ew o r kf l u i d ss h u n t w o u n dc o m b i n e d c y c l e s k e y w o r d s ：t h er a t i oo f u s i n ge n e r g y t h eh u m i da i rt u r b i n e ( h a t ) c y c l e h e a t 。p o w e r - - c o o lc o g e n e r a t i o ns y s t e m 浙江人学硕i ：学位论文 主要符号表 了温度( k ) p 压力( m p ) i 焓值( k j k g ) e 炯值( k j & 9 1 s 熵值( k j k g k ) 熵函数( k j k g k ) 印比热( k j k g k ) m 千摩尔质量( k g k m 0 1 ) 月气体常数( k j k g k ) x 给水蒸发掺混倍率 厂燃料空气比 q 换热量( k j ) g 燃料高位发热量( k j k g ) q 。燃料低位发热量( 1 d k g ) 玎增压比，膨胀比 口效率 消耗的功率( k w ) g 输出功率( h ) p ，烟损失( k j k g ) u 回热度 口修正系数 下角标 a 空气的 譬燃气的 s 水蒸汽的 o p t 最佳的 剐燃气轮机的 j ，蒸汽轮机的 c c 联合循环的 0 大气的 r 燃烧的 n e t 净的 浙江人学硕 学位论文 第一章绪论 第一节本文研究工作的背景及意义 随着世界性的能源危机和环境污染问题愈来愈严重，合理利用能源，提高 能源利用率已成为国内外普遍关注的问题。从目前人们所考虑的思路来看不 外乎有这么几种： 1 提高现有循环的工作参数 对蒸汽循环来说，提高透平进口工质的参数可以提高其效率，例如目前所 采用的亚临界机组和超临界机组。但这对金属材料的抗高温性能提出了更高的 要求，如果金属材料的性能不能提高，这种方法也只能停留在超临界机组的地 步“1 。 对燃气轮机循环来说，提高透平进口工质的温度也可以提高循环的效率。 随着高温材料的研制和冷却技术的改进，目前燃气轮机的进气温度已经可以达 到1 4 0 0 。c 以上 4 7 | 7 燃气轮机的效率较以前已经有了大幅度的提高。 2 采用新型高效的循环提高系统的效率： ( 1 ) 从改进工质方面考虑，由于水蒸汽这一廉价介质的热力性质不够理想， 临界温度只有3 7 4 。c 3 0j i 导致循环的平均吸热温度偏低热效率的提高受到限 制。同时，其所对应的饱和压力又太高，不利于锅炉设备的设计和运行。于是， 人们考虑采用混合工质。例如，1 9 9 2 年，美国e x e r g y 公司建造了世界上第一 台k a l i n a 循环机组5 ”它采用混合比例可调的氨水混合物作为工质，在热力 性质上有很大的改进。 ( 2 ) 从改进循环构成方面考虑，由于燃气轮机技术的发展，而且其机组的 容量以发展到可以与蒸汽轮机相比，所以，人们考虑建造以燃气轮机为主的燃 气一蒸汽联合循环。以前，虽然也在蒸汽循环中出现过燃气轮机，但那时的燃 气轮机只是起助燃等辅助作用，并不用来承担负荷n ”。如今的燃气轮机与蒸汽 轮机在联合循环中一同承担负荷，甚至承担的负荷量要大于蒸汽轮机”。 目前，又有文献提出d 明将磁流体发电、燃料电池等技术应用于联合循环， 浙i ：i = 大学硕士学位论文 从而构成多级联合循环，进一步提高循环的效率。 ( 3 ) 从改进循环结构方面考虑人们义提出并联型联合循环。