基于F級燃?xì)廨啓C(jī)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的分析

呂 煊， 顧春偉,2， 劉建軍,3

(1．中國聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司，北京 102209；2．清華大學(xué) 熱能工程系，北京 100084；3．中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

隨著燃?xì)廨啓C(jī)工作效率提升、出力增加以及污染物排放指標(biāo)的日趨嚴(yán)格，煙氣再循環(huán)(EGR)受到越來越多研究機(jī)構(gòu)與廠商的關(guān)注.三菱-日立能源集團(tuán)1 700 ℃等級燃?xì)廨啓C(jī)中采用了煙氣再循環(huán)技術(shù)作為降低污染物排放的主要解決方案[1].GE動力集團(tuán)也于2010年申請了相應(yīng)的專利作為未來技術(shù)儲備[2].西門子發(fā)電集團(tuán)則將煙氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)中[3].

煙氣再循環(huán)技術(shù)的原理是將部分燃?xì)廨啓C(jī)排氣回注至壓氣機(jī)進(jìn)氣室中參與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，其優(yōu)勢包括：(1)回注煙氣提升燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣溫度，部分代替燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)(IBH)效果，防止壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉結(jié)冰；(2)回注煙氣改變空氣中氧濃度，燃燒室在低氧濃度下工作，有利于形成分布式火焰，熱釋放更為均勻，該燃燒過程一方面可以降低火焰峰值溫度，在更高出口平均溫度下降低NOx排放；另一方面熱釋放更加均勻從而可以降低熱聲振蕩風(fēng)險；(3)減少最終排氣流量，提升不參與煙氣再循環(huán)排氣的CO2濃度，有助于下游碳捕集工藝.

在工業(yè)界需求的牽引下，越來越多的研究者也開始關(guān)注煙氣再循環(huán).R?kke等[4]對煙氣再循環(huán)進(jìn)行試驗研究，針對某65 kW燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，分析了煙氣循環(huán)效率對燃燒穩(wěn)定性及污染物排放的影響，證實氧濃度對NOx排放有明顯影響.de Santis等[5]對煙氣再循環(huán)條件下燃燒室中燃燒過程進(jìn)行計算流體力學(xué)(CFD)分析，證明了由于燃燒環(huán)境的改變，火焰區(qū)最高溫度降低了70 K，有助于控制NOx生成.Asad等[6]則進(jìn)行了一維建模與分析，得出在特定情況下入口氧濃度與煙氣再循環(huán)系統(tǒng)效率呈線性關(guān)系.針對煙氣再循環(huán)對CO2的補給效果，Ali等[7]基于Turbec T100微小型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，證實了煙氣再循環(huán)對系統(tǒng)性能提升明顯，且CO2體積分?jǐn)?shù)從1.6%增至3.7%后，對于集成CO2捕集系統(tǒng)有明顯提升.Bolland等[8]比較了半封閉伯雷登循環(huán)與煙氣再循環(huán)CO2補給方式2種聯(lián)合循環(huán)的區(qū)別，得出采用煙氣再循環(huán)補給CO2的方式更為優(yōu)越.Henke等[9]則基于煙氣再循環(huán)建立了新型循環(huán)過程.

盡管在重型燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域?qū)煔庠傺h(huán)技術(shù)視為H/J級(1 600/1 700 ℃)的儲存技術(shù)，在目前商業(yè)運行的機(jī)組中尚無運用.但由于煙氣再循環(huán)技術(shù)存在諸多優(yōu)點，同時F級燃?xì)廨啓C(jī)(1 400 ℃)在目前市場上具有最大保有量，煙氣再循環(huán)技術(shù)同樣有潛力在不改造或少量改造的基礎(chǔ)上應(yīng)用于現(xiàn)有機(jī)組中，一方面可以提升現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠的性能，另一方面則能對技術(shù)進(jìn)行驗證，提高可靠性.

筆者基于典型300 MW F級重型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行建模分析，假設(shè)在不修改燃?xì)廨啓C(jī)主體條件下，采用煙氣再循環(huán)裝置，分析不同煙氣回流比條件下聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)的出力與效率、進(jìn)口工質(zhì)變化以及潛在CO2捕集的影響，最后提出了煙氣再循環(huán)改造建議.

