新型燃氣輪機與流化床鍋爐耦合系統的性能分析

李建鋒, 呂俊復, 李 斌,3, 郝繼紅, 張全勝, 堯國富, 黃海濤

(1.中國電力企業(yè)聯合會科技開發(fā)服務中心,北京 100055;2.清華大學機械工程學院,熱科學與動力工程教育部重點實驗室,北京 100084;3.華北電力大學能源動力與機械工程學院,北京 102206)

社會迅速發(fā)展帶來了電力消耗的急劇增加,而煤炭仍是當前我國發(fā)電的主要能源.據統計,截至2009年底,我國6000 kW規(guī)模以上火電裝機容量約占全國總裝機容量的74.6%,而火力發(fā)電量則占據全國發(fā)電量的83%以上.煤炭的燃燒不僅產生了大量的SO2、NOx等污染物,同時也產生了大量的CO2,成為溫室氣體的主要來源.

為了降低煤炭消耗,人們通過不斷開發(fā)新技術提高發(fā)電系統的熱效率,如現在大力發(fā)展的超超臨界(USC)技術[1]、整體煤氣化燃氣蒸汽聯合循環(huán)(IGCC)技術[2]等.另一方面,由于我國煤質復雜多樣,在開采過程中產生了大量的低熱值燃料,對這些劣質燃料的開發(fā)利用也是減少煤炭消耗總量的一個重要方式.據統計,2008年全國排放煤矸石及煤泥等劣質燃料約5.51×108t,按照熱值在5016 kJ/kg以上的煤矸石可以入爐燃燒發(fā)電計算,可用于CFB鍋爐燃燒的煤矸石和煤泥總量在3.4×108t以上,折合熱值約1×108t標煤.如果按照規(guī)劃,2020年原煤產量達到3×109t,洗煤量提高到70%,預測煤矸石排放總量將達到9.3×108t.發(fā)展循環(huán)流化床鍋爐技術[3-6]是充分利用這些劣質燃料最適宜的方式之一.

據統計,截至2009年底,我國循環(huán)流化床鍋爐機組的總裝機容量已達73000 MW.但是,過高的廠用電率對循環(huán)流化床鍋爐的經濟性產生了極為不利的影響.我國已投運的部分300 MW級循環(huán)流化床鍋爐機組的平均廠用電率高達9.6%,遠遠高于同級別煤粉鍋爐機組的平均值5.67%,與此相對應的是循環(huán)流化床鍋爐機組的平均供電煤耗比煤粉鍋爐機組高出約16 g/(kW?h)[4].一次風、二次風壓頭過高是導致循環(huán)流化床鍋爐機組廠用電率高的重要因素.

1 增壓流化床聯合循環(huán)系統簡介

在循環(huán)流化床鍋爐機組的發(fā)展過程中,為了提高循環(huán)流化床鍋爐機組的性能,出現了常壓流化床聯合循環(huán)機組(AFBC-CC)[7-8]與增壓流化床聯合循環(huán)機組(PFBC-CC)[9-11].因為兩種循環(huán)流化床聯合循環(huán)機組耦合了燃氣輪機與鍋爐,可以利用燃氣輪機的渦輪排氣或者壓氣機排氣為鍋爐提供流化風,同時利用高溫高壓的空氣/煙氣推動渦輪做功帶動壓氣機,所以從表象上看沒有供風電耗;同時因為有蒸汽發(fā)電系統,所以也屬于聯合動力循環(huán),具有較高的系統熱效率.二者相比,增壓流化床鍋爐機組由于具有更高的熱效率[7-8],所以得到了更大的發(fā)展,已在日本等國家得到了應用[9].表1給出了大崎發(fā)電廠的250 MW增壓流化床聯合循環(huán)機組的部分參數.圖1給出了該機組的系統圖,為簡單起見,只畫出一個爐膛.

表1 大崎發(fā)電廠增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電機組參數Tab.1 Parameters of PFBC unit in Cbugoku Electric Power Co.,Inc

從圖1和表1可知,增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電機組實際上是一個燃煤的聯合動力循環(huán),所以具有較高的發(fā)電效率.在表1中,大崎發(fā)電廠增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電機組的實際運行效率高達42.7%,折合供電煤耗為288 g/(kW?h),低于我國現階段運行的大部分超超臨界機組[12].