如注蒸汽 ( s t i g ) 联合循环和湿空气( t t a t ) 循环“6 1 1 就是两个典型的并联型联合循 环。这两种循环的共同特点是都省去了蒸汽轮机，而将燃气、蒸汽的混合工质 一起通入一个统一的透平。由于蒸汽成分的存在，改善了燃气轮机的叶片冷却 条件，降低了n o 。的生成量，增大的透平的工质流量，从而增大了循环的比功。 而且h a t 循环还以其特色设备饱和蒸发器代替了余热锅炉，从而使结构更 为紧凑。 3 建立总能系统提高系统的能量利用率： 所谓总能系统，是指能量自给的系统，即该系统所需的能量，几乎都山该 系统中所设置的唯一能源供给，而不必求助于其它能源”。热电联产就是一种 典型的总能系统，即较高参数的工质首先用来作功发电，然后抽汽或排汽供热， 既避免了热电分产时，可用能的大量损失，也避免了大量的冷源损失，具有热 力学优势。但是，在进行热电联产设计时，首先要考虑当地热用户的热负荷情 况，如果没有足够的热用户，热电联产也就失去了其意义i o i 。另外，单纯的热 电联产生产还要受到全年热负荷不均匀的影响。一般地，在夏季热电联产生产 都会因热负荷不高而发挥不出其优越性1 1 0 1 。 于是。在热电联产的基础上，人们又提出了热、电、冷三联产。即使锅炉 产生的蒸汽先通过背压式汽轮机发电作功，排汽除满足各种热负荷外还用作 溴化锂吸收式制冷机的热源。这样，使整个系统的热负荷平衡，提高了夏季热 电厂的发电量与供热量，使系统能够高效运行，提高了全年的综合经济效益， 另一方面大大减轻了空调制冷负荷对于电网的压力，缓解了当地电力紧张局面。 而且，溴化锂吸收式制冷机不采用c f c s 做为工质，有利于保护大气臭氧层， 减轻地球温室效应。溴化锂制冷机以低压蒸汽甚至热水为热动力源，还可以根 据具体条件，利用余热、废热等低品位能源，提高能源的利用率。因此，热、 电、冷三联产，有利于保护环境，优化能源消费结构，促进热电事业的发展， 缓解电力紧张，提高能源利用率，具有广阔的前景i o l o 总能系统的最大特点就是对不同品质的能量进行不同的应用j 。温度比较 高的、具有较大可用能的热能用来发电，而温度较低的低品质热能则用来供热 浙江大学硕士学位论文 或制冷。这样充分体现了能量的阶梯利用原理。 本文通过对以双工质并联型联合循环构成的热、电、冷三联产总能系统进 行研究，建立了一种以h a t 循环构成的热、电、冷三联产总能系统。该系统集 中了h a t 循环和三联产总能系统二者的优点，做功效率高、总能利用率高、结 构紧凑、环保效果好等，是一种性能优良的能量利用形式。本文的研究对于 开拓人们提高能量利用率的思路，提高双工质并联型联合循环的实用性具有一 定的现实意义和理论价值。 第二节湿空气透平循环与注蒸汽循环的比较 1 h a t 循环的简介 i t a t 循环的原型是o a s p a r o v i c 和h e l l e m a n sm 1 于1 9 7 2 年提出的，那时只是 在简单燃气轮机循环的压气机后加了一个蒸发器。1 9 8 3 年日本的y m o r i 教授 等n ”进行了一些改进，首先提出了h a t 循环的方案。该方案也可以称作蒸发 一回热式双流体循环，其基本思想可以用图1 1 所示的原则性系统来概括。 图1 1h a t 的循环系统示意图 l - 压气机；2 - 蒸发器；3 - 排气给水预热器：4 回热器；5 燃烧室： 6 一湿空气透平：7 一发电机 1 9 8 5 年以后美国的r a oa d 等人d 对循环进行了进一步的完善并申请了 多项专利。