三种类型氢-氧联合循环系统热力性能的比较

徐 鸿, 荆汝林, 高 丹, 倪维斗

(1.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;2.清华大学 热能工程系,北京 100084)

1 概 述

现代工业的发展对于能源和资源的依赖程度越来越高,而地球的能源和资源数量是有限的,同时现在的工业发展模式不可避免地造成了环境污染.如何提高能源利用效率、循环利用地球资源、减少乃至消除人类发展对环境的消极影响是摆在人类社会面前的一大技术难题.科研人员在寻找新能源的过程中发现氢能是一种理想的能源载体.氢能的利用包括它的制备、存储、运输以及最终应用等一系列过程,而提高氢能的最终利用效率也是一项关键的技术[1-4].燃烧天然气、以燃气轮机为核心的燃气-蒸汽联合循环技术在商业上已经日趋成熟,但这种双工质循环耦合带来的传热和顶部循环的烟气排放热量损失却是无法避免的,与此同时也带来了CO2和NO x的排放[5-6].采用氢作为燃气轮机的燃料构成的联合循环系统将会提高整个循环的热效率,真正实现零排放的目的[7].

2 计算模型和假设条件

2.1 计算模型

本文建立了3种热力循环系统,分别为简单循环、回热型循环和再热回热型循环.根据热力循环的系统图以及能量和物质平衡关系,可以得到以下系统效率计算模型：

循环的吸热量

式中：m cc,i为第i燃烧室出口的质量流量,kg/s;Δhcc,i为第i燃烧室出口与入口的焓差,kJ/kg;QLHV为氢的低位发热量,kJ/kg;m H 2,i为进入第i燃烧室氢的质量流量,kg/s.

由于考虑到氢能终端的利用系统效率,因此对氢和氧的压缩功不加考虑,同时由于给水泵的相对功耗很小也予以忽略,这时循环的功量为：

式中：m T,j为第j透平的质量流量,kg/s;Δh T,j为第j透平的焓降,kJ/kg;ηT,j为第j透平的内效率,%.

循环发电效率

式中：ηm为机械效率,%;ηe为发电机效率,%.

2.2 假设条件

模拟计算的假设条件为：

3 简单循环

简单的氢-氧联合循环系统示于图1,其温熵曲线示于图2.系统主要由燃气透平(GT)和蒸汽透平(ST)组成,以纯氢为燃料,以纯氧为氧化剂.燃料在喷水的燃烧室内燃烧后,高温水蒸气直接进入燃气透平,做功后排气直接进入到蒸汽轮机,然后排到凝汽器冷凝,完成做功循环.燃气透平入口的温度定义为系统的最高温度TIT.

图1 简单的氢-氧联合循环系统布置图Fig.1 Layout of the simple hydrogen/oxygen-steam com bined-cyc le system

图2 简单的氢-氧联合循环温熵曲线图Fig.2 Tem perature entropy cu rves of the simple hy drogen/oxygen-steam combined-cycle system

图3为燃气透平入口压力与蒸汽透平出口温度的关系图.图4为燃气透平入口温度对效率的影响曲线.从图3和图4可看出：随着燃气透平入口压力的提高,系统的膨胀比提高,在同样的入口温度下,膨胀更加充分,蒸汽透平出口蒸汽温度降低,而循环效率却提高.整个系统的效率随着系统最高温度的提高而明显提高,在系统最高温度达到1 500℃时,效率可达到55%,与一般联合循环的效率相接近.但是,本循环的排汽温度仍然比较高,热量损失也比较大,因此效率还有待进一步提高.