保證增壓流化床聯合循環(huán)系統穩(wěn)定運行特別是渦輪安全運行的重要因素是所用燃料的品質與除塵裝置的效率.由表1可見,大崎發(fā)電廠所用燃料的熱值很高.受國情的限制,我國煤粉鍋爐的燃料平均熱值約為20900 kJ/kg,而我國循環(huán)流化床鍋爐的燃料平均熱值僅為12540 kJ/kg左右[4].我國大部分流化床鍋爐機組所用的燃料不僅熱值較低,而且灰分很高,最高可達50%以上[3],這是流化床鍋爐在我國迅速得到發(fā)展而增壓流化床聯合循環(huán)卻無法推廣的一個重要因素.另一方面,不論是AFBC-CC還是PFBC-CC,因為要利用蒸汽系統來吸收煙氣的熱量,所以蒸汽動力循環(huán)只能采用朗肯循環(huán)(或者一次再熱朗肯循環(huán)),效率低于多級回熱循環(huán),這對系統熱效率反而產生了不利的影響.

圖1 大崎發(fā)電廠增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電機組Fig.1 Schematic diagram of PFBC unit in Cbug oku Electric Power Co.,Inc

2 新型燃氣輪機與鍋爐耦合系統

為了克服增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電機組的燃氣輪機磨損問題,采用另一種燃氣輪機與流化床鍋爐相耦合的系統,即采用燃煤鍋爐的外燃式燃氣輪機系統[13]可能是一種更好的技術方案(見圖2).空氣被壓氣機壓縮后,進入低溫換熱器中預熱,然后進入爐膛內的高溫換熱器中繼續(xù)加熱,進一步提高溫度.高溫高壓的空氣隨后推動渦輪做功,乏氣再作為燃用空氣排入流化床鍋爐爐膛,與燃料發(fā)生燃燒反應,在爐膛內加熱高溫換熱器內的高壓空氣后進入分離器.分離后的高溫煙氣進入低溫換熱器中進一步放熱,然后依次經過除塵器、引風機和煙囪,最后排入大氣.在圖2所示的系統中,燃氣輪機也完全可以和煤粉鍋爐相耦合,不過需要額外安裝脫硫脫硝裝置.與增壓流化床聯合循環(huán)機組相比,由于燃氣輪機的整個循環(huán)工質均為空氣,因此燃氣輪機不會受到磨損問題的困擾,這也是本系統的突出優(yōu)點.

新型燃氣輪機與鍋爐的耦合系統的熱力循環(huán)過程見圖3:1-2為空氣在壓氣機中被壓縮的過程;2-3為空氣在換熱器中的受熱過程;3-4為高溫高壓空氣在渦輪中膨脹做功;4-1則是放熱/回熱過程.由于渦輪的排氣要再次進入鍋爐爐膛參與燃燒,因此4-1既是放熱過程,又是回熱過程.

圖2 鍋爐與燃氣輪機的簡單耦合Fig.2 Schematic diagram of the simple coupling system of boiler and gas turbine

圖3 耦合系統的熱力循環(huán)圖Fig.3 Thermal cycle of the coupling system

通過對圖3中熱力循環(huán)1-2-3-4-1的分析,受換熱材料耐熱性能的限制,在循環(huán)溫度不高的情況下,系統的熱效率也不會很高,這也是目前外燃式燃氣輪機沒有獲得進一步發(fā)展的主要原因之一.不過與常規(guī)燃氣輪機相比,因為渦輪的排氣將再次進入鍋爐爐膛參與燃燒,所以系統具有天然的回熱特性,而且回熱效率為1.為了在有限的循環(huán)溫度范圍內進一步提高系統熱效率,可以采用多級壓縮、中間冷卻的方式降低壓氣機功耗,同時可以降低鍋爐的排煙熱損失;采用多級膨脹、中間再熱的方式來提高系統的平均吸熱溫度和吸熱量,增加系統的熱效率和做功量,系統見圖4.

圖4 帶多級壓縮與多級再熱的耦合系統Fig.4 The coupling system with multi-compression and multi-reheat process

在圖4所示的系統中,其熱力循環(huán)過程如圖3中 1-1′-2′-2-3-3′-4′-1 所示 .很顯然,僅就圖 3 所示,在相同的循環(huán)溫度范圍內,多級間冷壓縮以及多級再熱膨脹的復雜系統具有更大的循環(huán)功量,也更接近卡諾循環(huán).理論上,如果采用足夠多級的間冷壓縮與再熱膨脹過程,同時忽略壓縮過程和膨脹過程的效率損失,那么該系統的熱力循環(huán)可看成一個概括性卡諾循環(huán)[14],其效率將與卡諾循環(huán)相當.

