由 岫,任顯龍 ,卜一凡
(1. 哈爾濱電氣集團有限公司,哈爾濱 150028;2. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150046)
燃氣輪機具有功率密度大、啟動速度快、低污染等特點,近年來得到了廣泛應(yīng)用,但由于燃氣輪機燃燒溫度高,排氣當(dāng)中還蘊藏著巨大的能量,因此常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)會配置蒸汽朗肯循環(huán)作為底循環(huán),提高能源利用率。
S-CO2透平是以超臨界CO2為工質(zhì),基于布雷頓循環(huán)原理的動力發(fā)電設(shè)備,是一種比傳統(tǒng)蒸汽輪機更為先進的發(fā)電設(shè)備。具有以下特點:功率密度高,體積小,一般為蒸汽輪機的1/20~1/30;成本低,初始投資比蒸汽輪機低30%~40%,比燃氣輪機低20%;熱效率高,最高可達55%;結(jié)構(gòu)簡單,屬于單相循環(huán),沒有相變過程,不使用凝汽器,所使用的閥的數(shù)量只有朗肯循環(huán)的1/10。S-CO2工質(zhì)的主要優(yōu)點有:惰性,不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),無毒,臨界壓力、臨界溫度適中,易獲取。已有研究表明,在透平初溫為620 ℃和720 ℃時,采用S-CO2循環(huán)比常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)效率更高[1]。在一些嚴重缺水地區(qū),將其作為聯(lián)合循環(huán)的底循環(huán)尤為適合。
關(guān)于S-CO2的系統(tǒng)模擬,國內(nèi)外一些學(xué)者已做過相應(yīng)研究。Seong Kuk Cho等人以西門子公司的SGT5-4000F重型燃氣輪機為計算對象,對該等級燃氣輪機與S-CO2循環(huán)方式進行對比分析計算[2],國內(nèi)廈門大學(xué)、中科院等科研單位做S-CO2的變工況特性分析[3-4],研究對象是核電與S-CO2的聯(lián)合利用。中小型燃氣輪機可廣泛應(yīng)用于海上油氣開發(fā)平臺、艦船動力、分布式供能系統(tǒng)等方面,本文建立適用于30 MW等級中小型燃氣輪機,尾氣余熱利用以S-CO2為底循環(huán)工質(zhì)的燃氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模型,并對模型進行性能優(yōu)化。
采用Aspen Plus軟件進行計算模型搭建,底循環(huán)以S-CO2為循環(huán)工質(zhì),頂循環(huán)系統(tǒng)中燃氣輪機選用LM2500+,該機型源于CF6-6航空發(fā)動機,壓氣機16級,壓比20,進口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉,6級可調(diào)靜葉(以提高燃氣輪機在不同負荷下的效率,并防止壓氣機發(fā)生喘振),高壓透平2級,動力透平6級,性能參數(shù)和排氣組分如表1和表2所示。
表1 頂循環(huán)燃氣輪機排氣參數(shù)
表2 燃氣輪機排氣組分
CO2的臨界溫度為31.2 ℃,臨界壓力為7.38 MPa,超臨界流體是溫度、壓力高于其臨界狀態(tài)的流體。超臨界流體具有許多特有的性質(zhì),粘度和擴散系數(shù)接近氣體,而密度和溶劑化能力接近液體。在臨界點附近,流體的密度、粘度、溶解度、介電常數(shù)等物性發(fā)生急劇變化。
S-CO2循環(huán)系統(tǒng)計算的準確性取決于工質(zhì)的物性參數(shù),尤其是在臨界點附近的各參數(shù),本文的物性計算采用REFPROP物性數(shù)據(jù)庫。對于純CO2工質(zhì)來說,目前最精確的計算方法為Span-Wagner狀態(tài)方程[5],基于這種方法由NIST開發(fā)的REFPROP物性數(shù)據(jù)庫確保在整個循環(huán)系統(tǒng)中CO2工質(zhì)處在超臨界態(tài),主壓縮機的壓力應(yīng)大于7.4 MPa。
由于不同壓力下的S-CO2熱容相差很大,回?zé)崞鞯男屎茈y提高,為降低節(jié)點溫差,提高換熱器的換熱效果,在簡單的回?zé)嵫h(huán)的基礎(chǔ)上將低壓流體分流,增加一級回?zé)崞鳂?gòu)成再壓縮循環(huán),如圖1所示。這種循環(huán)方式是目前研究最廣泛的一種高效的循環(huán)類型,熱源溫度500~600 ℃的范圍內(nèi)循環(huán)效率最高,適用于核電發(fā)電等要求熱源溫度小范圍內(nèi)變化的情況下[2,6]。
為提高對燃氣輪機排氣余熱的利用,對壓氣機出口流體進行分流,增加一級余熱利用器,構(gòu)成部分加熱循環(huán),如圖2所示。另一種降低回?zé)崞鞴?jié)點溫差的循環(huán)方式如圖3所示預(yù)壓縮循環(huán)。
