（工程热物理专业论文）燃料化学能与物理能综合梯级利用的热力循环.pdf

摘要 摘要 解决能源利用与环境相容协调的难题是二十一世纪能源科学研究的重要课 题。探索新的能量转化利用机理和开拓新的热力循环是未来以燃气轮机为核心 的广义总能系统研究的主要方向之一。本论文围绕新的热力循环及其能量转化 利用机理的若干核心科学问题，开展研究、提出用于传统火电站更新改造的给 水加热型联合循环、化学问冷热力循环和太阳能与甲醇互补型的能源动力系统。 这三个系统及其核心科学问题所涉及的新概念、新构思、新机理是国家重要科 研项目一国家自然科学基金“动力系统联合循环升级热力学规律研究和系统创 新”、国家重点基础发展规划“新型广义总能系统与其全息性能和规律”和国 家自然科学基金重点“适合西部多功能能源系统”的重要研究内容，并有其广 阔的应用前景。 面对我国2 0 0 m w 以下中小火电机组更新淘汰的局面，本文研究适合我国传 统火电站更新改造升级的给水加热型联合循环系统。采用e u d 图像炯分析方法 探讨联合循环系统内部能量转换利用规律和提高汽轮机电站性能的机理。通过 系统集成技术与全三维通流部件技术的相互综合交叉，分别对5 0 m w 、1 2 5 m w 、 2 0 0 m w 三种汽轮机发电机组的给水加热型联合循环系统的总体热力特性进行 模拟分析。采用静态经济性分析方法，侧重分析新增加的天然气燃料与原煤价 格之比对更新升级系统发电成本的影响。 从如何减小含碳燃料燃烧过程中化学能品位损失的思路出发，开展燃料化学 能与物理能综合梯级利用新原理的研究。本文采用热力学体系的一般焖函数和 吉布斯自由焓函数。建立燃料化学能释放过程中燃料焖、反应过程最大作功能 力g 与物理炯的普适关系，将三种不同作功能力清晰表达为燃料能的品位、 燃烧反应品位与卡诺循环效率的形式，以突破传统纯热力循环中物理能梯级利 用的单一模式。在上述燃料化学能与物理能综合梯级利用原理基础上，开展甲 醇等清洁合成燃料与低品位物理能相结合的能量释放新机理的研究，以甲醇燃 燃料化学能与物理能综合梯级利用的热力循环 料为例，揭示清洁合成燃料间接燃烧的能量释放过程中化学能品位损失减小和 低温热品位提升的科学本质与相关规律。 基于甲醇化学能能量释放新机理，提出实现甲醇化学能与低温余热综合梯 级利用的化学问冷热力循环。为了验证新循环关键单元过程低温热化学裂解 甲醇的可行性和揭示有关的特性规律，建立甲醇吸热分解反应实验装置，开展 甲醇吸热分解反应机理的实验研究。为了提高在1 5 0 2 0 0 反应温度条件下的 甲醇裂解转化率，对传统甲醇吸热分解反应流程提出改进建议。 基于甲醇化学能能量释放新机理，本文提出中温太阳能与甲醇燃料互补型 的能源动力系统。为此，还探讨不同能源综合梯级利用的系统集成机理，并在 系统概念性设计基础上，研究循环系统的特性规律和分析关键热力参数对循环 性能的影响。该循环为解决太阳能热发电系统中太阳能固有的间歇性和综合利 用可再生能源与化石能源提出可行方案与途径。 关键词：热力循环；化学能与物理能梯级利用：太阳能热发电 一一 生! ! 坠里 一 n a v e l t h e r m a d y n a m i cc y c l e w i t hc a s c a d eu t i l i z a t i o no f c h e m i c a le x e r g ya n d p h y s i c a le x e r g y o ff o s s i lf u e l h o n g h u i ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i n h o n g g u a n g a b s t r a c t t or e s o l v e e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi st h eg e n e r a lo b j e c t i v eo f t h er e s e a r c ho f e n e r g y u t i l i z a t i o n s y s t e m i nt h e2 1 s t c e n t u r y e x p l o r i n g t h en e wp r i n c i p l eo fe n e r g y t r a n s f o r m a t i o na n d iu t i l i z a t i o na n di n n o v a t i n gt h en e wt h e r m o d y n a m i cc y c l ea r et h em a i n r e s e a r c hd i r e c t i o n so ft h eg e n e r a l i z e dt o t a le n e r g ys y s t e mw i t hg a st u r b i n ei nt h ef u t u r e f o c u s i n g o nt h i so b j e c t i v e ，t h em a i ns t u d yo f t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h