氢气对PG9171E型燃气-蒸汽联合循环系统性能的影响

2022-06-23陈晓利陈希叶高继录

节能技术 2022年2期

傅腾，陈晓利，陈希叶，刘栗，高继录

(1.中电投东北能源科技有限公司，辽宁沈阳 110179；2.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁沈阳 110181；3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

氢气作为一种无碳燃料，能够很好的降低碳排放，并且具有很好的应对气候变化的潜力。氢气可以从传统的化石燃料产生，例如蒸汽甲烷重整和煤气化等[1]，但是它也可以从生物质、风能、太阳能等可再生能源产生[2-4]。用可再生的氢气替代天然气可以有效的减少温室气体排放。我国承诺将力争在2030年实现二氧化碳排放峰值，在2060年实现碳中和，为了实现“双碳”目标，氢气做为一种无碳燃料，将会迎来蓬勃发展。

由于燃气-蒸汽联合循环技术具有能量利用率高、可靠性和灵活性好、清洁化程度高等特点，目前，已经广泛应用于电厂和工业过程中[5]。目前国内外对燃气-蒸汽联合循环发电系统的研究主要集中在天然气发电技术的研究[6]、循环系统优化设计[6]、设备的研发及测试[8]三个方面。

本文主要研究氢气对燃气-蒸汽联合循环系统性能的影响，以PG9171E型燃气轮机和双压无再热余热锅炉为对象，基于Aspen Plus软件建立了联合循环系统模型。并对燃气轮机、蒸汽轮机和联合循环系统的输出功率以及效率等进行分析，为燃气-蒸汽联合循环系统的节能减排运行提供一些理论数据和指导。

1 模型的建立

1.1 燃料

本文采用的燃料为氢气与甲烷的混合气，氢气的质量比从0%增加到100%(每10%为一个计算工况)。图1为燃料的低位发热量，从图中可以发现，随着燃料中氢气的增加，燃料的低位发热量呈线性增加；另外，氢气的低位发热量是甲烷的2.4倍。

图1 燃料低位发热量

1.2 燃气轮机模型

图2为燃气轮机的循环流程图，燃气轮机主要分为三部分：压气机、燃烧室和透平，其中PG9171E型燃气轮机采用17级叶片进行压缩，压气机的压比为12.3。其中，在第5级、第11级和第17级叶片设有抽气口，第5级叶片的抽气主要是用于燃机的轴瓦冷却密封，第11级抽气的主要作用是燃机起机和停机时的防喘，第17级的抽气是透平的冷却空气[8]。因此，本文将压气机分为3部分进行模拟，采用的是Compr压力变换模型，熵效率为0.89，机械效率为0.98。通过计算获得压气机出口压力为12.3 atm，温度为376 ℃。

图2 燃气轮机循环流程图

PG9171E型燃气轮机的透平分为3级，因此本文也分为3部分进行模拟，采用的是Compr压力变换模型，熵效率为0.91，机械效率0.98。图3为燃气轮机模型。

图3 燃气轮机模型

1.3 蒸汽轮机模型

余热锅炉采用的是双压无再热结构，汽轮机透平分为两级：高压透平和低压透平，如图4所示。从燃气轮机透平出来的高温热烟气依次通过高压过热器、高压蒸发器、高压省煤器、低压过热器、低压蒸发器、低压省煤器等换热面后排入大气，由于烟气中含有大量的水蒸气，因此模型计算时假定排烟温度大于120 ℃。锅炉给水通过低压水泵送入低压省煤器中，经过低压省煤器后分为两部分。一部分经过低压蒸发器加热后变为低压饱和蒸汽，然后进入低压过热器进一步加热变为低压过热蒸汽，然后与高压透平出口的工质混合在一起通过低压透平做功，低压透平出口的工质进入冷凝器。另外一部分经过高压水泵加压后送入高压省煤器加热后，送入高压蒸发器吸热变为高压饱和蒸汽，然后进入高压过热器进一步吸收热量变为高压过热蒸汽，最后进入高压透平做功。

图4 余热锅炉系统图

余热锅炉中的换热器模型采用是MHeatX模型，其中经过各换热器的给水参数由某锅炉厂提供，见表1；汽轮机透平的模型则采用的是压力变换器Compr模型，高压透平和低压透平的熵效率为0.89，机械效率为0.98。图5为蒸汽轮机模型。图6为燃气-蒸汽联合循环系统模型。

