（工程热物理专业论文）hat循环空气湿化过程研究.pdf

摘要 未来的先进动力循环中，湿空气透平【h 觚) 循环颇具发展前景。该循环优良的 热力学性能得益于通过压缩空气湿化过程对系统低品位废热的回收利用。在过去的二 十年里，人们主要研究了各种循环系统集成的可行性，并对相关关键技术，如加压空 气湿化、湿空气燃烧和烟气水回收技术进行了有益探索。湿化器是h a t 循环的关键 部件，其性能优劣对系统总体性能至关重要，但是迄今为止，加压条件下湿化过程的 实验数据和设计理论仍十分缺乏。针对这一现状，本文的主要目的是借助实验和数值 分析方法，深化对h a t 循环加压湿化过程传热传质和内部流动机理的认识，并探素 将c f d 技术与一维模型设计方法和系统综合优化相结合进行湿化器综合优化设计的 可能性。 为实现上述研究目的，本文工作从以下几个方面展开： 第一，作为加压湿化过程热力学分析的基础，建立了湿化器节点和最小焓差推动 力的解析分析方法，提出了湿化器性能评价指标，为h a t 循环系统优化提供支持。 第二，利用建造的加压湿化器实验台，研究了湿化器内部传热、传质机理，进行 了湿化器总体性能和内部流动实验研究，分析了喷嘴雾化特性对湿化过程加热、加湿 性能的影响，得出了湿化器压力损失随空气速度和水气比的变化规律，并研究了操作 压力对湿化器内部流动的影响。 第三，利用改进的一维模型和三维理论模型研究了湿化器内复杂的空气一水滴两 相流动及传热传质过程，并将数值模型预报结果与实验数据进行了比较、分析。在一 维模型基础上，分析了雾化水滴直径对湿化器稳态传热、传质性能的影响，并研究了 湿化器各出l 参数对进口水温和水流量扰动的动态响应特性。三维模型考虑了更为复 杂的包含水滴碰撞与合并现象的雾化机理，水滴运动轨迹计算采用涉及湍流扩散影响 的随机轨道模型，利用三维数值模拟分析了湿化器内各两相流动参数对湿化器性能的 影响。 第四，在验证上述模型基础上，提出了湿化器综合优化设计方法构架，及湿化器 直径和高度设计准则，同时针对h a t 循环耗水问题进行了初步研究，探索了循环实 现水自平衡运行的原则及烟气冷凝系统技术选择的合理性a 关键词。加压湿化器，一维模型，随机轨道模型，雾化特性，湿度测量，流场 i i 址s i r a b s t r a c t x u 办e n ( e i i g i l l e e 血gt h e r n l o p h y s i 哟 d i r e d e db y ) ( i a o y 岫h 锄a n d w 柚g y u e h u m i da i rt u r b i ec y d ei sv e r yp r o m i s i n ga m o n gt h ef l l t u r ea d v a n c e dp o w e rc y d e s n se x c e n e n tt h e 咖o d y i i a m i cp e r f 0 皿a n c eb e n e f i t s 丘o mt l l er e c o v c r ya n du d l 垃a d o no f 1 0 w 一掣a d eh e a ti nm et u r b i n es y s t e mv i an i eh u 删d i f i c a t i o np r o c e s so fc o m p r e s s e da i r i n p 够i 柳od e c a d e s ，t h er e i a t e ds t l l d i e sf o c u 8 e do nc y d ec o n 丘g u r a d o n 粕a l y s i s 柏dk e y t c c h n o l o g yd c v e l o p m c n t ，s u c ha sp r c s s w i z e dh u m i d i f i c a t j o n ，c o m b u s 日o nw n h h u m i da i r a n dw a t e rr e c o v e r yf r o mi h ee x h 跚s 1 h u m i d i n 盯i sak c yc o m p o n c n to fh a t c y d e ，a n dj i s p e r f o r m 觚c ch a ss i g n i 丘c a me f f e c to nm eg e n 盯a ip e 西3 蛐a n c eo ft h es y s t e m h o w e v e ht l l e e x p e r i l i l e n i a ld a t aa dd e s i 酣t h e o r yf o r h u m i d i f j c a t 沁np 砌s s 咖d e re l e v a t e dp r e s 吼l r e h a v e b e e nd e f i c i e n tc v e nu n t i ir e c e n ty e a r s 1 m 盯e f o 耻，t h em a i np u r p o s eo ft h ep r e s e n tw o r k j sa i