（流体机械及工程专业论文）环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 基于热力学原理，阱提高动力循环效率和发电功率为目标，把目光转向构建新的循 环，是能源利蠲转换领域的基础研究内容。提出a p g c 循环的能量转化利用规律，开展 a p g c 的联合循环研究，探索a p g c 在工程领域的应用，是本论文的研究目的和内容。 由于传统的辙型和小型燃机体积小，通沆部分尺寸相对窄小，造成燃机元件的效率 不高；而环境压力下吸热燃气轮机循环( a p g c ) 在低于环境压力下工作，因此，流经 透平和压缩枫的体积流量增加，提高了逶流部分尺寸，有助于提高元件的内效率，进而 提离装置的循环效率。a p g c 还可实现低n o x 的排放，满足对环保的要求。本文根据 热力学理论进行了a p g c 理论性能研究，并利用a s p e np 1 1 1 s 软件建立了a p g c 流程分 析模型，研究了a p g c 性能与循环瀑比、压睨的变化规律，提出了a p g c 装置最佳压 比设计方法一加权分析法。 提出了潋常规燃机循环作为项部循环，a p g c 为底部循环的耨型燃气轮机动力联合 循环，并对不同的联合循环形式进行了性能分析和对比。其目的就是根据能量的梯级利 用原则，最终达瓢能量的高效乖j 用。在大型燃机装置中，常规的燃极装置排气接近环境 压力，但热量相对较高，往往采用蒸气一燃气联合循环，以进行余热的动力回收。然而 在小型和微型燃机中，燃机排气热量相对较低，而选择a p g c 进行常压余热的动力嘲收， 将是提高循环发电效率豹有效途径。文中对比分析了联合循环性能随顶部循联压缩枫压 比和底部循环透平膨胀压力的变化规律。所提出的加权分析法可根据联合循环装置的用 途，确定最终的装置设计压比，对新型循环装置的理论设计和实践应用具有一定的指导 意义。 经济的增长和能源的匿乏使得能源的高效利用、新能源的开发等成为目前能源发展 的焦点问题。本文以此为出发点，探讨了a p g c 在沼气发电、钢铁行业的动力回收和与 燃料电池混合发电方面的应用，并进行了系统性能的数值分析研究，为a p g c 的未来应 用提供了有益的尝试。 关键词：a p g e ；常规燃机循环；性裁分析；加权分析法；动力回牧 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c h o fa m b i e n tp r e s s u r eg a s t u r b i n ec y c l e a b s t r a c t b a s e ao nt h et h e r m o d y n a m i ct h e o r y , t od e s i g nt l l en e wc y c l es y s t e mi st h eb a s i cs t u d y f o ri n c r e a s i n gt h eo u t p u ta n de l e c t r i ce f 瑕c i e n c yi ne n e r g yu t i l i z a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nf i d d s 1 1 1 0r e s e a r c ho ft h e e n e r g y u t i l i z a t i o no r d e r l i n e s sa n d e l l g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o f a p g c c o m b i n e dc y c l ew i ma p g ci st h em a i no b j e c t i v ea n dc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o n t h es m a l ls i z eo ft h ec o n v e n t i o n a lm i c r o s m a l lg a st u r b i n er e s u l t si nb l a d ep a t ho fs m a l l d i m e n s i o n sf o rt h ec o n v e n t i o n a lt u r b i n e t h es m a l ld i m e n s i o n sh a v ead e l e t e r i o u se f f e c to n c o m p o n e n te f f i c i e n c y i nt h ea p g co p e r a t i n gu n d e ra m b i e n tp r e s s u r e ，l a r g e rs p e c i f i cv o l u m e r e s u l t si nl a r g ed i m e n s