雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜成果, 王寶玉, 魏司琪, 李艷梅, 張 勇

(通化師范學(xué)院 物理學(xué)院, 吉林 通化 134002)

0 引 言

熱能是由一次能源轉(zhuǎn)換來的最主要形式，然后再轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而被利用，該轉(zhuǎn)換裝置就是熱機(jī)[1]。然而，熱機(jī)的熱效率很低。汽油機(jī)的熱效率為20%～30%，柴油機(jī)的熱效率為37%～42%，燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)循環(huán)熱效率為32%～40%，雙機(jī)聯(lián)合循環(huán)熱力機(jī)組的熱效率為52%～60%，程氏循環(huán)的熱效率約為53%，國產(chǎn)20萬kW汽輪機(jī)熱效率為44%左右。熱機(jī)的效率如此低，迫使人們思考40%～80%的熱量都去哪了？一部分是壓氣機(jī)壓縮空氣消耗了；一部分因過程不可逆耗散了；一部分是強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)散失了；一部分通過尾氣釋放到大氣中去了。

本文從能量梯階利用原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)，對浪費(fèi)的能量進(jìn)行回收和高效轉(zhuǎn)換，收到了較好效果。

1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作過程

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)，增添了散失熱量回收系統(tǒng)、燃燒室冷卻系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、低溫燃燒系統(tǒng)和消除噪音系統(tǒng)等，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2-4]。

1.2 工作過程

壓氣機(jī)4壓縮空氣和燃料混合在燃燒室6中完成

1-減速機(jī)渦輪；2-減速機(jī)殼；3-蝸桿；4-三級壓氣機(jī)葉；5-換氣閥；6-燃燒室；7-冷卻水套；8-相變室；9-雙氣換熱室；10-燃?xì)鉁u輪；11-三級換熱器；12-排氣管；13-汽水分離器；14-蓄水箱；15-換熱器混頻腔；16-一級換熱器；17-冷凝室；18-出水口

圖1 雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

燃燒，高溫燃?xì)馔ㄟ^燃燒室內(nèi)壁將一部分熱量傳導(dǎo)給冷卻水套(二級換熱器)7中的來自于一級換熱器16的溫水；另一部分通過波形隔離板傳導(dǎo)給相變室8。第二工質(zhì)(大氣溫度的純凈水)注入蓄水箱14后，進(jìn)入換熱器排管16，尾氣經(jīng)過混頻腔15從排管16中通過，給排管16加熱，從換熱器16中流出的溫水進(jìn)入冷卻水套7對燃燒室6內(nèi)壁進(jìn)行冷卻，升溫后再進(jìn)入三級換熱器11，冷卻混合換熱室9。大量的熱會(huì)使部分水發(fā)生相變，形成汽水共存狀態(tài)。其中的水蒸汽被汽水分離器13分離出加到混合換熱器9中進(jìn)行換熱，其中熱水通過霧化器以極高的速度噴進(jìn)相變室8，接觸高溫波形隔離板，瞬間發(fā)生相變，經(jīng)多次碰撞，吸收波形板的傳導(dǎo)熱和輻射熱完成相變，然后在相變室8出口和燃燒室6出口處雙氣混合換熱，成為理想氣體[5-6]。通過旋流導(dǎo)管吹向燃?xì)鉁u輪10做功，使渦桿3轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)減速機(jī)渦輪1發(fā)電。尾氣從排氣管12中排出，若直接排入大氣會(huì)產(chǎn)生刺耳的嘯叫聲。導(dǎo)入換熱器，經(jīng)過混頻腔15分流后再混合，使頻率極度升高，再經(jīng)過排管16進(jìn)行冷卻降壓混頻，從排管16排出后再次混頻從排氣尾管排出大氣。音強(qiáng)降低，超出人耳的分辨范圍，實(shí)現(xiàn)消音目的[7]。從排管15中排出的不再是水蒸汽，而是水霧，進(jìn)入冷凝室，大部分水蒸汽凝結(jié)成水流到凝水室下方，由出水口流出進(jìn)行收集，循環(huán)使用，少量的水蒸汽和尾氣排入大氣。

2 回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)熱效率分析

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率

某大型陸上燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)(見圖2)輸出凈功率為100 MW，循環(huán)的最高溫度為1 600 K，最低溫度為300 K，循環(huán)最低壓力為100 kPa，壓氣機(jī)壓比π=14。壓氣機(jī)絕熱效率為0.85，燃?xì)廨啓C(jī)的相對內(nèi)效率為0.88，空氣比熱容取定值(cp=1.005 J/g)。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)