ef e e d w a t e r h e a t i n g c o m b i n e d c y c l e f o r r e p o w e r i n g t h ec o n v e n t i o n a lc o a l f i r e ds t e a m p o w e rp l a n t s ，t h e c h e m i c a l l yi n t e r c o o l i n gt h e r m o d y n a m i cc y c l ea n dt h es o l a rt h e r m a lp o w e rs y s t e mw i t ht h e i n t e g r a t i o no f m e t h a n o lf u e l b a s e d0 nr e p o w e r i n gt h ee x i s t i n gc o a l - 涮s t e a m p o w e rp l a n t so fb e l o w2 0 0 m w i n c h i n a ，f e e d w a t e rh e a t i n gc o m b i n e dc y c l es y s t e m1 i s i n v e s t i g a t e d t h r o u g ht h eg r a p h i c a l e x e r g ya n a l y s i so fe u d ，t h es t u d yo nt h ei n t e r n a le x e r g yc o n s u m p t i o ni sc a r r i e do u t t h e i r t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so fc o a l - f i r e d s t e a n lp o w e rp l a n t so f5 0 m w , 1 2 5 m wa n d d _ ， ， 2 0 0 m wa r e r e s p e c t i v e l y , i n v e s t i g a t e d b ya n a l y z i n gt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e n s y s t e m r e f o r m i n ga n d m o d i f i c a t i o no ft h ev a n eo ft h es t e a mt u r b i n ew i t ha l l t h r e ed i m e n s i o n t e c h n o l o g y f o rr e f o r m e ds y s t e m t h ee f f e c t o fc o s tr a t i oo fn a t u r a l g a st o c o a lo ni t s e l e c t r i c i t yp r o d u c t i o nc o s ti se v a l u a t e db ys t a t i ce c o n o m i ca n a l y s i s f o rt h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o ni nac o n v e n t i o n a l p o w e rs y s t e m ，t h el a r g e s te x e r g y c o n s n l l l i p t i o no c c u r si nt h ep r o c e s so f t h ec o n v e r s i o no fc h e m i c a le n e r g yo ff u e li n t ot h e t h e r m a le n e r g y h e n c e ，h o wt or e d u c et h ed e s t r u c t i o no f e n e r g yl e v e lo f c h e m i c a le n e r g yi n t h ec o m b u s t i o no f c a r b o nf u e li sa ni m p o r t a n tp r o b l e mf o ru s 伯en e w p r i n c i p l eo f c a s c a d e e f f e c t i v ec o n v e r s i o n o f c h e m i c a l e n e r g y o f h y d r o c a r b o n s a n d i t s n o v e l t h e r m o d y n a m i c c y c l e u t i l i z a t i o no fc h e m i c a le n e r g yo fc a r b o nf u e li sp r o p o s e da n di n v e