三種類型氫-氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)熱力性能的比較

徐 鴻, 荊汝林, 高 丹, 倪維斗

(1.華北電力大學電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,北京102206;2.清華大學 熱能工程系,北京 100084)

1 概 述

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對于能源和資源的依賴程度越來越高,而地球的能源和資源數(shù)量是有限的,同時現(xiàn)在的工業(yè)發(fā)展模式不可避免地造成了環(huán)境污染.如何提高能源利用效率、循環(huán)利用地球資源、減少乃至消除人類發(fā)展對環(huán)境的消極影響是擺在人類社會面前的一大技術(shù)難題.科研人員在尋找新能源的過程中發(fā)現(xiàn)氫能是一種理想的能源載體.氫能的利用包括它的制備、存儲、運輸以及最終應(yīng)用等一系列過程,而提高氫能的最終利用效率也是一項關(guān)鍵的技術(shù)[1-4].燃燒天然氣、以燃氣輪機為核心的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)在商業(yè)上已經(jīng)日趨成熟,但這種雙工質(zhì)循環(huán)耦合帶來的傳熱和頂部循環(huán)的煙氣排放熱量損失卻是無法避免的,與此同時也帶來了CO2和NO x的排放[5-6].采用氫作為燃氣輪機的燃料構(gòu)成的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)將會提高整個循環(huán)的熱效率,真正實現(xiàn)零排放的目的[7].

2 計算模型和假設(shè)條件

2.1 計算模型

本文建立了3種熱力循環(huán)系統(tǒng),分別為簡單循環(huán)、回熱型循環(huán)和再熱回熱型循環(huán).根據(jù)熱力循環(huán)的系統(tǒng)圖以及能量和物質(zhì)平衡關(guān)系,可以得到以下系統(tǒng)效率計算模型：

循環(huán)的吸熱量

式中：m cc,i為第i燃燒室出口的質(zhì)量流量,kg/s;Δhcc,i為第i燃燒室出口與入口的焓差,kJ/kg;QLHV為氫的低位發(fā)熱量,kJ/kg;m H 2,i為進入第i燃燒室氫的質(zhì)量流量,kg/s.

由于考慮到氫能終端的利用系統(tǒng)效率,因此對氫和氧的壓縮功不加考慮,同時由于給水泵的相對功耗很小也予以忽略,這時循環(huán)的功量為：

式中：m T,j為第j透平的質(zhì)量流量,kg/s;Δh T,j為第j透平的焓降,kJ/kg;ηT,j為第j透平的內(nèi)效率,%.

循環(huán)發(fā)電效率

式中：ηm為機械效率,%;ηe為發(fā)電機效率,%.

2.2 假設(shè)條件

模擬計算的假設(shè)條件為：

3 簡單循環(huán)

簡單的氫-氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示于圖1,其溫熵曲線示于圖2.系統(tǒng)主要由燃氣透平(GT)和蒸汽透平(ST)組成,以純氫為燃料,以純氧為氧化劑.燃料在噴水的燃燒室內(nèi)燃燒后,高溫水蒸氣直接進入燃氣透平,做功后排氣直接進入到蒸汽輪機,然后排到凝汽器冷凝,完成做功循環(huán).燃氣透平入口的溫度定義為系統(tǒng)的最高溫度TIT.

圖1 簡單的氫-氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout of the simple hydrogen/oxygen-steam com bined-cyc le system

圖2 簡單的氫-氧聯(lián)合循環(huán)溫熵曲線圖Fig.2 Tem perature entropy cu rves of the simple hy drogen/oxygen-steam combined-cycle system

圖3為燃氣透平入口壓力與蒸汽透平出口溫度的關(guān)系圖.圖4為燃氣透平入口溫度對效率的影響曲線.從圖3和圖4可看出：隨著燃氣透平入口壓力的提高,系統(tǒng)的膨脹比提高,在同樣的入口溫度下,膨脹更加充分,蒸汽透平出口蒸汽溫度降低,而循環(huán)效率卻提高.整個系統(tǒng)的效率隨著系統(tǒng)最高溫度的提高而明顯提高,在系統(tǒng)最高溫度達到1 500℃時,效率可達到55%,與一般聯(lián)合循環(huán)的效率相接近.但是,本循環(huán)的排汽溫度仍然比較高,熱量損失也比較大,因此效率還有待進一步提高.