m e dt o w a f d su n d e r s t 觚d i n go ft h ei n l e m a lf l o w 衄dh 曲c 卸dm a s s 打如甜hm e c h 粕i s 抛 o fh u m i d i f i c a t i o np r o c e s sb yu s m gb o l hc x p e r i m e n t a la n dn u m e n c a lm 鲥1 0 d s ，a da l s o ，【0 f m d 幽ep o s s i b n i t yo ft l l e o o i n p r e h e n s i v e l y0 p t i i 姗md e s i 目i n go fah u m i d i f i e rb y c o m b i i l i n gc f d ，1 - ds i m m a t i o n 强ds y s t e mo p t i m i z a i i o nm e l l l o d s t h ed i s s e f t a t i o nw a so r g a i l i z e d 船f 0 u o w s ： f i r s t l y ，a s ab a s i so ft h e n o d y n a j c a l a 1 1 a l y s i s o f p r e s s u r i z c dh u m i d i f i c a t i o n p r o c c s s e s ，a l ia n a l y t i c a im e t h o dw 猫d e v e l o p e df o rc a i c i l l a t i n gt h 。p i i l c hp o i m s 柚d i n i n j m a le n t h a l p yd i f f e r e 眦ed r i v i n gf o r c ei h u m i d i 丘c a t i o n 幻w e f s t h ei i l d i c e sf o r e v a l u a f i n gt h ep e i f o 姗柚c eo fh u m i d i f i c r sw c f ep r o v i d e d ，w l i i c hw i l ls u p p o r tt h e o p t i l n j z a t j o no fh a t 叫c l e s e c 0 d ly ，at e s t “go fp r e s s w i z e dh u m i d i f i c a 廿o nt 讲v e rw a sb l l i n 1 1 l ei m e r n a ln o w 柚do v e r a l lp e r f o r i n a n c eo fl h et o w e rw e r cs t u d i e de x p e i i m e n t a l l y 1 1 1 em e c h 蛆i s mo f h e a t 明dm a s st 硼s f e ri n s i d ct h et o w e rw a si n v e s t j g a t e d 1 m ei l l f l u e n c eo fs p r a yc h 啪c t e r 主s t i c s i h a b s 玎丑m o fi h e 0 z z l e 衄t h ep e r f 0 珊a i i c eo fk a t i l l ga n dh u m i d i f y i n gd u 咖gt h eh u l i i i d 砸t i o n p r o c e s sw a s 柚a l y z e d - t h el a wo fp r e s s u r cl o s so ft h el o w e ra saf i l n c 0 no fa i fv e l o c i i y 蛐dw a l e r ，a i rr a t i ow a sa c q u i r e d a l s o ，m ei n n u 即c eo f 叩e m t i gp r e s s u r e0 nt h ei n t e m a l n o w p a t t e mw a ss t u d i e d t h 砌y t l i ec o m p l i c a t e dp r o c 髂s e so fw a t e rd r o p l e t - a i rt w o - p h a s ef l o w 柚dh e a t 柚d m a s st r m s f c ri nah 啪i d i f i c a t i o nt o 、v c rw c r es j m l l l a t e db ya ni m p m v e d1 一dt h e o r e t i c a l m o d e la sw e l l 蓝a3 一dc f dm o d e i n en u m 甜c a lr c s u l t sw e m c o m p a r e dt