s t i g a t e df u n d a m e n t a l l y n l ei n t e r a c t i o n sa m o n gc h e m i c a le x e r g y o f f u e l ，t h ea v a i l a b i l i t yo f w o r ki nc h e m i c a lr e a c t i o n p h y s i c a le x e r g y a r e i d e n t i f i e d ，a n da l s od i s c l o s e db ye n e r g yl e v e l b a s e d o nt h e s e f u n d a m e n t a l s ，t h ei n d i r e c tc o m b u s t i o no fm e t h a n o li s p r o p o s e di n w h i c ht h em e t h a n o l d e c o m p o s i t i o ni sc o u p l e dw i t ht h el o we n e r g yl e v e lo fp h y s i c a le n e r g y t h ec h a r a c t e r i s t i c s a b o u tt h ei n d i r e c tc o m b u s t i o no fm e t h a n o la r ei n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt o t h ea b o v en e wp r i n c i p l e ，t h eg a st u r b i n ec o m b i n e d c y c l e w i t ht h e i n t e g r a t i o no fl o w - t e m p e r a t u r ew a s t eh e a ta n dm e t h a n o ld e c o m p o s i t i o ni sp r o p o s e d t o p r e d i c tt h ee f f e c to fs o l a rt h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fm e t h a n o la n dt od i s c l o s ea b o u ts p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e a c t i v i t yo fm e t h a n o ld e c o m p o s i t i o ni se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t o i n c r e a s et h ec o n v e r s i o nr a t eo fm e t h a n o la tt e m p e r a t u r eo f1 5 0 c - 2 0 0 y ) ，t h ei m p r o v e m e n t s c h e m ef o rm e t h a n o ld e c o m p o s i t i o ni sp r o p o s e d t or e s o l v et h ei n t e r m i s s i o no fs o l a re n e r g yi nt h ep o w e rs y s t e ma n dt oi n c r e a s et h e c o m p e t i t i o no fr e n e w a b l ee n e r g y ，an e ws o l a rt h e r m a lp o w e rc y c l ei sp r o p o s e dw h e r et h e m e t h a n o ld e c o m p o s i t i o ni s i n t e g r a t e dw i t hm i d d l e - t e m p e r a t u r es o l a rt h e r m a le n e r g y t h e f e a t u r e so f t h ep r o p o s e dc y c l ea r ei n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so f t h er o l eo fi n d i r e c tc o m b u s t i o n o fm e t h a n 0 1 t h ep e r f o r m a n c eo f t h e r m o d y n a m i cc y c l ei se v a l u a t e da n dt h ee f f e c t so fk e y t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so ni t sp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d 。 