（动力机械及工程专业论文）基于能的梯级利用的先进动力系统研究.pdf

摘要 能源利用与环境相容协调问题，已成为全球备受关注的重大科学难题；如何有 效回收和利用工业生产中产生的低温余热，提高能源利用率，越来越受到人们 的重视。本文立足于我国节能减排能源战略的大背景下，围绕总能系统和能的梯 级利用原理的核心问题，提出污染物零排放的氢能总能系统一氢氧联合循环，对系 统进行深入的热力性能研究，为未来大规模利用氢能的发电系统组成及参数匹配起 到参考作用；对近年来关注度很高的电厂循环水余热利用问题，提出利用水源热泵 回收这部分热量用于热电厂比邻小区冬季供暖的设想，并进行可行性探讨和技术经 济性分析，所得结论对该技术能否在未来应用于工程实际起到一定的指导作用。 关键词：能的梯级利用，氢能，联合循环，余热利用，可行性分析 a b s t r a c t t h ec 0 0 r d i n a t i o no fe n e r g yu t i l i t ya n de n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t yh a sb e c o m e ag l o b a ls i g n i f i c a n ts c i e n t i f i cp r o b l e m ；h o wt oe f f e c t i v e l yu s ei n d u s t r i a lw a s t e h e a t a n di m p r o v ee n e r g yu t i l i z a t i o n ，h a v eb e e nm o r ea n dm o r ec o n c e r n e d i h e p a p e r b a s e do nt h ee n e r g ys a v i n ga n d w a s t er e d u c t i o ns t r a t e g y , f o c u s i n go nt h ec o r e p r o b l e mo ft o t a le n e r g ys y s t e ma n dt h ep r i n c i p l eo fc a s c a d ee n e r g y u t i l i z a t i o n , c a r r i e so u tap o l l u t i o n f r e eh y d r o g e n f u e l e de n e r g ys y s t e m h 2 0 2c o m b i n e dc y c l e ， a n a l y s i s t h ec y c l ep e r f o r m a n c et o a c ta sar e f e r e n c et ot h el a r g e - s c a l eu s eo f h y d r o g e np o w e rg e n e r a t i o ni n t h ef u t u r e ；r e g a r d i n gt ot h ec i r c u l a t i n gw a t e ru t l l l t y i np o w e rp l a n tw h i c hi sp a i dc l o s e l ya t t e n t i o nt o ，t h ep a p e rp r o p o s e st h a tr e c y c l i n g t h i sh e a tb yw a t e r s o u r c eh e a tp u m pt oh e a tr e s i d e n t i a ln e a r b yi nt h ew i n t e r , t h e f e a s i b i l i t ya n dt e c h n o e c o n o m i ca n a l y s i si st h e np e r f o r m e d ，t h ec o n c l u s i o n s w i l lb e p i a yac e r t a i np a r ti nw h e t h e r t h i st e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e di nt h ef u t u r e g u ox i a o d a n ( p o w e ra n dm a c h i n e r ye n g i n e e r i n g ) k e yw o r d s ：c a s c a d ee n e r g yu t i l i z a t i o n ， w a s t eh e a tr e c o v e r y ，f e a s i b i l i t ya n