(1) 壓氣機(jī)消耗的功率、循環(huán)空氣的流量和循環(huán)的熱效率。

狀態(tài)1：p1=100 kPa，T1=300 K。

狀態(tài)2：p3=p2=1 400 kPa。

T2S=T1(p2/p1)(k-1)/k=T1π(k-1)/k=637.63 K

狀態(tài)3：p3=1 400 kPa，T3=1 600 K。

狀態(tài)4：p4=100 kPa。

T4=T3-ηT(T3-T4S)=854.5 K

(2) 循環(huán)中1 kg工質(zhì)在壓氣機(jī)內(nèi)耗功、燃?xì)廨啓C(jī)輸出功及循環(huán)凈功。

ωC=h2-h1=cp(T2-T1)=399.2 J/g

ωT=h3-h4=cp(T3-T4)=749.2 J/g

ωnet=ωT-ωC=350.0 J/g

循環(huán)工質(zhì)流量

壓氣機(jī)功率

PC=qmωC=114.051 4 MW

燃?xì)廨啓C(jī)功率

PT=qmωT=214.046 4 MW

熱流量

qQ1=qmq1=qm(h3-h2)=

qmcp(T3-T2)=259.219 6 MW/s

循環(huán)熱效率

ηt=(PT-PC)/qQ1=0.386

2.2 回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)的熱效率

在定壓加熱簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上采用回?zé)崾翘岣呷細(xì)廨啓C(jī)裝置的熱效率的一種有效措施。圖3所示為具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置流程的示意圖，其簡化的回?zé)嵫h(huán)的T-s圖如圖4所示。

圖3 具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置流程示意圖

圖4 極限回?zé)崂碚撗h(huán)

由于工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功后，溫度T4還相當(dāng)高，向冷源放熱造成很大的熱損失。若在裝置中增添一個(gè)回?zé)崞鱍，利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量加熱壓縮后的空氣。極限的情況下可以把壓縮后的空氣加熱到T5=T4，同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣冷卻到T6=T2。這樣，工質(zhì)自外熱源吸熱過程為5-3，吸熱量q1=h3-h5=53hf5(面積)。與無回?zé)嵫h(huán)的吸熱過程2-3比較，吸熱減少相當(dāng)于25fe2(面積)。同時(shí)，循環(huán)凈功ωnet不變，仍相當(dāng)于12341(面積)。顯然，采用回?zé)岷笱h(huán)熱效率提高到3，在燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)際循環(huán)1-2′-3-4′-1中(見圖5)。

圖5 極限回?zé)岬膶?shí)際循環(huán)

采用回?zé)嵬瑯涌梢蕴岣哐b置的內(nèi)部熱效率。如果采用極限回?zé)幔梢园褖嚎s后的工質(zhì)加熱到T5=T4′，膨脹后的工質(zhì)冷卻到T6=T2′。極限回?zé)犭m然對提高裝置的內(nèi)部熱效率最為有利，但所需的回?zé)崞鲹Q熱面積趨于無窮大，無法實(shí)現(xiàn)。實(shí)用上選取

σ=(h7-h2′)/(h4′-h2′)=0.7

若近似地將比熱容當(dāng)作定值，則σ=(T7-T2′)/(T4′-T2′)。保證圖3的其他條件不變，此時(shí)裝置加熱量q=h3-h7，較無回?zé)釙r(shí)少了h7-h2′。裝置的內(nèi)部功未變而加熱量減少，使裝置循環(huán)熱效率提高到3(見圖5)，p1=100 kPa，T1=300 K；p2=1.4 MPa，T2′=697.2 K；p3=p2=1.4 MPa，T3=1 600 K；p4=100 kPa，T4′=854.5 K；ωnet=350.0 kJ/kg。

由σ=(T7-T2′)/(T4′-T2′)得：

T7=T2′+σ(T4′-T2′)=807.3 K

q1=h3-h7=cp(T3-T7)=800.3 J/g

循環(huán)效率ηt=ωnet/q1=0.437。

2.3 發(fā)電機(jī)的輸出功率和熱效率

2.3.1 1 kg汽油完全燃燒所需空氣量

汽油燃燒時(shí)氣燃比理論值：1 740∶114=15.26∶1.00。取過量空氣系數(shù)為1.2，那么實(shí)際氣燃比為18.31∶1.00，1 kg汽油完全燃燒所需空氣量為18.31 kg[8]。