oe 印e r j m e n t a l d a 诅_ o nt l l eb i so f 舭1 - dm o d e l ，t h ei l l n u e n c eo fd 唧l e td i 锄e t e ro n 血cs t e a d y s t 砒e h c a ta n dm a s s ”a 璐f c rc h a r a c t e 订s t i c so f 廿l eh 砌i d i i c a 廿0 t o w e rw 越a n a l y z e d a l s o ，t h e d y l i a m i lr e s p o n s eo ft h ep a r 鼬e i e r so f0 u t l e th u m i da i rt om ed i s 岫a n c co fj n i e lw a t e r t e m p c r a t u r e 如dn o wr a t ew 船s t u d i e d i nt h e3 - dc f dm o d e l ，t h em o r ec o m p l i c a t e d m e c h 越i s mo fw a i c ra l o m i z j n gi n d u d i n gd r o p i e t sc o l l i s i o n 锄dm e r 舀n gw a sc 0 1 1 s i d e f e d 1 1 l el a 伊柚g i 如m e t l l o dt o g e t b e rw i i hi h es i o c i i a s i i c 恤i c k i n ga p p i o a c b ，w 1 1 i c hi sr c l a l e dt o m ei n u e n c eo ft u r b u l e md i s p e 墙i 伽o nd r o p l e tm o v 哪c t ，w a su s e dt op r e d i c t d r o p l e t 打a j e c t 耐髂b yu s i n gt l l e3 - dm o d e l ，t l l ei n n u c n c eo fi l l ep a r a m e t e r so fw a t c rd i o p l c t - a i f t w o - p h 稿en o w o t h cp e r f o 皿a n c e0 ft h eh u m j d i f i t i o t o w e tw 船粕a l ”e d f i n a l l y ，o nt h eb a s i so f 血ep r c v i o u se v a l u a l j l l gw o r ko ft h em o d e l s ，a 丘蛐eo f _ 【b e m e t h o d0 fc o m p r e h e s i v e l yo p t i m i z e dd e s i 朗i n go fh u m i d i f i c a t i o nt o w e r sw 弱p l o p o s e d a l s op m p o s c dw a st l l ed e s i g np r i n c i p ko ft a w e rd i a m e t e r 卸dh e j g h t a tt l l e 明m et i l e ， 恤p 1 0 b l e mo fw a t e rc o s 啪p t i o no fh a tc y c l ew a ss m d i c dp r c l i m i t l a r n y n ep r i n c i p l c f o rt h ec y c l eo p e r a 廿n ga ts e l f _ b a l 柚c eo fw a t c ra n dt h er e 嬲o n a b l e e s so fs e l e c t i n gt h e i e c h n i q u e sf o rw a t 町c o n d e l l 酊n gi nn u eg a sw e r ed i s c u s s e d k e y 啪r d s ：p r e s 辄r j z e db u i i d i f i e r ，1 一dm o d e l ，s t o c h a s t i ct m c k i n ga p p r o a c h ，s p r a y c h 盯a d e r i s t i c ，h 啪i dm e 髂u r e m e m f 1 0 wf c l d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 能源是国民经济发展和社会迸步的重要物质基础。随着世界经济的增长，世界能 源需求( 特别是发展中国家) 将稳步增加，美国能源信息署( e n ) 预测到2 0 2 5 年 世界一次能源需求将比2 0 0 1 年增长5 8 【1 】 化石燃料的需求在未来几十年间仍将占 世界一次能源的绝大部分，预测结果如图1 1 和图1 2 所示。