1 系統(tǒng)建模

1.1 循環(huán)參數(shù)

以早期典型F級重型燃?xì)廨啓C(jī)為例，其性能參數(shù)見表1.燃?xì)廨啓C(jī)通常工作在聯(lián)合循環(huán)模式下，蒸汽輪機(jī)采用滑壓運行，蒸汽循環(huán)中，蒸汽輪機(jī)設(shè)計點體積流量為1 500 m3/s，設(shè)計進(jìn)口壓力為7.2 MPa，設(shè)計進(jìn)口蒸汽溫度為620 ℃，級效率為90%.

表1 F級重型燃?xì)廨啓C(jī)典型工作參數(shù)

1.2 計算模型

系統(tǒng)示意圖如圖1所示，包括燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)庋h(huán)以及蒸汽循環(huán).其中對燃?xì)廨啓C(jī)建模時考慮了壓氣機(jī)抽氣冷卻，對透平分為2段考慮，分別為第一級靜動葉(其冷氣量與燃燒室共享)以及透平其余級(冷氣來自壓氣機(jī)不同級抽氣).為了模擬真實整機(jī)運行環(huán)境，燃燒室出口溫度假設(shè)固定為1 400 ℃，該假設(shè)保證透平冷氣分配比例不變，根據(jù)不同煙氣回流量相應(yīng)調(diào)整燃料量，從而符合燃燒室當(dāng)量比.余熱鍋爐包括過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)中做功后進(jìn)入冷凝器，滿足閉式循環(huán).其中余熱鍋爐排氣經(jīng)過冷卻后與壓氣機(jī)進(jìn)口空氣摻混，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度為15 ℃.改變回流煙氣摻混比例，與原有聯(lián)合循環(huán)相比增加煙氣回流裝置，回流煙氣一部分進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)氣室中，另一部分進(jìn)入排氣塔中，煙氣再循環(huán)比例可調(diào).其中煙氣再循環(huán)比例定義如下：

XEGR=qm,R,ex/qm,ex

(1)

圖1 煙氣回流系統(tǒng)示意圖

式中：XEGR為煙氣再循環(huán)比例；qm,ex為余熱鍋爐出口總煙氣質(zhì)量流量；qm,R,ex為回流進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)氣室煙氣質(zhì)量流量.

針對燃?xì)廨啓C(jī)本身建模，付云鵬等[10]給出了變幾何條件下的建模方法.在煙氣再循環(huán)條件下，首先壓氣機(jī)進(jìn)口溫度、進(jìn)口組分改變，壓氣機(jī)工作在非設(shè)計工作點，壓氣機(jī)壓比、質(zhì)量流量與效率均發(fā)生改變.采用假定壓氣機(jī)工作特性線進(jìn)行計算，此時，壓氣機(jī)質(zhì)量流量和效率是壓氣機(jī)的相對轉(zhuǎn)速和壓比的函數(shù).

qm,ref=f(Nref,πref)

(2)

ηref=f(Nref,πref)

(3)

式中：qm,ref為壓氣機(jī)質(zhì)量流量；ηref為壓氣機(jī)多變效率；Nref為相對轉(zhuǎn)速；πref為壓比.

燃燒室按照完全燃燒進(jìn)行考慮，燃料為CH4，采用一步總包反應(yīng).透平與壓氣機(jī)建模方式類似.

2 結(jié)果與分析

首先建立基于典型F級重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)模型，如圖1所示，包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)典型“一拖一”聯(lián)合循環(huán).煙氣再循環(huán)的加入改變了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)本身的工作狀態(tài)點，燃?xì)廨啓C(jī)出口煙氣質(zhì)量流量、溫度隨著煙氣再循環(huán)比例的不同發(fā)生改變，從而影響下游蒸汽循環(huán)；蒸汽循環(huán)中燃?xì)馀c蒸汽換熱的改變會反過來影響進(jìn)口煙氣溫度，整個燃?xì)庋h(huán)與蒸汽循環(huán)需耦合分析.