t h e p r o m i s i n gr e s u l t so b t a i n e dh e r ei si m p o r t a n tf o rt h ee x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no f t h e j 十r ： n e w p r i n c i p l eo f t h ec o n v e r s i o n c h e m i c a le n e r g yo f c a r b o nf u e la n di n n o v a t i v ep o w e rs y s t e m w i t hb o t hs a v i n ge n e r g ya n ds u p p r e s s i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c t ， k e y w o r d s ：c o m b i n e dc y c l e ，c a s c a d eu t i l i z a t i o no f e n e r g y ，s o l a rt h e r m a lp o w e rp l a n t 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着全球经济持续快速发展，能源问题日益严重。当今世界对一次能源需 求以每年3 左右的速度增长，其中9 0 的能源由化石燃料提供。然而，以化 石资源为主的能源利用，不仅因其不可再生资源的有限性和人类消耗的无限性 造成化石燃料的枯竭，而且也给人类自身的生存环境带来严重退化。因此。当 前能源科学研究的课题之一就是要建立新的能源动力利用系统，实现能源与环 境的可持续发展。 燃气轮机总能系统体现了能的品位和梯级利用的思想。它将能源转化与利用 不再局限于单一部件或热力过程的性能优劣，。而是更重视探讨和研究不同循环 有机结合。新型广义总能系统则更注重总能系统与高效洁净利用、系统经济性 和能源与环境的综合渗透。迈进二十一世纪，燃气轮机技术得到高速发展，以 燃气轮机为核心的广义总能系统也成为世界各国学者研究的热点。 迄今，尽管常规能源动力系统从简单热力循环发展到复合热力循环实现了 热力过程中能的品位梯级利用，提高能源利用率，但是，能源动力系统中能的 品位损失最大之处发生在含碳燃料的化学能转换物理能的燃烧过程。燃烧过程 的改善是大幅度提高能源动力系统效率的关键，然而这一点尚未引起人们足够 的重视和研究i l 】。虽然通过不断提高热力循环的最高温度，可减小燃烧过程的 不可逆损失，但是热机仍受卡诺循环的限制和存在能源转化率低的问题。因此， 在能源与环境可持续发展的战略背景下，探讨含碳燃料化学能新的能量转化利 用机理具有十分重要的理论和现实意义。 。 优化能源结构，发展可再生能源已成为世界各国解决能源与环境相容协调 问题中不可缺少的重要组成部分。我凰是世界上参数几个以煤为主要能源的国 家之一。从长远的能源发展战略角度来审视，我国必须寻求一条有利予可再生 能源占较大比例的能源供应与消费的道路。我国锎定了z 0 0 0 - 2 0 1 5 年薪匏源 和可再生能源产业发展规划要点，提出到2 0 1 5 年新能源和可再生能源年开发 燃料化学能与物理能综合梯级利用的热力循环 量达到4 3 0 0 万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2 ( 不包括传统经济利用 方式的生物质和小水电利用量。如果包括小水电，则将达到3 6 ) 。这等于每年 少用了6 0 0 0 万吨煤炭，可减少捧放c o t 近3 0 0 0 万吨，减排二氧化硫、氮氧化物 和烟尘2 1 0 万吨。因此，开拓可再生能源利用的动力系统，特别是把它们转化 为高品位能源，因地制宜，多能互补，对我国社会、经济和生态环境协调发展 具有重要意义。 本论文研究工作是国家自然科学基金资助项目“动力系统联合循环升级中 热力学规律研究和系统刨新”、国家重点基础发展规划“新型广义总能系统与 其全息性能和规律”和国家自然科学基金重点资助项目“适合西部多功能能源 系统”的部分内容。 1 2 燃气轮机总鳇系统研究概况 纵观燃气轮机发展历史，从五十年代初燃气轮机透平初温6 0 0 7 0 0 到当 今研制的新型“h ”系列高性能的燃气轮机( 初温可达到1 5 0 0 ( 2 ) ，这无疑归功 于部件性能和新材料、新技术的突破结果。但是，系统集成技术对提高燃气轮 机系统性能也是至关重要的口，3 1 。 自8 0 年代以来，以燃气轮机为核心的总能系统以其熟力学、生态环境、经 济及社会效益等各方面篮示出良好的综合性能，通过多种形式得到广泛重视和 应用。在当今能源利角与环境保护的双重压力下，燃气轮机总能系统进入一个 多功能、多能源的综合梯级利用时代”卯。 1 2 1 联台循环 联合循环是将具有高温加热优势的b r a y t o n 循环和较低排汽温度的r a n k i n e 循环有机结合起来，取长补短，按能的晶位高低进行能的梯级利用，从而大幅 度提高系统效率嘲。