圖3 排氣溫度與燃氣透平入口壓力關(guān)系圖Fig.3 Inlet p ressu re of gas tu rbine vs.outlet temperatu re of steam turbine

圖4 燃氣透平入口溫度對效率的影響Fig.4 Influence of gas turbine's inlet temperature on efficiency of the simple combined-cycle system

4 回熱型循環(huán)

為了將蒸汽透平排氣溫度降到環(huán)境溫度水平,通過余熱換熱器吸收一部分燃氣透平排氣的熱量,以便降低燃氣透平排氣溫度,同時在系統(tǒng)中增加低壓蒸汽透平(LPST),使循環(huán)的排氣溫度降到接近環(huán)境溫度.在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上,回熱型氫-氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)還增加了高壓蒸汽透平(HPST),余熱鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽進入高壓蒸汽透平做功后,再進入燃燒室以降低燃燒產(chǎn)物的溫度[8].高壓蒸汽透平的入口壓力定義為系統(tǒng)的最高壓力p max.帶有回熱的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示于圖5,圖6為其溫熵曲線圖.高壓蒸汽透平入口壓力對回熱聯(lián)合循環(huán)效率的影響示于圖7.從圖7可知：隨著壓力的提高,循環(huán)效率也不斷提高,在亞臨界狀態(tài)時效率對壓力的變化比較敏感,但到了超臨界狀態(tài)時,壓力對效率的影響便變得比較平緩.這主要是因為在亞臨界狀態(tài)時,水的汽化潛熱比較大,同時汽化溫度隨著壓力的提高而提高,對平均吸熱溫度的提高有更大的貢獻;在超臨界狀態(tài)時水的汽化潛熱不存在,因此對效率提高的影響就較小.回熱循環(huán)與簡單循環(huán)的效率比較示于圖8.回熱循環(huán)的效率比簡單循環(huán)的效率提高了5%～10%.隨著溫度的提高,由于回熱占循環(huán)吸熱量的比例降低,因此回熱對效率提高的影響也逐步減小.

圖5 回熱型氫-氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)布置圖Fig.5 Layou t of the com bined-cy cle sy stem with heat recovery

圖6 回熱型氫-氧聯(lián)合循環(huán)溫熵曲線圖Fig.6 Temperature entropy curvesof the combined-cycle system w ith heat recovery

圖7 高壓蒸汽透平最高壓力對回熱聯(lián)合循環(huán)效率的影響Fig.7 Influen ce ofmaximum pressu re of steam tu rbineon efficiencyof the com bined-cyc le system with heat recovery

圖8 帶回熱與簡單聯(lián)合循環(huán)效率的比較Fig.8 Comparison of efficienciesbetw een system s with and w ithout heat recovery

5 再熱回熱型循環(huán)

對于燃氣輪機布雷頓循環(huán),使用再熱就是增加了循環(huán)的平均吸熱溫度,因此使整個聯(lián)合循環(huán)的效率得到提高.一次再熱循環(huán)在回熱型循環(huán)的基礎(chǔ)上增加了1個燃燒室,高溫燃氣分別在高壓燃氣透平(HPGT)和低壓燃氣透平(LPGT)中膨脹;二次再熱循環(huán)增加了2個燃燒室,將燃氣透平分成高壓燃氣透平、中壓燃氣透平(MPGT)和低壓燃氣透平.一次再熱和二次再熱的系統(tǒng)分別示于圖9和圖10,其溫熵圖分別示于圖11和圖12.在1 500℃時,一次再熱的效率在回熱的基礎(chǔ)上可提高2%左右.由圖13可知：采用二次再熱后的效率可在一次再熱的基礎(chǔ)上最多提高2%;同時,在高壓燃氣透平入口壓力(p6)和低壓燃氣透平出口壓力(p9或者p11)一定時,再熱壓力(p7和p9)存在一個最佳值(再熱壓力也反映了燃氣透平膨脹比的分配[9-10]).二次再熱需增加設(shè)備,系統(tǒng)也會變得更加復雜,因而建設(shè)成本增加,因此是否采用二次再熱應(yīng)通過全面衡量投資和運行維護后再確定.

圖9 一次再熱聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)布置圖Fig.9 Layou t of the combined-cy cle sy stem with a singlereheat loop

圖10 二次再熱聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)布置圖Fig.10 Layout of the combined-cycle system w ith a doub le-reheat loop

圖11 一次再熱聯(lián)合循環(huán)溫熵曲線圖Fig.11 Temperatu re en tropy cu rves of the com bined-cyc le sy stem w ith a single-reheat loop

圖12 二次再熱聯(lián)合循環(huán)溫熵曲線圖Fig.12 Temperature entropy curvesof the combined-cycle system w ith a double-reheat loop

圖13 再熱壓力 p7對2種不同再熱循環(huán)系統(tǒng)效率的影響Fig.13 Influence of reheat pressure p7 on efficiency of systems w ith a single-or doub le-reheat loop

6 結(jié) 論

(1)以氫為燃料的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是一個自然的整體,與一般雙工質(zhì)的聯(lián)合循環(huán)相比,無2種工質(zhì)之間的傳熱和煙氣排放損失,從而提高了循環(huán)的熱效率.

(2)溫度、壓力、回熱和再熱對系統(tǒng)效率的影響比較大,幾種因素良好匹配可達到更高的效率.通過計算表明,在最高壓力為30 MPa、溫度為1 500℃時,一次再熱循環(huán)的效率可達到63.2%.

(3)以氫為燃料的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)不產(chǎn)生溫室氣體的排放,屬于環(huán)境友好型的熱力循環(huán).

以氫為燃料的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是一種先進的能量轉(zhuǎn)換模式,具有諸多優(yōu)點,代表未來能源研究和發(fā)展的一個新方向.

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