參考壓氣機噴水冷卻技術[14],為了提高換熱效率、降低鋼材消耗,可以采用氣-水混合式換熱器.在圖5所示的氣-水混合式換熱器中,加壓后的熱空氣從底部進入,而冷卻水從上部進行噴淋,經過充分混合后由冷卻水將空氣中熱量帶走.由于是直接噴淋,換熱效率很高.如果換熱器的截面積足夠大,那么不僅換熱器出口空氣溫度將與環(huán)境溫度相當,而且空氣在換熱器內流動所受的阻力也可以忽略不計.

圖5 氣-水混合式換熱器Fig.5 Air-water mixed heat exchanger

3 新型耦合系統的熱效率

以圖4所示系統為例對其熱力循環(huán)性能進行分析.假定環(huán)境壓力為p1,壓氣機級數為n,最終出口空氣壓力為p2,那么最佳級增壓比為:

因為中間冷卻換熱器為氣-水直接混合式,假設水流量足夠大,則冷卻器出口空氣溫度與冷卻水的進口溫度相同,即為環(huán)境溫度 T1;假定忽略直接混合式換熱器的阻力,各級壓氣機的效率均為ηc,那么n級壓氣機的總功耗為:

式中:k為空氣的質量定壓熱容與質量定容熱容之比;R為空氣常數.

因為要克服流化床鍋爐的流動阻力,空氣在渦輪內膨脹做功時,不可能膨脹到環(huán)境壓力,假定渦輪的排氣壓力為p′1;考慮到目前鍋爐所用管式空氣預熱器的設計壓降一般為1000 Pa左右,不足環(huán)境大氣壓的1%,所以忽略空氣換熱器的阻力,認為渦輪入口壓力與壓氣機出口壓力相當,因此,對于級數為n′的渦輪,最佳膨脹比為:

同樣,如果空氣在換熱器中換熱充分,除最后一級外,其余每級渦輪出口的空氣均可以再加熱到渦輪進口溫度值T3.假定渦輪效率為ηt,那么渦輪的總輸出功為:

系統總輸出功為

對于單級壓氣機,出口空氣溫度為

那么通過中間冷卻換熱器散失的總熱量為

式中:cp為空氣的比定壓熱容.

對于低溫換熱器而言,因為要考慮煙氣的低溫腐蝕等因素,所以排煙溫度不可能太低.假定其排煙溫度為T,那么系統通過排煙散失的熱量為:

系統總效率為

4 計算結果與分析

計算中取環(huán)境壓力為100 kPa,環(huán)境溫度為15℃,壓氣機效率為0.85,渦輪效率取為0.90.受目前材料耐高溫高壓性能的限制,超超臨界機組的主蒸汽溫度一般不超過620℃.但是在目前的燃氣輪機系統中,空氣的最高循環(huán)壓力也不超過3 MPa,參考新開發(fā)的耐高溫合金性能[15],比如可以使用GH2984合金來提高渦輪進口空氣溫度,其在105h、700℃條件下的持久強度高于100 MPa,因此渦輪入口空氣溫度可以取為650℃.同時考慮到煙氣低溫腐蝕等因素,低溫換熱器的排煙溫度取為130℃[3].流化床鍋爐機組一次風機出口壓頭一般在20 kPa左右,所以取渦輪的排氣壓力為100 kPa.

4.1 壓氣機與渦輪級數對系統熱效率的影響

壓氣機與渦輪級數對系統熱效率和系統復雜程度之間的綜合影響很重要.圖6給出了渦輪入口壓力、壓氣機/渦輪級數與系統熱效率之間的關系曲線,其中取壓氣機與渦輪級數相同.

