張浩生， 趙麗鳳，2， 王 波，2

(1. 中國科學院大學， 北京 100049；2. 中國科學院先進能源動力重點實驗室(工程熱物理研究所)，北京 100190)

隨著能源結構調(diào)整和環(huán)境保護要求的變化，微型燃氣輪機及其在分布式供能中的應用受到越來越多重視，特別是在歐洲各個國家發(fā)展迅速。隨著技術的發(fā)展，微型燃氣輪機在排放、使用壽命等方面有了較大的提高[1]。與重型燃氣輪機相比，微型燃氣輪機受限于規(guī)模和參數(shù)，發(fā)電效率不高，部分負荷性能較差。通過新的燃氣輪機循環(huán)提高效率和靈活性，是解決該問題的有效途徑之一。其中，HAT循環(huán)因其高效和良好的變負荷性能在多種新型循環(huán)中受到較高關注。

HAT循環(huán)是一類雙工質(zhì)先進動力循環(huán)[2]。該循環(huán)具有高比功、高效率、低排放、靈活熱電聯(lián)供調(diào)節(jié)等優(yōu)點。研究者們對HAT循環(huán)的濕空氣熱物性、空氣濕化過程、濕空氣燃燒、熱力系統(tǒng)等關鍵技術與系統(tǒng)進行大量的研究并取得豐碩的成果[3-5]。目前，隆德理工學院、日本電力研究院[6-7]、比利時布魯塞爾大學[8]、中國科學院工程熱物理研究所[9]和上海交通大學[10]等機構已經(jīng)建成多個HAT循環(huán)實驗臺，驗證了HAT循環(huán)在性能與排放方面的優(yōu)勢，展現(xiàn)了HAT循環(huán)的發(fā)展前景。

在熱力學分析方面，De Paepe[11-13]等人運用熱力學定律分析了 HAT 循環(huán)中的能量梯級利用情況，分析比較了 HAT 循環(huán)、簡單循環(huán)和內(nèi)燃機循環(huán)在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的熱力性能差異，并結合市場進行了經(jīng)濟性分析。Traverso[14-16]等人分析了HAT循環(huán)性能受壓氣機壓比和透平入口溫度的影響。Brighenti[17]等人分析了換熱器尺寸對HAT循環(huán)熱力性能和成本的影響，認為回熱器和后冷器對循環(huán)效率和成本的影響最大。上海交通大學陳金偉[18]等人以某型三軸航改燃氣輪機為研究對象，研究不同的 HAT 循環(huán)改型方案的優(yōu)劣，針對航改燃氣輪機中常遇到的透平通流不匹配問題，提出了改進透平特性的方案。

本研究以某國產(chǎn)百千瓦級微型燃氣輪機為對象，采用模塊化建模方法，建立回熱循環(huán)、HAT循環(huán)及其熱電聯(lián)供的熱力系統(tǒng)模型，優(yōu)化了HAT循環(huán)發(fā)電及其熱電聯(lián)供熱力性能，分析了部件性能對循環(huán)的影響，對比了HAT循環(huán)與回熱循環(huán)燃氣輪機的熱電聯(lián)供系統(tǒng)效率。

1 系統(tǒng)描述

圖1為某微型燃氣輪機回熱循環(huán)流程示意圖。該燃氣輪機為單軸結構，壓縮氣體經(jīng)過回熱器與煙氣換熱后進入燃燒室。圖2為基于該微型燃氣輪機改造的HAT循環(huán)流程圖，在回熱循環(huán)的基礎上加入后冷器、省煤器和濕化器等部件。補水與濕化器底部出口的水混合，經(jīng)分流后分別進入后冷器和省煤器與氣體換熱，兩路熱水混合后進入濕化器加濕空氣。省煤器回收煙氣余熱，后冷器能夠有效降低進入濕化器的空氣溫度，進而降低濕化器出口水溫，增大省煤器的換熱量，降低排氣溫度，提高循環(huán)效率。

圖1 回熱循環(huán)流程示意圖

圖2 HAT循環(huán)流程示意圖

2 熱力系統(tǒng)模型

本文建立了壓氣機、透平、燃燒室、回熱器、后冷器、省煤器和濕化器等部件構成的熱力系統(tǒng)模型。

2.1 壓氣機與透平模型

本研究采用壓氣機與透平特性曲線計算壓比(膨脹比)、效率、轉(zhuǎn)速和流量之間的關系[19]。廠家提供的壓氣機與透平的特性曲線如圖3、圖4所示。

圖3 壓氣機無量綱特性曲線

圖4 透平無量綱特性曲線

其中無量綱折合轉(zhuǎn)速：

(1)