a l y s i s d i r e c t e db yp r o f x uh o n g h y d r o g e ne n e r g y ，c o m b i n e dc y c l e ， 5舛 脚7阳 枷1脚y 学位论文 2 2 1 布雷顿一朗肯循环8 2 2 2 布雷顿一卡琳娜循环9 2 2 3 布雷顿一燃料电池循环1 0 2 2 4 化学链燃烧循环1 0 2 3 低温余热的回收与利用“ 2 4 小结1 2 第三章氢氧联合循环系统研究1 3 3 1 概述1 3 3 2 简单氢氧联合循环系统1 4 3 2 1 系统构思及流程描述1 4 3 2 2 系统的热力性能分析1 5 3 2 3 有回热的氢氧联合循环1 6 3 3 新型氢氧联合循环系统1 8 3 3 1 系统构思及流程描述1 8 3 3 2 系统的热力学分析2 0 3 3 2 1 系统的能量和物质平衡模型2 0 3 3 2 2 系统的评价准则2 1 3 3 2 3 计算结果分析2 2 3 3 3 系统性能的模拟计算2 5 i i i 1 l 2 2 2 3 6 6 8 t 工 4 2 2 1 循环水源热泵系统设计方案的提出 4 2 2 2 循环水源热泵系统的适用范围 4 3 评价方法 4 3 1 能效评价 4 3 1 1 循环水源热泵系统的性能评价和能耗分析 4 3 1 2 与常规热电厂集中供热的比较 4 3 1 3 与燃煤锅炉房的比较 4 3 1 4 与燃气锅炉房( 包括燃气壁挂炉) 供热方式的比较 4 3 1 5 与电热锅炉( 包括电暖器) 的比较 4 3 1 6 与其它热泵( 空气源热泵、地下水源热泵等) 的比较 4 3 2 经济评价 4 3 3 环境评价 4 4 某小区应用实例的技术经济分析 4 4 1 项目概况和设计负荷情况 4 4 2 水源热泵系统设备的选取 4 4 3 系统初投资以及运行费用估算 4 4 4 系统收益估算 4 4 5 系统动态回收期 4 4 6 运行费用分析 4 5 小结 1 l i 5 6 8 8 9 9 l 2 3 3 4 4 4 5 5 5 8 9 9 9 0 2 3 4 5 5 8 9 9 o 1 2 2 4 4 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 i v 5 6 5 9 6 2 6 3 华北电力人学硕+ 学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 能源是人类社会赖以生存和发展的基础。迄今为止，人类文明的发展主要依赖 于无节制地开发和利用煤、石油、天然气等化石资源，以及水、土地、生物质等自 然资源。过度的开发和利用这些能源给人类带来惨痛的教训：极度奢侈的资源浪费， 过低的能源利用率和触目惊心的环境污染。能源利用与环境相容协调问题成为备受 关注的重大科学难题，尤其是大量使用含碳燃料产生温室气体所引起的全球变暖， 成为当前也是未来能源和环境问题中最引人注目的热点和难点。 为实现节约能源、提高能源利用率，以达到控制和减少c 0 2 排放，最终达到 保护全球气候的目的，在1 9 9 7 年召开的京都会议，制定了各类国家降低温室气体 排放的指标，即到2 0 1 0 年，发达国家温室气体排放比1 9 9 0 年减少5 2 ，对发展中 国家尚未作限定i i 】。2 0 0 9 年1 2 月7 日一1 9 日，在丹麦首都哥本哈根召开了联合国 气候变化大会暨京都议定书第5 次缔约方会议。此次会议云集了1 0 0 多名国家、 地区和国际组织领导人及代表。经过1 2 天艰苦的谈判，哥本哈根气候大会最终达 成了不具法律约束力的哥本哈根协议，即全球第二承诺期( 2 0 1 2 年到2 0 2 0 年) 应对气候变化的安排，发达国家实行强制减排和发展中国家采取自主减缓行动等， 但会议并未取得实质性成果。 我国能源资源丰富，是能源生产大国，也是能源消费大国。同时我国也是由资 源特点决定的以煤电为主的世界上少数几个国家之一，煤电在能源消费结构中占到 7 5 以上，并且在今后相当长一段时间内也不会有大的变化，由此造成的燃煤污染 更是到了不可容忍的程度。一直以来，国家不断采取各种措施实现节能减排的目标。 例如，大力发展风电、核电等新能源技术，增加其装机容量；下令关停小火电等。 截止2 0 0 9 年6 月3 0 日，我国提前一年半完成“十一五 关停小火电机组的任务。 全国累计关停小火电机组7 4 6 7 台，总容量达到5 4 0 7 万千瓦。据计算，关停的小火 电可每年节约超过5 0 0 0 万吨标准煤，减少二氧化硫排放超过1 6 0 万吨，能完成“十 一五”全国节能目标的五分之一。 尽管2 0 0 9 年末召丌的哥本哈根会议未能丌创一个全球减排新格局，但中国政 府已经把节能减排、发展低碳经济作为面向未来的重大战略。