余熱利用式燃氣輪機循環(huán)熱力學分析

張澤龍

（東部戰(zhàn)區(qū)海軍訓練基地電工教研室，上海201900）

0 前言

余熱利用式燃氣輪機循環(huán)是以空氣為工質(zhì)，通過換熱器回收余熱并輸出功的動力裝置[1]，它最初是為了回收燃氣輪機的高溫排氣余熱提出的[2，3]。Korobitsyn[4]提出將燃氣輪機循環(huán)作為玻璃熔爐的熱回收裝置進行發(fā)電，其發(fā)電效率為26%.Vittorio和Valerio[5]提出了以太陽能為熱源的燃氣輪機循環(huán)，該循環(huán)通過太陽能集熱器收集太陽能為燃氣輪機循環(huán)提供熱量，并對循環(huán)性能進行了分析。付建勤等[6]提出了回收內(nèi)燃機廢氣余熱的燃氣輪機循環(huán)，對該循環(huán)的余熱回收性能進行了分析。

在實際的鋼鐵生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的余能余熱，這些余能余熱的回收利用已成為鋼廠挖掘節(jié)能潛力、提高節(jié)能水平的重要手段[7-9]。尤其是鋼鐵生產(chǎn)過程能產(chǎn)生大量的高溫熔渣（主要是高爐渣和鋼渣，1 400～1 600℃）等，屬于高品位熱能，回收高爐渣的余熱對鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排意義很大[10]。以往，對熔渣余熱沒有很好的利用方法，熔渣干式?；╗11]的提出為高溫熔渣余熱提供了一種新的途徑，熔渣在旋轉(zhuǎn)盤中由于離心力的作用下分離，產(chǎn)生的熔滴在鼓風空氣的作用下快速冷卻固化，同時可回收600℃左右的熱空氣。

為了進一步提高鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排能力，本文對以熔渣余熱所產(chǎn)生的熱空氣為熱源的燃氣輪機循環(huán)性能進行研究，基于經(jīng)典熱力學理論和方法[12]，分析余熱回收溫度對循環(huán)功率和熱回收效率的影響，并以循環(huán)功率最大為優(yōu)化目標，對空氣質(zhì)量流率和循環(huán)壓比進行優(yōu)化。

1 裝置模型

余熱利用式燃氣輪機裝置如圖1所示?；厥珍搹S生產(chǎn)過程中熔渣余熱所產(chǎn)生的高溫空氣作為高溫熱源，進入燃氣輪機的換熱器高溫側；在燃氣輪機循環(huán)中，空氣進入壓氣機壓縮，再進入換熱器低溫側吸熱，然后進入渦輪機做功，最后排入大氣，整個裝置實現(xiàn)了熔渣余熱的回收利用。

圖1 余熱利用式燃氣輪機裝置

2 循環(huán)分析

圖2為該燃氣輪機循環(huán)T-s圖，1-2為空氣在壓氣機中的壓縮過程，2-3為空氣在換熱器低溫側中的吸熱過程，3-4為空氣在渦輪機中的膨脹過程，4-0為空氣排放過程，TH1-TH2為回收的熱空氣在換熱器高溫側中的放熱過程。

空氣在壓氣機中壓縮，其等熵溫比為：

式中，β1=P2/P1為壓氣機壓比，γa為空氣比熱比。循環(huán)壓比為β=β1.

圖2 余熱利用式燃氣輪機循環(huán)T-s圖

根據(jù)壓氣機的等熵效率的定義ηc＝（T2s-T1）/（T2-T1），空氣在壓氣機中的不可逆絕熱壓縮的溫比為：

壓氣機消耗的功率為：

式中，cpa為空氣定壓比熱，m˙a為空氣質(zhì)量流率。

壓縮空氣進入換熱器吸熱，由換熱器理論可得：

式中，Cwf＝ m˙acpa為工質(zhì)熱容率，CH＝ m˙Hcpa為高溫熱源熱容率，m˙H為高溫熱空氣質(zhì)量流率，CHmin＝ min（Cwf，CH），EH為換熱器有效度：

式中，CHmax＝ max（Cwf，CH），NH＝ UH/CHmax為傳熱單元數(shù)，CH為工質(zhì)與高溫熱源間的熱導率。

工質(zhì)流出換熱器，進入渦輪機做功，在渦輪機中膨脹過程的等熵溫比為：

式中，β2為渦輪機膨脹比，β2= β1= β.