i o no fb l a d ep a t ha n dh i 曲e rc o m p o n e n te f f i c i e n c y , m a dt h eh i g h e r o v e r a l lt h e r l n a le m c i e n c ya l s o t h ea p g cc a l lg u a r a n t e ev e r yl o wn o xe m i s s i o nt om e e tt h e d e m a n do fe n v i r o n m e n t a lp r e s e r v a t i o n i nt h ed i s s e r t a f i o n ，t h et h e o r e t i cp e r f o r m a n c eo f a p g ci sd i s c u s s e d a n dt h ec y c l ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n d u c t e db a s e do n 血e a p g ca n a l y t i cm o d e l se s t a b l i s h e d 婀髓s o f t w a r ea s p e np l u s 捞pe x p e r tf a c t o ra n a l y t i c m e t h o di sp r e s e n t e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u mp r e s s u r er a t i oo f t h ea p g c t h en e wp r o p o s e dc o m b i n e dp o w e rc y c l ei sc o n s t r u c t e dw i t ht h ea p g ca s 也eb o t t o m c y c l ea n dc o n v e n t i o n a lg a st u r b i n ea st h et o p p i n go n e 1 1 l ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o nf o rv a r i o u sc o m b i n e dc y c l ef i l ei n v e s t i n g a t e di n0 r d e rt oa c h i e v et h ee n e r g y u t i l i z a t i o ne f f i c i e n t l yb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc a s c a d eu t i l i z a t i o no fe n e r g y i nl a r g eg a s t u r b i n ep l a n tw i t hal a r g ea m o u n to fe x h a u s th e a t ，t h es t e a ma n dg a st u r b i n ec o m b i n e dp o w e r c y c l ei sn o r m a l l yu s e dt or e c o v e rt h eg a st u r b i n ee x h a u s tt op r o d u c ep o w e r h o w e v e r ，i n m i c r o s m a l lg a st u r b i n es y s t e mw i t has m a l la m o u n to fe x h a n s th e a tt h ea p g cw i l lb e e f f e c t i v ei n r e c o v e r i n gt h ew a s t eh e a tt op r o d u c ep o w e r t h ed i s s e r t a t i o nr e v e a l st h e p e r f o r m a n c eo fc o m b i n e dc y c l ea sr e s u l to fv a r y i n gt o p p i n gc y c l ep r e s s u r er a t i oa n db o t t o m c y c l ee x p a n s i o np r e s s u r e t h ee x p e r tf a c t o ra n a l y t i cm e t h o d ，w h i c hi ss i g n i f i c a n ti nt h e o r e t i c d e s i g na n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f