2 0 0 9 年l1 月2 5 同， 国务院常务会议决定，到2 0 2 0 年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年下 降4 0 - 4 5 ，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，中国发展低碳 经济的战略布局已经全面展丌。 华北电力人学硕+ 学位论文 1 2 国内外研究进展 1 2 1 世界能源动力学科的研究现状 进入2 l 世纪，一些发达国家在能源动力领域取得的突破性 后人类社会和能源环境的发展产生深远的影响，与此同时，随着 响越来越大，世界各国纷纷掀起“低碳 竞赛。 其中最著名的当属美国能源部的“2 l 世纪远景计划 ( v i s i o 能源领域的多个方面，例如，将煤转化为清洁的合成气后，可用 氢能，还可实现c 0 2 的分离回收，即煤的综合利用转化系统。美国能源部启动的另 一项计划为“洁净煤技术示范计划”( c l e a nc o a lt e c h n o l o g yc c t ) ，其研究的侧重 点则是先进的发电系统及与发电有关的污染控制技术。已经进行的前三轮研究是减 缓酸雨的相关技术，第四与第五轮是基于2 0 0 0 年以后的能源供应形势与需求，重 点放在c 0 2 的减排上。由于目标是要把c 0 2 排放量控制在1 9 9 0 年的水平，而每年 的电力需求又在不断增加，这就要求煤炭的利用率更高，s 0 2 、c 0 2 、n o ，的排放 量更少。预计到2 0 5 0 年，新型发电系统的c 0 2 等污染物将有可能实现准零排放， 燃煤发电效率达到6 0 ，天然气发电效率达7 5 左右【厶3 1 。 2 0 0 9 年6 月2 6 日，美国众议院通过了备受瞩目的2 0 0 9 年美国清洁能源与安 全法案，这是奥巴马能源与气候新政推进过程中的一次重大政策。该法案将巨资 投向了新能源领域，其中，包括新能源技术和能源效率技术的投资规模将达到1 9 0 0 亿美元，其中能源效率和可再生能源要在2 0 2 5 年达到9 0 0 亿美元，碳捕捉和封存 技术6 0 0 亿美元。 据国际能源署不完全统计，已经有5 0 多个国家和地区制定了激励可再生能源 发展的政策。法国政府提出2 0 11 年以前每个大区至少建造一座太阳能发电站，巴 黎最早把清洁能源汽车引入公交系统，大量纯电动公交车参与了公共交通的运营。 日本经济产业省制定最新计划，到2 0 3 0 年，风力、太阳能、水能、生物质能和地 热等的发电量将占日本总用电量的2 0 。德国也表示将来新能源领域就业人数要超 过汽车领域就业人数。瑞典政府j 下在研究污泥变沼气、木屑炼酒精等技术，希望在 2 0 2 0 年成为世界上第一个无油国。 1 2 2 我国余热回收技术的发展和展望 随着社会工业化进程的不断加速和科学技术的大力发展，人们对能源的需求和 依赖性越来越大，能源资源的消费和使用情况已成为衡量社会经济发展的重要指标 之一。但在能源的消耗和使用过程中，只有部分能够得到有效利用，剩余的则以废 热的形式排放到大气中。即使在发达国家，这部分废热的比例也高达4 3 0 0 - - 6 0 。 2 华北电力火学硕士学位论文 目前，世界上能源利用率最高的国家是r 本( 5 7 ) ，其次是美国( 5 1 ) ，而我国的能 源利用率只有3 0 左右，与发达国家差距较大 4 1 。我国的能源利用率低，平均能耗 高，单位g d p 耗能是世界平均水平的3 倍左右，约为发达国家的4 5 倍，产品单 耗更要比发达国家高出4 0 ，这无疑加据了我国能源经济和社会发展之间的矛盾。 由此可见，提高能源利用效率，有效的回收和利用余热资源，是我国节能减排的一 项重要内容，进行大力提倡和推广是十分必要的。 我国的工业余热资源十分丰富，利用的潜力很大，分布也很广，不少余热温度 较高且载热体流量稳定，具有较好的利用条件，凝汽式发电厂的循环冷却水就是很 好的一例。由于循环水的温度一般只比环境温度高出l o 。c 左右，品位不高，一直 没能得到人们的重视。近些年来，虽然在我国北方出现了少数电厂采用低真空运行 方式，用循环冷却水来向采暖用户供热，但其供热量很小，多数电厂还是将这部分 热量直接排放到大气中。若利用热泵回收这部分热量，就能做到有效的降低环境污 染和提高能源利用率。 近年来，我国的热泵行业发展很快，我国的能源政策以及环境保护政策是促进毒 热泵技术迅速发展的主要因素。 ：中华人民共和国节约能源法第三十九条将热、 电、冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，促进了热泵事业的发展。国家积极 实施节能减排能源政策，改善能源结构，提倡使用清洁能源，限制煤炭的使用，这 也为热泵的应用创造了条件【孓6 1 。 热泵是一种能有效节约能源、减少大气污染和c 0 2 排放的供热和空调新技术。 利用热泵技术回收工业余热，挖掘低品位热能从而达到节能目的，在今后必将会受， 到人们越来越多的关注和重视。 