循環(huán)系統(tǒng)包括以下幾種主要工作部件,余熱加熱器HX;預(yù)冷器PC;主壓縮機MC;再壓縮機RC;預(yù)壓縮機PreC;透平TB;低溫回?zé)崞鱈TR;高溫回?zé)崞鱄TR;簡單循環(huán)回?zé)崞鱎CP及其它輔助設(shè)備,ΔT表示不同位置余熱加熱器的換熱端差。
計算結(jié)果中底循環(huán)效率ηb和總循環(huán)效率ηt定義如下所示:
三種循環(huán)方式的計算結(jié)果見表3。由表3結(jié)果可知,再壓縮循環(huán)、部分加熱循環(huán)、預(yù)壓縮循環(huán)三種循環(huán)方式中,部分加熱循環(huán)方式的出力最高,為7.269 MW,這是因為這種循環(huán)方式中,余熱利用設(shè)備采用兩級加熱,余鍋的排氣溫度為193.25 ℃,相比其它兩種方式降低100 ℃以上,增加了對燃氣輪機排氣的利用程度。但是通過對底循環(huán)效率的對比可知,部分加熱循環(huán)方式的效率為26%,是三種方式中最低的。
再壓縮循環(huán)效率高達36.5%,余鍋排氣溫度仍高達319.85 ℃,只采用這一種循環(huán)方式對余熱的利用不充分,并不適用于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)[6],因此下文中將再壓縮循環(huán)之后的排煙余熱分別通過簡單回?zé)嵫h(huán)和部分加熱循環(huán)的方式進一步利用,循環(huán)示意見圖4和圖5。高溫?zé)煔馐紫韧ㄟ^余熱加熱器HX1將熱量傳遞給再壓縮循環(huán)中的做功工質(zhì)S-CO2,在圖4中HX1的排氣通過HX2將煙氣中的余熱傳遞至簡單循環(huán);在圖5中HX1的排氣通過HX2和HX3將煙氣中余熱傳遞至部分加熱循環(huán)。
表3 循環(huán)系統(tǒng)主要性能參數(shù)
優(yōu)化后循環(huán)參數(shù)如表4所示,循環(huán)系統(tǒng)的排氣溫度降低至200 ℃等級,這代表底循環(huán)對燃氣輪機余熱利用更充分,循環(huán)功率和效率相比再壓縮循環(huán)都有提高,底循環(huán)功率提高了1.383 MW和1.792 MW。再壓縮循環(huán)+部分加熱循環(huán)方式總功率34.9 MW,系統(tǒng)總效率達到49.2%,與常規(guī)的朗肯循環(huán)效率相比持平,是一種較適宜于燃氣聯(lián)合循環(huán)的方式。
表4 循環(huán)參數(shù)對比
以再壓縮循環(huán)+部分加熱循環(huán)為參考模型,建立整廠循環(huán)模型,對影響循環(huán)的幾個主要參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。模型暫未考慮循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)管道、閥門及換熱器的溫損及壓損。對換熱器、壓氣機和透平均做了相應(yīng)的簡化處理,其中壓氣機和透平性能采用固定的等熵效率,系統(tǒng)中所有的換熱器通過端差計算能量平衡,不進行詳細的換熱器計算。端差是指換熱器的冷熱源在高溫或低溫側(cè)工質(zhì)的溫度差值。
影響循環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)主要包括壓氣機進口溫度壓力和透平進口溫度壓力。其中透平進口溫度由燃氣輪機的排煙溫度決定,取決于余熱利用設(shè)備的換熱效率。其它參數(shù)對系統(tǒng)的影響結(jié)果如圖6~圖8所示??v坐標采用當(dāng)前點數(shù)值與基準點對應(yīng)數(shù)值的比值,圖6選取壓比為3.1時的功率效率參數(shù)作為基準點,圖7選取壓氣機進口溫度為33℃時的參數(shù)作為基準點,圖8選取壓氣機進口壓力為7.4 MPa的參數(shù)作為基準點。
由圖6可知,隨著系統(tǒng)壓比的升高,底循環(huán)功率和總循環(huán)效率變化趨勢相同,均為先略升高再降低,壓比為3.4時為最優(yōu)值。底循環(huán)的效率隨著系統(tǒng)壓比的升高而下降。
由圖7可知,壓氣機進口溫度越高,底循環(huán)和總循環(huán)的功率、效率越低,因此在保證CO2工質(zhì)處于臨界態(tài)的前提下,溫度越低系統(tǒng)效率和功率越高。
由圖8可知,從循環(huán)的角度來說,保證系統(tǒng)壓比和壓氣機進口溫度的前提下,壓氣機的進口壓力越高,底循環(huán)和系統(tǒng)的效率越高,但是對于壓氣機部件設(shè)計來說進口壓力越高,氣體可壓縮程度越低,壓氣機效率降低,因此壓氣機的進口壓力不宜無限制增大,取7.8~8.0 MPa為宜。
1) 采用S-CO2作為底循環(huán)工質(zhì)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),可采用再壓縮+簡單循環(huán)和再壓縮+部分加熱循環(huán)的型式,功率和效率比單一型式的系統(tǒng)有所提高。
2) 對于LM2500+為頂循環(huán)的S-CO2再壓縮+部分加熱聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)為,壓氣機進口壓力7.8~8.0 MPa,壓氣機進口溫度33 ℃,壓比3.4。