图3 排气温度与燃气透平入口压力关系图Fig.3 Inlet p ressu re of gas tu rbine vs.outlet temperatu re of steam turbine

图4 燃气透平入口温度对效率的影响Fig.4 Influence of gas turbine's inlet temperature on efficiency of the simple combined-cycle system

4 回热型循环

为了将蒸汽透平排气温度降到环境温度水平,通过余热换热器吸收一部分燃气透平排气的热量,以便降低燃气透平排气温度,同时在系统中增加低压蒸汽透平(LPST),使循环的排气温度降到接近环境温度.在简单循环的基础上,回热型氢-氧联合循环系统还增加了高压蒸汽透平(HPST),余热锅炉产生的高压蒸汽进入高压蒸汽透平做功后,再进入燃烧室以降低燃烧产物的温度[8].高压蒸汽透平的入口压力定义为系统的最高压力p max.带有回热的联合循环系统示于图5,图6为其温熵曲线图.高压蒸汽透平入口压力对回热联合循环效率的影响示于图7.从图7可知：随着压力的提高,循环效率也不断提高,在亚临界状态时效率对压力的变化比较敏感,但到了超临界状态时,压力对效率的影响便变得比较平缓.这主要是因为在亚临界状态时,水的汽化潜热比较大,同时汽化温度随着压力的提高而提高,对平均吸热温度的提高有更大的贡献;在超临界状态时水的汽化潜热不存在,因此对效率提高的影响就较小.回热循环与简单循环的效率比较示于图8.回热循环的效率比简单循环的效率提高了5%～10%.随着温度的提高,由于回热占循环吸热量的比例降低,因此回热对效率提高的影响也逐步减小.

图5 回热型氢-氧联合循环系统布置图Fig.5 Layou t of the com bined-cy cle sy stem with heat recovery

图6 回热型氢-氧联合循环温熵曲线图Fig.6 Temperature entropy curvesof the combined-cycle system w ith heat recovery

图7 高压蒸汽透平最高压力对回热联合循环效率的影响Fig.7 Influen ce ofmaximum pressu re of steam tu rbineon efficiencyof the com bined-cyc le system with heat recovery

图8 带回热与简单联合循环效率的比较Fig.8 Comparison of efficienciesbetw een system s with and w ithout heat recovery

5 再热回热型循环

对于燃气轮机布雷顿循环,使用再热就是增加了循环的平均吸热温度,因此使整个联合循环的效率得到提高.一次再热循环在回热型循环的基础上增加了1个燃烧室,高温燃气分别在高压燃气透平(HPGT)和低压燃气透平(LPGT)中膨胀;二次再热循环增加了2个燃烧室,将燃气透平分成高压燃气透平、中压燃气透平(MPGT)和低压燃气透平.一次再热和二次再热的系统分别示于图9和图10,其温熵图分别示于图11和图12.在1 500℃时,一次再热的效率在回热的基础上可提高2%左右.由图13可知：采用二次再热后的效率可在一次再热的基础上最多提高2%;同时,在高压燃气透平入口压力(p6)和低压燃气透平出口压力(p9或者p11)一定时,再热压力(p7和p9)存在一个最佳值(再热压力也反映了燃气透平膨胀比的分配[9-10]).二次再热需增加设备,系统也会变得更加复杂,因而建设成本增加,因此是否采用二次再热应通过全面衡量投资和运行维护后再确定.

图9 一次再热联合循环系统布置图Fig.9 Layou t of the combined-cy cle sy stem with a singlereheat loop

图10 二次再热联合循环系统布置图Fig.10 Layout of the combined-cycle system w ith a doub le-reheat loop

图11 一次再热联合循环温熵曲线图Fig.11 Temperatu re en tropy cu rves of the com bined-cyc le sy stem w ith a single-reheat loop

图12 二次再热联合循环温熵曲线图Fig.12 Temperature entropy curvesof the combined-cycle system w ith a double-reheat loop

图13 再热压力 p7对2种不同再热循环系统效率的影响Fig.13 Influence of reheat pressure p7 on efficiency of systems w ith a single-or doub le-reheat loop

6 结 论

(1)以氢为燃料的联合循环系统是一个自然的整体,与一般双工质的联合循环相比,无2种工质之间的传热和烟气排放损失,从而提高了循环的热效率.

(2)温度、压力、回热和再热对系统效率的影响比较大,几种因素良好匹配可达到更高的效率.通过计算表明,在最高压力为30 MPa、温度为1 500℃时,一次再热循环的效率可达到63.2%.

(3)以氢为燃料的联合循环系统不产生温室气体的排放,属于环境友好型的热力循环.

以氢为燃料的联合循环系统是一种先进的能量转换模式,具有诸多优点,代表未来能源研究和发展的一个新方向.

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