1 3 本文的研究内容和拟解决的问题 本文立足于我国大力提倡节能减排、提高能源利用率、走可持续发展的能源战 略的背景下，围绕能的梯级利用原理的核心问题，在探讨几种常见联合循环的基础 上，提出氢氧联合循环的系统，此系统以不含碳的氢作为燃料，却仍利用传统的燃 气蒸汽联合循环的设备，就可实现高温区段热能的梯级利用和污染物的“零排放 ； 对于近年来关注度一直很高的低温余热回收和利用问题，提出循环水源热泵系统， 即利用热泵回收电厂循环水余热来对电厂周边小区进行冬季供暖的设想，并对此项 技术的可行性进行了探讨，对示范项目进行了技术经济性分析。本文具体研究内容 和拟解决的关键问题如下： l 、能的梯级利用原理及其应用 对于各种热能利用转换系统，系统集成的核心科学问题都是热能的梯级利用原 理。本文的第二章从能的梯级利用原理的本质探讨出发，给出它的通用基本方程， 由此可看出系统热能梯级利用的完善程度；列举了多种不同类型的联合循环，以此 3 华北电力大学硕十学位论文 来加深对于“按照能量品位高低，对能量进行梯级利用”思想的理解和掌握；最后 阐述了用于中低温能源转换利用的热泵技术的热品位转换机理，为后面章节提出的 低温余热利用系统提供理论依据。 2 、高温区段热能的梯级利用一氢氧联合循环系统 本文的第三章立足于可持续发展的绿色能源战略，基于不断探索如何提高能源 利用率、开发利用新能源，保护生态环境的目的，提出一种以氢为燃料的新型能源 动力系统一氢氧联合循环，此系统只利用传统燃气一蒸汽联合循环的设备，却做到了 “零排放，因而从更高层次上实现了热能的梯级利用。 ( 1 ) 氢氧联合循环系统的热力学理论分析 在对前人提出的无回热、再热环节的简单氢氧联合循环系统进行热力性能分析 的基础上，本文提出一种新型氢氧联合循环系统，并对系统进行参数匹配与组合的 研究。基于热力学的基本理论，从简单的系统组合匹配出发，建立系统的数学模型， 在特定工况下，得出热力学理论计算和分析结果。 ( 2 ) 运用火用分析方法对系统的热力性能进行分析 基于热力学第二定律，用火用分析方法对氢氧联合循环的系统进行深入分析， 明确氢氧联合循环能量转换的机理，找出系统中火用损失最大的薄弱环节，为系统 的改造和优化提供可靠依据。 ( 3 ) 利用流程模拟软件a s p e np l u s 对系统进行模拟计算 利用流程模拟软件a s p e np l u s 对系统进行流程模拟和性能计算，看其结果是否 与热力学理论计算结果相符，如两者符合的较好，则表明本文的热力学理论计算和 分析过程较正确的反应和揭示了氢氧联合循环的性能特点。 ( 4 ) 循环主要参数对系统性能的影响 主要从氢氧蒸汽混合燃烧后的工质温度、压力、燃气轮机侧的膨胀比及其分配 等因素对循环热效率的影响等方面进行分析，从结果中总结出一些规律性的结论， 为未来大规模利用氢能的发电系统组成以及参数匹配起到参考作用。 3 、低温余热的有效利用一循环水源热泵系统 余热资源的有效回收和利用是节能减排的一个重要措施，更是能量梯级利用原 理的恰当应用。我国工业余热的资源十分丰富，不少余热温度较高且载热体流量稳 定，具有较好的利用条件。凝汽式发电厂的循环冷却水就是一例，由于凝汽器循环 水的温度一般只比环境温度高1 0 。c 左右，品位不高，所以人们对它的利用远远不 够，往往直接排放到大气中，造成能源的浪费以及对环境的热污染。若以电厂循环 水为热源，利用热泵技术回收其余热，就能够达到显著的节能效果。 ( 1 ) 循环水源热泵系统的工作原理及方案设计 本文的第四章从利用热泵回收循环水余热的背景及意义出发，首先介绍了热泵 技术和水源热泵的工作原理；根据水源热泵运行不同的驱动方式，以及系统中热泵 4 华北电力人学硕十学位论文 设置位置的不同，提出了循环水源热泵系统的具体设计方案，并阐述了系统的适用 范围及条件。 ( 2 ) 对循环水源热泵系统进行可行性分析 技术可行性是循环水源热泵系统的设想最终能否得以工程实施的关键。本文从 能效评价、经济性评价和环境评价三个方面对循环水源热泵系统进行了深入的可行 性探讨，所得结论对于此项技术未来应用于工程实际具有一定的参考价值。 ( 3 ) 对示范项目进行技术经济性分析 以某电厂周边小区为例，对循环水源热泵空调系统方案的应用进行技术经济分 析。通过小区设计负荷选取水源热泵设备，并计算系统初投资费用、运行费用、系 统收益，进而确定系统的动态投资回收期，最后分析系统的运行费用。 5 华北电力人学硕十学位论文 第二章能的梯级利用原理及其应用 2 1 能的梯级利用原理 用以实现热能向机械能转换的热力循环是热机发展的理论基础和能源动力系 统研究的核心内容，而其中的核心科学问题就是热能的梯级利用。因为热能转换利 用时，不仅存在数量问题，还有热能的品位问题。热能的品位是指单位能量所具有 可用能的比例，它常常被认为是热能温度所对应的卡诺循环效率。 “温度对口、热能梯级利用 原理从能的“质与量 相结合的思路出发，进行 系统中各元件的组合和集成，其本质是如何实现系统内动力、中温、低温余热等不 同品位的能量的隅合与转换利用。