圖6 系統熱效率與渦輪入口壓力、壓氣機/渦輪級數的關系Fig.6 Curves of thermal efficiency varying with inlet pressure of turbine and stage number of compressor/turbine

由圖6(a)可知,當壓氣機與渦輪的級數均大于3時,隨著渦輪入口壓力的增加,系統熱效率不斷增加.2級壓氣機與2級渦輪模式的系統熱效率隨著壓力的增加達到最大值,而單級壓氣機單級渦輪模式的系統熱效率則隨著壓力的增加一直下降.這是因為在單級模式下,系統就相當于帶回熱的Brayton循環(huán),但是因為壓氣機出口溫度隨壓氣機出口壓力增大而急劇升高(見圖7),所以導致系統回熱量不斷降低,甚至出現了壓氣機出口空氣溫度大于渦輪排氣溫度的情形,此時鍋爐排煙溫度不斷升高,至少壓氣機出口溫度將會不斷上升,因此系統熱效率不斷下降.從圖6(a)中還可以看出,隨著壓力的增加,即使增加壓氣機與渦輪的級數,系統熱效率的增加也在不斷放緩.由圖6(b)可知,隨著級數的增加,在渦輪入口壓力較低的情況下,系統熱效率略有降低.這是因為隨著級數的增加,壓氣機出口溫度逐漸降低,對于一般的帶回熱燃氣輪機,壓氣機出口溫度越低,意味著排煙溫度越低,系統熱效率就越高.但是在本系統中鍋爐的排煙溫度卻是定值,所以進一步增加壓氣機級數并不會降低系統的排煙溫度,反而會使得中間冷卻器帶走更多的熱量(見圖8),導致系統熱損失有所增加,因此系統熱效率略有下降.也正是因為如此,在渦輪級數為6時,系統熱效率隨著壓氣機級數的增加將會有一個最大值(見圖9).

圖7 壓氣機出口空氣溫度與壓氣機級數的關系Fig.7 Outlet temperature of compresso r vs.its stage number

圖8 中間冷卻器散熱量Fig.8 Heat release from intercooler

圖9 壓氣機級數與系統熱效率之間的關系Fig.9 Stage number of compressor vs.thermal efficiency of sy stem

由圖9可知,當渦輪入口壓力在600 kPa以上時,隨著壓氣機級數的增加,系統熱效率均有一個最大值,且最大值所對應的壓氣機級數隨著系統壓力的增加而增加.當渦輪入口壓力為1800 kPa時,系統熱效率最大值對應的壓氣機級數為3,熱效率超過了46%.因此,對于本系統在排煙溫度一定的情況下,壓氣機的級數有一個最佳值.

在系統放熱量一定時,吸熱量越多,系統熱效率就越高,因此渦輪級數的增加會不斷增加吸熱量,系統的熱效率也就不斷提高,見圖10.隨著渦輪級數的增加,系統熱效率也在不斷增加,在渦輪級數超過3以后增幅放緩.因此,如果考慮到系統的復雜性,渦輪也可以只取到3級.循環(huán)壓力超過1200 kPa時,系統熱效率與大崎發(fā)電廠增壓流化床聯合循環(huán)系統的熱效率相當.圖10中壓氣機為3級.

圖10 渦輪級數與系統熱效率之間的關系Fig.10 Stage number of turbine vs.thermal efficiency of sy stem

4.2 渦輪入口溫度對系統熱效率的影響

目前,燃氣輪機渦輪的入口溫度約為1700 K,現役或在研的先進航空用燃氣輪機渦輪進口溫度值可以達到1900～2100 K[16-17].而在本系統中,受換熱器材料的限制,渦輪的進口溫度僅為923 K,所以僅就渦輪耐熱來說,系統熱效率還有很大的提升空間.因此如果選用更耐熱的高溫換熱器材料,如耐高溫鎳基合金(耐熱溫度為約1200℃)、碳化硅材料(耐熱溫度為1200℃)、陶瓷和陶瓷纖維(耐熱溫度為1500℃)和碳/碳復合材料(耐熱溫度3000℃以上)等[18-19],可以進一步提高渦輪進口溫度.但受流化床鍋爐最高燃燒溫度的限制,系統的最高循環(huán)溫度也不會很高.圖11給出了渦輪入口溫度在600～800℃、采用3級壓縮和3級膨脹時的系統熱效率值.由圖11可知,不論在哪個工作壓力下,隨著渦輪入口溫度的升高,系統熱效率都不斷提高.在渦輪入口空氣壓力超過1200 kPa、溫度為1073 K時,系統的熱效率已經超過了50%.因此,開發(fā)新型換熱器、不斷提高渦輪入口空氣溫度是提高新系統熱效率的一個重要方向[20].從圖11中還可以看出,即使渦輪入口溫度降低至873 K(600℃)、最高循環(huán)壓力超過900 kPa時,系統熱效率仍可接近40%,折合供電煤耗約為307.6 g/(kW?h),低于我國大部分超臨界機組的供電煤耗.當最高工作溫度一定時,系統熱效率隨著渦輪入口壓力的增加達到最大值:如渦輪入口溫度為923 K時,系統熱效率在渦輪入口壓力為1500 kPa時達到最大值42.64%,與大崎發(fā)電廠的增壓流化床聯合循環(huán)機組效率相當.