同时国际能源机构( m a ) 也预测从2 0 0 0 年到2 0 3 0 年，世界能源和电力需求的年均消费增长速度达1 7 和 2 4 。随着经济的发展，化石能源的生产、转换与使用带来了严重的环境污染、生态 系统破坏和气候变化等问题，而新的可再生能源包括水能、太阳能、风能、生物质能、 地热能及海洋能等又方兴未艾，因而，如何清洁高效的利用日益紧缺的化石能源成为 现阶段能源科技面临的严峻挑战。 图1 1 世界能源消费预测图1 2 世界能源消费结构 在动力生产领域，现代燃气轮机技术被认为是最为高效洁净的化石能源直接转化 技术，因而受到了较多的关注。经过几十年的发展，燃气轮机技术正在朝着高效率、 高比功、复杂化、低排放方向发展。特别是总能系统概念的提出，为燃气轮机的发展 注入了新的活力。基于这个概念，人们不再追求单一过程、单一循环个别指标的优劣， 而是通过合理匹配不同热力学过程和热力循环，达到整个系统多项指标的综合最佳效 果。近年来，许多先进燃气轮机循环都利用水或水蒸汽注入加湿工质的技术来提高燃 机系统性能。通过工质湿化一方面在压气机耗功不变的前提下增加透平工质流量进而 提高循环的效率和比功，另一方面水或水蒸汽注入有效减少了燃烧过程中n o x 的形 h a t 循环空气湿化过程研究 图1 3 燃气轮机注水或注蒸汽方式选择 成，从而提高了燃机系统的环保性能吲。在采用湿化技术的燃气轮机中，水或水蒸气 的注入方式存在多种选择( 如图1 3 ) ，按照其各自的特点可以分为三类：第一类是 注水燃气轮机循环，这类循环利用雾化水滴的完全蒸发来冷却加湿压气机前部、中部 或后部的空气，部分技术已经在商业化的燃气轮机系统中得到应用；第二类是注蒸汽 循环( s t e 踟h i e c t e dg a st u r b i l l e ) ；第三类是湿空气透平循环( h u m i da j rt u r b i n e ) 。 上述各类循环及其各自特点如表1 1 所示。 表1 1 采用湿化技术的先进燃气轮机循环 湿化循环技术特点 环境温度较高时，采用湿化方法冷却压气机进口空气以 进口空气冷却翻 增加动力输出 湿压缩h t 5 j压气机级间喷水冷却压缩空气，进而减少压缩耗功 喷雾间冷【6 】高、低压压气机之间喷水冷却压缩空气，减少压缩耗功 压气机后喷水冷却压缩空气，增加工质流量，同时增加 注水回热循环【7 ，目 烟气余热回收量 注蒸汽循环【9 1 0 】( s 1 1 g ) 利用燃气轮机排气中的废热产生蒸汽，回注到燃烧室 中，增加透平比功输出并减少n o 。的生成 湿空气透平循环f 1 1 ”1 ( e a l ) 水在湿化塔中部分蒸发，加湿压缩空气 2 第一章绪论 水 泵 冷 凝 器 水处理系统 图1 4h 觚。循环系统结构简图 l c ；低压压气机；h c ；高压压气机；t 透平 湿空气透平循环一经提出就受到了业界的普遍重视，被誉为“2 1 世纪的新型动 力循环”，它是一种以燃气轮机为主体具有间冷、后冷、回热以及多相传热传质的混 合循环，其系统流程如图1 4 所示。该循环通过湿化器充分利用了系统中各种废热， 提高了系统效率和比功，并且地叮循环没有蒸汽轮机底循环部件，大大减少了硬件 投资，其环保性能因空气加湿而得以显著改善。h a t 循环具有高效率、高比功、低 投资、变工况性能好以及环保性能优越等特点，在先进动力循环中最具发展前景。 h a t 循环是迄今为止唯一可适用于大、中、小型系统的高效、洁净、经济的动 力循环，可以以油或天然气为燃料，也可以以固体煤或生物质气化后的产物为燃料， 因而易于与煤气化技术、生物质气化技术和能量存储技术等相集成，组成高效、清洁 的动力系统。i g h 觚 1 4 1 循环就是洁净煤技术与先进透平技术相结合的产物，简单h a l 循环与热泵、制冷系统组成的分布式热冷电三联产系统，也有望成为下一代能源供应 系统的有力竞争者。 h a t 循环的商业化，需要在加压空气湿化、湿空气燃烧、烟气水回收和处理及 3 h 甜循环空气湿化过程研究 燃气轮机通流部件匹配等关键技术上取得突破，并具备相应的设计能力。与我国煤炭 为主的能源生产结构和消费结构相适应，还需突破燃气轮机燃煤的技术瓶颈。在上述 关键技术中，压缩空气的湿化效果对于h j 缸循环的系统性能至关重要，是h a t 循环 概念的核心，湿化器作为承载该过程的部件，在结构形式和设计理论上没有类似的成 熟燃机部件可作借鉴，目前已有的研究成果多建立在化工冷却塔理论基础上，并针对 特定实验装置开展，研究方法着重揭示操作参数与加湿性能之间的内在联系，对湿化 器内部流动现象关注较少。 湿化过程是一个典型的复杂两相流动过程，其间还伴随着两相间热量的传递和质 量的输运，机理十分复杂。要提高湿化器加热加湿性能、优化其内部结构和流动参数， 就必须深入研究湿化器内两相流动及传热传质现象，及其与湿化器性能和结构间的关 系，并在此基础上建立湿化器通用设计方法。 湿化过程的研究手段主要有实验方法和理论分析方法两类。近年来，随着测试技 术和计算机技术的发展都得到了迅速提高。实验方法直观、可靠、适应性强，但是耗 资多、周期长，并且会受到复杂几何结构及采样技术的限制。