2.1 煙氣回流對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口條件的影響

首先分析不同煙氣再循環(huán)比例下燃?xì)廨啓C(jī)本體進(jìn)氣條件的變化(見圖2).從圖2可以看出，余熱鍋爐的出口煙氣仍然帶有熱量，摻混后會造成燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度升高，升高趨勢基本與煙氣再循環(huán)比例呈線性關(guān)系.無煙氣再循環(huán)時，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度為假定的環(huán)境溫度15 ℃；當(dāng)XEGR=30%時，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度約為50 ℃.本文的分析假設(shè)是基于現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行的，壓氣機(jī)進(jìn)口溫度不允許大幅升高，否則壓氣機(jī)工作特性會發(fā)生大幅改變，需要重新設(shè)計.針對普通運行燃?xì)廨啓C(jī)，其壓氣機(jī)進(jìn)口溫度上限約為60 ℃，這就決定了現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)采用煙氣再循環(huán)技術(shù)時，其煙氣再循環(huán)比例首先受燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度的限制.同樣隨著煙氣再循環(huán)比例的增加，進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)隨之下降，由20.73%降至17.31%.在進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)降至17.31%后，進(jìn)入燃燒室的燃料量隨之改變，滿足燃燒室總體當(dāng)量比需求.此處雖然不涉及燃燒室的具體調(diào)整，但在這種情況下，需要對燃燒室頭部燃料孔進(jìn)行調(diào)整，從而保證頭部摻混.由于化學(xué)反應(yīng)路徑改變及進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)的降低，NOx生成量會降低[11].

圖2 煙氣再循環(huán)比例對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度與進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)的影響

表2給出了不同煙氣再循環(huán)比例下燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量.由表2可知，由于進(jìn)口溫度升高，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量降低，當(dāng)煙氣再循環(huán)比例為30%時，進(jìn)口空氣質(zhì)量流量為設(shè)計點的87%，由于進(jìn)口空氣質(zhì)量流量降低及進(jìn)口溫度升高，燃?xì)廨啓C(jī)出力及效率將下降.

表2 不同煙氣再循環(huán)比例下燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量

2.2 煙氣再循環(huán)比例對聯(lián)合循環(huán)出力的影響

圖3給出了煙氣再循環(huán)比例對聯(lián)合循環(huán)出力的影響.由圖3可知，隨著煙氣再循環(huán)比例的增加，燃?xì)廨啓C(jī)出力逐步下降，其原因為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量的降低以及燃燒室出口溫度恒定.每增加10%的煙氣再循環(huán)比例，燃?xì)廨啓C(jī)出力約降低7%.而蒸汽輪機(jī)出力則變化不大，雖然燃?xì)廨啓C(jī)出口煙氣質(zhì)量流量低，但由于透平工作在非設(shè)計點，效率降低，所以蒸汽循環(huán)受到煙氣再循環(huán)的影響較小，其出力僅略微降低，而效率幾乎保持不變.通常在“一拖一”聯(lián)合循環(huán)中，蒸汽循環(huán)的出力約為燃?xì)庋h(huán)的一半左右，在煙氣再循環(huán)條件下，該比例有所升高.

圖3 煙氣再循環(huán)比例對聯(lián)合循環(huán)出力的影響

2.3 煙氣再循環(huán)比例對聯(lián)合循環(huán)效率的影響

煙氣再循環(huán)比例對聯(lián)合循環(huán)效率的影響如圖4所示，圖中對比了無煙氣循環(huán)與XEGR=30%的情況.從圖4可以看出，在70%負(fù)荷以上，聯(lián)合循環(huán)效率差距不大.在基本負(fù)荷下，采用煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)效率低于無煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)效率(0.58%)，主要原因有：(1)通過煙氣再循環(huán)，部分能量得以回收進(jìn)入到聯(lián)合循環(huán)中；(2)由于進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)降低，需要的燃料量也相應(yīng)減少.上述2種因素補償了燃?xì)廨啓C(jī)效率降低的影響.當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷低于30%時，煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)效率要高于無煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)效率.在10%負(fù)荷工況下，前者的聯(lián)合循環(huán)效率比后者高5.31%.這說明采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可以改善在全負(fù)荷范圍內(nèi)的聯(lián)合循環(huán)效率.

