微小型HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)

祖成龍

（江蘇中科能源動(dòng)力研究中心，江蘇 連云港 222000）

引言

21 世紀(jì)初在“西氣東輸”的背景下，通過以市場(chǎng)換技術(shù)的手段，上海汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī)廠、哈爾濱汽輪機(jī)廠分別于西門子、三菱、GE 合作制造燃機(jī)輪機(jī)，使得中大型燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，其應(yīng)用前景非常廣闊。但微小型燃?xì)廨啓C(jī)受工藝、材料和技術(shù)限制，存在著發(fā)電效率低、能源利用率低、適用性差等問題，制約其進(jìn)一步發(fā)展。因此如何改善微小型燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)方式是目前重點(diǎn)突破方向，其中濕蒸汽透平循環(huán)（Humid Air Turbine，HAT）得到較高關(guān)注。

HAT 循環(huán)通過噴水提高空氣濕度，增加進(jìn)氣質(zhì)量，利用后冷器、濕化器、回?zé)崞?、省煤器等換熱設(shè)備，回收低品位熱能，從而提高發(fā)電功率和效率。目前國(guó)外如日立公司MW 級(jí)別的HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，但國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分有限。因此搭建百千瓦HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)，對(duì)驗(yàn)證循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，研究HAT 循環(huán)熱力性能及排放等問題有重大幫助。

1 HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)原理

HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)主要由新奧動(dòng)力的E150R 微型燃?xì)廨啓C(jī)、后冷器、濕化器、省煤器、燃?xì)庀到y(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)組成，其中微型燃?xì)廨啓C(jī)出廠配備回?zé)崞鳌?/p>

天然氣采用市政管道氣，經(jīng)過濾、調(diào)壓后進(jìn)入燃燒室內(nèi)燃燒。

如圖1 所示，空氣先吸入壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮，然后進(jìn)入后冷器降溫后再進(jìn)入濕化器進(jìn)一步加濕，最后在回?zé)崞髋c高溫?zé)煔獬浞謸Q熱后進(jìn)入燃燒室燃燒。燃燒后的煙氣先通過透平做功，然后依次通過回?zé)崞?、省煤器回收熱量，最后排入大氣。壓氣機(jī)設(shè)計(jì)一路放散管道，防止燃?xì)廨啓C(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中，因增加含濕量提高進(jìn)氣質(zhì)量導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振等問題。

圖1 HAT 循環(huán)示意圖

濕化器底部出水分為兩路，一路進(jìn)入省煤器與煙氣換熱，一路進(jìn)入后冷器與空氣換熱，最后匯總后進(jìn)入濕化器加濕空氣。同時(shí)濕化器底部增加一路補(bǔ)水裝置，補(bǔ)充加濕后減少的循環(huán)水量。

2 HAT 循環(huán)臺(tái)主要構(gòu)成及作用

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)

百千瓦HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)（見下頁(yè)圖2）搭配新奧動(dòng)力E150R 微型燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)氣流量1 kg/s，壓比4.0，額定發(fā)電功率118 kW，發(fā)電效率25%，NOx 排放50 ppm@15%O2。

圖2 百千瓦HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)

E150R 與常規(guī)微小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模式稍有不同，常規(guī)機(jī)型是啟動(dòng)升速階段通過啟動(dòng)電機(jī)和燃料燃燒做功共同驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)電機(jī)通過離合器與齒輪箱連接，通過齒輪箱變速后拖動(dòng)微燃機(jī)升速。燃機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到怠速后，切斷啟動(dòng)電機(jī)電源，由于離合器的作用，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，燃機(jī)過怠速后的升速由燃料燃燒驅(qū)動(dòng)。微燃機(jī)達(dá)到空載轉(zhuǎn)速時(shí)，經(jīng)過齒輪箱減速，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到1 500 r/min 或3 000 r/min，經(jīng)并網(wǎng)控制器檢測(cè)發(fā)電機(jī)電壓、頻率、相位與市電電網(wǎng)相同，隨機(jī)合閘并網(wǎng)開始發(fā)電。而E150R 微燃機(jī)搭配啟發(fā)一體高速電機(jī)，在啟動(dòng)升速階段作為電動(dòng)機(jī)，和燃燒后的天然氣一起做功驅(qū)動(dòng)核心機(jī)加速。在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過變頻器的驅(qū)動(dòng)器控制微燃機(jī)轉(zhuǎn)速，從而保證恒轉(zhuǎn)速發(fā)電。啟發(fā)一體電機(jī)不僅節(jié)省了啟動(dòng)電機(jī)和齒輪箱等旋轉(zhuǎn)部件，降低微燃機(jī)故障率，還大大節(jié)省了空間，提高集成度。在啟動(dòng)階段，啟發(fā)一體電機(jī)通過AFE 將市電整流成直流電，然后進(jìn)入電機(jī)側(cè)變頻器的直流母線，逆變成交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，升速階段由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率小于定子旋轉(zhuǎn)頻率，所以為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機(jī)側(cè)變頻器直流母排電壓升高，大于AFE 側(cè)直流母排電壓，故處于發(fā)電狀態(tài)，將電機(jī)能量反饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。但由于電機(jī)電壓除了和轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和磁通量的變化有關(guān)，所以在升速和降速階段，均會(huì)存在電機(jī)發(fā)電情況[1-2]。