改进后的h a t 循环示意图如图l 一2 所示。 相对于常规的回热式燃气轮机而言，h a t 循环增加了一个排气给水预热器， 浙江大学硕上学位论文 在压气机与回热器之间增设一个饱和蒸发器。软水经过排气给水预热器的加热升 温后，进入到饱和蒸发器，由压气机供来的高温高压空气进行加热蒸发，使高温 图l - 2h a t 循环的热力系统图 1 低压压气机；2 一高压压气机；3 一湿空气透平；4 一发电机：5 一燃烧室；6 _ 回热器 7 崩 气给嫩干面热器：8 饷和蒸特器：9 一同水粟：1 0 一后冷器：1 1 一卒闾冷器 高压空气的温度降下来，成为空气与水蒸汽的混合物。这样，就能充分发挥回热 器的作用回收燃气透平的排气余热，即使在高压比的燃气轮机中，也同样能够 采用回热器来提高机组的热效率。啷1 饱和蒸发器( 又称湿化器) 是h a t 循环的特色部件u “，它是一个直接接触 式传热传质单元。与s t i g 循环中的余热锅炉不同，水在饱和蒸发器中是变温蒸 发的，利用低温热水就可以完成，这样高温余热可用来加热湿空气，从而系统的 热量得到了合理的阶梯利用。同时，间冷器的使用减少了压气机的功耗，后冷器 的使用摒弃了回热循环的回热温度限制；随空气进入燃烧室的大量水蒸汽大大降 k tn o 。的产量，也改善了透平高温部件的冷却条件，使透平初温可以进一步提 高；水蒸汽的加入增大了系统工质的的流量进而增大了输出。因此，h a t 循环 具有高效率、高比功、低污染的特点“”。 综合起来讲，h a t 循环具有以下优点 2 9 1 ： 湿空气是在湿空气透平中膨胀做功的，它可以省去常规燃气一蒸汽联和 循环中的蒸汽轮机及其系统，使发电设备大为简化，并且以饱和蒸发器代替了余 热锅炉，使结构变得更加紧凑； 浙江大学硕士学位论文 压气机的压缩比很高时，也能用回热器来回收燃气轮机排气的余热： 从空气问冷器和排气给水预热器中回收的低温( 即：低品位) 热能，都 能被完全利用来参与循环过程，它为提高循环的热效率提供了条件： 由于透平工质流量大幅度的增加和蒸汽具有做功能力大的特点，以及中 间冷却方案可以减少空气的压缩功，因而循环的比功值是很大的。 由于水蒸汽成分的存在，大大降低了燃烧室内n o 。的生成量，即使不采用 其他措施，燃气轮机排气中的n o 。含量也能被控制在5 p p m 。另外，由于h a t 循 环的效率高，c o ，的排放量也能减少。因此，h a t 循环具有良好的环保性能。 2 s t i g 循环的简介 图1 3 程式循环的系统图 烟 图1 3 是s t i g 循环的系统图，它是在1 9 7 4 年，由美籍华人程大酋博士提出 的d ”，因此又称做程式循环，也是双工质并联型联合循环的一种。由图中可以 看出，它与h a t 循环的主要区别在于软水注入的位置不同，给水的加热方式不 同。程式循环中软水是经余热锅炉加热蒸发后，水蒸汽在燃烧室的合适部位注入 的。所以，程式循环的余热锅炉同时起到了回热器的作用。 3 h a t 循环与s t i g 循环的比较及型式确定 h a t 循环与s t i g 循环的共同点在于都是省去了常规联合循环的蒸汽轮机 及其系统，使结构得到简化：同时也都因为使用混合工质，改善了燃气轮机的叶 片冷却条件降低了n o 。的生成量。 但是，h a t 循环以饱和蒸发器代替了余热锅炉，使设备变得更为紧凑，而 浙江人学硕上学位论文 且，在燃烧室内完全是湿空气的燃烧不象s t i g 循环的燃烧室内进行的是一 个空气一边燃烧，一边与水蒸汽混合的过程。