無量綱壓比(無量綱膨脹比)：

(2)

無量綱效率：

(3)

無量綱折合流量：

(4)

式中:r為轉(zhuǎn)速；rd為設計工況下的轉(zhuǎn)速；T為入口空氣溫度；Td為設計工況下入口空氣溫度；p為入口壓力；pd為設計工況下入口壓力；qm為入口流量；qm,d為設計工況下流量；π為壓比(膨脹比)；πd為設計工況下壓比(膨脹比)；η為等熵效率；ηd為設計工況下的等熵效率。

2.2 燃燒室模型

假設燃料在燃燒室中燃燒產(chǎn)物只有二氧化碳和水，通過燃燒效率計算不完全燃燒和散熱導致的能量損失，不考慮燃燒室的壓力損失系數(shù)和燃燒效率隨工況的變化。在以上的假設條件下，燃燒室壓力方程、質(zhì)量守恒和能量守恒方程如下：

壓力方程：

Pout=Pin,air(1-ΔP)

(5)

質(zhì)量守恒方程：

qout=qin,air+qin,fuel

(6)

(7)

(8)

(9)

能量守恒方程：

qin,airhin,air+qin,fuelhin,fuel+qin,fuelhLHVηcomb=qouthout

(10)

式中:P為壓力；ΔP為壓力損失系數(shù)；q為質(zhì)量流量；M為分子量；h為比焓；hLHV為燃料低位熱值；ηcomb為燃燒效率；下標in、out表示燃燒室入口和出口；下標air、fuel、CO2、CH4、CO、H2O、H2、O2表示各物質(zhì)。

2.3 換熱器模型

在基本的質(zhì)量和能量守恒方程基礎上，采用ε-NTU方法計算回熱器換熱面積。ε為換熱器有效度，定義為實際換熱量與理論最大換熱量的比值；NTU為無量綱參數(shù)，文中用n表示，代表換熱單元數(shù)，定義為流體總熱導(即換熱器傳熱熱阻的倒數(shù))與流體最小熱容量之比。ε-NTU計算方法如下式：

(11)

(12)

(13)

α=1-e-(n/N)(Ch/Cc)

(14)

(15)

(16)

式中:tcold,in、tcold,out為冷側流體入口和出口溫度；thot,in為熱側流體入口溫度；U為總換熱系數(shù)；A為換熱面積；Cmin、Cmax為換熱器冷熱側流體的熱容較小值和較大值；α、εs、λ為中間變量；N表示換熱管程數(shù)；Cc、Ch分別為冷熱流體的熱容。

后冷器與省煤器模型為氣水換熱，本文使用分段的方式計算換熱面積，根據(jù)每段的氣水溫差算出需要的換熱面積，求和后得出總換熱面積。

(17)

A=ΣAsingle

(18)

(19)

式中:Asingle為每段的換熱面積；Qsingle為每段的換熱量；tg為氣體溫度；tw為水溫度；Nsegments為段數(shù)；Q為總換熱量。

2.4 濕化器模型

濕化器是HAT循環(huán)中區(qū)別于其他先進燃氣輪機循環(huán)的關鍵部件，在濕化器中水和空氣直接接觸，空氣被加熱加濕。本文中對濕化器采用物質(zhì)能量平衡方程，假設濕化器出口空氣為飽和狀態(tài)，并通過計算濕化器的操作線和飽和線，保證最小溫差(焓差)。

對濕化器，以飽和線與操作線之間表示的焓差作為傳熱傳質(zhì)推動力。其中飽和線是一條表示飽和濕空氣的焓值和溫度關系的曲線，當壓力一定時濕空氣焓值僅與空氣溫度相關。操作線表示的是濕空氣的焓值和溫度之間的關系，當忽略溫度對濕空氣比熱的影響和水的蒸發(fā)時操作線為直線，如圖5所示。本模型計算每個傳質(zhì)單元飽和濕空氣溫度與操作線溫度的差，取最小溫差為節(jié)點溫差。