n e wp r o p o s e dc y c l e ，i sa l s op r e s e n t e dt op r o v i d et h ed e s i g n p r e s s u r er a t i oo f t h ec o m b i n e dc y c l ea c c o r d i n gt ot h eu s a g eo f s y s t e m h i 业l ye f f e c t i v ee n e r g yu t i l i z a t i o na n dn e we n e r g yp r o d u c t i o nb e c o m et h ef o c u so f e n e r g yd e v e l o p m e n tw i t hi n c r e a s i n gi ne c o n o m ya n dl a c k i n gf o re n e r g ys o u r c e si nt h ew o r l d 确ep r a c t i c a le x a m p l e sw i t ha p g ca r ei n v e s t i g a t e di nt h ef i e l d so fb i o g a sp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m p o w e rr e c o v e r ys y s t e mo fi r o na n ds t e e lw o r k sa n dm eh y b r i ds y s t e mw i t h s o f ct os h o wap r o m i s i n gd i r e c t i o nf o ra p g ca p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a p g c ；c o n v e n t i o n a lg a st l l r b m ec y c l e ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；e x p e r t h c m r a n a l y t i cm e t h o d ；p o w e rr e c o v e r y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学傈赣并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件弱电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，氆可采用影印、缩印或扫搐等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：塞煎 毒哆 导师签名：茭i 整 盟年上月三日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 能源动力系统研究的导向主要取决于世界能源发展与结构变化的趋势和能源科学 本身研究的发展。其研究可分为3 代：第一代的研究以热力学第一定律为基础，般通 过提高循环热力参数与部件内效率来求得较高的热效率；第二代的特点是基于第二定律， 注重能的品位差别与梯级利用以及不同循环有机结合，提出总能系统；第三代的研究突 出可持续发展概念，注重总能系统与高效洁净利用、优化经济效果结合和能源与环境综 合渗透。 常规的化石能源动力系统存在四大弊病：燃烧过程燃料品位的重大损失，高温段热 能转换利用的断层，低温段大量中低温热能排放损失以及对生态环境严重污染。为此， 人们不断提出能量转换利用新概念、工程热物理过程新机理、热力循环新构思以及能源 动力发展新模式，在传统能源科学基础上不断开拓新的研究热点。它们通常是提高能源 资源利用率和改善生态环境的关键与突破1 ：3 ，旨在建立革命性的能源动力系统。新一代 能源动力系统是一个更加复杂的系统，其研究对象为物理层次的复杂性科学，除了更深 入研究共性问题( 系统模拟与综合优化，系统集成、功能及特性，系统多目标评价准则以 及系统的调控与筹划等) 外，目前基于不同的发展目标，主要研究方向有：热力循环 创新与能量转换利用新机理；多功能的能源动力系统；多能源的综合利用系统； 无公害的能源动力系统：中低温能源转换利用系统等【l j 。 热力循环是动力系统发展的理论基础。百多年来，各种热力循环的改进原则上都是 遵循一方面不断提高循环的最高温度与最低温度之比和提高部件性能；另一方面使实际 循环尽量接近理想的卡诺循环的方向进行。 目前，人们己对几乎所有的简单循环进行过详尽分析，对这些简单循环的特性已有 了全面的掌握。现在人们开始把目光转向如何构建新的循环，并尽量提高其热力学性能 上来。 在能源与动力领域，通过热力循环实现机械能的输出，围绕热力循环的研究是能源 利用转换领域的永久课题，能源高效、洁净开发利用需要相应热力循环的开拓性基础研 究。 