湿化燃气轮机循环的性能分析-气体动力循环研究论文.doc

工程热力学研究性专题二湿化燃气轮机循环的性能分析【摘要】:湿化燃气轮机循环是一种效率高、污染小、功率输出大的新型燃气轮机循环形式。本文介绍了几种湿化燃气轮机循环的工作原理及其性能特点，并将其与常规的燃气轮机循环进行了比较。【关键词】:湿化燃气轮机循环;余热锅炉;湿化器Abstract Wet-cycle gas turbine is a high-efficiency, pollution, small, big power output in the form of a new type of gas turbine cycle. This article describes a number of wet-cycle gas turbine principle and performance characteristics, and the conventional gas turbine cycle compared.Keywords humidified gas turbine，HRSG，humidification tower能源危机和环境污染的问题使人们对能源利用效率和环保的要求日益增加，同时经济的快速发展也使人们对电能的需求量越来越大。据国际能源协会(IEA)预测，电能的消耗将以平均每年2.4%的速度增长，因此效率高、比功输出大、对环境污染少成为目前发电技术所努力追求的目标。随着分布式小型发电站的兴起，燃气轮机以其结构紧凑、体积小、启停较为灵活的特点受到人们的青睐。湿化燃气轮机循环是在传统燃气轮机循环的基础上，采用湿空气为工质，使循环工质的质量流量增加，从而提高了循环的效率，增大了系统的功率输出，同时还降低了燃烧产物中NOX的含量。1 湿化燃气轮机循环的基本工作原理湿化燃气轮机循环是通过在常规燃气轮机循环的不同位置注人水或蒸汽，使循环的性能得到改善，并且降低了燃烧产物中NOX的含量，减少了对环境的污染。湿化燃气轮机循环分为直接注水式燃气轮机循环、注蒸汽燃气轮机循环(STIG)和湿空气燃气透平循环(HAT)三种类型。1.1直接注水式湿化燃气轮机循环图 1表 示 了在常规燃气轮机循环的三个不同位置直接注水的湿化燃气轮机循环一是 在 低 压压气机的进气通道中直接喷人水(如图1中所示)，人口未饱和空气直接与水滴接触，水吸收空气的热量而蒸发，降低了压气机进口的空气温度，削弱了环境因素对燃气轮机性能的影响，而且由于人口空气中含有水蒸气，使工质的质量流量增加，循环的输出功和效率都有所提高。这种湿化燃气轮机循环尤其适用于空气相对湿度较小的干燥炎热的地区。图 1 直 接 注 水式 湿 化 燃 气轮机循环二是在压气机级间喷人水(如图1中所示)，以使压缩过程接近等温，减少压缩耗功，而喷人的水吸热蒸发产生的水蒸气与空气一起进人高压压气机，将因空气降温而减少的能量带回到循环中，避免了中间冷却由冷却水带走的中冷热量所造成的能量损失。三是在回热器进口空气中喷人水以降低回热燃气轮机循环中进人回热器的空气温度(如图1中所示)，不仅使回热器可以从透平排气中回收更多的热量，而且当压气机的压比较高，透平排气温度低于高压压气机出口温度时也能采用回热循环来提高循的效率。1.2注蒸汽燃气轮机循环(STIG)STI G循 环 又称为双工质循环(如图2)。外界给水首先依次通过中冷器和后冷器，对空气分别进行中间冷却和后冷却，然后进人余热锅炉被传热管外的燃气透平的排气加热蒸发，产生的过热水蒸气在回热器中回收排气的热量后再回注到燃烧室，与从压气机进人燃烧室的空气一起被加热后再进人燃气透平膨胀做功。