所以，在控制n o 。的生成量方面， h a t 循环比s t i g 循环的效果更好。因此，本文的研究主要是以h a t 循环构成 的热、电、冷三联产总能系统为主。 第三节本文研究的内容 本文将要完成以下几个方面的研究工作： 1 首先对国内外提高能量利用率问题的研究现状和发展趋势加以综述。 2 在前人研究的基础上，提出以h a t 循环构成热、电、冷三联产总能系统的 新的能量利用形式。 3 编制出湿燃气的热力性质计算程序以及h a t 循环构成热、电、冷三联产总 能系统的热力计算程序。 4 对以单轴压气机的简单h a t 循环构成的热、电、冷三联产总能系统进行可 行性分析。 5 在前人工作的基础上，对h a t 循环系统进一步进行改造，得到较为完善的 h a t 循环热、电、冷三联产的总能系统。 6 对完善后的总能系统进行热经济性的计算分析，并在给定的条件下，对h a t 循环的增压比及其压气机中间冷却的压比分配进行优化。 6 镬扛走学疆士学蕴避文 第二誊h a t 循环的理论分析 髂一节h a t 循环的热效率 戬l k s 燃料作为问题分析的蹬发点。取进入燃烧室的燃睾埠空气比为工那 么，在不考虑压气机漏气损失和冷却空气的前提下进入低压膳气机的空气流 率应等于l fk g s 。取在魄和蒸发器中嚣蒸发蠢避入空气中豹蒸汽豹凄量掺混继 率为茸，则掺入的蒸汽流率应等于蟛k g s ，以图l 一2 为例进行分析。严格地讲， 燃气和蒸汽在透平中分剐进行的并非慰一个绝热膨胀过程，空气不能算是布雷 顿疆巧，蒸汽也不躯舅爨郏鸯覆巧”。毽是，燃气与蒸汽豹混合物在透乎中遴 行的却是一个绝热膨胀遗程。为了叙述和分析的方便，把这一个绝热过程分解 为燃气和蒸汽的两个绝热过程来讨论。 滠空气透平豹蕊功率譬霉表示为： 口= + e 式中瑶一漫空气孛的燃烧产物谭过遴乎掰产生的功率 e 一澎空气中因谯饱和蒸发器内水的蒸发而产生的水蒸汽成分通过透平 所产生的功率。 撬组靛实际霹羯功率荛： 上；一( e 一+ 三：) = 【备( ：- + e 2 ) 】+ 上： ( 2 2 ) 式中霉；和1 分别为羝聪篷气枫积离溅压气扭掰淤艇购功率。式( 2 2 ) 中人 为地假定空气的压缩所消耗的总功率碍+ ：全部由湿空气中的燃烧产物在透 平所做的功率来承担。 所以，熬令循霹：豹热效率畦可敬表示为： 。 弦：竖d 粤墨监塑( 2 - - 3 ) ，糟 ，、 嚣耵。船ip 浙江大学硕士学位论文 式中以，。i l k g 燃料的低位发热量。 1 燃烧室的计算： 如图2 - 1 所示，1 k g 燃料中所蕴储的低位发热量是通过在燃烧室中发生的燃 烧过程分别转移给湿空气中的燃烧产物和水蒸汽的。其能量平衡关系为： 1 ，空 x f 水蒸汽 圈2 1 燃烧呈中的能量转换 q 。，刁，= ( 1 + f ) i 9 8 + 享，s 】一【多，+ 多， = ；( 。一f d ，) + i g s 】+ 多( f ，s 一，) = 鳞+ 残 ( 2 4 其中q ；一燃气在燃烧室内吸收的热量， 睇= ( 1 + f ) i g s - 7 1i 。，(2-5) 或一水蒸汽在燃烧室内吸收的热量， 线2 了x ( f 一f ，7 ) 。 ( 2 6 ) 式中一燃烧室出1 3 处燃烧产物的比焓值，k j k g ； 7 一燃烧室入1 3 处空气的比焓值，k j k g ； i ，。一燃烧室出口处燃气中因饱和蒸发器内水的蒸发而产生的水蒸汽的 比焓值，k j k g ： ，、一燃烧室入1 3 处空气中上述水蒸汽的比焓值，k j k g ； 口，一燃烧室的燃烧效率。 