相比之下，理论分析的 方法周期短、费用低，目前研究较多的是一维模型的计算方法，这种方法计算量小且 具有定精度，适用于系统模拟计算，并可用来进行湿化器高度设计，但是随着湿化 器操作条件和几何结构的改变，维模型并不具有普遍的适用性。 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a i i l i c s ) 的发展为复杂结构湿化器内部流 动和传热传质过程的研究提供了一种有力工具。由于只需计算机，c f d 可以避免复 杂实验条件的限制，与传统一维模型研究方法相比，具有信息量大、实用性强、能够 充分反映湿化器几何结构和操作条件对内部流场和湿化效果的影响的优点。更重要的 是，使用c 邱对湿化器内气一液两相流动的全三维定常粘性数值模拟结果有助于更 好的理解加压湿化过程的详细机理。尽管计算流体力学还没有完善到完全取代实验的 程度，但近十年来随着计算机容量和计算速度的快速提高，c f d 的发展已经呈现出 诱人的前景，完全有可能将c f d 方法用于湿化器的结构设计和优化。 本文旨在建立一种h a t 循环核心部件一湿化器的综合优化设计方法，通过将 c f d 方法、一维模型方法以及系统综合优化方法相结合，建立湿化器设计准则，实 4 第一章绪论 现装置几何结构优化，最终目的是设计高效、经济、低推力的湿化装置。 1 2m 灯循环研究历史与现状 由于其优良的热力学性能、环保性能和经济性，h a = r 循环的研究和发展受到了国 际动力界的普遍重视。国内外许多学者在h 觚循环研究过程中做了大量的工作。 1 2 1h a t 循环发展历程 早在1 9 4 0 年，m a n i n k a 注册了一种使用填料塔的回热型燃气轮机循环专利，这 种循环采用由间冷器产生的热水加湿压缩空气1 1 5 1 。1 9 7 3 年g a s p a r o v i c 和s t a p c r s m a 提出了一种采用蒸发方式向压缩空气中注水的燃气轮机【1 6 ，这都可以看作是h a t 循 环的雏形。n a k 砌u r a 等于1 9 8 1 年申请了第一个现代蒸发式循环的专利1 1 7 】，并称它为 “使用新型热回收方法的注水式回热燃气轮机循环”，这种循环采用问冷器和回热器， 在压比为6 ，透平前温1 0 0 0 时，循环效率可达5 0 。h a t 循环的概念是由日本学 者m o r iy 教授于1 9 8 3 年首先提出的用，当时他们只是把它看作是一种特殊的回热循 环，带有喷水手段，且采用两相、多组分的混合工质，故称为“水接触蒸发的多相多 组分系统( m p c s 仍c e ) ”。1 9 8 5 年，n a l ( 啪u r a 申请的另一个蒸发式循环专利中，使 用了后冷器回收热量，并提出部分压缩空气加湿的蒸发式循环【1 8 】。1 9 8 9 年，r a o 注 册了h a t 循环的专利【1 1 】，m 坩的核心概念基本确定。四年之后，r a o 【1 9 】申请了改进 型的 l a t 循环专利，通过增加一个二级透平来解决空气加湿后系统流量匹配的问题。 经过二十多年的发展，h a t 循环已经成为最具前景的新型热力循环之一，在其核心 概念的基础上，许多新颖的湿空气透平循环被陆续提出。1 9 9 3 年，c o h n 【2 0 l 发表了一 系列以空气湿化为特征的新型热力循环，这其中包括。峪h ( c o m p r e s s e d a j r s t o r a g e w i t h i u m i d 墒c a t i o n ) 循环、c a s h i n g ( c a s hi i l t e 伊a t e dw i t hn a t u r a lg 髂) 循环和 i g c a s h ( i n t e g r a t e dg a s j f ! i c a t i o nc a s h ) ，利用空气湿化储能来调节峰谷电差。 n a l 【h 嘲虹n 2 1 】于1 9 9 5 年提出了c 乩t ( c a s c a d e dh 眦i d i f i e da d v a i l dt u r b i i l e ) 循环， 该系统能克服空气加湿后压气机和透平匹配的问题。近年来，闭式f 2 2 1 、半闭式【2 3 】和 外燃式【2 4 】h a t 循环也引起了学者的兴趣，这些循环直接以煤作为燃料，可以大大节 5 h a t 循环空气湿化过程研究 省系统运行成本。m a r c u s 【2 5 】还建议了一种与生物质制乙醇技术集成的 l a t 循环，目 的是利用可再生的生物质燃料实现c 0 2 的零排放。热经济学分析表明。这种系统在 循环效率和投资方面可以与直接燃烧式朗肯循环相竞争。 目前，在国际动力学界，对于h a t 循环的发展前景已基本达成共识，美国、日 本和欧洲都将m 垤循环作为其先进透平技术研发的重要内容，并积极推动该循环的 商业化。h a t 循环及其关键单元技术的研究工作正呈现出一种加速发展的趋势。 1 2 2h a t 循环研究现状 1 2 2 1 美国的脚研究计划 美国对地蚶循环的研究起步较早，1 9 9 0 年美国e p r i ( e l e c 砸cp o w c rr e s e a r c h l n s t i t u t e ) 、f 1 u o rd a i l i e l 、i 缸a c o 、u t s1 1 p m 等公司联合执行了一项湿空气透平研究 计划，主要是针对以天然气为燃料或与煤气化集成的h a t 循环，作一些技术可行性 的研究与评估，并与其它煤气化动力系统进行热力学性能和经济性比较。