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 1 2 环境压力吸热燃气轮机发展概况 1 2 1 燃气轮机循环技术 从2 0 世纪三、四十年代开始，燃气轮机技术经过近半个多世纪的发展，到目前为 止，高性能燃气轮机已是各种先进动力系统的核心技术，更是2 1 世纪动力系统的关键 设备。燃气轮机是一项多种技术集成的高技术，传统上沿着不断提高透平初温以及相应 增大压气机压比和完善有关部件性能的方向发展。燃气轮机性能的提高要依托集成技术 的发展，主要有赖于航空技术的移植，实现有关技术上的突破，例如：高温合金材料、高 温部件冷却技术、气动热力设计以及高效低污染燃烧技术等，每一项技术上的突破都会 带来燃气轮机性能的提高，而技术的发展有赖于新材料、新工艺以及新概念的开发研究 2 3 1 。 由于常规的燃气轮机布雷顿循环( b r a y t o n c y c l e ，简称b c 循环) 排气温度较高，为 了降低燃料的消耗和减少污染物的排放，目前采用了发电效率最高的燃气一蒸汽轮机联 合循环装置，以燃气轮机的b r a y t o n 循环作为顶层循环，蒸汽轮机装置作底层循环，其 发电效率可以高达5 5 。但是这种循环设备复杂，广泛应用在大型和中型发电装置上。 燃气轮机分布式发电装置简便，机动灵活，不仅可提供不同档次的电源，不用担心 统一电网故障、远距离输送带来的损失，而且还是很好的应急发电设备；通过燃气余热 利用，还可进一步提高燃料的综合利用率，其综合效益不低于甚至高于统一电网用电 4 】。 因此，分布式发电是今后电力工业发展的重要方向之一。微型燃气轮机( m g t ) 的出现， 为避免统一电网的缺陷，适应当今产业深刻变革的需要，为办公分散化，生产规模小型 化提供安全可靠的动力和能源，其社会效益是深远的，有人称它为2 1 世纪的动力幻想， 市场前景是广阔的，在未来1 0 年会有迅速的发展呤j 。 微型燃气轮机是一类新型发动机，其功率约在3 0 3 0 0 k w 之间，通常采用回热循环， 主要由离心压气机、向心透平、燃烧室、回热器等组成，如图1 1 所示。当前微型燃机 结构上主要采用单级离心压缩机、低排放环型燃烧器、单级向心燃气轮机、高效紧凑式 ( 矩形或环形) 回热器、空气轴承以及高速交流发电机。装置维修成本低，振动小，污 染物排放低，结构紧凑。高效紧凑式回热器利用燃气轮机的高温排气来预热燃烧室所需 要的空气，减少燃料消耗，增加了燃气轮机的效率，透平初温低，功率虽少，循环效率 仍可达3 0 以上。 如对于5 0 k w 微型燃机发电装置，压缩机单机压比为4 左右，燃机涡轮进口温度在 8 8 0 9 0 0 度之间，采用回热循环，且回热度在8 5 9 0 之间时，热效率估计3 0 。考虑 到燃料压缩机和发电机等的动力消耗，微型燃机的整个装置发电效率约为2 7 。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 微型燃气轮机循环装置 f i g 1 1m i c r og a st u r b i n ep l a n tw i t hr e c u p e r a t o r 虽然微型燃气轮机单纯发电效率不算很高，但若能实现温度对口，梯级利用，能的 量与质合理匹配，实现冷、热、电共生的循环系统，能量利用率甚至超过大型机组；例 如，微型燃机与燃料电池构成复合发电系统，将使发电效率达到6 0 ，并可实现氮氧化 物的零排放。这是目前世界上最先进的高效洁净发电方式之一。 1 2 2 环境压力下吸热燃气轮机循环 环境压力下吸热燃气轮机循环a p g c ( a m b i e n tp r e s s u r eg a st u r b i n ec y c l e ) 的组成 与常规的布雷顿循环一样，但常规布雷顿循环是先压缩后膨胀，高压下吸热，而a p g c 则是先膨胀后压缩，直接在环境压力下吸热，所以，又将其称为逆布雷顿循环 i b c ( i n v e r t e db r a y t o nc ：y c l 曲，如图1 2 。 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 一磁黼戮幽 一 换热嚣 图1 2 逆布雷顿循环示意图 f i g 1 2 c o n c e p t u a l o v e r v i e w o f i n v e r t e d b r a y t o n c y c l e 逆布雷顿循环最早是w i l s o n 在1 9 8 4 年提出的，由于循环的热效率很低而没有引起 人们的注意。相反，在过去的几十年里，人们更多地把精力投入到布雷顿循环的研究中， 旨在提高透平机械和燃烧室的性能以提高装置的循环效率。 在a p g c 循环中，由于组成元件在环境压力及低于环境压力下工作，流经各元件的 工质容积流量比常规的b c 要大许多，这在小型和微型燃气轮机上有着明显的优势：提 高了元件的效率和系统的循环效率【6 】。 