热力循环是利用燃烧后工质温度与环境温度之间 的温区范围内的热能，所以系统集成的好坏取决于这部分热能是否得到充分和有效 的利用。按照能量品位高低对能量进行梯级利用，从总体上安排好功、热( 冷) 与物 料、热力学能等各种能量之间的匹配关系与转换利用，从系统的高度、综合利用各 种能源，以取得更好的总效果，而不仅是着眼于单一生产设备或工艺的能源利用率 或其他性能指标的提高【7 。8 】。 图2 1 热能的梯级利h j 原理示意图 对于各种热能转换利用系统，系统集成的核心科学问题都是热能梯级利用原 理。它们有着通用的基本方程。从典型的总能系统能量转换与利用平衡方程( 如图 2 - 2 所示的情况) ，不难推得相关的通用基本方程。用和分别代表总能系统中 燃气循环和蒸汽循环功率【9 1 。 6 再种癸研环咎t 华北电力人学硕+ 学位论文 则： 图2 2 典型总能系统能量平衡示意图 = q ，= b 3 a 3 = 厂( b 3 ，彳3 ，s ) = 绋= b 4 a 4 q ，= 厂( b 4 ，以，a ，) ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) 式中：毋为燃气侧循环技术系数( 即考虑有关部件技术实时水平等对系统性能的影 响) ；a 3 = 1 一瓦r , = 1 - l r ，即燃气侧循环热源的能量品位；b 4 为蒸汽侧循环技术 系数：爿。= l 一瓦正= f ( r ，占) ，为蒸汽侧循环热源的能量品位；d f 为加入蒸汽循环 的其他蒸汽热源品位；叩为系统热力学第一定律效率( 即系统的能源利用率) 。 纯产功的系统出功与燃气侧出功之比为： 老= 等= 警训蚺, a 3 , ：1 4 , a l ， 仁3 ， 对供热并供系统则有 华：r _ _ l ：f ( b 3 ，b 4 ，彳3 ，彳4 ，彳，彳异) w 群 r 醇 一。j “。 ( 2 - 4 ) 式中：q 尺为系统有效热输出；d r 为供热并供系统有效热能输出的热能品位。 从以上两式可以看出，当简单燃气轮机循环成为联合循环或功热并供等总能系 统时，和( + 绋) 或7 7 。和r r 等表达了不同热力循环的结合和 不同用能系统一体化整合时总能系统性能的提升情况，即系统热能梯级利用的完善 7 华北电力大学硕士学位论文 程度。它们与各热力循环技术系数俾j ，b 4 ) 有关，即与各循环系统的集成优化及其技 术水平有关；而更重要的是与系统中各种能量转换利用时的热能品位( a s ，a 4 ，a f ，a r 等) 密切相关。 2 2 不同热力循环联合的热能梯级利用 在能源与动力领域，通过热力循环来实现机械能的输出，围绕热力循环的研究 是能源利用转换领域永恒的课题。在现有热力循环的基础上，人们致力于各种热力 循环系统的整合上，若将具有不同工作温度区间的热机联合起来，互为补充，如把 高温循环热机的排热作为低温循环的加热，就可以大大降低总的排热损失，提高整 体循环的效率，这种从整体考虑的热力循环系统或装置就叫做联合循环。 其中比较著名的有布雷顿一朗肯循环、布雷顿一卡琳娜循环、布雷顿一燃料电 池循环、化学链燃烧循环等【1 0 。1 1 。 2 2 1 布雷顿一朗肯循环 布雷顿一朗肯循环( 如图2 3 所示) 是燃气轮机循环( b r a y t o n ) 与蒸汽或其它流体 工质的朗肯循坏( r a n k i n e ) 相联合的发电系统。由于燃气轮机适合作为高温区域热功 转换功能的部件，而汽轮机则适合于中低温区域工作，若把两者有机结合起来，即 把燃气轮机的排热作为汽轮机循环的热源，综合互补，就能呈现出很高的整体性能。 目前本循环的热力效率已达到了5 8 以上，并且已经进行了商业化规模应用，是一 种比较成熟的联合循环技术。 常规的燃气蒸汽联合循环( 布雷顿一朗肯循环) 有五种：无补燃的余热锅炉型联 合循环、补燃的余热锅炉型联合循环、排气全燃型联合循环、增压锅炉型联合循环 以及给水加热型联合循环。目前，应用最广泛的是无补燃的余热锅炉型联合循环。 系统( 如图2 3 所示) 主要由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机及发电机等组成。其所有 热量都从循环中的燃气轮机侧加入，燃气轮机的高温排气被引到装在其后的余热锅 炉中去加热给水、产生蒸汽，以驱动汽轮机做功。在这种联合循环中，汽轮机只是 燃气轮机的余热利用设备，输入循环的能量全部加给燃气轮机，整个装置的输出功 也以燃气轮机为主，汽轮机功率占的比例较小。显然，燃气侧参数对联合循环系统 性能的影响较大，而汽轮机功率和蒸汽参数将取决于燃气轮机的排气参数。其中汽 轮机与燃气轮机功率比约为o 4 5 0 7 7 ：而联合循环的效率相对于简单循环燃气轮机 效率的比值较大约为1 4 5 1 7 7 。 ，其顶循环利用了高温 出的高温烟气热量被余 蚤 就是在余热锅炉中的工 质是氨水混合物，工质的浓度随着温度的提高而降低，整个气化过程与升温过程是 致的，因此减少了传热温差，同时蒸汽的凝结在环境压力下，减少了凝汽器抽真伊 空的功耗，因此整体循环效率较高。 循环采用一套蒸馏冷凝装置使氨水分别与热源和冷源进行热交换。在该装置 的蒸馏器内，高压的浓氨水溶液( 根据大气环境温度的不同，最佳浓度大约在 詹， 6 8 8 0 之间) 吸收放热流体的热量后，蒸馏出氨气。在蒸馏器的出口处，浓溶液已 被分离成氨气和稀溶液两个部分。氨气进入汽轮机膨胀做功后返回蒸馏冷凝装置 的冷凝器，稀溶液经降压后也返回冷凝器。在冷凝器内，稀溶液与氨气在冷源的作 用下会重新混合成浓溶液，将此溶液增压后送往蒸馏器，如此实现工质的热力循环。 图2 4 布雷顿一卡琳娜循环 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 布雷顿一燃料电池循环 布雷顿一燃料电池联合循环是把燃用氢的燃料电池和热力循环结合的多重联 合循环动力系统。其中，固体氧化物燃料电池的工作温度在8 0 0 。c 以上，其排出的 高温工质再进入燃气轮机的燃烧室，升高温度后进入燃气轮机做功，尾气的热量通 过余热锅炉回收再进入燃料电池，从而完成一个循环。本循环利用燃料电池把燃料 的化学能直接转变为电能，排出的热量又被燃气轮机有效利用，极大提高了循环效 率。这种循环的热效率经过优化之后最高可以达到6 7 以上。但是由于燃料电池的 容量和造价限制，此循环的大型化也受到不同程度的制约。如何大规模利用氢能来 发电也是摆在科技工作者面前的一大科研课题。循环的系统图如图2 5 所示。 压 2 2 4 化学链燃烧循环 排气 图2 5 布雷顿一燃料电池循环 化学链燃烧循环( 如图2 - 6 所示) 就是把金属的氧化和还原过程分开进行，两个 过程放出的热量产生高温高压燃气后进入燃气轮机做功从而完成一个循环，而金属 也在不断的被氧化和还原，这样就把燃料的化学能不断转化为电能。本循环最大的 特点是能够实现c 0 2 的有效分离和捕集，极大减少温室气体的排放。 此循环主要由两个围绕化学链反应的热功转换过程组成。第1 个热功转换过程 为湿空气透平循环，由压气机、空气饱和器、加热器( 第2 反应器) 、湿空气透平以 及凝汽器等组成。第2 个热功转换过程由加热器( 第l 反应器) 、透平( c 0 2 h 2 0 ) 以及 凝汽器等组成。系统中采用两个气固化学反应来取代传统的燃烧过程，由于燃料与空 气不接触，燃气侧的气体生成物为高浓度的c 0 2 和水蒸气，只需采用简单的物理方 法将排气冷却即可分离和回收c 0 2 ；另外，由于无火焰气固反应温度远低于常规的 燃烧温度，几乎可根除n o 的生成。 l o 目的不同，制冷过程 来实现更有效的供热 用途或相应的制冷任务等。 从热力学观点来看，用燃料的化学能或电能转化为热能的两种方法来满足人们 在生活和生产上直接利用热能的需要，都不经济合理。而在自然界，例如，地热、 大气以及天然水源中都蕴含着能量，某些工业生产过程中也排放出大量的余热，但 这些热量的温度水平比需要的低，难以直接利用。热泵可以消耗一部分高质量的能 量( 机械能、电能、或高温热能等) 为代价，通过热力循环，把低温热源中储存的能 量加以挖掘利用，使低温热变为高温热。也就是说可利用热泵，从自然环境介质中 或工业生产排放的余热中吸收热量，并将它输送到人们所需要的较高温度的系统当 中去。例如在热泵的蒸发器中循环工质蒸发吸取环境介质的热量，经压缩后的工质 在冷凝器中放出热量，可以直接加热房间，或者加热供热系统的用水，然后由循环 水泵输送到热用户作为采暖或热水供应等。工质凝结成饱和液体，经截流阀降温进 入蒸发器，重新蒸发吸热汽化为干饱和蒸汽。从而完成一个循环。经过合理设计， 可使热泵在不同的温差范围内运行，可以制热，也可以制冷【1 2 i3 1 。 我国的工业余热资源十分丰富，利用潜力很大，分布也很广，不少余热具有较 好的利用条件，利用热泵技术回收这些工业余热，就能挖掘低品位热能从而达到节 能的目的。例如，可利用热泵技术回收电厂循环冷却水的热量，将低品位的电厂余 热提高品位，符合能的梯级利用原理的操作原则( 高品位能做功，低品位能供热) ， 也可实现电厂燃煤热能的“循环使用”。 按照“温度对口，梯级利用”的原则对不同品位的热能进行能量的梯级转换与 利用，应根据热源温度的高低选择适当的热机和热能装换装置，大力发展各种联合 华北电力人学硕十学位论文 循环与热电并供，余热利用等总能系统。 2 4 小结 从2 0 世纪8 0 年代初，吴仲华先生首次提出“能的梯级利用”理念至今已有2 0 多个年头。在这期间，我国科学技术发展规划中能源领域的具体内容与发展思路正 是按照吴先生的思想所展开，而在世界能源学科的发展中也可以看到其影响。可以 说，能的梯级利用原理已成为能源动力系统集成开拓的关键核心科学问题，吴先生 所倡导的热能梯级利用和总能系统已成为能源科学发展的主流思想，对能源科学技 术和能源学科、乃至国民经济发展都产生了巨大而深远的影响。