美国能源部、 电力部门等联合推行一个先进透平系统发展项目( a t s ) ，旨在应用新颖循环概念和 重大技术进步成果，开发先进动力系统来满足2 1 世纪的需要。项目主要内容是开发 珏a t 循环系统，以及高温透平技术( 1 4 2 7 ) 和新材料技术等，预计总投资5 亿美 元。根据g e n c r a le l c c t r i c ( g e ) 和a s e ab r o w nb o v e r i ( a b b ) 公司提供的燃气透 平数据，e p r i 【2 6 】对比了h a t 循环与联合循环的性能。对于燃用天然气系统，g e 公 司的m 蛆循环效率可达5 3 5 ，与之相对应的三压再热联合循环效率为4 9 5 ；a b b 公司的姒t 循环效率为5 7 4 ，联合循环效率为5 3 4 ，上述循环的透平前温均为 1 2 6 0 ，压比2 3 2 4 ，循环比功输出2 0 0 2 7 0 m w 。与联合循环相比，地坩循环具 有更高的部分负荷效率，更好的变工况性能，且对环境温度更不敏感，单位功率的初 投资虽然比联合循环高1 1 2 6 ，但是高的循环效率使得其发电成本较联合循环略 低。 早期的研究表明，优化的h a t 循环压比为3 0 4 0 ，透平排气流量较压气机进口 空气流量增加2 0 3 0 。因此，e p r l 首台样机选用p m t t w h i t n e y ( p w )公司 p w 4 0 0 0 航空发动机改造成f r 4 0 0 0h a t 。这是因为航空透平具有高压比和高通流裕 6 第一章绪论 度，较工业透平更加符合h a t 循环的改造要求1 2 0 l 。之后，e p r i 进一步开展了将f t 4 0 0 0h a t 改造为i g h a t 的研究工作【2 7 】。改造后的装置可燃用不同燃料( 合成气和 天然气) ，燃用天然气时循环效率为5 5 5 ，输出功率可达1 5 7 m w ( 压比3 7 ) ，与 之对应的三压再热联合循环装置效率为5 2 6 ，输出功率为2 0 l m w 。此外，e p r i 还 研究了h a t 循环与燃料电池集成系统( s o f c h a t ) ，研究表明与一台固体氧化物 燃料电池( s o f c ) 集成的小型分布式h a t 系统热效率可达6 9 1 ( 压比1 5 ) ，相 比之下，简单燃气轮机循环与燃料电池集成系统( s o f c h a t ) 的热效率为6 6 2 ( 压 比9 ) 。进步研究表明【2 9 1 3 0 0 m w 级燃用天然气集成s o f c h a t 系统的热效率有 望突破7 5 。1 9 9 6 年，美国p & w 公司和美国能源部国家能源技术实验室( n e t l ) 联合完成“h a t 循环技术发展项目”，目的是研究h a t 循环的关键技术一高湿度空 气燃烧室，为此建立了用于大湿度、高压高温气体燃烧的低排放燃烧器，获得燃烧过 程的动力学特性，并建立燃烧室流场计算仿真模型【3 0 】。美国能源部( d o e ) 制定的 前景2 1 计划中为2 1 世纪的清洁能源动力系统发展了一系列技术，其中h a t 循环和 c h a t 循环作为不使用燃料电池的高效、洁净动力循环的代表，成为其重要研发内容 之一【3 ”。 1 2 2 2 瑞典e v g t 研究计划 瑞典皇家理工学院与u j n d 理工学院于1 9 9 3 年发起了蒸发式燃气透平循环系统 ( e v g t ) 研究项目，研究内容包括建立e v g t 循环实验电站，开发水循环回路相关 技术( 湿化器、水回收和水处理) 和建立中等规模e v g t 循环电厂( 7 0 8 0 m w ) 的 可行性研究。同年，形成了包括大学、公用事业公司、研究机构和燃气轮机制造商的 e v g t 协会，并于1 9 9 8 年l o 月在l u 卜m 理工学院建立了世界上第一座功率o 6 m w 燃用天然气燃料的珏a t 循环实验电站，其系统结构可参看图1 5 。该电站选用一台 、r o l v ov t 6 0 0 型单轴燃气轮机，通过改造燃烧室结构，使得装置可以燃烧高湿度空气， 透平前温1 0 0 0 ，压比e = 8 ，无后冷时，采用喷水回热方式循环效率大约为3 5 ， 使用后冷器时循环效率还可在此基础上增加o 4 【3 2 】。为解决压气机和透平工质流量 因空气加湿造成的不匹配问题，系统流程中采用了压气机后部分压缩空气放空的办 法，对于在燃机技术平台上构造h a t 循环的工作来说，这是一个简单而行之有效的 7 h 1 循环空气湿化过程研究 图1 5e v g t 实验电站系统示意图 方法。按照系统优化分析的结果【1 3 t3 3 1 ，湿化器出口空气湿度取o 1 5 蝇水l 【g 干空气。 实验电站还验证了h a t 循环实现不耗水的可能性，冷却透平排烟到3 5 所回收的水 分就能满足循环不耗水的要求，但回收的水分必须经过处理，通过集成水回收和水处 理系统，该循环成为真正意义上的水自平衡 l a t 循环【3 4 l 。