湿空气透平循环简介及其研究现状


    湿空气透平循环简介及其研究现状 摘要 HAT循环是一种先进的热力循环,具有高效率、高比功、低污染、低成本、能够良好的适应变工况等优点,被誉为21世纪最有竞争力的动力循环。本文介绍了HAT循环的概念、工作原理、特点、发展过程以及研究现状。并根据目前的情况对下一步的研究重点做出了分析。 关键词 湿空气透平循环 热力特性 动力循环 1 前言 随着科学技术的发展,能源危机与环境污染成为人类必须面对的两大威胁。能源的合理利用、能量利用率的提高成为众多学者普遍关注的问题。由此,人们提出了许多新型的动力循环,其中,湿空气透平循环(HAT)因其优良的热力特性和环保性能受到关注。 动力工程领域中,现代燃气轮机技术被认为是最为高效洁净的能源直接转化技术,因而引起了较多的注意。经过数十年的发展,燃气轮机正向着高效、高比功、低排放方向发展,尤其是总能概念的提出,推动了燃气轮机的发展。总能系统(Total energy system)是一种根据工程热力学原理,提高能源利用水平的概念或方法,及其相应的能量系统。目前暂无世界公认的定义,比较普遍的一种说法是:“按照能量品味高低对能量进行梯级利用,从总体上安排好功、热(冷)与物料热力学能等各种能量之间的匹配关系与转换使用,在系统高度上总体地综合利用好各种能源,以取得更好的总效果,而不是着眼于单一生产设备或工艺的能的能源利用率或其他性能指标的提高”。[1]基于这个概念,人们的目标由单一过程、单一循环个别指标的优异,转变为通过合理匹配不同热力学过程和热力循环,达到整个系统多项指标的综合最佳效果。近年来,许多先进燃气轮机循环都利用注入水或水蒸汽来加湿工质,从而提高燃机系统性能[2]。通过工质湿化,在压气机耗功不变的前提下,增加了透平工质流量进而提高循环的效率和比功;另一方面,水或水蒸汽的注入有效减少了燃烧过程中NOx的形成,从而提高了燃机系统的环保性能[3]。 在采用湿化技术的燃气轮机中,水或水蒸气的注入方式可以分为三类:第一类是注水燃气轮机循环,这类循环利用雾化水滴的完全蒸发来冷却加湿压气机前部、中部或后部的空气,部分技术已经在商业化的燃气轮机系统中得到应用;第二类是注蒸汽循环(Steam Injected Gas Turbine),利用燃气轮机排气中的废热产生蒸汽,回注到燃烧室,增加循环比功输出并减少NOx排放;第三类是湿空气透平循环(Humid Air Turbine),热水在饱和器中部分蒸发,加热加湿压缩空气。 本文将针对HAT循环的组成、特点以及发展现状作简要介绍。 2 HAT循环 HAT循环,即湿空气透平循环(Humid Air Turbine),其特点在于系统中存在湿空气。HAT循环是建立在中冷、回热燃气轮机循环基础上的。如图1,空气经低压压气机、间冷器、高压压气机、后冷器后进入饱和器底部;水在中冷器、后冷器、热水器中加热升温后从饱和器顶部进入。在饱和器中,空气和水逆流接触,空气被加热湿化,水被冷却并部分蒸发。从饱和器出来的湿空气回收透平高温余热后进入燃烧室,经燃烧加热,生成的高温、高湿燃气在燃气透平中膨胀做功,透平排气在回热器中回热后排向大气。 图1 HAT循环简图 HAT循环经济性主要受两个因素的影响。其一是饱和器。饱和器是一个直接接触式传热传质单元。与联合循环和STIG中的余热锅炉不同,饱和器中水的蒸发是变温的,利用低温热水即可完成,则高温余热可用于加热湿空气,从而系统的热量得到了合理的梯级利用。另一个重要因素是水的消耗。闭式STIG循环的研制为HAT循环的利用打下了基础,用高效抗腐蚀冷凝器回收排气中的水蒸气或将河水和海水闪蒸来提供补充水都是解决水问题的有效方法。 HAT循环一经提出就受到了业界的普遍重视,被誉为“21世纪的新型动力循环”,HAT循环通过饱和器,充分利用了系统中各种废热,提高了系统效率和比功,并且HAT循环没有蒸汽轮机底循环部件,大大减少了硬件投资,其环保性能因空气加湿而得以显著改善。