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 3 i 概述 第三章氢氧联合循环系统研究 温室气体引起的全球变暖是当前也是未来能源和环境协调问题中最引人关注 的热点及难点。目前，世界上绝大多数的化石能源动力系统为碳基能源系统，经长 期不懈的努力，现已开发出各种洁净技术与系统，可把有害的s 0 2 和n o 。排放量减 少8 旺9 0 以上，但它们对于大幅度的减少c 0 2 排放大都无能为力。为了解决不断 增长的能源需求与日益严重的环境污染及温室效应之间的尖锐矛盾，人们迫切需要 寻找新的洁净能源，以逐步取代现有的化石燃料，达到减少污染物与温室气体排放、 最终实现零排放的目的。 在人们探索的众多新能源中，氢能以其热值高、无污染、不产生温室气体等独 特优点，正在引起人们越来越多的关注。生产氢的主要途径有：电解水制氢，太阳 能制氢，化石燃料制氢，生物质制氢以及各种化工过程副产品氢气的回收等。我国 作为农业大国，生物质制氢技术显得很有吸引力。生物质热化学制氢的基本方法是 将生物质原料( 薪柴、锯末、麦秸、稻草等) 压制成型，在气化炉( 或裂解炉) 中进行 气化或热裂解反应，获得富氢燃料气，再将富氢燃料气中的氢与其他气体通过变压 吸附或变温吸附分离，获得高品质氢。我国的生物质资源( 特别是农作物秸秆) 非常 丰富，年生物质总量约为3 0 亿吨( 相当于1 0 亿吨石油当量) ，因此利用生物质原料 制氢更符合我国的能源战略。它不仅可提供氢燃料，改善燃料利用结构，实现大气 污染状况的根本好转；且能有效利用生物质这种丰富的、经济的可再生资源，真正 实现c 0 2 “零排放 1 1 4 j 。 以氢为燃料的能源动力系统称为氢能总能系统。正在研究发展的氢能总能系统 主要有：以氢为燃料的燃料电池联合循环发电系统。它是把燃用氢的燃料电池和 热力循环结合的多重联合循环动力系统。其中，固体氧化物燃料电池的工作温度在 8 0 0 。c 以上，其排出的高温工质进入燃气轮机的燃烧室，升高温度后进入燃气轮机 做功，尾气的热量通过余热锅炉回收再进入燃料电池，从而完成一个循环。本循环 利用燃料电池把燃料的化学能直接转变为电能，排出的热量又被燃气轮机有效利 用，极大提高了循环效率。这种循环的热效率经优化之后最高可以达到6 7 以上。 但由于燃料电池的容量和造价限制，此循环的大型化受到不同程度的制约。氢氧 联合循环系统。燃烧天然气，以燃气轮机为核心的燃气蒸汽联合循环技术在商业 上已经达到比较成熟的程度，但是这种双工质循环耦合带来的传热和顶部循环的烟 气排放热量损失是无法避免的，同时也带来了c 0 2 和n o ，的排放。采用氢作燃气轮 机燃料的联合循环系统将会提高整个循环的热效率，真正实现污染物的零排放。 1 3 华北电力人学硕士学位论文 3 2 简单氢氧联合循环系统 3 2 1 系统构思及流程描述 氢氧联合循环的设想早在上世纪9 0 年代初，就有中、日、美3 国科技工作者 几乎同时在不同学报上提出，他们设计的系统流程如图3 1 所示。现在，美国与日 本均有科研计划将之付诸实用的研究【1 5 。1 6 】。 s e r f w p 图3 1 简单的氢氧联合循环系统示意图 系统以纯氢为燃料，以纯氧为氧化剂。如果按完全反应的比例将氢气和氧气作 为循环的工质，分别经间冷压缩，在反应器( 燃烧室) 中反应生成高温水蒸气，则通 过透平可以直膨胀做功至冷凝压力。目前透平压力不能太高，为控制透平温度， 还需将反应释放的能量加热冷凝回水。反应生成物和被加热蒸汽在反应器中混合， 再一起在透平中膨胀，如此形成循环。图3 2 为简单氢氧联合循环系统的温熵图。 s p e c i f i ce n t r o p ys ( k j ( k g k ) ) 图3 2 简单氧氧联合循环系统的t - s 图 1 4 华北电力人学硕士学位论文 假设l k g 的氢气和7 9 3 6 k g 的氧气分别经间冷压缩1 2 后，在反应器中生成 8 9 3 6 k g 水蒸汽，同时加热由冷凝器中抽出的8 9 3 6 r k g ( r ：冷凝回水与生成水的流 量比) 经预热后回注入反应器以控制蒸汽出口温度的冷凝水：生成蒸汽和冷凝蒸汽 直接在反应器中混合，产生( 1 + r ) 8 9 3 6 k g 过热蒸汽，经透平膨胀做功。由于氢、氧 压缩比难以太高，而蒸汽初温相对较高，在一定背压下，透平出口温度仍较高，这 部分热量( 4 5 放热过程) 可以用来预热冷凝水。由t s 图上的循环过程可以看出，透 平背压是蒸汽冷凝压力，而不是普通燃气轮机排气的大气压力，透平的输出功远大 于燃气轮机的透平。虽然冷凝水的给水温度较常规蒸汽电站的低很多，在一定程度 上会影响循环的热效率，且氢气压缩的耗功较大，但循环最高温度较常规燃气蒸 汽联合循环高，使得系统效率仍然较高。今后，若透平进口温度允许足够高，不必 用冷凝水掺冷减温时，循环效率将会达到更高值。 从热力学循环理论上来看，氢氧联合循环是非常理想的。