在8 0 负荷下，对比实验 结果表明，电站的发电效率分别为2 0 ( 简单循环) 、2 4 ( 回热循环) 、3 3 ( h a t 循环) ，由此可见系统改造为h a t 循环后效率较简单循环和回热循环有了显著提高 【3 5 】。除了对电厂的热力学性能、变工况性能和高压下的湿化效果进行验证以外，燃气 中水回收和再利用的问题更值得关注，这可以有效解决h a t 循环耗水量大的问题。 在这个研究计划的框架下，许多学者从不同角度开展了大量的研究工作。l 沁s 6 n 【3 6 j 详细描述了实验工厂及其各个部件的特性，强调了湿化系统在蒸发式循环中的重要作 用。b a n l e t t 【3 7 1 分析了h a t 循环中碱金属盐类的迁移和控制机理，对水处理系统和空 8 第一章绪论 气过滤器开展了相关实验，并对不同加湿循环应用于分布式区域热电联供装置的可行 性进行了评估。大部分蒸发式燃气轮机循环都采用全部加湿的方式，然而 w e s t 佃a r k 【3 8 l 建议使用部分工质加湿循环，并指出针对不同类型的燃气轮机，优化后 的加湿空气质量流量应为压气机进口空气流量的1 0 3 0 。此后，蛳n 和 w e s t e 皿a r l 叻围绕以航空燃机和工业燃机为核心的部分加湿循环开展了大量分析工 作，他们首先研究了带有后冷器、回热器和两段式填料塔湿化器的传统结构的部分加 湿循环1 3 9 ，删，后来又利用g e 公司的g a t e c y c l c 软件研究了经过改进的部分湿化循环 【4 1 ，4 2 1 ，在这些新循环中高品味热能被用来产生回注蒸汽，而低品位热能则利用湿化器 来回收。计算结果表明，对航空燃机系统，当加湿空气质量分率为1 2 时，循环效率 达到一个最大值5 2 9 ，同时换热器和湿化器的总换热面积分别减小为全部空气加湿 对的5 0 和3 6 ；而对于工业燃机，加湿空气质量分率高于5 0 时，循环效率达到 最大值为5 2 6 。j o n s s o n 进一步利用 分析的方法研究了上述部分加湿循环流程【4 3 1 ， 并利用经济性分析的方法基于三种商业燃机得出了各自最优的部分湿化系统流程结 构。d a l i l i 开展了管式湿化器的实验和设计研究工作，并与填料塔湿化器进行了经 济学和热力学的比较分析1 4 5 l 。 1 2 2 3 日本脚研究计划 图1 6a 臣a t 系统示意图 日本日立公司动力和工业系统研究与发展实验室在n e d o ( n en e we n e r g ya l l d i n d u s t r i a lt e c h n o l o g yd e v c l o p m e n t0 r g a i i i z a t i o n ) 的资助下。开展了a h a t ( a d v a n c e d 9 h a t 循环空气湿化过程研究 h u m i d a i r1 r u r b i n e ) 系统的研究工作，目的是推动h a t 循环在大、中、小型燃气轮机 系统中的商业化应用，a h a t 系统结构如图1 6 所示。随后，研究人员设计建造了一台 a h a 哺环微型燃气轮机原型实验台，设计功率1 5 0 k w ，发电效率3 5 ( u ) 。 该装置在一个回热b m y t o n 循环的基础上建成，其主要特点包括： ( 1 ) 集成了进口空气喷雾冷却系统( w a c ) 和空气湿化器( m 盯) 系统，在环 境温度4 0 条件下也能保持高的发电效率。 ( 2 ) 应用双燃烧室稀燃扩散火焰概念设计燃烧室，可有效降低n o ：的排放。 ( 3 ) 针对循环水源充足的特点，燃机转予采用了水润滑轴承技术，其阻尼特性 优于气动齿轮，而轴承损失则低于油润滑轴承。 ( 4 ) 适应微燃机变工况的需要，采用双线路控制系统实现地循环水量控制， 其中一条线路可调节系统供水量在8 2 0 舻之间变化，调节量随环境温度和转子转速 的变化自动调整，另一条线路则保持供水量3 0 s 不变，通过压缩机出口空气过饱和 的方式克服环境温度升高对系统出力的影响，满足额定输出功率。 原型实验台的初步试验结果表明，在部分负荷( 5 0 ) 下运行时，装置的最小n o x 排放量为7 6 即m ，7 0 负荷时发电量达1 0 2 k w ，实验过程中发电系统的效率可达 9 5 6 ，超过9 2 的设计值。简单循环额定负荷下的试验结果为输出功率1 5 0 3 k w ，发 电效率3 2 。对集成w a c 和h a t 系统的整机性能试验将随后展开。之后，通过改进 原型实验台，s h i 酗【4 7 】研究了带有直接接触式水回收装置和简单喷水蒸发加湿装置的 a h a t 系统，并与联合循环系统作了对比，结果表明中型a h a t 循环系统效率较联合 循环系统高5 。对于a h a t 系统透平叶片冷却的问题，s h i n ，i c l l i 【鹅】建议使用湿空气冷 却方式，此时系统热效率较压气机抽气冷却方式高1 7 。h i d e f i l m i 【4 9 】通过假设的设计 计算过程，研究了a h a 谁环系统压比对湿化器容积的影响，结果表明压比越高湿化 器相对于整个系统的容积分率越小。 