圖5 濕化器飽和線與操作線

3 回熱燃氣輪機熱力性能校核

基于以上模型對回熱燃氣輪機進行核算。表1是燃氣輪機核算時輸入?yún)?shù)。給定回熱器冷側出口溫度及回熱器總換熱系數(shù)，用于計算回熱器性能與換熱面積。核算結果如表2所示，核算的各項數(shù)據(jù)與廠家提供的數(shù)據(jù)誤差均小于2%，表明本文的模型參數(shù)可用于該微型燃氣輪機的熱力性能模擬。

表1 回熱循環(huán)微型燃氣輪機計算條件

表2 回熱循環(huán)核算結果

4 HAT循環(huán)設計與分析

4.1 參數(shù)選取與優(yōu)化條件

構建HAT循環(huán)模型系統(tǒng)時采用經(jīng)校核的回熱循環(huán)參數(shù)，其中壓氣機、透平、回熱器均采用變工況模型。通過控制壓氣機出口放氣量維持壓氣機喘振裕度不低于15%。由于采用放氣策略，定義折合發(fā)電功率與折合發(fā)電效率來表示HAT循環(huán)性能，如下式：

We=(WT-WC+WCRair)ηg

(20)

(21)

式中:We為折合發(fā)電功率；ηe為折合發(fā)電效率；WT為透平輸出軸功；WC為壓氣機耗功；Rair為壓氣機出口放氣量占壓氣機流量的比例；ηg為發(fā)電機效率；Qfuel為消耗燃料的流量；hLHV為燃料的低位熱值。

為與回熱循環(huán)性能相比較，HAT循環(huán)的透平初溫同樣設置為940 ℃。壓氣機出口至回熱器入口之間的總氣體壓損取5%，其中后冷器及其進出口管路和閥門等的總氣體壓損取3%，濕化器及其進出口管路和閥門等總氣體壓損取2%。后冷器水側、省煤器的水側壓損均取1%，省煤器的氣側壓損取3%。后冷器與省煤器換熱系數(shù)取45 W/(m2·K)，接近點溫差取10 ℃。補水溫度取15 ℃。

本研究以后冷器與省煤器的水流量、濕化器出口水溫為優(yōu)化變量，以循環(huán)的折合發(fā)電效率最高為目標進行優(yōu)化。各部件需滿足的約束條件如表3所示。

表3 HAT循環(huán)優(yōu)化計算約束條件

4.2 優(yōu)化結果與分析

優(yōu)化結果如表4所示。后冷器與省煤器水流量分別為0.33 kg/s和0.54 kg/s，濕化器出口水溫為48 ℃。HAT循環(huán)中壓氣機出口放氣10.2%。優(yōu)化得到HAT循環(huán)折合發(fā)電效率為29.66%，較回熱循環(huán)提高4.28個百分點；對應發(fā)電功率為148.5 kW，較回熱循環(huán)提高17.9%。

表4 HAT循環(huán)優(yōu)化結果

后冷器與省煤器的換熱溫差和壓損會影響循環(huán)熱力性能。后冷器的最小溫差為氣體出口與水入口的溫度差，減小最小溫差可以降低濕化器進口氣溫。調(diào)整后冷器最小溫差的約束并優(yōu)化計算，結果如圖6所示。最小溫差從5 ℃增加至15 ℃，折合發(fā)電效率降低約0.1個百分點。最小溫差對后冷器換熱面積的影響較大，最小溫差為15 ℃時的換熱面積約為5 ℃時的64%。綜合考慮換熱面積與整機性能，設計時后冷器可以選擇較大的最小溫差約束，略降低循環(huán)折合發(fā)電效率同時可以大幅減小換熱面積。

圖6 后冷器最小溫差對HAT循環(huán)影響

省煤器中煙氣會發(fā)生冷凝，因此最小溫差出現(xiàn)在煙氣露點。如圖7為省煤器內(nèi)部溫度變化，A點為煙氣溫度降低至露點溫度，開始發(fā)生冷凝。A至B的過程煙氣降溫同時水蒸氣凝結放出潛熱。

