湿空气透平循环

1、湿空气透平（HAT）循环专业：265466313113213131313131 姓名：164654321321321一、背景介绍能源是人类社会生存和发展的物质基础，是人类生产和生活的重 要支柱之一，能源开发和利用的历史也就是人类社会发展和进步的历 史。随着生产力的发展和人类生活水平的提高，人类社会对能源特别是电能、热能和机械能的需要越来越大，而不可再生的一次性常规能 源的已知存储量却的逐年剧减。目前世界性的能源危机与环境污染是 人类社会和谐持续发展所面临的两大严峻的问题，因此合理利用地球上的宝贵资源，提高资源的利用效率、减少资源的浪费和损失，利用 有限的资源获得最大极限的可用能量，成为全世界各

2、国解决这两个问 题的共同手段。为了进一步提高能源转化效率和减少环境污染，近年来新型热力 循环展开了广泛的研究，包括Kalinna循环、注蒸汽燃气轮机（STIG） 循环、是空气透平（HAT）循环等都是新型循环的代表，其中HAT（Humid Air Turbi ne ）循环具有高效率、高比功、低污染、低成本及 良好的变工况性能等优点，受到国际能源动力工程界的重视，已成为 新型热力循环的重要研究方向之一，被誉为21世纪的热力循环。虽然目前还出去开发初期，但是已有的研究成果已非常令人鼓舞，特别是和煤气技术相结合时更显示出它的优越性。二、HAT循环简介HAT循环新概念是由日本 Y.Mori教授于1983

3、年首先提出 当初他们把它看成是一种特殊的会热燃气轮机循环，带有喷水手段， 且采用两相、多组分的混合工质，故称之为水接触蒸发的多相多组分 系统（MPCS/DCE）。1985年后，美国出现多项 HAT循环的专利。HAT循环的核心是建立在中冷回热燃机循环的基础之上的。目 前广泛使用的得到认可的 HAT循环的系统流程为空气经低压压气 机、中冷器、高压压气机、后冷器后进入饱和器底部，补充水在中冷 器、后冷器、热水器中加热升温后从饱和器顶部进入。在饱和器中， 空气和水逆流接触，空气被加热湿化，水被冷却并部分蒸发。从饱和 器出来的湿空气回收透平排气高温余热后进入燃烧室，经燃烧加热， 生成的高温高湿燃气在透平

4、中膨胀做功， 透平排气经回热器和热水器 吸热后排入大气，完成一个工作流程。水经过间冷器、后冷器和经济器的分别加热后，三股热水混合在 一起，然后从顶部被喷射到饱和器内，压气机出口的高压空气经冷却 后从底部进入饱和器内。在饱和器内，高压压缩空气和喷雾水滴（填 料饱和器内填料上的水膜）直接接触，进行热质交换，高温水变温冷 却和部分蒸发，使高压空气的温度和相对湿度（含湿量）都升高，成 为空气和水蒸汽的混合物，未蒸发的水从饱和器底部引出并循环利 用。随后，高含湿量的湿空气（含 1045%蒸汽）经回热器加热升 温后，进入燃烧室与天然气或者液体燃料燃烧加热，最后高温、高压 的湿空气在透平中膨胀做功。透平排气

5、通过回热器和经济器逐步降 温，最后排向大气。其充分利用了系统的各种余热和废热，循环放热 温度很低，比较好的体现总能系统的能量梯级利用原则。其相应流程图如下所示：1.低压压气机2,高压压气机3.透平4水混合器A 5.遨烧室6.回热器7.经疥器 鼠饱和器9闻水泵 ©后冷器H冲冷器12冰混合器B 13发电机三、HAT循环的优点与传统循环相比，HAT循环有以下优点：（1）湿空气是在透平中膨胀做功的，它可以省去常规的燃气蒸汽联合循环中的蒸汽轮机 及其系统，使发电设备大为简化；（2）从空气中冷器和排气给水预热 器中回收的低温热能都能被利用来参与循环过程，而且这些传热过程 中冷、热侧的工质都不发生

6、相变，因而平均传热温差较低，能更大限 度地回收热能，这些为提高循环的热效率提供了条件；（3）由于水蒸 汽的加入使湿空气的流量增加以及水蒸汽具有做功能力大的特点，因而循环的比功值很大；（4）空气的湿化在饱和器内完成，湿化过程只 需要较低温度的热水，可以更好的利用各种低温热能，而且气液直接 接触，减少了传热、传质过程的不可逆性；（5）由于大量的水蒸汽参 与燃烧过程，可以降低燃烧产物中的 NO化物的含量。四、关键部件HAT循环中关键部件一湿化器。当环境温度升高时，低压压气机流量减少、排气温度升高，则间 冷器和后冷器间冷却水的排水温度和流量都随之变化，引起湿化器出 口空气含湿量随着环境温度升高而增加，