联合循环电站是目前世界上商业运行机组效率最高的动力 装置。循环热效率已达到5 5 n - 5 8 。近期g e 公司利用其8 1 0 7 h 和s 1 0 9 h 系 列的燃气轮机已冲击6 0 1 的效率大关1 9 。 第一章绪论 常规联合循环的性能改进除了不断提高循环的最高温度与最低温度之比外， 还集中于研究顶、底循环良好匹配的联合循环。如k a l i n a 循环、有机工质底循 环、a b c 空气底循环。 注蒸汽循环( s t i g ) 和湿空气透平循环( h a t ) 是两种典型的燃气蒸汽联 合循环。两者的共性都是在燃气轮机中应用燃气和蒸汽的混合工质，取消了常 规联合循环中蒸汽侧的硬件设备。具有大比功、高效率、低污染及变工况性能 好的特点。具有较好回收低品位余热特性的湿空气透平循环( h a t ) 还可与燃 煤技术相结合 1 0 - 1 3 l 。 此外，自世界发生石油危机以来，燃气轮机燃煤技术得到大力发展。燃煤联 合循环是把高效的联合循环和洁净煤技术结合起来的燃气轮机总能系统洁净煤 发电技术 1 4 , 1 5 】。目前，整体煤气化联合循环( i g c c ) 和增压流化床循环( p f b c ) 技术已日臻完善，3 0 0 m w 级别的大容量机组也正在商业或半商业运行。我国是 一次能源以煤为主的国家，燃煤联合循环更显重要，有关我国i c h 2 c 的相关研 究成果在文献 1 6 j7 】有较为详细地叙述。 该节将主要回顾与本论文研究内容相关的汽轮机联合循环升级系统的国内 外研究动态及发展。 1 汽轮机联合循环更新升级系统 燃气蒸汽联合循环是目前更新改造汽轮机电站的有效手段之一，即汽轮机电 站联合循环动力更新改造( c c - r e p o w e r i n g ) 。在现有的汽轮机电站中加装燃气 轮机，组成高效率、低污染的燃气蒸汽联合循环电站。其优点不仅能充分利用 现有厂房设备，改造投资较少，而且达到汽轮机电站扩容降耗的目的，改善生 态环境，大大延长现有电站的技术经济寿命 t g j g ) 。 汽轮机电站联合循环动力更新改造技术按燃气轮机排热利用的方式，将其分 为给水加热型( f w h r e p o w e r i n g ) 、排气全燃型( f f r e p o w e r i n g ) 、余热锅炉 型( h r s g r e p o w e d n g ) 和平行混合型( p p r e p o w e r i n g ) 。冀中余热锅炉型最为 广泛应用。 自1 9 4 9 年，美国b e l l ei s l e 电站建成世界首套4 0 m w 给水加热型联合循环 一3 _ 燃料化学能与物理能综合梯级利用的热力循环 改造汽轮机电站示范装置以来，联合循环系统更新改造传统燃煤火电站在国外 近几十年来得到很大发展，并积累了成熟的工程经验。特别是从上世纪8 0 年代 中期开始，美国、日本、荷兰、德国、意大利等国发展势头更是方兴未艾1 2 0 , 2 “。 美国约有9 0 0 0 0 m w 运行期超过3 0 年的再热和非再热的燃煤火电机组已不 能满足日益增加的电力负荷和环保需求。从燃料消费结构、系统性能等因素考 虑，美国多数电站应用余热锅炉型联合循环更新改造方式，且改造的机组等级 为1 0 0 m w 、2 0 0 m w 和3 0 0 m w 2 2 1 。美国弗吉尼亚b r e m o 电站的4 台燃煤汽轮 机组采用给水加热型或排气全燃型联合循环进行改造。改造后的系统热效率提 高了5 8 1 2 3 1 。 荷兰上世纪8 0 年代初，由于天然气价格上升，为了改变火电燃用天然气为 主的被动局面，促使加快联合循环更新改造步伐。其中功率最大一台为6 0 0 m w e e m s e e n l r a l e2 排气全燃型联合循环系统。改造后，循环系统设计点效率提高 5 8 个百分点，n o 。排放量下降5 0 0 a c z * 。 德国v e w 地区1 9 8 5 年9 月投入使用的u n i tk 为世界最大的双燃料排气全 燃型联合循环电蛄。联合循环发电为7 6 5 m w ，联合循环发电效率为4 0 9 ，比 附近7 0 0 m w 的燃煤蒸汽电站b e r k a m m e n 高5 t 2 卯。 我国在联合循环更新升级系统方面也做了大量研究工作。文献 2 6 - 2 8 1 全面阐 述联合循环更新改造技术的设计、优化和经济性，尤其文献【2 8 】强调了对我国火 电站的更新改造的现实意义。 文献【2 9 3 0 1 分析补燃对常规联合循环效率的影响，并澄清“只要常规联合循 环效率高于常规汽轮机热效率，则补燃肯定降低联合循环效率”的论点。文献1 3 0 】 分别给出余热锅炉型、补燃及排气全燃型联合循环性能简明解析式，具有重要 的实际指导意义。 文献】结合我国北京东炼厂排气全燃型联合循环实际改造项目，剖析了排 气全燃型联合循环中燃气与蒸汽侧之间的匹配关系和两侧对循环性能的影响。 提出了排气全燃型联合循环的优化准则和实用范围，并指出适于排气全燃型联 合循环热电并供的功热比为0 。0 5 , 4 ) 4 。 第一章绪论 文献口习研究给水加热型和排气全燃型两种典型联合循环热力性能规律。