傅 騰，陳曉利，陳希葉，劉 栗，高繼錄

(1.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.國家電投集團東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181；3.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

氫氣作為一種無碳燃料，能夠很好的降低碳排放，并且具有很好的應(yīng)對氣候變化的潛力。氫氣可以從傳統(tǒng)的化石燃料產(chǎn)生，例如蒸汽甲烷重整和煤氣化等[1]，但是它也可以從生物質(zhì)、風能、太陽能等可再生能源產(chǎn)生[2-4]。用可再生的氫氣替代天然氣可以有效的減少溫室氣體排放。我國承諾將力爭在2030年實現(xiàn)二氧化碳排放峰值，在2060年實現(xiàn)碳中和，為了實現(xiàn)“雙碳”目標，氫氣做為一種無碳燃料，將會迎來蓬勃發(fā)展。

由于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)具有能量利用率高、可靠性和靈活性好、清潔化程度高等特點，目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電廠和工業(yè)過程中[5]。目前國內(nèi)外對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在天然氣發(fā)電技術(shù)的研究[6]、循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[6]、設(shè)備的研發(fā)及測試[8]三個方面。

本文主要研究氫氣對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，以PG9171E型燃氣輪機和雙壓無再熱余熱鍋爐為對象，基于Aspen Plus軟件建立了聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模型。并對燃氣輪機、蒸汽輪機和聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的輸出功率以及效率等進行分析，為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能減排運行提供一些理論數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 燃料

本文采用的燃料為氫氣與甲烷的混合氣，氫氣的質(zhì)量比從0%增加到100%(每10%為一個計算工況)。圖1為燃料的低位發(fā)熱量，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著燃料中氫氣的增加，燃料的低位發(fā)熱量呈線性增加；另外，氫氣的低位發(fā)熱量是甲烷的2.4倍。

圖1 燃料低位發(fā)熱量

1.2 燃氣輪機模型

圖2為燃氣輪機的循環(huán)流程圖，燃氣輪機主要分為三部分：壓氣機、燃燒室和透平，其中PG9171E型燃氣輪機采用17級葉片進行壓縮，壓氣機的壓比為12.3。其中，在第5級、第11級和第17級葉片設(shè)有抽氣口，第5級葉片的抽氣主要是用于燃機的軸瓦冷卻密封，第11級抽氣的主要作用是燃機起機和停機時的防喘，第17級的抽氣是透平的冷卻空氣[8]。因此，本文將壓氣機分為3部分進行模擬，采用的是Compr壓力變換模型，熵效率為0.89，機械效率為0.98。通過計算獲得壓氣機出口壓力為12.3 atm，溫度為376 ℃。

圖2 燃氣輪機循環(huán)流程圖

PG9171E型燃氣輪機的透平分為3級，因此本文也分為3部分進行模擬，采用的是Compr壓力變換模型，熵效率為0.91，機械效率0.98。圖3為燃氣輪機模型。

圖3 燃氣輪機模型

1.3 蒸汽輪機模型

余熱鍋爐采用的是雙壓無再熱結(jié)構(gòu)，汽輪機透平分為兩級：高壓透平和低壓透平，如圖4所示。從燃氣輪機透平出來的高溫熱煙氣依次通過高壓過熱器、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發(fā)器、低壓省煤器等換熱面后排入大氣，由于煙氣中含有大量的水蒸氣，因此模型計算時假定排煙溫度大于120 ℃。鍋爐給水通過低壓水泵送入低壓省煤器中，經(jīng)過低壓省煤器后分為兩部分。一部分經(jīng)過低壓蒸發(fā)器加熱后變?yōu)榈蛪猴柡驼羝?，然后進入低壓過熱器進一步加熱變?yōu)榈蛪哼^熱蒸汽，然后與高壓透平出口的工質(zhì)混合在一起通過低壓透平做功，低壓透平出口的工質(zhì)進入冷凝器。另外一部分經(jīng)過高壓水泵加壓后送入高壓省煤器加熱后，送入高壓蒸發(fā)器吸熱變?yōu)楦邏猴柡驼羝?，然后進入高壓過熱器進一步吸收熱量變?yōu)楦邏哼^熱蒸汽，最后進入高壓透平做功。

圖4 余熱鍋爐系統(tǒng)圖

余熱鍋爐中的換熱器模型采用是MHeatX模型，其中經(jīng)過各換熱器的給水參數(shù)由某鍋爐廠提供，見表1；汽輪機透平的模型則采用的是壓力變換器Compr模型，高壓透平和低壓透平的熵效率為0.89，機械效率為0.98。圖5為蒸汽輪機模型。圖6為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模型。

表1 換熱器給水參數(shù)

圖5 蒸汽輪機模型

圖6 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模型圖

1.4 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能定義

聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的評價指標主要包括燃氣輪機輸出功率及效率、蒸汽輪機輸出功率及效率、聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)輸出功率和效率等，它們的定義如下所示[10]：