7、 一定程度上减缓了功率的减 小趋势，也减缓了循环效率的减小趋势，因此循环具有较好的变工况 性能。五、国内外的研究现状及主要进展1、HAT循环的研究HAT循环自提出以来，以其效率咼、成本低等优点引起了广泛 的重视，各国专家学者对 HAT循环的整体性能作了大量的研究。早 期的研究工作集中在系统整体分析上，主要对各种系统布置行式和运 行参数进行分析，比较同其它循环在效率、功率输出等方面的不同， 通过研究表明：利用现有的燃气轮机技术（初温1300C，压比2030）,循环效率可达55%58%。若加大湿化热水量，即蒸汽空气混 合比X提高到20%45%，则可望突破60%。美国能源部、电力部 和动力制造公司等

8、对 HAT循环十分重视，联合推出了一个“先进透 平系统发展项目（ATSDP） ”，旨在应用新颖循环概念和重大技术进 步成果，开发HAT装置也是目标之一。美国的 EPRI, Fluor Daniel等公司联合制定了一个时间表，准备分三个阶段实现HAT循环的商业化。前几年瑞典LUND大学在率先造出了世界上的第一台可以投 入实际运行的蒸发式燃气轮机（HAT循环的雏形）。国内从1993年起对HAT循环进行研究，但研究基本上还限于理 论研究，研究的重点是 HAT循环的热力学分析、循环性能分析以及 对循环参数与流程进行优化，从理论上研究和探讨HAT循环的本质及其性能。2、饱和器的理论研究近十年来，随着研究

9、工作的深入和建立 HAT循环示范电站的需 要，研究工作逐步细化深入到循环的各个部件。饱和器是HAT循环的特色和核心部件，正是由于饱和器的存在，所以能够实现低温余热 的回收，使比功和效率增大，因此饱和器在 HAT 循环中占有很重要的地位，对其性能的认识关系到整个系统的性能分 析。国内外对饱和器的研究也日益重视，在参考冷却塔德基础上建立相应 的理论计算模型。根据饱和器内的传热传质规律，建立了微分方程组。 编制SAT模型和CT模型程序计算得出了饱和器内部的参数分布规 律，分析了两种数学模型与实验结果的差异，此外还分析了饱和器的 热经济性能，对空气加压增湿过程进行了模拟计算和分析比较。无论从理论分析还

10、是实验研究来看，饱和器内部的传热传质过程 还有许多问题需要解决，包括过程的火用分析、过程中温度和湿度场 的测量，过程的实验组织和实验数据的整理、 过程的稳态特别是动态 的数值计算。只有在解决这些问题的基础上，人们才有可能掌握湿化 饱和过程的实质，才有可能设计出性能良好的饱和器。3、饱和器的实验研究饱和器工作于高热、高压、高湿环境下，内部物理过程非常杂， 通过纯理论的方法来研究存在较大的缺陷， 如假定工质物性、传热和 传质系数不变，因此在理论基础上的实验研究对于揭示饱和器内部规 律是必须的。瑞典的LUND理工学院与瑞典皇家理工学院共同于 1998年10 月搭建完成了第一台以600KW微型透平为基

11、础的HAT循环实验台， 此实验台基于 Volvo VT600的单轴燃气轮机，涡轮入口温度大约 1000C，空气流量3. 44kg/s,饱和器进口压力0. 8 MPa,通过此实验台对饱和器和大湿度燃烧室等进行了很好的研究， 得到了许多宝贵的实验数据资料，完善了相关的理论模型空白。近几年来国内几所高校和科研单位也相继搭建了饱和器性能实 验台，对增湿饱和器进行了初步的实验研究，取得了一定的成果。然 而由于测量条件限制一直未对饱和器内两相流动进行详 细的试验研究，因此对饱和器内气体的流动、液滴的流动、液滴的分 布、液滴的浓度、液滴的速度、液滴和气体间的换热和传质等的性质 研究也很少。4、饱和器的数值模拟研究在饱和器内部喷雾水滴和湿空气直接接触， 这是一个气液两相问 题。由于流体流动过程的复杂，模型实验测量具有一定局限性，无法 全面了解饱和器内部两相流场的微观状态和加热加湿动态过程的信 息，而数值模拟的方法则可用于流场的预测和弥补实验中无法测量的 一些参数。5、对HAT循环优化的研究目前已有多种HAT系统方案，由于没有试验验证，对他们性能 的评价只能建立在各作者各种假设条件的基础上， 因为条件不同，这 些结果就没有可比性。P.Chies等将以往研究者提出的HAT方