这样，循环热效率的表达式( 2 3 ) 式就可以改写为： 赣江大攀镬_ i _ 学位逾殳 睇+ 线 鲥殳铲线专必 咒十线 刁，i q ；叩f o 十q ：吁：】 或+ 残 小钞， l + 篓 线 翌! ! ! ；! 曼至；! 一 1 + a 式中 4 = 或聪 = 嚣一( 霹；+ 如) 叩：= ：q ； ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 9 ) 中就是默热鳖鲧定义的燃气轮税的循环效率，式( 2 一l o ) 中的 坑则是以热量q 三定义的蒸汽轮机的当量热效率( 并非蒸汽轮机的循环效率) a 鼍良诞鹗，醣式( 2 9 ) 耪式( 2 一l o ) 方式定义豹鞠，育甓 蹿；豹 关系( 证明过程见后面城的计算部分) 。因而，随潜a 值的增大，即在燃烧镦 巾蹩爨秘嚣燃烧嚣释敷爨窳豹毵董线+ 。4 ，中更多豹热笈线转移绘瘩蒸汽， 则h a t 循环的热效率也会随之提高。 2 叩：的计算 9 浙江大学颟量学位论史 以1k g s 燃料作为计1 算的出发点t 惫= ( 1 + ；( 7 s s 一2 s e ) 圯= ：一j 珞= 扣，) 式中 妇一湿空气透平出口处燃烧产物的比焓值， k j k g 乇：一低压压气撬蹬目楚空气懿篦戆亩薹t k j k g ： 一低压压气机入口处空气的比焓值，k j k g ； 一高压压气机出口处空气的比焓值，k j k g ： 穑一赢压压气糠入疆链空气静跑廷篷，k j k g ： 将乓，e 和e ：代入到即；的表达式，得到 俨丝警蔓 式中参数 ，、( 既m 。p 玩一屯7 ) + j 一t l f = 。一一 ( f 蚰一，。7 ) q 口，虬，7 ，+ r ( t s f ，7 ) f 9 8 h ：一一堡型! 监里 ! ! l ( f * $ 一f 。，) 艮。，蹿，4 - x t s i , 7 ) i p s 设湿空气邋平之后的回热器的回热度为， “：瓦一珏， 7 ；? ： 式中n 一围热器出口的湿空气温度； 瓦一回热器进口的湿空气温度； 瓦一糕热器逶日豹漾燃气涅度。 ( 2 一1 1 ) ( 2 一 2 ) ( 2 1 3 ) 2 一1 4 ) h 一 鲤 鱼呱 堕) h屯 一 k 一 浙江太攀赣 。学往论文 当u 选定后，或是温麓咒一乃选定z 后，在h a t 循环的总f l i 比月恒定的情况 f ，随着瀑空气透平前滋度瓦的增赢，蹿；将随之增大，两只，髓着一的变化， 蟛将会出现一个最佳德。 喷水然发掺混倍率x 值对于嘭略有影响，但其影响度是微小的。随着x 值 的璜大，蟛略有下降鑫奄趋势。 3 ，7 ：的计算 馐予 墨2 - f 。 咖。 显然 叩：笔：譬：，( 2 - - 1 5 ) 掣二l j 8 一，j7 眵匕j 卜竺! ：! 基：! ! 竺! ：! ，( 2 - - 1 6 ) 。8 叫“尝三q o 。肌枷。 。 i s 8 一，7 ” 俨鬻 ， 卯，( 篆专_ 1 ) 圳。sj b7 。a + x t 。 n i s ， ” 浙江大学颤1 学位论文 唾 一竿一， ，7 ：一，7 二 竺! ：! 互1 9 8 - - l a 7 ：! ! 尘! 二 _ l g g 一- - l j a 7q 。m p q ? 十x i 社 j 8 一i s 7 ( 2 17 ) 由此我们就证明了：，7 ： _ ； 所以，h a t 循环的热效率坛将随着水蒸汽和燃气在燃烧室内的吸收的热 量比a 值的增大而增高。 