燃氣輪機輸出功率：Wgt=Wtur-Wcom

聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)輸出功率：Wtotal=Wgt+Wst

式中η——效率；

W——出功/kW；

m——工質(zhì)質(zhì)量流量/kg·s-1；

LHV——燃料低位發(fā)熱量/kJ·kg-1；

h——焓值/kJ·kg-1；

w——比功/kJ·kg-1；

上標/下標0——環(huán)境狀態(tài)參數(shù)；

4——燃氣透平出口參數(shù)；

a——空氣側(cè)參數(shù)；

com——壓氣機參數(shù)；

f——燃料參數(shù)；

g——煙氣側(cè)參數(shù)；

gt——燃氣輪機循環(huán)參數(shù)；

st——蒸汽輪機循環(huán)參數(shù)；

total——聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)；

tur——燃氣透平參數(shù)。

2 討論及分析

2.1 模型驗證

本文采用甲烷對建立的燃氣輪機模型進行驗證，模擬時保證壓氣機進口流量和透平前溫與設(shè)計參數(shù)一致，通過比較透平排煙溫度、燃氣輪機輸出功率和燃氣輪機效率的模擬值與設(shè)計值的相對誤差來確定所建模型是否準確，通常認為相對誤差在5%以內(nèi)時，可以認定所建模型是準確的。表2為PG9171E型燃氣輪機模擬結(jié)果與設(shè)計參數(shù)的比較，從表中可以看出，透平排煙溫度、燃氣輪機輸出功率和燃氣輪機效率的模擬結(jié)果與設(shè)計參數(shù)的誤差均在5%以內(nèi)，并且燃氣輪機透平出口煙氣的壓力略大于大氣壓。因此，可以認為本文建立的燃氣輪機模型是準確可靠的。另外，本文建立的蒸汽輪機模型參數(shù)由某鍋爐廠提供，模擬結(jié)果與鍋爐廠提供的參數(shù)誤差在5%以內(nèi)。因此，可以確定本文建立的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模型是可靠的。

表2 PG9171E型燃氣輪機模擬結(jié)果與設(shè)計參數(shù)的比較

2.2 氫氣對燃氣輪機性能的影響

圖7為氫氣對燃料質(zhì)量流量和總熱值流的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，燃料的質(zhì)量流量逐漸減小，從7 kg/s逐漸減小到3 kg/s，燃料質(zhì)量流量減小57%；但是燃料輸入的總熱值流量卻是逐漸增大的，從352 061 kJ/s逐漸增大到355 795 kJ/s，輸入的總熱值流增加約1.06%。并且，隨著燃料中H2的增加，輸入燃料質(zhì)量流量和總熱值流量不是線性變化的，變化速率逐漸減小。

圖7 氫氣對燃料質(zhì)量流量和總熱值的影響

圖8為氫氣對透平出口溫度和流量的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，透平出口溫度和流量逐漸減小，并且減小速率也逐漸降低。透平出口溫度從536.4 ℃逐漸減小到532.7 ℃，降低了3.7 ℃；透平出口流量從407.9 kg/s降低到403.8 kg/s，降低了4.1 kg/s，降低了1%。

圖8 氫氣對透平出口溫度和流量的影響

圖9為氫氣對燃氣輪機輸出功率和效率的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，燃氣輪機輸出功率和效率逐漸增加，但是增加速率逐漸減小。燃氣輪機輸出功率從117.2 MW增加到122.4 MW，增加了約5.2 MW，增加了4.4%。燃氣輪機效率從33.3%增加到34.4%，增加了1.1%。因此可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高燃氣輪機的輸出功率和效率。

圖9 氫氣對燃氣輪機出功和效率的影響

2.3 氫氣對蒸汽輪機性能的影響

圖10為氫氣對鍋爐效率和給水流量的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，鍋爐效率逐漸減小，從74.7%逐漸減小到67.2%，減小7.5%；但是給水流量卻是逐漸增大的，從203.35 t/h逐漸增大到203.96 t/h，增加了0.61 t/h。并且，隨著燃料中H2的增加，鍋爐效率和給水流量也不是線性變化的，變化速率逐漸減小。

圖10 氫氣對鍋爐效率和給水流量的影響

圖11為氫氣對蒸汽輪機輸出功率和效率的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，蒸汽輪機輸出功率逐漸增加，但是增加幅度很小，從48.11 MW增加到48.26 MW，增加了0.15 MW，增加了約0.3%；蒸汽輪機效率逐漸減小，從19.15%減小到17.24%，減小了1.9%。并且，隨著燃料中H2的增加，蒸汽輪機輸出功率和效率也不是線性變化的，變化速率逐漸減小。因此，可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高蒸汽輪機的輸出功率，但卻降低了蒸汽輪機的效率。

2.4 氫氣對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響

圖12為氫氣對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)輸出功率和效率的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)輸出功率和效率逐漸增加，但是增加速率逐漸減小。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)輸出功率從165.4 MW增加到170.7 MW，增加了約5.3 MW，增加了3.2%。燃氣輪機效率從47.0%增加到48.0%，增加了1.0%。因此可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的輸出功率和效率。

圖12 氫氣對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)出功和效率的影響

圖13為氫氣對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比功的影響，從圖中可以看出，隨著燃料中H2的增加，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比功逐漸增大，而且增大速率逐漸減小。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比功從402.6 kJ/kg增加到419.7 kJ/kg，增加了17.1 kJ/kg。因此可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的比功。

圖13 氫氣對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比功的影響

3 結(jié)論

本文基于Aspen Plus軟件模擬了PG9171E型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，在保證空氣流量和透平前溫不變的情況下，研究了氫氣對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)隨著燃料中H2的增加，燃料的質(zhì)量流量逐漸減小，但是燃料輸入的總熱值流卻逐漸增大；透平出口溫度和流量逐漸減小；燃氣輪機輸出功率和效率逐漸增加。因此可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高燃氣輪機的輸出功率和效率。

(2)隨著燃料中H2的增加，鍋爐效率逐漸減小，但是給水流量卻逐漸增加；蒸汽輪機輸出功率逐漸增加，而蒸汽輪機效率逐漸減小。因此，可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高蒸汽輪機的輸出功率，但是降低了蒸汽輪機的效率。

(3)隨著燃料中H2的增加，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)輸出功率和效率逐漸增加；聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比功也逐漸增大。因此可以得出向燃料中摻氫氣，可以提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的輸出功率和效率以及比功。