图 2 注 蒸 汽 燃 气轮 机 循 环STI G循 环 不仅保持了联合循环(CC)对能量实行梯级利用的优点，而且省去了联合循环中的蒸汽轮机及其附属设备，大大简化了系统的结构。同时由于STIG循环可以随时根据负荷的变化改变回注人燃烧室的蒸汽量，所以部分负荷循环性能优于联合循环。但由于注人的水蒸气不能像在蒸汽透平中那样完全膨胀做功，所以STIG循环的效率略低于联合循环。图 3 S TIG 循 环 T 一 S图1.3湿空气透平循环(HAT)湿空 气 燃 气透平循环如图4所示。经低压和高压压气机压缩升温的空气先进人后冷器，释放少量热量加热外界给水后进人湿化器的底部，与从湿化器顶部进人的水进行直接接触逆流换热。空气被湿化后进人高温回热器回收排气的高温余热，而后进人燃烧室与燃料混合燃烧，产生的高温燃气和二次冷却空气混合，使混合气体降低到适当温度后进人湿燃气透平中膨胀做功。而由湿化器顶部进人的水吸收空气的热量后部分蒸发，未蒸发的水从湿化器底部排出进人低温回热器，温度升高后与补水混合后再进人湿化器。由于HAT循环中进人燃烧室的空气中含有20%一40%的水蒸气，使产生的高温燃气的温度有所降低，故可减少所需的二次冷却空气的用量，从而降低了压气机的耗功，增大了净功输出。图 4 湿 空 气 燃 气 透 平循 环HAT循环中不仅无需联合循环中的蒸汽轮机及其附属设备，而且还用湿化器代替了STIG循环中的余热锅炉，使系统的集成度得到进一步提高。湿化器是HAT循环中的核心部件，它一方面通过加湿空气而增加工质的流量，进而增大比功输出;另一方面通过降低水温，使系统低温余热的回收成为可能，进而提高效率。与STIG循环相比，水在湿化器中是变温蒸发，因此只需较少的热量就可实现对空气的湿化，而高温排气余热则可用来加热湿空气。而STIG循环需要较高温的热源才能产生回注蒸汽，很多余热被转化为蒸汽的潜热而散发到大气中，所以HAT循环大大提高了排气余热的利用率。1.3.1固体燃料湿空气透平循环为了 解 决 以煤为燃料的发电技术所面临的环境污染问题，各种新的燃煤发电技术不断出现，与HAT循环结合形成的外燃式HAT循环和整体煤气化湿空气透平循环(IGHAT)就是其中的两种。(1) 外 燃 式HAT循环 外燃式HAT循环是一种新型高效的燃煤动力循环系统，它既发挥了HAT循环高效率、高比功输出的优势，又体现出外燃系统由于以洁净空气为工质，故可回收冷凝水的优点，在透平初温为850的工况下，该系统的热效率高达48.11%。 外燃 式 HAT循环与常规HAT循环不同之处在于湿空气在回热器中吸收排气余热后不是进人燃烧室，而是进人外燃锅炉高温段，吸收烟气热量后进入湿空气透平膨胀做功;而且由于工质为洁净的湿空气，所以透平排气在回热器中预热湿空气后也不直接排人大气，而是使其在凝汽器中冷凝，得到的凝结水与外界补水以及湿化器中未蒸发的水混合后进人湿化器对空气湿化和加热。该循环可以回收利用透平排气降温时的低温凝结潜热来产生湿化用水量，强化了加湿能力，从而提高了系统的性能，尤其适用于缺水地区发展新型燃煤发电系统。 (2) 煤 气化 湿空气透平循环(IGHAT) 煤气化湿空气透平循环(IGHAT)是将煤气化技术与HAT循环相结合的一种动力循环，它将从煤气化装置中出来的合成燃料气经过冷却、除尘、脱硫等过程变为洁净的合成燃料气后，送人燃烧室中与湿化器排出的湿空气一起燃烧产生高温气体。