2.2 回?zé)崞?/h3>

微燃機(jī)主用應(yīng)用場(chǎng)景為分布式能源，常搭配鍋爐或者溴冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)熱電兩聯(lián)產(chǎn)或熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，從而提高熱效率。但由于百千瓦HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)為研發(fā)性質(zhì)，所以搭配回?zé)崞鬟M(jìn)一步提高發(fā)電效率。回?zé)崞骺諝膺M(jìn)氣溫度約200 ℃，出口溫度約590 ℃，將E150R 微燃機(jī)發(fā)電效率從16%提高到24%。但回?zé)崞饕泊嬖谝欢ǖ臒釕T性，由于回?zé)崞鞯臒崛荼容^大，在減速停機(jī)進(jìn)行冷盤時(shí)，簡(jiǎn)單循環(huán)需要10 min，而回?zé)嵫h(huán)需要60 min 以上。熱啟動(dòng)時(shí)，也會(huì)因?yàn)榛責(zé)崞鞯臒崛荻鴮?dǎo)致升速超溫，對(duì)微燃機(jī)的自動(dòng)控制程序要求較高。

2.3 濕化器

濕蒸汽透平循環(huán)最重要的部件即為濕化器，經(jīng)壓氣機(jī)加壓后的高溫高壓空氣和循環(huán)除鹽水在濕化器內(nèi)部逆流接觸換熱蒸發(fā)。作為布雷頓循環(huán)中新加的設(shè)備，與常規(guī)化工系統(tǒng)要求也大不相同。濕化器除了應(yīng)具備換熱效率高、出口濕蒸汽蒸發(fā)效果好、前后壓損小等要求外，還要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，容積小，因?yàn)闈窕髯鳛橐粋€(gè)壓力容器，會(huì)在運(yùn)行過程中儲(chǔ)存一定的高壓空氣，具備很大的熱慣性和容積慣性，影響調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間，降低微燃機(jī)的靈活性。

2.4 省煤器

經(jīng)回?zé)崞鲹Q熱后的排氣溫度為330 ℃左右，為了進(jìn)一步提高循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)熱效率，在后端增加一臺(tái)省煤器，通過循環(huán)除鹽水換熱器，排氣溫度降低到100 ℃以下，充分利用低品位熱能，提供HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)熱效率。

3 HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)主要難點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)的安全性

為了保證壓氣機(jī)出口高溫高壓空氣完全濕化，需要預(yù)留一定的換熱空間，這必然會(huì)導(dǎo)致濕化器的具有一定的容積。若外部因素或微燃機(jī)本身運(yùn)行出現(xiàn)故障導(dǎo)致急停，濕化器內(nèi)部的壓縮空氣又無法瞬間排出，既可能會(huì)反串到壓氣機(jī)氣路，導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振，也可能進(jìn)入渦輪做功，導(dǎo)致微燃機(jī)喘振。

中科院工程熱物理研究所研究表明[3]，在不改變省煤器和微燃機(jī)運(yùn)行條件的前提下，優(yōu)化不帶后冷器的HAT 循環(huán)，使得HAT 循環(huán)效率保持不變。有無后冷器的HAT 循環(huán)熱效率和輸出功一致，但不設(shè)置后冷器的濕化器要比設(shè)置后冷器的濕化器高度增加一倍左右。所以為了盡可能減小濕化器容積，HAT循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)濕化器前增加一臺(tái)后冷器，循環(huán)水在后冷器內(nèi)部提前與壓氣機(jī)出口壓縮空氣換熱，在進(jìn)入濕化器內(nèi)部加濕[4-5]。

為了防止?jié)窕鲀?nèi)部高壓空氣反串到壓氣機(jī)中，導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振，HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)在壓氣機(jī)出口管路設(shè)置單向閥。由于HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)采用的E150R 啟發(fā)一體電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器的驅(qū)動(dòng)器控制，可防止微燃機(jī)超速運(yùn)行。

3.2 長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性

為了保證HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用除鹽水作為高溫高壓空氣的濕化介質(zhì)。盡管是除鹽水，由于加濕系統(tǒng)是循環(huán)使用，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，濕化器內(nèi)容除鹽水的鹽離子濃度會(huì)越來越高，對(duì)燃燒室和透平產(chǎn)生不可逆的損傷，嚴(yán)重可造成燃燒室部分脫落，透平剮蹭斷裂[6-7]。

HAT 循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)在濕化器底部設(shè)置排污孔，定期檢測(cè)鹽離子濃度，在不影響運(yùn)行的情況下，可定期排放更換循環(huán)除鹽水，從而保證系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。