表1 换热器给水参数

图5 蒸汽轮机模型

图6 燃气-蒸汽联合循环系统模型图

1.4 联合循环系统性能定义

联合循环系统性能的评价指标主要包括燃气轮机输出功率及效率、蒸汽轮机输出功率及效率、联合循环系统输出功率和效率等，它们的定义如下所示[10]：

燃气轮机输出功率：Wgt=Wtur-Wcom

联合循环系统输出功率：Wtotal=Wgt+Wst

式中η——效率；

W——出功/kW；

m——工质质量流量/kg·s-1；

LHV——燃料低位发热量/kJ·kg-1；

h——焓值/kJ·kg-1；

w——比功/kJ·kg-1；

上标/下标0——环境状态参数；

4——燃气透平出口参数；

a——空气侧参数；

com——压气机参数；

f——燃料参数；

g——烟气侧参数；

gt——燃气轮机循环参数；

st——蒸汽轮机循环参数；

total——联合循环系统参数；

tur——燃气透平参数。

2 讨论及分析

2.1 模型验证

本文采用甲烷对建立的燃气轮机模型进行验证，模拟时保证压气机进口流量和透平前温与设计参数一致，通过比较透平排烟温度、燃气轮机输出功率和燃气轮机效率的模拟值与设计值的相对误差来确定所建模型是否准确，通常认为相对误差在5%以内时，可以认定所建模型是准确的。表2为PG9171E型燃气轮机模拟结果与设计参数的比较，从表中可以看出，透平排烟温度、燃气轮机输出功率和燃气轮机效率的模拟结果与设计参数的误差均在5%以内，并且燃气轮机透平出口烟气的压力略大于大气压。因此，可以认为本文建立的燃气轮机模型是准确可靠的。另外，本文建立的蒸汽轮机模型参数由某锅炉厂提供，模拟结果与锅炉厂提供的参数误差在5%以内。因此，可以确定本文建立的燃气-蒸汽联合循环系统模型是可靠的。

表2 PG9171E型燃气轮机模拟结果与设计参数的比较

2.2 氢气对燃气轮机性能的影响

图7为氢气对燃料质量流量和总热值流的影响，从图中可以看出，随着燃料中H2的增加，燃料的质量流量逐渐减小，从7 kg/s逐渐减小到3 kg/s，燃料质量流量减小57%；但是燃料输入的总热值流量却是逐渐增大的，从352 061 kJ/s逐渐增大到355 795 kJ/s，输入的总热值流增加约1.06%。并且，随着燃料中H2的增加，输入燃料质量流量和总热值流量不是线性变化的，变化速率逐渐减小。

图7 氢气对燃料质量流量和总热值的影响

图8为氢气对透平出口温度和流量的影响，从图中可以看出，随着燃料中H2的增加，透平出口温度和流量逐渐减小，并且减小速率也逐渐降低。透平出口温度从536.4 ℃逐渐减小到532.7 ℃，降低了3.7 ℃；透平出口流量从407.9 kg/s降低到403.8 kg/s，降低了4.1 kg/s，降低了1%。

图8 氢气对透平出口温度和流量的影响

图9为氢气对燃气轮机输出功率和效率的影响，从图中可以看出，随着燃料中H2的增加，燃气轮机输出功率和效率逐渐增加，但是增加速率逐渐减小。燃气轮机输出功率从117.2 MW增加到122.4 MW，增加了约5.2 MW，增加了4.4%。燃气轮机效率从33.3%增加到34.4%，增加了1.1%。因此可以得出向燃料中掺氢气，可以提高燃气轮机的输出功率和效率。

图9 氢气对燃气轮机出功和效率的影响

2.3 氢气对蒸汽轮机性能的影响

图10为氢气对锅炉效率和给水流量的影响，从图中可以看出，随着燃料中H2的增加，锅炉效率逐渐减小，从74.7%逐渐减小到67.2%，减小7.5%；但是给水流量却是逐渐增大的，从203.35 t/h逐渐增大到203.96 t/h，增加了0.61 t/h。并且，随着燃料中H2的增加，锅炉效率和给水流量也不是线性变化的，变化速率逐渐减小。

图10 氢气对锅炉效率和给水流量的影响

图11为氢气对蒸汽轮机输出功率和效率的影响，从图中可以看出，随着燃料中H2的增加，蒸汽轮机输出功率逐渐增加，但是增加幅度很小，从48.11 MW增加到48.26 MW，增加了0.15 MW，增加了约0.3%；蒸汽轮机效率逐渐减小，从19.15%减小到17.24%，减小了1.9%。并且，随着燃料中H2的增加，蒸汽轮机输出功率和效率也不是线性变化的，变化速率逐渐减小。因此，可以得出向燃料中掺氢气，可以提高蒸汽轮机的输出功率，但却降低了蒸汽轮机的效率。

2.4 氢气对联合循环系统性能的影响

图12为氢气对联合循环系统输出功率和效率的影响，从图中可以看出，随着燃料中H2的增加，联合循环系统输出功率和效率逐渐增加，但是增加速率逐渐减小。联合循环系统输出功率从165.4 MW增加到170.7 MW，增加了约5.3 MW，增加了3.2%。燃气轮机效率从47.0%增加到48.0%，增加了1.0%。因此可以得出向燃料中掺氢气，可以提高联合循环系统的输出功率和效率。