由于在IGHAT循环中，离开气化炉的合成气中的热量可用于加热进人湿化器的外界补水，故可用廉价的骤冷气化炉和普通热交换器冷却合成气，并为蒸汽动力系统底部循环回路产生蒸汽，所以IGHAT循环的成本要低于IGCC循环。IGHAT循环以其高效率、低污染低费用的优点为燃煤发电技术开辟了新的发展方向。1.3.2气体燃料湿空气透平循环“西气东输”工程的实施，东南海油气田的开发，都为以天然气为燃料的燃气轮机提供了广阔的发展天地。分轴湿空气透平循环(CHAT)和储气蓄能湿空气透平循环(CASH循环)是在常规HAI，循环的基础上做了一些改进，使系统的总体经济效益得到进一步提高。(1) 分 轴 湿空气透平循环(CHAT) CHAT循环属于再热型HAT循环，它采用平行双轴的传动方式来代替HAT循环中的单轴传动，即用低压透平传动低压压气机，高压透平传动中压和高压压气机，负荷安排在低压轴上，由于双轴系循环的变工况性能优于单轴系循环，因此CHAT循环变工况性能比HAT循环优越，当负荷下降到满负荷的60%时，CHAT循环的效率并无明显下降，而且其过渡工况性能也较好,在停机状态下开启系统，10分钟之内即可实现联网发电，30分钟之内就能达到满负荷，故CHAT循环在较宽的工作范围内都具有较高的效率。(2) 储气蓄能湿空气透平循环(CASH循环)CASH循环利用电网低谷时燃气透平富余的输出功驱动压气机，并将制取的压缩空气送往岩洞或废弃的地下矿床等可承受一定压力的天然大容器中储存。而在电网高峰时，将储存的压缩空气经HAT循环中的湿化器加热湿化后送人燃烧室，产生的高温湿燃气进人燃气透平膨胀做功，输出的功全部用于发电。这是一种将压缩空气储备系统与HAT循环相结合的发电形式，对电网起到了“削峰填谷”的作用，并利用峰谷电价差使系统总成本低于常规的HAT循环。1.3.3热电冷联产与HAT循环构成的总能系统热电 冷 三 联产是在热电联产的基础上发展起来的新型总能系统，其透平排气不仅用于满足热负荷的需求，同时还用作吸收式制冷机的工作热源来制取冷量，不仅使能源得到了梯级利用，而且改进了原热电联产夏季热负荷不高的缺陷，使系统在全年都具有较高的综合经济效益。由于有冷量需求的用户大多位于不适合建立具有煤场的大型煤电机组的城市繁华地区，而且供冷系统也无法建立起集中输送网络，因此大型联合循环发电机组也不适宜用于建立热电冷三联产系统。HAT循环以其结构紧凑、污染小、效率高、比功输出大、部分负荷性能好、透平排气比热容大的特点成为热电冷三联产总能系统的最佳选择。HAT循环的透平排气经过供热热交换器后，温度降低到200左右，正好用作吸收式制冷机的热源来制取冷量，实现热电冷三联供。同时，吸收式制冷机的冷却水可作为HAT循环的外界补水，使进人湿化器的补水具有较高的烩值，从而使系统的总效率得到进一步提高。2 结论(I) HAT循环和STIG循环不仅遵循了联合循环“温度对口，梯级利用”的原则，而且省去了联合循环中的蒸汽轮机及其附件，使系统的集成度得到了提高。(2) STIG循环可根据负荷的变化改变蒸汽的回注量，HAT循环也可根据需要改变湿化器出口空气的湿度和温度，所以这两种循环对负荷变化的响应都比联合循环快。(3) 湿化燃气轮机循环采用空气和水蒸气的混合物作为循环工质，大大提高了燃气轮机循环的热力学性能，并降低了燃烧产物中NOX的含量，是一种效率高、污染少、净输出功大的新型燃气轮机循环方式。参考文献:1王永青，殷刚.湿空气透平循环的系统优化和性能分析J，热能动力 工程,2000,15(6):590一592.2金红光，赵洪滨，刘泽龙，蔡睿贤.新颖外燃式湿空气嫩气轮机循环及 性能研究J.工程热物理学报，2002,23(3):265一2703