因此具有高效率、高比功、低投资、变工况性能好以及环保性能优越等特点,在先进动力循环中最具发展前景[4]。 HAT循环可适用于大、中、小型系统的高效、洁净、经济的动力循环,可以以油或天然气为燃料,也可以以固体煤或生物质气化后的产物为燃料,因而易于与煤气化技术、生物质气化技术和能量存储技术等相结合,组成高效、清洁的动力系统。IGHAT(Integrated Gasification Humid Air Turbine)循环就是洁净煤技术与先进透平技术相结合的产物。 3 HAT循环发展过程简介 1973年,Gasparovic和Stapersma提出了一种利用蒸发向压缩空气中注水的燃气轮机循环[5],这可以看作是HAT循环的雏形。 1981年,Nakamura等申请了第一个现代蒸发式循环的专利,并称之为“使用新 型热回收方法的注水式回热燃气轮机循环”,这种循环采用间冷器与回热器,在压比为6,透平前温1000℃时,循环效率可达50%。 1983年,日本学者Mori Y.教授首先提出了HAT循环的概念[6],当时只是将其作为一种特殊的回热循环——带有喷水手段,且采用两相、多组分的混合工质,因而称为“水接触蒸发的多相多组分系统(MPCS/DCE)"。 1985年,Nakamura申请了另一个蒸发式循环专利,其中使用了后冷器回收热量,并提出部分压缩空气加湿的蒸发式循环[7]。 1989年,Rao注册了HAT循环的专利[8],基本确定了HAT的核心概念。四年之后[9],他申请了改进型的HAT循环专利,通过增加一个二级透平来解决空气加湿后系统的流量匹配问题。 1993年,Cohn[10]发表了一系列以空气湿化为特征的新型热力循环,这其中包括CASH(Compressed Air Storage with Humidification)循环、CASHING (CASH integrated with natural gas)循环和IGCASH(Integrated Gasification CASH ),利用空气湿化储能来调节峰谷电差。 1995年,Nakhamkin[11]提出了CHAT(Cascaded humidified advanced turbine)环,该系统克服了空气加湿后压气机与透平匹配的问题。 经过二十多年的发展,HAT循环已经成为最具前景的新型热力循环之一,在其核心概念的基础上,许多改进的湿空气透平循环被陆续提出。如利用压缩空气储能技术的CASHING(Compressed Air Storage with Humidification Integrated Gasification and Natural Gas),是在IGCASH循环中另加了一个燃用天然气的CASH循环,新加的CASH循环只包括透平、饱和器、回热器和热水加热器,没有压缩系统和储气室。其中,IGCASH循环是将CASH循环与煤气化技术相结合得到的一种新型循环。 4 HAT循环研究现状 4.1 国外HAT循环现状研究 4.1.1 美国 美国对HAT循环的研究起步较早。1990年,美国EPRI(lectric Power Research Institute), Fluor Daniel, Texaco等公司联合执行了一项湿空气透平研究计划,主要是针对以天然气为燃料或与煤气化结合的HAT循环,作一些技术可行性的研究与评估,并与其它煤气化动力系统进行热力学性能和经济性比较。美国能源部、电力部门等联合推行一个先进透平系统发展项目(ATS),意在利用新的循环概念和重大技术进步成果,开发先进动力系统来满足21世纪的需要。项目主要工作是开发HAT循环系统,以及高温透平技术和新材料技术等。根据GE和ABB公司提供的燃气透平数据,EPRI[12]对比了HAT循环与联合循环的性能。对于燃用天然气系统,GE公司的HAT循环效率可达53.5%,与之相对应的三压再热联合循环效率为49.5%;ABB公司的HAT循环效率为57.4%,联合循环效率为53.4% 。 