圖4 煙氣再循環(huán)比例對聯(lián)合循環(huán)效率的影響

2.4 煙氣再循環(huán)對燃?xì)廨啓C(jī)的影響

采用煙氣再循環(huán)技術(shù)在很大程度上影響了燃?xì)廨啓C(jī)本體的工作過程.10%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度與透平進(jìn)口溫度變化情況見圖5.由圖5可知，在基本負(fù)荷下，由于計算設(shè)定的限制，透平進(jìn)口溫度幾乎保持一致，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度在XEGR=30%時上升了約31 K，原因為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度升高以及透平效率的變化.煙氣再循環(huán)工況下，燃?xì)廨啓C(jī)本身的工作特性趨勢不變：(1)60%負(fù)荷以上時，透平進(jìn)口溫度幾乎不變，而燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度略有升高；(2)50%負(fù)荷以下時，透平進(jìn)口溫度以及燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度隨著負(fù)荷的降低而降低.

圖5 不同負(fù)荷下煙氣再循環(huán)比例對燃?xì)廨啓C(jī)的影響

2.5 煙氣再循環(huán)比例對CO2捕集的影響

采用煙氣再循環(huán)的優(yōu)勢之一是便于進(jìn)行煙氣CO2的捕集.Cabot等[12]基于膜分離法對煙氣中CO2捕集效率受不同因素的影響效果進(jìn)行分析，表明當(dāng)壓力固定后，提高煙氣中的CO2濃度可以大幅提升CO2捕集效率，特別在低壓條件下，CO2捕集效率得到大幅提升.

圖6給出了煙氣再循環(huán)比例對CO2排放的影響.從圖6可以看出，采用煙氣再循環(huán)可以降低聯(lián)合循環(huán)排氣質(zhì)量流量，在基本負(fù)荷下，XEGR=30%時聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)最終排氣質(zhì)量流量由642.7 kg/s降至391.4 kg/s，為初始值的60%.同時煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)由3.65%升至5.02%.這2種因素均有利于CO2捕集，可以大幅提升CO2捕集效率，降低捕集成本.

圖6 煙氣再循環(huán)比例對CO2排放的影響

3 結(jié) 論

(1)煙氣再循環(huán)可以顯著改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)進(jìn)口條件及工作特性，如果基于現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)，煙氣再循環(huán)比例不宜高于30%.

(2)采用煙氣再循環(huán)時，聯(lián)合循環(huán)出力降低，其中主要是燃?xì)廨啓C(jī)出力降低，而蒸汽輪機(jī)出力變化不大.

(3)由于回流煙氣會帶回部分能量，所以基本負(fù)荷下聯(lián)合循環(huán)效率變化不大，而部分負(fù)荷下則可以提升聯(lián)合循環(huán)效率.

(4)煙氣再循環(huán)可以大幅降低最終排氣質(zhì)量流量，提升煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)，有助于進(jìn)行CO2捕集.

煙氣再循環(huán)具有較多好處，但是其應(yīng)用也具有一定局限：煙氣再循環(huán)比例取決于回流煙氣與空氣摻混后對燃燒過程的影響，低氧體積分?jǐn)?shù)下燃燒火焰溫度降低，進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)降低等條件變化可以改變?nèi)紵^程，降低NOx排放，但同時也會減小穩(wěn)定燃燒的范圍.在實際煙氣循環(huán)中，需要考慮煙氣再循環(huán)對燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷下的調(diào)節(jié)性能.同時當(dāng)煙氣再循環(huán)比例過大，需要對壓氣機(jī)通流進(jìn)行重新設(shè)計.

總體而言，雖然目前煙氣再循環(huán)被視為 H/J級(1 600/1 700 ℃)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，但是同樣有潛力應(yīng)用在F級 (1 400 ℃)燃?xì)廨啓C(jī)中，以較小的代價獲得煙氣再循環(huán)技術(shù)的收益.

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