圖11 渦輪入口溫度與系統熱效率的關系Fig.11 Inlet temperature of turbine vs.thermal efficiency of system

4.3 渦輪排氣壓力對系統熱效率的影響

為了克服流化床鍋爐布風板以及床料的阻力,流化床鍋爐的一次風風機出口壓力最高可達20 kPa左右,因此在前面的計算中渦輪排氣壓力取120 kPa.由于本系統也可以與煤粉鍋爐相耦合,所以此時的排氣壓力可以降低到與環(huán)境壓力相當.圖12給出了系統在渦輪入口溫度為650℃、采用3級壓縮和3級膨脹時,不同末級渦輪排氣壓力下的效率值.由圖12可知,渦輪的排氣壓力越低,系統的熱效率越高,最高可超過46%.因此,從圖12中可以推測:當采用節(jié)能型流化床技術時[10],系統最高熱效率將超過44%.在相同的排氣壓力下,隨著渦輪入口壓力的增加,系統熱效率將達到最大值,且最大值隨著排氣壓力的增加向渦輪入口壓力增加的方向移動.

圖12 渦輪排氣壓力與系統熱效率的關系Fig.12 Discharge pressure of turbine vs.thermal efficiency of system

5 系統特點分析

對新型燃氣輪機與鍋爐耦合系統的性能分析表明,新系統具有較高的熱效率.在最高循環(huán)溫度為650℃時,最高系統熱效率可以達到46%,供電效率約45%高于目前超超臨界機組最高約43.6%的供電效率.即使采用3級壓縮、3級膨脹的方式,系統熱效率也可以達到42.6%,仍高于目前大部分超超臨界機組的效率.該系統的一次風、二次風由渦輪排氣替代,并且不存在給水電耗,電廠自身僅有引風機電耗、煤破碎和輸送電耗等較小功率的電耗,因此發(fā)電效率與供電效率幾乎相等.此外,該系統因為沒有蒸汽系統,所以系統熱效率與機組容量的關聯性較小,較容易實現小機組高熱效率,與超超臨界機組相比應用也更靈活方便,特別是對于利用煤矸石等劣質燃料的坑口電站.

與目前的增壓流化床聯合循環(huán)系統相比,因為完全可以利用爐膛內的高溫換熱器加熱高壓空氣,渦輪內的循環(huán)工質為干凈的空氣,所以也就不存在渦輪磨損問題.當壓氣機以及渦輪的級數均為3、系統循環(huán)壓力超過1200 kPa時,系統的熱效率與大崎發(fā)電廠的增壓流化床聯合循環(huán)機組的熱效率相當.與常壓流化床聯合循環(huán)和增壓流化床聯合循環(huán)相比,因為沒有蒸汽系統,所以系統更為簡單.

與IGCC系統相比,該系統不僅熱效率較高,而且因為沒有空氣分離系統、煤氣化系統、煤氣凈化系統以及蒸汽循環(huán)系統,系統結構大大簡化、可靠性大大提高.

與現役流化床鍋爐電站相比,該系統熱效率較高而廠用電率卻顯著降低.如果耦合系統的流化床鍋爐脫硫效率很高,尾部煙氣腐蝕較小,那么還可以通過進一步降低排煙溫度來提高系統熱效率[21].

6 結 論

(1)燃氣輪機與CFB鍋爐的耦合系統具有較高的熱效率和很低的廠用電率,且燃氣輪機系統的循環(huán)工質為干凈的空氣,可以完全避免增壓流化床聯合循環(huán)鍋爐機組所存在的渦輪磨損問題.

(2)因為燃氣輪機與CFB鍋爐相耦合,所以具有很強的燃料適應性;因為沒有蒸汽系統,所以機組容量與效率沒有明顯的關聯性,在使用上具有更大的靈活性,特別適合于裝備坑口電站.

(3)在燃氣輪機與CFB鍋爐相耦合時,考慮到系統簡化及系統的綜合經濟性,空氣的壓縮和膨脹均采用3級較合適.

(4)渦輪入口空氣溫度對系統熱效率的影響較大,為了提高系統的熱效率,需要開發(fā)低成本的高溫換熱器.

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