指 出：随燃机汽机功比变化，排气全燃型系统效率单调变化以及给水加热型系统 效率存在极值点的现象，并发现，在一定燃机汽机功比下给水加热型效率大于 排气助燃型的特殊规律。 文献1 3 3 3 4 1 探讨了给水加热型联合循环系统热力性能简明解析式和其变工况 特性。揭示了在不同变工况运行模式下给水加热型联合循环性能的变化规律， 并在性能比较基础上，提出综合性能较好的循环系统运行模式。 2 三种汽轮机联合循环更新升级系统比较 从上述研究结果看出，欧美一些国家常常投入大量资金进行排气全燃型和余 热锅炉型的更新改造。然而，排气全燃型联合循环对原有锅炉燃烧器和换热器 改造的工作量很大，改造费用相对较高。余热锅炉型联合循环对系统效率的提 高幅度最大，但需要用较多优质油气燃料。且原有锅炉将全部作废，改造时存 在投资费用大和汽机与燃机匹配等i h 题1 3 s 3 6 1 。 美国弗吉尼亚电力公司认为1 3 7 】，联合循环更新改造涉及到许多因素难以确 定。因而，更新系统应更多选择给水加热型和排气全燃型，因为这两种改造方 式具有较好的应变灵活性。给水加热型联台循薜漂绣瓣原有设备改动较小，改 造投资费用大幅度降低，施工周期较短，：增设的燃气给水加热器的结构也很简 单。但是，相对其他的联合循环更新系统，循环热效率提高的幅度较小。 文献【3 8 1 比较了不同联合循环更新改造技术方案的性能和成本效益。对于超 高压参数以上的大型燃煤电站的更新改造应以“平行混会型”为优先方案，“摊 气全燃型”次之。“给水加热型”具有良好的经济性能，是最低廉的改造方案。 文献口9 训1 结合我国国情和实际情况，提出了在结合汽轮机通流部分改造的基 础上，采用给水加热型联合循环更新系统技术来改造我国2 0 0 m w 以下的传统 火电站。 上述已有的研究成果可为我国进一步进行联合循环更新改造技术的深入研 究积累了可贵的经验和相关知识。 燃料化学能与物理能综合梯级利用的热力循环 1 2 2 清洁合成燃料燃气轮机总能系统 目前，温室气体一半以上是来自能源体系，即由含碳化石燃料燃烧后所释放 的二氧化碳所引起。这类燃料所提供的能量约占世界能源总量的4 5 ，而且每年 还以3 的幅度在持续增长。因此，二氧化碳的排放量也以同样的速度递增，预 计到2 0 2 0 年会增加到近2 倍 4 2 - 4 4 1 。因此。发展清洁合成燃料、探索以清洁合 成燃料为能源载体的燃气轮机热力循环是近年能源动力系统研究的主要方向。 甲醇、二甲醚等清洁合成燃料被看作是二十一世纪非常有前景的替代能源 4 5 4 s 1 。由于甲醇、二甲醚等清洁合成燃料自身含碳量相对较少和燃烧性能的改 善，使尾气中的c 0 2 和h c 等污染物的排放减少；由于分子中的氧的存在，燃 烧过程中减少了空气的吸入量，也相对减少了氮气的吸入量，可大大减小烟气 中n 仉的排放。 自上世纪八十年代中期，为了减小燃气轮机排气的n 0 。排放，提出了甲醇 化学回热燃气轮机热力循环，并受到世界各国学者的关注。进入二十世纪末， 以煤气化为核心的多联产系统又倍受世界瞩目 4 9 - 5 。它集成了i g c c 动力过程 与煤基合成化工产品的化学过程，在完成发电供热等动力功能的同时，利用煤 气化生产出甲醇、二甲醚等重要漓浩燃料，还可分离出理想的清洁燃料氢气。 以甲醇、二甲醚为能源藏体取代煤在动力系统的直接燃烧，可解决空气污染和 气候变化等问题。下面简单介绍化学回热循环研究的国内外发展动态。 1 化学回热循环研究概况及发展趋势 化学回热循环主要利用燃气轮机透平排气为高温熟源，将甲烷或甲醇重整为 富含氢的燃料用于燃气轮机。该循环与燃气轮机的回热循环不同的是：燃气轮 机排气不再用于加热空气而是用来力热燃料。该循环的主要优点有较低的n o 。 排放【5 o l 。 文献6 1 ，嘲提出甲醇燃料热回收循环。利用发动机排气余热催化裂解甲醇， 甲醇受热蒸发及分解丽使其焓值增加，从而达至h 提高循环效率的目的。文献【6 2 1 采用比较法简明扼要地给出循环热效率关系表达式，并具有普遍意义。 文献呻】比较甲醇裂解、甲醇重整和乙醇重整三种不同方案回收燃气轮机排 第一章绪论 气余热的联合循环，并对它们进行经济分析。研究结果表明，乙醇重整化学回 热循环具有拥对较好的经济性。 文献 6 4 1 比较了甲醇简单循环、甲醇重整循环与甲醇重整一蒸汽回注循环的 热力性能。三种循环中甲醇重整一蒸汽回注循环具有较高的热力性能，循环效 率为5 3 5 ，甲醇重整循环效率为4 1 ，简单循环效率为3 4 。甲醇重整一蒸 汽回注循环效率之所以高是由于燃气轮机高温排气余热产生的蒸汽一部分用于 甲醇重整，一部分蒸汽在汽轮机作功后再回注到燃气轮机燃烧室。 文献 6 5 1 研究了不同甲醇与水蒸汽摩尔比对甲醇重整过程的甲醇转化率的影 响。在相同反应温度和反应压力下，甲醇水蒸汽摩尔比愈大，甲醇易裂解。为 了研究甲醇水蒸汽摩尔比对化学回热循环性能的影响，文献f 6 5 】分别针对重型和 轻型两种燃气轮机的甲醇化学回热循环进行研究，并将其分别与简单循环相比。 研究结果发现当甲醇，水蒸汽摩尔比为4 时，重型和轻型两种燃气轮机的甲醇化 学回热循环循环热效率分别优于简单循环3 6 和4 0 。 文献1 6 6 1 主要从理论上建立了甲醇化学回热循环中甲醇重整器的内部传热模 型，并研究了反应过程的传热、传质对反应速度的影响。此外，还建立了甲醇 重整器模型。本研究对研制甲醇重整器提供一定的指导。 