2.3.2 1 kg汽油完全燃燒所需的冷卻工質(zhì)量

1 kg汽油完全燃燒放出的熱量為44.82 MJ[9]，熾熱點(diǎn)高達(dá)2 300 K，若沒有冷卻工質(zhì)，很多金屬都熔化了。燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣占總空氣量的60%～80%，這些空氣消耗了燃?xì)廨啓C(jī)大部分機(jī)械功[10]。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)是用水作為冷卻工質(zhì)，需要多少冷卻水呢？

T8S=T1(p8/p1)(k-1)/k=1301.34 K

設(shè)工質(zhì)膨脹做功的溫度T9=1 073 K，則

q2=qm1(T8-T9)cp=42 865.38 kJ

(2) 1 kg水當(dāng)溫度達(dá)到T9時(shí)所具有的焓為h9，1 kg水成為膨脹做功的工質(zhì)在燃?xì)庵形盏臒崃繛閝3。

燃燒5.78 kg的汽油所需冷卻水的質(zhì)量

2.3.3 混合氣體膨脹做功后的溫度

2.3.4 發(fā)電機(jī)的輸出功率

水蒸氣所做的軸功為ωS,T，ωS,T=qm2(h9-h10)=141.269 MJ。給水泵所消耗的軸功一般只占汽輪機(jī)所輸出軸功的2%左右，則

ωS,P=2.8 MJ

燃?xì)馑龅妮S功

ωT1=qm1cp(T9-T11)=102.945 kJ

壓縮空氣所消耗的功

ωC1=qm1cp(T8-T1)=125.295 kJ

雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)的輸出功率

P′=ωs,T-ωs,p+ωT-ωc1=116.154 MW

2.3.5 發(fā)電機(jī)的熱效率

雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)總的熱效率

3 發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

(1) 雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)不存在熾熱點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度高，熾熱點(diǎn)在2 000 ℃以上，這么高的溫度，氮?dú)鈺?huì)被氧化，二氧化碳會(huì)被第2次熱解，對周圍環(huán)境污染很嚴(yán)重。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)采用紅外線網(wǎng)低溫燃燒技術(shù)，不存在熾熱點(diǎn)。

(2) 二氧化碳排放量小。做相同的功，耗油量降低了，燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的排放量也相對減小了[13]。

(3) 減少了對渦輪的熱傷害。燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度為1 600 K，雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)工作溫度為1 073 K，減小了熱傷害。

(4) 減小了自耗功。燃?xì)廨啓C(jī)供氧和冷卻消耗53.28%透平功，雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)用水冷卻，壓氣機(jī)只提供燃料燃燒所需的氧氣，自耗功非常小，給水泵所消耗的軸功一般只占水蒸氣所做軸功的2%左右。

(5) 輸出功率高。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)減少了自耗功，回收了尾氣和強(qiáng)制冷卻的一部分熱量，總的熱效率比回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)高出1.11%，所以輸出功率高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀[14-16]。

(6) 用途比較廣泛。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)熱效率高、功率覆蓋面大、自耗功小、排放標(biāo)準(zhǔn)高，適合火力發(fā)電廠、備用電站、工程機(jī)械等裝用。

3.2 缺 點(diǎn)

在雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)中燃?xì)夂驼羝旌献龉?，?huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定碳酸氣體，碳酸氣體對鐵的腐蝕很嚴(yán)重，在生產(chǎn)實(shí)踐中會(huì)逐步解決這個(gè)的問題。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)制作了雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)，取得了有益效果。通過水冷卻替代空氣膜冷卻，減少了壓氣機(jī)的自耗功，提高了輸出功率。采用水冷卻后，燃?xì)夂驼羝旌吓蛎涀龉r(shí)氣體的溫度為800 ℃，減少了熱傷害。通過回收尾氣和強(qiáng)制冷卻的部分熱量，使水發(fā)生相變成為工質(zhì)，參與做功，提高了循環(huán)熱效率。燃燒相同的燃料比回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)熱效率高1.11%，經(jīng)濟(jì)價(jià)值相當(dāng)可觀。由于占地面積小，排放標(biāo)準(zhǔn)高，市場發(fā)展前景非常廣闊。