即以纯氢为燃料时， 可将之与纯氧按摩尔比为2 ：l 进行完全燃烧，得到纯水蒸汽作为工质，从环保性 能看，不会给大气环境带来任何污染；从系统流程结构看，生成物只有水蒸汽，所 以膨胀过程就包括了部分底部循环，而没有常规联合循环中燃气轮机排气放热与蒸 汽吸热过程，从而减少了循环之间传热过程的火用损失。但氢氧混合物具有爆炸性， 随着温度的升高，反应速度加剧，在催化剂和水蒸气存在时，会加剧氢和氧的化合 反应，所以进行氢氧反应的关键是要有一个缓和的反应装置。 3 2 2 系统的热力性能分析 图3 - 3 是简单氢氧联合循环系统中燃气轮机入口压力与蒸汽轮机出口温度的关 系图。图3 4 为燃气轮机入口温度对循环热效率的影响曲线。随燃气轮机入口压力 的提高，系统的膨胀比提高，在同样入口温度下，膨胀更加充分，汽轮机出口蒸汽 温度逐渐降低，同时循环热效率也会提高。整个系统的效率随着温度的升高而明显 提高，在1 5 0 0 时效率达到5 5 ，与一般联合循环的效率相近。但可以看出简单氢 氧联合循环的排汽温度还是比较高的，热量损失比较大，效率有待于进一步提高。 7 6 5 0 0 p 4 0 0 - 3 0 0 2 0 0 o23 p m p a 图3 - 3 排气温度和燃气轮机入u 压力关系图 1 5 华北电力大学硕十学位论文 6 5 5 5 零5 0 4 5 c 4 0 3 5 3 0 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 t 图3 _ 4 燃气轮机入u 温度对循环热效率的影响 3 2 3 有回热的氢氧联合循环 在简单氢氧联合循环系统构成的基础上，如果使系统的底部循环采用常规蒸汽 循环，以克服简单循环给水压力较低的弊端，对原系统进行结构优化和改进，就形 成了带有回热的氢氧循环系统，系统流程如图3 5 所示。系统采用常压反应器，不 用压缩机。为了提高系统的膨胀比，增加了高压蒸汽轮机( h p s t ) ；低压蒸汽轮机 ( l p s t ) 的作用是使蒸汽能够膨胀到接近环境温度。同时通过余热换热器( h r e ) 吸收 一部分燃气轮机排气的热量以便使低压汽轮机入口温度降到合理水平，这样，低压 汽轮机排气温度降到接近环境温度。余热换热器产生的高压蒸汽进入高压蒸汽轮机 做功后再进入燃烧室以便降低燃烧产物的温度。图3 - 6 为带有回热系统的氢氧联合 循环的温熵图。 f w p 图3 5 带有回热的氰氧联合循环系统图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 s p e c i f i ce n t r o p ys ( k j ( k g k ) ) 图3 石回热燃气轮机和蒸汽轮机联合循环温熵图 高压蒸汽轮机入口压力对循环热效率的影响如图3 7 所示。由此可以看出，随 着压力的提高循环热效率也在不断提高，在亚临界状态效率对压力的变化比较敏 感，但是到了超临界状态，影响就变得比较平缓。这主要是因为在亚临界状态，水 的汽化潜热比较大，同时汽化温度随着压力的升高而逐渐提高，它对平均吸热温度 的提高有更大的贡献；而在超临界状态下水的汽化潜热没有了，因此对效率提高的 影响较小。与简单循环的热效率以及汽耗的比较如图3 8 和图3 - 9 所示。由此可以 看出，在循环最高温度为1 5 0 0 。c 时，回热循环的热效率接近6 0 。回热循环的效 率较简单循环的效率提高了5 1 0 。回热使汽耗有所上升，但是随着温度的提高， 回热占循环吸热量的比例逐渐降低，因此回热对汽耗上升的影响逐渐降低，同时回 热对于循环热效率提高的影响也逐步减小。 - 一一“r p m p a t = 1 5 0 0 图3 7 最高压力对回热联合循环的影响 pvo-jpii置ob ：8：；诣：5； 术 l i 华北电力人学硕士学位论文 6 5 6 0 5 5 母5 0 f4 5 4 0 3 5 3 0 3 0 2 5 2 0 嗣1 5 口1 0 5 0 l 一一一 i - 一- i i i - - - h e a t 。= = 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 t 图3 8 回热循环与简单循环效率的比较 一n o n h e a tr o c o v o i _ 一h e a tr e c o v e r 弋 太弋 0 5 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 t p = 3 0 m p a ，n = 2 5 m w 图3 - 9 回热循环与简单循环的汽耗比较 3 3 新型氢氧联合循环系统 3 3 1 系统构思及流程描述 在上文简单氢氧联合循环以及带有回热的氢氧联合循环系统的基础上，提出一 种新型氢氧蒸汽联合循环，即带有一次再热和回热的氢氧联合循环系统。系统的流 程图如图3 1 0 所示。新型循环仍然以纯氢作为燃料，以