文献f 6 7 l 研究甲烷化学回热循环，并建立了甲烷化学重整模块。高温燃气轮 机排气余热不仅用来甲烷重整而且产生重整的水蒸汽。文献从热力学第一定律， 比较甲烷化学回热循环、注蒸汽循环、余热锅炉型联合循环和燃气轮机简单循 环的热力性能。与注蒸汽循环相比，甲烷化学回热循环n 0 。排放量更低。各循 环效率大小排列依此是：联合循环、甲烷化学回热循环、注蒸汽循环、简单循 环：按比功大小依次是：注蒸汽循环、甲烷化学回热循环、联合循环、简单循 环。 文献【6 8 1 建立甲烷化学回热循环系统优化数学模型，提出底循环优化设计方 法，得出化学回热循环的最佳工作参数。 文献【6 9 1 利用a s p e np l u s 软件对再热的甲烷化学回熟循环进行了第一定律 和第二定律分析。分析表明，化学回热循环效率低于常规的余热锅炉型联合循 燃料化学能与物理能综合梯缓利用的热力循环 环。但通过将化学回热循环的单压余热锅炉底循环改为双压余热锅炉和优化循 环压比后。可改善其热力性能。 文献7 川采用炯分析优化了甲烷化学回热循环的热力性能。指出甲烷化学回 热循环的热力性能并不优于湿空气透平循环。同时文献川对该循环的变工况性 能进行了分析。 文献【7 2 】提出利用二甲醚重整回收燃气轮机高温排气余热的化学回热循环。 文中指出利用高温排气余热来预热和蒸发二甲醚，循环效率相对参考循环仅提 高1 个百分点，当采用二甲醚重整回收排气余热，循环热效率可提高1 3 个百分 点，c 0 2 排放量减少8 。 2 化学回热循环存在的词题 尽管化学回热循环利用燃料回收了燃气轮机的排气余热，增加了燃料的焓 值，提高了循环的热力性能。但是。以往的研究都已表明：化学回热循环热效 率低于常规的余热锅炉型联合循环效率。然而，却未能说明其存在的实质性科 学问题。文献 6 4 】曾指出：应从热力学第二定律，揭示化学回热循环热力性能低 于常规的余热锅炉型联合循环的原因。文献吼删虽然对甲烷的化学回热循环各 个热力过程进行了熘分析，但是其研究目的是为了循环的优化，也未澄清循环 性能低于常规余热锅炉的原因。 文献研究表明，甲醇重整在i b a r 的情况下的平衡反应温度为1 5 0 c 。由 此可见，在化学回热循环中。利用甲醇重整回收5 0 0 c - - 6 0 0 c 的高温燃气轮机透 平排气余热，必然存在品位不匹配现象。因而，应从能的品位的思路出发，寻 求与甲醇重整匹配的热源，对化学回热循环进行系统整合，以提高循环热力性 能。当前，还未发现有关该方面的研究成果。仅在文献【7 邓中提出过“e x e r g y r e g e n e r a t i o n ”概念。所谓“e x e r g yr e g e n e r a t i o n ”就是将低温热与甲醇吸热相 结合，可提高低温热的热炯。但是，文中主要研究如何实现甲烷直接制取甲醇 的化学过程，而未建立如何实现该概念的动力循环，和探讨该概念中存在的核心 科学问题。 对于甲烷化学回热循环，由于甲烷一水蒸汽重整在1 0 b a r - 1 5 b a r 反应压力下， 第一章绪论 完全反应的平衡温度为1 0 0 0 。1 1 0 0 ，故而燃气轮机透平排气余热的高温品位 不能满足甲烷重整需要的热的品位，致使甲烷重整过程中存在较低的甲烷转化 率。也就是说，甲烷不能较为充分的转化为合成气。甲烷燃烧与合成气燃烧对 循环性能产生如何影响的这一点并未引起重视和研究。 可见，无论对于甲醇还是甲烷的化学回热循环，如何在减小燃气轮机排气 n o 。排放的过程中，将能的品位梯级利用和循环中燃料回收燃机排气余热的化 学反应过程有机结合起来，是进一步推动化学回热循环研究的关键所在。 1 2 3 太阳能与化石燃料综合利用燃气轮机总能系统 在跨入二十一世纪之际，人类比以往任何时候更加面临着能源可持续发展和 环境保护的双重大挑战。太阳能以其独具的储量“无限性”、存在的普遍性、开 发利用的清洁性以及逐渐显露的经济性等优势，必将在新世纪得到长足发展， 终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为二十一世纪后期的主导能源7 4 - 7 6 】。 美国的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明f 7 7 1 ，太阳能将 在二十一世纪初进入一个快速发展阶段，并在2 0 5 0 年左右达到3 0 的比例，次 于核能居第二位，二十一世纪末太阳能将取代核能居第一位。壳牌石油公司经 过长期研究得出结论 s s 】，二十一世纪的主要能源是太阳能。文献7 9 1 指出，二十 一世纪是从化石燃料为主的能源系统转向化石燃料、核能、可再生能源等不断 变化的多元化能源结构，最终将建立以太阳能和聚变核能为主的可持续发展绿 色能源系统。 迄今，太阳能的应用最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。其中太 r 。i 阳能热利用中的太阳能热水器和太阳能热发电最具有活跃性和广泛性。然而， 太阳能做为能源具有不稳定和不连续性，随时间、季节变化而变化。因而，太 阳能热发电系统因其高额的初投资和较低的热力性能一直阻碍着它进一步的商 业化进程。 自上世纪9 0 年代以来，为了有效地解决上述问题。