圖7 省煤器內(nèi)氣水溫度沿程變化圖

圖8為省煤器最小溫差變化對HAT循環(huán)的影響。省煤器性能對整個循環(huán)的效率影響較大，最小溫差減小10 ℃，折合發(fā)電效率增加約0.4個百分點，遠大于后冷器性能的影響。因煙氣凝結換熱量較大，所需的換熱面積較大，最小溫差為5 ℃時換熱面積為219.5 m2。最小溫差為15 ℃時換熱面積為5 ℃的一半。綜合考慮，因省煤器性能對整機折合發(fā)電效率的影響較大，因此在設計時最小溫差選擇較小值。

圖8 省煤器最小溫差對HAT循環(huán)影響

進排氣的壓損和各個部件的壓損變化均會對整個循環(huán)的效率產(chǎn)生影響。壓損的增加會導致循環(huán)做功減少、折合發(fā)電效率降低。為對比不同壓損的影響，計算分析了各壓損變化對循環(huán)的性能影響。表5為折合發(fā)電效率受壓損的影響，壓力損失每增加1%，循環(huán)效率降低0.2～0.3個百分點，透平至排煙出口的壓力損失對效率的影響大于透平前各部件壓力損失的影響。表6為壓損變化對折合發(fā)電功率的影響，從表中看出后冷器、回熱器冷側和燃燒室的壓損變化對折合發(fā)電功率影響更大，因為透平進口壓力變化不僅影響膨脹比，而且影響折合轉(zhuǎn)速。

表5 不同位置壓損對HAT循環(huán)折合發(fā)電效率影響

表6 不同位置壓損對HAT循環(huán)折合發(fā)電功率影響

5 HAT循環(huán)熱電聯(lián)供

5.1 熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程

微型燃氣輪機在分布式的應用中通常需要滿足供電與供熱的雙重需求。HAT循環(huán)應用于熱電聯(lián)供(本文假設對外供熱水，回水溫度40 ℃，供水溫度60 ℃)時，在濕化器水出口后設置一個換熱器，用濕化器出口熱水加熱供熱用水，如圖9。供熱換熱器中外供熱水的流量對應不同熱負荷。

圖9 HAT循環(huán)熱電聯(lián)供流程示意圖

模型中的水路換熱部件模型采用設計工況模型，并對不同熱負荷的循環(huán)進行優(yōu)化。通過控制壓氣機出氣口放氣量維持壓氣機喘振裕度不低于15%。后冷器與省煤器出口水的接近點溫差為10 ℃。以省煤器和后冷器水流量與濕化器出口含濕量為優(yōu)化變量，以熱電聯(lián)供總效率最大為優(yōu)化目標。優(yōu)化約束條件：后冷器的最小換熱溫差大于10 ℃，省煤器最小換熱溫差大于5 ℃。

回熱循環(huán)的熱電聯(lián)供是在回熱器后設置一個省煤器，用煙氣加熱供熱用水。根據(jù)供熱需求增加供熱水流量，直至省煤器最小溫差達到10 ℃。

5.2 熱電聯(lián)供優(yōu)化結果與分析

外供熱水流量為0時為純發(fā)電HAT循環(huán)，此時的折合發(fā)電功率與折合發(fā)電效率最大，分別為148.5 kW和29.66%。當熱負荷需求增加時，須要提高濕化器出口水溫以將更多的熱量給外供熱水，濕化器空氣加濕量減小。對不同熱負荷工況優(yōu)化后得到熱力性能結果如圖10、圖11。從圖10中可以看出在熱電聯(lián)供時HAT循環(huán)可實現(xiàn)熱電聯(lián)供總功率高于回熱循環(huán)，HAT循環(huán)能夠滿足更高的熱負荷需求。熱電比小于1.6時HAT循環(huán)熱電聯(lián)供總效率更高。HAT 循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)的熱電比范圍更大，供熱量也更大，HAT循環(huán)熱電聯(lián)供外供熱水流量最大為3.66 kg/s，對應熱電比為2.8。熱電比最大時濕化器出口水溫增高到進口水溫，濕化器不再工作，從后冷器與省煤器吸收的所有熱量均用于供熱，進入燃燒室的空氣不再濕化。折合發(fā)電功率與效率為110.5 kW和22.9%，供熱功率為313.2 kW，熱電聯(lián)供效率為87.9%。因為后冷器有壓損，并且從后冷器抽取了一部分能量用于供熱，所以該工況折合發(fā)電效率低于回熱循環(huán)的發(fā)電效率(24.8%)，但熱電聯(lián)供總效率高于回熱循環(huán)。