EPRI首台样机选用P&W公司的PW4000航空发动机改造成FT4000HAT,之后,EPRI进一步开展了将FT4000HAT改造为IGHAT[13]的工作。改造后的装置可燃用不同燃料,燃用天然气时循环效率为55.5%,输出功率可达157MW,与之相对应的三压再热联合循环装置效率为52.6%,输出功率为201MW。此外,EPRI还研究了HAT循环与燃料电池集成系统(SOFC-HAT),研究表明,与一台固体氧化物燃料电池(SOFC)集成的小型分布式HAT系统的热效率可达69.1%,而简单燃气轮机循环与燃料电池集成系统的热效率为66.2% 。 1996年,美国P&W公司和美国能源部国家能源技术实验室(NETL)联合完成“HAT循环技术发展项目”,旨在研究HAT循环的关键技术——高湿度空气燃烧室,为此建立了用于大湿度、高压高温气体燃烧的低排放燃烧器,得到了燃烧过程的动力学特性,并建立了燃烧室流场计算仿真模型。 4.1.2 瑞典 瑞典皇家技术学院(Royal Institute of Technology)与隆德技术学院(Lund Institute of Technology)于1993年发起了蒸发式燃气透平循环系统(EvGT)研究项目,研究内容包括建立EvGT循环实验电站、开发水循环回路相关技术和建立中等规模EvGT循环电厂(70~80MW)的可行性研究。同年,成立了由大学、公用事业公司、研究机构和燃气轮机制造商组成的EvGT协会,并于1998年10月在隆德技术学院建立了世界上第一座0.6MW燃用天然气燃料的HAT循环实验电站[14],其系统结构如图2。该电站选用一台Volvo VT600型单轴燃气轮机,通过改造燃烧室结构,使得装置可以燃烧高湿度空气,透平前温1000℃,压比π=8,无后冷时,采用喷水回热方式循环效率大约为35%,使用后冷器时循环效率还可在此基础上增加0.4%。为了解决压气机和透平工质流量因空气加湿造成的不匹配问题,系统流程中采用了压气机后部分压缩空气放空的办法。实验电站还验证了HAT循环实现不耗水的可能性,透平排烟冷却至350℃所回收的水分就能实现循环不耗水,但回收水必须经过一定的处理。 图2 蒸发式燃气透平循环示意图 此外,瑞典皇家技术学院还对部分加湿的EvGT循环进行了设计研究[15],如图3,压缩空气不是全部经过饱和器,其中一部分直接进入燃烧室。按照优化的计算结果,当12%的压缩空气经过饱和器时,整个循环热效率最高可达52.9% 。 4.1.3 日本 日本日立公司动力和工业系统研究与发展实验室在NEDO ( The New Energy and Industrial Technology Development Organization)的资助下,开展了AHAT ( Advanced Humid Air Turbine)系统的研究工作,目的是推动HAT循环在 大、中、小型燃气轮机系统中的商业化应用。随后,研究人员设计搭建了AHAT循环微型燃气轮机原型实验台,如图4,设计功率150kW,发电效率35%。该装置在一个回热Brayton循环的基础上建成,主要有以下特点: 图3 部分加湿HAT循环示意图 1)集成了进口空气喷雾冷却系统(WAC)和空气湿化器(HAT)系统,在环境温度为40℃时仍可保持高的发电效率。 2)针对循环水源充足的特点,燃机转子采用了水润滑轴承技术,其阻尼特性优于气动齿轮,轴承损失则低于油润滑轴承。 3)可适应微型燃机变工况的需要,采用双线路控制系统实现HAT循环水量控制,其中一条线路供水量在8-20g/s之间变化,调节量随环境温度和转子转速的 变化自动调整,另一条线路供水量则恒为30g/s,通过压缩机出口空气过饱和的方式克服环境温度升高对系统出力的影响,满足额定输出功率。 原型实验台的初步试验结果表明[16],在部分负荷(50%)下运行时,装置的最小NOx排放量为7.6ppm, 70%负荷时发电量达102kW,实验过程中发电系统的效率可达95.6%,超过92%的设计值。