1 2 2 4 国内研究现状 国内对于m ”循环的研究起步较晚，研究工作主要集中在中国科学院工程热物理 研究所、上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等单位。1 9 9 3 年，林汝谋【5 0 】等发表了第一篇关于弛缸循环的论文，之后国内学术界对这种高效、洁 1 0 第一章绪论 净燃气轮机循环的研究日趋活跃。早期的研究工作，集中在系统的热力学分析和优化 方面，肖云汉等【5 ”通过对h a t 循环模化和系统综合优化，得出了对应于循环最大比功 和最佳热效率的系统流程及参数。优化结果表明，透平前温为1 2 6 0 时，循环最高效 率可达6 0 3 3 ，最佳压比小于1 0 ，这是不同于当时普遍观点的具有突破意义的结论。 靳海明【5 2 】、王永青5 3 1 、金红光【s 4 l 等分别讨论了c h a t 、湿压缩h a t 循环和外燃式h a t 循环的热力学性能。另外，以h a t 循环为核心的总能系统也备受关注，赵丽凤【5 5 ，蚓 等分析了整体煤气化湿空气透平( i g h a t ) 循环的热力学性能并优化了循环参数，朱 华【5 7 ，5 即等评估了h a t 循环构成热冷电三联产总能系统的可行性和经济性。这些总能系 统都与我国现阶段的国情相适应，具有广阔的市场和应用前景。近年来，随着h a t 循环基本流程结构的确定，研究的热点转为循环关键单元技术的研发，在这方面中国 科学院工程热物理所和上海交通大学开展了大量的工作，这些工作包括常压1 5 9 “1 l 和 加压f 6 2 1 湿化过程的实验和模拟研究、高湿度空气燃烧过程【6 3 ，删研究等。目前，一座 1 0 0 k w 级的h a t 循环原型实验台即将在中国科学院工程热物理研究所建成。 1 3 空气加压湿化过程研究概况 加压湿化过程是h a t 循环区别于其它先进燃气轮机循环的关键过程，与化学工 业上普遍使用的常压气水操作过程( 如冷却塔) 相比，它具有其自身独特的特点和要 求，这主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 湿化器的工作压力可达4 0 b a r ，工作温度可达1 5 0 2 5 0 ，在这种高参数苛 刻的使用条件下，许多填充材料是难以满足要求的； ( 2 ) 湿化器出口空气的雾滴夹带率要非常低，以避免水滴中溶解的盐类随气流 进入燃气通道，进而对回热器和透平等重要部件造成腐蚀； ( 3 ) 高温高压环境使得液滴或者液膜的蒸发特性发生了变化，同时高的空气密 度也影响了湿化器内空气的流动特性； ( 4 ) 水的大量蒸发与塔高方向上温度梯度的共同作用，造成了渝化器内部空气 通量的变化，因而在进行湿化器设计时，空气速度的选取要以顶部速度为依据； ( 5 ) 湿化器的压力损失对于循环性能影响较大，过大的压力损失会造成燃气轮 h a t 循环空气湿化过程研究 机工作点的变化，从而降低透平出功和效率。 ( 6 ) 作为燃气轮机循环的集成部件，湿化器的尺寸应尽量紧凑，以减小系统的 体积。 早期针对湿化过程的模拟和实验研究多以化工常压加湿过程为对象，因而对于加 压湿化过程的设计没有太大的参考价值。上世纪九十年代以后，随着国际动力界对 h a t 循环的重视，与之相关的单元技术研发，特别是加压湿化器的理论和实验研究 工作成为研究热点。 1 3 1 加压湿化方法 经过近二十年的不懈努力，多种不网形式的适用于加压湿化过程的技术和装置已 经被发展起来。总的来说，这些技术可以分为两类，一类是基于水喷雾的并流型装置； 另类是逆流接触形式的塔设备。 水喷雾技术是最简单的湿化方法，它利用雾化喷嘴将水分散为极微小的液滴直接 喷入高温空气流中，通过液滴的蒸发来达到冷却并加湿压缩空气的目的【矧。由于回热 循环中，透平排气中余热的回收量受压气机出口空气温度限制，利用水喷雾冷却并加 湿压气机出口空气后，循环回收的热量便会大大增加。利用这个原理，r u y c k 【6 6 l 于1 9 9 7 年提出了一种新的蒸发式燃气轮机循环一r e v a p 循环。由于水喷雾技术不需大的 设备，投资小，因而除了在r e v 八p 循环中得到应用，该技术还被广泛应用于进口空 气冷却【3 】、喷雾间冷【6 1 和湿压缩h ，5 1 等过程中。这种技术的主要缺点是对于水质要求极 高，因而水处理过程相对复杂。 表1 2 气液接触设备特性及适用范围 1 2 第一章绪论 使用喷雾冷却技术的系统虽然能够提高循环的热效率，但是同真正意义上的h a t 循环仍然存在差别，它并没有对透平排气中的低品位热能加以利用。 l a t 循环中的 加压湿化装置是一个逆流接触的传热传质单元，p e n y 化学工程师手册1 6 7 】通过对比各 种形式的气液接触设备操作特性，指出对于加湿过程适宜的塔设备形式主要有填料塔 和喷雾塔两种( 表1 2 ) 。另外，瑞典的皇家理工学院开发了一种带翅片的管式塔，实 验结果也能满足h a t 循环的需要。目前，对加压湿化装置的研究开发工作，仍处于 实验室研究和小规模示范阶段。 图1 7 结构填料和湿化器外观 在湿化过程的实验研究方面，目前主要针对填料塔、喷雾塔和管式塔。第一台有