圖10 循環(huán)的熱電聯(lián)供功率

圖11 循環(huán)的熱電聯(lián)供效率

圖12是兩種循環(huán)在不同熱負荷時的效率變化圖。從圖中看出當熱需求低于230 kW時，HAT循環(huán)熱電聯(lián)供的發(fā)電效率與熱電聯(lián)供總效率均高于回熱循環(huán)；當熱負荷高于230 kW時，回熱循環(huán)的熱電聯(lián)供總效率高于HAT循環(huán)。HAT循環(huán)中后冷器可以將壓氣機出口壓縮氣體的部分低溫熱量用于供熱，因此HAT循環(huán)供熱的最大功率比回熱循環(huán)高約24 kW。

圖12 循環(huán)效率隨供熱量的變化

圖13是濕化器出口空氣加濕量隨不同熱電比的變化。最大的空氣加濕量為0.124 kg/s，供熱負荷增加時需要的濕化器出口水溫增高，對應用于空氣濕化的熱量減少，所以空氣加濕量隨熱負荷的增加而減少，直至供熱量最大時空氣加濕量完全降為0。

圖13 HAT循環(huán)供熱時空氣加濕量

圖14為HAT循環(huán)中兩路熱水的流量隨著熱電比增加的變化圖。流經(jīng)省煤器的水流量從0.54 kg/s減少至0.36 kg/s，這是因為隨著熱負荷增加，煙氣中的水蒸氣含量降低，煙氣比熱容降低，省煤器中回收的熱量降低，所需的水流量減少。流經(jīng)后冷器的水流量從0.33 kg/s增加到0.38 kg/s，是因為燃氣輪機放氣量減少，后冷器中水路吸收熱量增加，對應水流量增加。流經(jīng)濕化器的總的水流量逐漸減少，從0.87 kg/s減少至0.75 kg/s。

圖14 HAT循環(huán)供熱時水循環(huán)的流量

圖15為省煤器與后冷器換熱面積變化圖。省煤器所需換熱面積隨熱電比的增加而減小，是因為供熱量增加后空氣的濕化率降低，煙氣能夠被吸收的熱量減少，最小溫差不變的條件下所需換熱面積減小。整體而言省煤器的面積大約為200 m2，可以采用純發(fā)電設計得到省煤器尺寸。由于壓氣機出口放氣量減少，后冷器換熱量增加，換熱面積也略有增加但整體變化量不大，因此也可以直接使用純發(fā)電工況設計的后冷器。

圖15 HAT循環(huán)供熱各工況下的換熱面積

6 結論

本文以某百千瓦級回熱循環(huán)微型燃氣輪機為原型構建HAT循環(huán)，分析了壓損與換熱溫差對循環(huán)影響，并對比分析了HAT循環(huán)與回熱循環(huán)燃氣輪機熱電聯(lián)供性能，得到如下結論：

(1) 基于回熱循環(huán)燃氣輪機構建的HAT循環(huán)折合發(fā)電效率可以達到29.66%，效率比回熱循環(huán)提高4.28個百分點，折合發(fā)電功率增加17.9%。

(2) 省煤器換熱溫差對HAT循環(huán)影響大于后冷器。在本文基本工況下，省煤器節(jié)點溫差增大10 ℃，折合發(fā)電效率降低0.4個百分點；后冷器節(jié)點溫差增大10 ℃，折合發(fā)電效率降低0.1個百分點。

(3) HAT循環(huán)的壓力損失每增加1%，循環(huán)效率降低0.2～0.3個百分點，透平至排煙出口的壓力損失對效率的影響大于透平前各部件壓力損失的影響。

(4) HAT循環(huán)的熱電比范圍為0～2.8，回熱循環(huán)的熱電比范圍為0～2.4；當達到最大熱電比2.8時，HAT循環(huán)熱電聯(lián)供系統(tǒng)效率87.9%，供熱功率313.2 kW，折合發(fā)電功率110.5 kW；回熱循環(huán)達到最大熱電比2.4時，熱電聯(lián)供效率84.2%，供熱功率為292.8 kW，發(fā)電功率為122 kW。

(5) 當熱電比為0～1.6時，HAT循環(huán)熱電聯(lián)供效率高于回熱循環(huán)；當熱電比為1.6～2.4時，回熱循環(huán)效率高于HAT循環(huán)。