根據(jù)渦輪機的內(nèi)效率的定義ηt=（T3-T4）/（T3-T4s），空氣在渦輪機中的不可逆絕熱膨脹的溫比為：

渦輪機的輸出功率為：

空氣布雷頓循環(huán)的凈功率為：

空氣布雷頓循環(huán)的熱效率為：

定義空氣布雷頓循環(huán)的熱回收效率為：

3 數(shù)值算例

本節(jié)通過數(shù)值計算分析余熱回收溫度對循環(huán)功率、熱回收效率和循環(huán)熱效率的影響，并以循環(huán)功率最大為優(yōu)化目標，優(yōu)化循環(huán)壓比和工質(zhì)質(zhì)量流率。計算中，空氣布雷頓循環(huán)裝置相關參數(shù)取值為：換熱器熱導率為UH＝3 kW/K，壓氣機內(nèi)效率為ηc=0.92，渦輪機內(nèi)效率為ηt=0.95，環(huán)境壓力為P0=0.101 MPa，環(huán)境溫度為T0=293 K；回收熱空氣溫度TH1為867 K，質(zhì)量流率為0.7 kg/s.無特殊說明，計算時以上參數(shù)取值不變。

對于余熱利用式燃氣輪機循環(huán)，余熱溫度TH1對循環(huán)性能影響很大。本節(jié)分析余熱回收溫度對循環(huán)性能的影響。圖3和圖4給出了當循環(huán)壓比為β=5時，TH1對W˙、η 和 η1與m˙a關系的影響。由圖可知，隨著TH1的增加，W˙、η和η1都能得到提高。提高干式?；酂峄厥昭b置的性能，使TH1提高，能提高空氣布雷頓循環(huán)的性能。

圖 3 TH1對W˙與m˙a關系的影響

圖 4 TH1對η 和η1與m˙a關系的影響

在余熱量給定的情況下，空氣布雷頓循環(huán)作為余熱回收裝置，其性能體現(xiàn)在輸出功率的大小，因此本溫對循環(huán)功率W˙進行優(yōu)化。

圖5給出了W˙與β和m˙a的三維關系。由圖可知，存在一組最佳的循環(huán)壓比和循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流率使循環(huán)功率達到最大值，β和m˙可以作為設計變量進行優(yōu)化。

圖 5 W˙與m˙a和β 的關系

圖 6 給出了當m˙a=0.7 kg/s時，W˙、η1和 η 與 β 的關系。由圖可知，隨著β的增大，W˙、η和η1先增大后減小，存在最佳 βopt使W˙和 η1達到最大值W˙max和 η1max.

圖 6 W˙、η 和η1與β的關系

圖 7 給出了W˙max、η1max及相應 η 和 βopt與m˙a關系。由圖可知，βopt和 η 隨著m˙a的增加而減小；W˙max和 η1max隨著m˙a的增加先增大后減小，存在最佳m˙aopt使W˙max和η1max達到雙重最大值W˙max，2和，η1max，2，此時最佳壓比記為βopt，2.通過選取合理的循環(huán)的質(zhì)量流率，能使循環(huán)性能達到最優(yōu)。循環(huán)的優(yōu)化結果如表1所示。

圖 7 W˙max、η、η1ma x和βopt與m˙a的關系

表1 空氣布雷頓循環(huán)經(jīng)典熱力學優(yōu)化結果（TH1=867K）

4 結論

回收鋼廠生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的余熱資源，是實現(xiàn)鋼廠進一步節(jié)能減排的關鍵。為了探索余熱回收式燃氣輪機在鋼廠節(jié)能方面的應用潛力，本文應用經(jīng)典熱力學理論和方法，對該燃氣輪機裝置的功率、熱效率和熱回收效率進行了分析和優(yōu)化，主要結論有：（1）循環(huán)功率、熱回收效率和循環(huán)熱效率隨著余熱回收溫度的增大而增大，故提高熔渣干式?；酂峄厥昭b置的性能有利于提高循環(huán)性能；（2）以循環(huán)功率最大為優(yōu)化目標時，通過調(diào)整循環(huán)壓比和循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流率，能使循環(huán)最大功率達到雙重最大值，此時熱回收效率也是最大的，故通過合理選取循環(huán)壓比和工質(zhì)質(zhì)量流率能提高循環(huán)性能，該循環(huán)的最大功率為59.83 kW，最大熱回收效率為14.82%.