欧美等国提出通过提高 太阳能热发电系统的热力性能，以减小太阳能热发电成本。为此，太阳能与化 石能源相结合的复合热发电系统得到了广泛关注。尤其是与天然气相结合的多 燃料化学能与物理能综合梯缀利用的热力循环 能源综合利用的燃气轮机总能系统不仅可以缓解化石能源储量的有限性和利用 的污染性，而且可以通过能量储存来解决太阳能固有的间歇性问题，同时也增 强可再生能源与化石能源的竞争性。自1 9 9 7 年，国际能源组织i e a s 和 s o l a r p a c e s 根据能源可持续发展战略，将太阳能与化石能源相结合的集热式太 阳能复合热发电系统( s o l a r - h y b f i ds y s t e m ) 列为二十一世纪近期和中期太阳能 热利用的发展目标( s o - 8 5 】。 太阳能热发电系统依据太阳能集热方式主要分为槽式、塔式和盘式三种类 型。下面主要对近年来槽式、塔式太阳能一燃气轮机复合热发电系统的发展动 态予以简要的回顾。 1 抛物槽式太阳能一燃气轮机复合热发电系统【8 6 。9 l 】 抛物槽式太阳能一燃气轮机复合发电系统一般采用点聚焦或线聚焦的聚光 装置，并且集热的太阳能温度不高于5 0 0 c ，聚光比在百位数内。槽式太阳能复 合发电系统按其功能分为燃料节省型( f u e ls a v e r ) 和功率增大型( p o w e r b o o s t e r ) t 8 6 8 7 】。 ( i ) 燃料节省型系统 太阳能经过集热系统和熔融盐蓄热系统，预热进入燃气轮机燃烧室前的压缩 空气。因而，由于预热空气温度升高使燃料能耗下降。当采用燃气轮机间冷联 合循环，透平进口温度为1 4 0 0 c 。燃料节省型方案可节省燃料最大约2 7 。 ( 2 ) 功率增大型系统 功率增大型又称为太阳能集成联合循环系统( i n t e g r a t e ds o l a rc o m b i n e d c v e l es y s t c m ) 。载热介质在单个太阳能集热器中被加热产生蒸汽，然后，蒸汽 与燃气轮机联合循环中余热锅炉产生的蒸汽共同进入汽轮机做功，使汽轮机功 率增加，可使汽轮机效率增加1 倍。文献删提出太阳能双压再热联合循环系统。 该系统热效率为4 5 ，太阳能输入热占系统总输入能的份额为1 7 。墨西哥 3 0 m wi s c c s 的发电成本低于l o t k w h ，太阳能热发电效率达到1 5 。功率增 大型系统比单纯太阳能热发电系统可减少投资2 0 - - , 2 5 ，此外，其还可与燃 煤火电站相互结合。 i 颤蓐 第一章绪论 功率增大型系统( i s c c s ) 的应用比燃料节省型广泛。其主要原因在于：扩 容联合循环的汽轮机的投资比建设一个新的太阳能一朗肯循环的汽轮机电站的 投资要小。目前，其发展存在两个局限性：一是由于季节变化等原因，太阳能 日照时间缩短，太阳能联合循环中太阳能占燃料份额减小，则汽轮机要部分负 荷运行，影响联合循环循环效率；另一方面，为了减小太阳能热电站的初投资， 应寻找废弃的燃气蒸汽联合循环电站。 2 塔式太阳能一燃气轮机复合热发电系统 9 2 - 9 s 1 塔式太阳能一燃气轮机复合热发电系统主要是指由德国、西班牙等国提出的 太阳能预热空气和太阳能重整甲烷的复合热发电系统。这两种类型循环与上述 槽式太阳能复合系统不同的是：太阳能经聚光倍数高达1 0 0 0 以上的聚光装置聚 集1 0 0 0 左右的太阳能。同时，收集的太阳能的高温热可以通过燃气轮机布雷 敦循环实现太阳能的热转功。其主要优点不仅可以节省燃料，而且具有较高的 太阳能热发电效率。 ( 1 ) 太阳能预热空气联合循环系统( s o l a r a i rp m h e a t i n g s y s t e m ) 9 2 - 9 4 】 该系统以德国教育部资助的r e f o s 项目最为典型。进入燃气轮机燃烧室的 高压空气在中央接收嚣中被预热到8 0 0 1 0 0 0 。集热后的高温太阳能随高温 燃气在燃气轮机透平做功。太阳能热发电效率可达到6 ，远远高于槽式太 阳能混合热发电系统。2 0 0 1 年欧洲委员会资助的2 5 0 k ws o l g a ：r e 和以色列政 府1 9 9 5 年资助的c o n s o l r 示范项目，太阳能将空气可以预热到1 0 0 0 和1 2 0 0 。太阳能预热空气联合循环系统可广泛地适用i m w - i o o m w 级发电系统。对 于小功率的复合循环系统，可用燃气轮机回热循环代替燃气轮机联合循环。 文献【9 4 详尽分析了3 0 m w 太阳能预热空气联台循环的经济性，并将其与 3 1 0 m w 三压的太阳能i s c c s 系统的热力性能进行了比较t r e f o s 的发电成本 可与i s c c s 相媲美，太阳能热发电成本为0 1 2 7 5 s k w h 。 t ( 2 ) 太阳能重整甲烷联合循环系统( s o l a r f u e l u p g r a d i n g ) 9 2 , 9 5 , 9 6 1 循环主要优点是具有高效的太阳能热发电靛率。甲烷在中央接收器吸收被辐 射的太阳能以进行甲烷重整。太阳能的高温热提供了甲烷重整所需的热。重整 燃料化学能与物理能综合梯缓利用的热力循环 后的合成气c o 和h 2