简单循环额定负荷下的试验结果为输出功率150.3kW,发电效率32%。 4.2 国内HAT循环研究现状 国内对于HAT循环的研究起步较晚,主要研究单位包括:中科院工程热物理研究所、上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。早期的研究工作主要集中在系统的热力学分析和优化方面,简要介绍如下。 肖云汉等人[17]的研究首次建立了HAT循环系统优化的模型,并以非线性规划对HAT循环的参数和流程结构进行了同步优化。优化的结果得到了HAT循环的最大比功流程和最高热效率流程,并对后者的主要特点进行了热力学分析和说明。实验结果表明,透平前温为1260℃的HAT循环,最低压比低于10,其热效率最大可达60.33%,这一结论在压比很大的范围内都变化很小,水的消耗量为191g/(s·MW-1),获得了具有重要实用价值的突破。 图4 AHAT循环 靳海明、王永青等[18, 19]分别讨论了CHAT、湿压缩HAT循环的热力学性能。CHAT循环是HAT循环的一种改型。系统主要包括高、中、低压空气压缩机,级间存在级间冷却器,两个燃烧室,两个透平,一个回热器,一个空气饱和器和一个冷却塔,如图5所示。类似于HAT循环,压缩空气在循环中被加温加湿,经回热器回热后进入燃烧室和透平。CHAT循环可安排为两轴系,低压透平带动低压压气机,而高压透平带动中高压压气机,复合安排在低压轴上。而双轴系的变工况性能比单轴系循环要好。故CHAT循环变工况性能比HAT循环优越,这就是CHAT循环的突出特点。王永青等从非平衡热力学基本原理出发,以广义热力学力▽(-μ/T)为驱动势来研究传质过程,根据湿球温度下水滴与空气的传热传质平衡拟合给出了相应传质系数的表达式,既避开了复杂的实验,又为类似的传质研究提供了简洁的方法和准确的公式;在此基础上,研究并给出了较全面且相对简单的湿压缩的数学模型。 另外,以HAT循环为核心的总能系统也备受关注,赵丽凤[20]等分析了整体煤气化湿空气透平((IGHAT)循环的热力学性能并优化了循环参数。将现代煤气化技术与HAT循环结合起来,并对循环进行了模拟计算,分析了主要热力参数对循环性能的影响,得出结论如下:(1)在其它条件一定的情况下,提高透平前温或增加湿空气的相对湿度,有利于提高循环比功,提高压比并不一定能增加比功输出。 同普通的循环相比,IGHAT循环通过透平的工质流量较大,因此,输出比功较大。(2)提高透平前温,可以提高循环效率。相对湿度对效率的影响比较复杂,应根据具体情况来选择合适的湿空气相对湿度。(3)影响系统性能的参数较多,不能单一追求高压比、高的湿空气相对湿度,应根据具体情况,同步优化IGHAT循环流程和参数。 图5 CHAT循环热力系统图 LP、IP、HP—低、中、高压压气机 HT、LT—高、低压透平 R1、R2—间冷器 R3—后冷器 SA—饱和器 CC1、CC2—燃烧室 REC—回热器 ECC——经济器或热水器 P—水泵 AC—冷却塔 朱华[21]等评估了HAT循环构成的冷热电联产总能系统的可行性和经济性。文章对国内外在提高能源利用率方面的研究现状和发展趋势进行了综述,在已有研究的基础上提出以湿空气透平循环构成热、电、冷三联产总能系统的能量利用形式,详细分析了构成该系统的相关技术,可行性及需要加以解决的几个问题。 5 结束语 HAT循环因其高效率、高比功、低污染、低成本等优点,一提出就受到了广泛的好评。目前,湿空气透平循环的关键问题主要集中在两个方面,一是水的回收,二是饱和器的性能保障。在今后的研究中,应重点关注二者。 参考文献 [1] 金红光, 张国强, 高林, 等. 总能系统理论研究进展与展望[J]. 机械工程学报, 2009(03):39-48. 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