4 a 值的计算及其影响因素 折肚嚣2 赭1 差i 1 q 童( + ) 。b 一。7 由式( 2 4 ) 可推得： ，一! 坠二丝堕二型 。 q 。，。p 玎，一i g b 则，式( 2 1 9 ) 可以改写为 ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) 山此可见，爿值主要是湿空气透平前温度瓦和饱和蒸发器巾水蒸汽蒸发掺 混倍率x 的函数。随着温度瓦的升高，a 值略有增大的趋辨，但其增力的幅度 却比较小。然而随着x 值的增大，a 值的增加幅度却是很大的。 鲁 一 嚣 撕江大学硕士学位论文 5 畦辩舅_ 静诗算方法 网2 - 2 给出了h a t 循环系统中能量的传浇和平衡关系。 翻2 - 2h a t 循环系统中能懿传递和平挺关系 l 一聚器透气爨；2 一空气闻冷瓣；3 一裹压压气撬：4 一螽冷器；5 一暹空气逶平 6 一发电机：7 燃烧室：8 一饿和蒸发器；卜同热器和排气给承预热器 显然。压气机的能量平衡关系式为： q i + e l + 上口2 裟q 2 + q 】+ q 眦 ( 2 2 2 ) & g q ；一馥一i 易；一 勘2 = 一( 三刍+ 霹：) ( 2 2 3 ) 式中q 。一相对于l 堍风燃料两言，吸入低压压气梳豹空气所携带瓣能量 照一空气流出后冷器时所携带的能量； q 。一空气间冷器中e l ；j 空气传递给给水的能量： q 。一囊冷器中由空气传递绘绘水豹能量。 键秘蒸发瓣靛能量乎簿关系式灸： q o + q 2 + ( 靠i 十q 2 + i 孙3 = q 3 ( 2 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 式中q 。一系统补充水携带进入饱和蒸发器的能量( 忽略回水泵加入的能 量) ： q ，。一在排气给水预热器中高温湿空气传递给给水的能量： g 一湿空气离开饱和蒸发器时所携带的能量。 燃烧室的能量平衡关系式为： q 3 + q 帅+ q 删，r l ，= 幺 ( 2 2 5 ) 式中q 。一在回热器中由高温湿空气传递给压缩空气的能量： q 4 一湿空气流出燃烧室所携带的能量。 湿空气透平的能量平衡关系式为： q 4 = 上；+ ：+ q s 即 q 4 一q 5 = 0 。+ 上： 。 ( 2 2 6 ) 式中驮一湿空气透平的排气所携带的能量。 回热器和排气给水预热器和能量平衡关系式为： q 5 = q + 甄3 + q 2 ( 2 2 7 ) 把式( 2 2 3 ) 与式( 2 2 6 ) 相加后可得： 一( 工刍+ e ：) + e = q 一q z q w 一一q r z + q 。一q s ( 2 2 8 ) 利用式( 2 2 4 ) 的关系上式可改写为： 上刍一( 上：l + 茸2 ) 十上：= q 一一q ，+ q w ，+ q w o 十q 。一q s ( 2 2 9 ) 利用式( 2 2 5 ) 的关系，上式可改写为： 三：一( e l + e 2 ) + ：，= q l 十如，。乩p 7 ，十q h w + q 3 + q o q 5 ( 2 3 0 ) 利用式( 2 2 7 ) 的关系，上式可进一步改写为： 三：一( 上刍+ 鬈2 ) + e = q j + q o ，。，刁，+ q o q 月2 ( 2 3 1 ) 鉴于伽监掣 则式( 2 3 1 ) 可改写为： 叩三q 。，月“p = ( q 。，。“p 叩，+ q i + q o q 2 ) 浙江大学硕士学位论文 故 伽”匹o l + 了q w 。一爱： 仍然以1 k g s 燃料作为分析问题的出发点则 9 l ：- 1f 。l | 鲂。= 乏f 。 ( 2 3 2 ) 以：- ( 1 + 扣，+ 扣， ( 2 _ 3 3 ) 由此可见：减少排气给水预热器出1 ：3 的排气温度t i 以及排气量可以使h a t 循环的排气热损失巴：下降，它有利于提高h a t 循环的吧。增大z 值虽然会增 大排气中的水蒸汽的含量，但却能使，值加大，也就是会减小相对于1 k g s 燃料 而言的空气吸入量( 1 3 9 ，其结果会导致机组的总排气量较大幅度的减少，这将 促使q | ：降低，从而使城增高。 第二节最佳压缩比刀。及其影响因素 当回热度u 和喷水蒸发掺混倍率x 恒定时，随着湿空气透平前温度l 的增 高，h a t 循环的热效率城是随之增大的。当瓦也恒定时，随着h a t 循环中压 气机压缩比一的增高，弦将有一个最佳值。在h a t 循环中与最佳花相对应的 最佳压缩比值一。是相当高的，而且，”。值将随着兀的增高而急剧地增大。 当瓦= 1 3 7 3 1 6 7 3 k 时，j 一2 8 4 5 。与给水加热系统的流程及其参数的 优化有很大关系，随着给水加热系统的完善1 ”o p t 值会有明显下降的趋势。 当u = c o n s t ， 瓦= c o n s t 时，h a t 循环的热效率桩将随着喷水蒸发掺混倍 率x 的增大而增高。当x = c o n s t 时，它也有一个最佳压缩比，刀掣值也将随 着x 的增大而略有增大的趋势。 当疋和x 恒定时，弦将随着回热器的回热度u 的增大而增高，但其相应 的月。值却有大幅度的降低。例如：当t s = 1 4 7 3 k ，x = 0 2 8 时，与u = 0 6 5 相对 浙江大学硕士学位论义 应的。一3 5 4 0 ，但与u = 0 8 相对应的月q 值却可降低到2 5 左右a 在h a t 循环中倘若压气机的等熵效率增至o8 8 ，湿空气透平的等熵效率增 至09 2 ，回热度取为u = 0 8 5 ，喷水蒸发掺混倍率取为x = 04 ，湿空气透平前温 度取为瓦= 1 6 7 3 k ，压缩比取为j r = 4 0 ，那么。对于图1 2 所示的系统取补充水 的温度为1 5 ，混合后的给水温度取为3 0 c ，而空气问冷器和后冷器的两端传 热温差均取为1 0 c 的前提下h a t 循环的热效率可提高到城= 0 5 9 以上 2 9 1 如按照图l - l 进行计算，即：在没有空气间冷器和后冷器的情况下，u = 0 6 5 和x = 0 2 8 时，相对于常规的燃气轮机来说，当改为h a t 循环后，机组的热效 率也是能提高的，但提高的幅度却要比采用双轴压气机、并装有空气问冷器和 后冷器的系统低很多。然而，它有一个优点，那就是与最高城值相对应的最佳 压缩比f ，值却比较低，当又= 1 4 7 3 k 时，n 。一2 0 左右。 由此可见，采用高回热度的回热器，或是采用无空气间冷器的单轴压气机 方案。均能降低h a t 循环的最佳压缩比。 总之，在h a t 循环中若能采用有空气问冷器的双轴压气机、高的湿空气透 平前温度瓦、高回热度u 的回热器以及高的喷水蒸发倍率r ，将有利于大幅度 地提高h a t 循环的热效率吧。 当我们设定了大气温度t 、低压压气机的等熵效率目。高压压气机的等 熵效率目。燃烧室的效率目，、各部分的流阻损失系数f ，、湿空气透平的等熵 效率口，、回热器的回热度u 以及高、低压压气机之j 剞压缩比的分配规律之后， h a t 循环的热力性能( 包括热效率城) 只是。睦, n t gr ( r = 瓦，l ) ，总压比 和喷水蒸发掺混倍率x 这三个参数的函数。 第三节喷水蒸发掺混倍率j 的选取问题 如前面所述，若能选择较大的喷水蒸发掺混倍率x ，将有利于提高h a t 循 环的热效率畦，但是，x 值的选取一定要受到以下两个条件的限制即： ( 1 ) 保证进入燃烧室的湿空气中所含的氧气的容积浓度，仙，能与进入燃 烧室的湿空气温度弓合理地匹配，以便满足稳定起燃的条件，否则h a t 循环 豢江火学碗。学篷论文 中的燃烧畿就无法稳定燃烧。瓦越低时，。、的极限浓度就要求越高，即x 值不 能选取的缀大：计算表明：当x = o 4 5 时，湿空气中的含氧浓度大约等于1 2 ，8 ， 那时，就嚣求t 7 5 6 0 c 才能保证燃烧警的稳定工佟。一般灌来，在h a t 循环中 可能选取的蠼大x 值在0 4 左右。 ( 2 ) x 豹选择必须与极组豹压缨比嚣担匹配，秀则撼气绘承颈热器出口静 燃气温度t t 。( 参觅图l ，2 ) 将低予燃气的酸露点，丽使预热器中的管簇发生腐 蚀现象。般说来，l ，威比燃气的酸麟点高1 0 。c 以上。只有当膳缩比n 较高时， 才能选取较大的x 值。警然，在同一个一条髂下，湿空气透平静瀑瓦越高时， x 值就可以选得越大一塑。但是，回热发u 较大时，x 值就必须选得小一些。 当然，在选定x 慎后，我们可以通过空气间冷器、后冷器、饱和蒸发器、 回热器以殿接气绘求预热器鲍热平簿关系式翻质爨乎赞式，确定出嵝到饱秘蒸 发器中去的给水量与避入的空气量的比值g ，流经空气闯冷器的给水量与窝气 量的比值d ，流经后冷器的给水量和空气量的比值b ，流经排气绘水预热器的给 承量和空气蹩靛比值f ，戳及其毽一黪参数。 设置厝冷器并不靛使h a t 循环增加对系统中低晶位热能的利塌，但它却能 使进入饱和蒸发器的空气温度疋值降低，也就是使饱和蒸发器排出的回水温度 ，k 降低，这撵才能有利予流经空气润冷器、爱冷髅、毽和蒸发嚣以及撵气绘承 预热器的绘水系统建立越协诵的能量平衡和质量平衡关系。 第四节h a t 循环比功的计算 以l k g s 燃料作为分析问题的出发点，计算h a t 循环的理论比功为 孵= ( 1 + 旷十；如) 一扣扩+ ( i a 4 - i a 3 ) 】( 2 3 4 ) 显然，随着和x 的增黼，h a t 循环的比功是增大的。 第五节h a t 循环受大气温度乞燮纯的影凌 当大气温度，口小于波计的环境温殿点，。时，h a t 循环中艇气机的总压缩比 f 基本上摄绦撩垣定不变瓣。当湿空气透孚翦豹燃烧瀑痉潼定摄t o 1 4 ，t 瓣， 新迁夫掌醺l 一学垃延文 随着大气温度的增高，廉气机的总胍缩比一将有棚当程度的降低。 当大气温度低于设计点时，为保证湿空气透平荫的燃烧温度能够恒定地 维持在袋蕊零平，戳绦谖丰蔻缰获褥赢效率，低压蔗气祝入西躯邂气警时应该遥 当关小。当大气温度高于设计值f 。时，h a t 循环能够达到的最大净功率应与低 压压气机入口的进口导叶开到最大时的工况相对应。 h a t 缓环静净热巍率譬睫大气滋度鼢变纯建稳当平毽躲，童气崮一1 2 2 增大到4 8 9 时，其净热耗率仅相对增加了2 5 而己。 研究述表明，由于程h a t 循环中湿空气中含商大量的水蒸汽，它能抑制燃 烧过程串n o 。豹生成，戮露，露使不袋羯选择毪的穰亿还原法，燃气捧放中n o 。 含量也能被控制为5 p p m 。由于h