传统的i m w 燃机由于体积小，通流部分尺寸相对窄小，造成燃机元件的效率不高。 在常规的回热循环中，压缩机和透平的最高绝热效率分别为7 8 和8 7 。然而，在a p g c 循环中，1 0 1 2 倍的常规循环容积流量将使燃机尺寸增大3 倍，相应的压缩机和透平的 绝热效率将分别提高到8 9 和9 4 ，从而也提高了循环效率。另外，环境压力下工作 的燃机气缸、压缩机的承压明显降低，不会发生外爆，降低了运行的危险性【7 】。 随着能源需求的增长以及分布式发电的需求，一些小型和微型燃机将广泛应用于医 院、商店以及军事装备等领域，这些发电装置的应用同样要受到污染物排放的限制，尤 其是n o 。排放限制，为此，g v e r m e s 等人研究表明，采用环境压力燃烧室以及烟气回流的 方法可以极大地降低n 0 。排放量。由于a p g c 装置中燃烧室工作压力为环境压力，使用多层 环形旋流喷嘴( m u l t i a n n u l a rs w i r lb r u n e r ) 以及燃气的再回流进入燃烧室的低温激 4 大连理工大学硕士学位论文 冷区，将使传统高压下的燃烧室n t h 含量减少1 3 ，有效抑制反应生成的n o x 含量，使n 0 x 排放由原来的1 5 2 5 p p m 有可能减少到一位数字( 9 p p m ) ，减少了污染物的排放【7 】。而 在常规b c 循环中，排气回流入燃烧室是不可能实现的。因此，a p g c 具有低污染排放的 优点，可以满足当今对能源利用的环保要求。 在燃气轮机装置中，排放到环境中的燃气还具有相当的热量。为了提高循环装置的 热效率，降低燃料的消耗，限制污染物的排放量，这部分热量必须要加以利用，或组成 热电联供装置、或用于能量的动力回收。 在现代工业燃气轮机装置中，由于燃气的排放热量较大，往往采用热电联供系统来 回收这部分热量，组成燃气一蒸汽联合循环。尽管蒸汽和燃气循环自身或其组成的联合 循环是目前最有效的联合方式，即以燃气布雷顿循环作为顶部循环，蒸汽朗肯循环作为 底部循环，其效率可达5 5 以上。但只有在大中型电站中得到了广泛应用。对于分布式 微型燃机发电装置，由于出力较小，设备复杂，底部不适合采用蒸汽循环。因而，作为 底部循环的替代，人们开始将目光投向a p g c 循环，以实现更高效率的热电联供 8 】。在图 1 3 所示的联合循环中，常规的b r a y t o n 循环作为顶部循环，而i b c 作为底部循环。在顶 部循环中，燃气轮机用于驱动压缩机，形成燃气发生器，整个装置的电力输出在底部循 环。如此整合，还非常便于改装航空喷气发动机成为民用发电装置。 随着电力需求的增长和对污染排放的限制，能量的高效利用越来越受到人们的重视， 许多余压、余热回收装置应运而生。然而，在低压余热利用中，常常因为压力接近环境 压力，无法直接在透平膨胀中进行动力回收，因而，无法利用传统的燃机装置进行动力 回收，但a p g c 则提供了一种新途径。在a p g c 循环中，高温和环境压力下的燃气在低 压燃气轮机中膨胀至低于环境压力，并经等压冷却，最后在压缩机中再次压缩到环境压 力并排放，参见图1 3 。 文献明分析了3 6 m wa l s t o nt y p h o o n 燃机有、无a p g c 整合的装置热力性能。结果表 明：由于a p g c 的整合使得联合装置的发电功率增加了1 4 ，达到4 1 唧；而发电效率提高 了5 ，达到3 3 2 4 0 。在两者的燃料利用系数不变时，联产的节能系数要比分产的节 能系数高出3 ，这对于小功率热电联供的发展檀具吸引力。 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 图1 3 系统布置图 f i g 1 3s y s t e ml a y o u t 在世界范围内遏制全球变暖、节约能源已成为刻不容缓。目前，在使用液化天然气 的国家已经认识到液化天然气在气化过程中低温火用利用的重要性。文献 1 0 】提出了一个 由膨胀、定压冷却和一系列内部冷却的压缩过程所组成的a p g c 循环，如图1 4 。整个装 置在热效率和比功输出上都优于目前的常规气化装置。 x l髓 图1 4 带有一级内冷却的a p g c 循环 f i g 1 4m c w i t hs i n g l ei n t e r c 0 0 l ” 尽管对a p g c 循环已有不少研究成果，但目前还没有制造出应用a p g c 的商用燃气发 动机【l o 】。 6 大连理工大学硕士学位论文 值得一提的是，对a p g c 循环的研究，无论在理论上还是实用上，国内当前开展很不 够，公开发表的成果甚少，这和我国燃气轮机发展水平特别是民用微型燃气轮机水平不 高有关。当前在民用燃气轮机装置应用上尚属引进、以市场求技术阶段。从领域上来看， 燃机在能源开发、发电以及旧电站改造等诸多方面研究较多，而在节能领域的应用，如 结合余热动力回收，大多将研究集中在利用余热加热给水，产生蒸汽带动蒸汽轮机发电， 而结合燃气轮机的余热动力发电的尚少。综上所述，很有必要对燃机，特别是微型燃气 轮机开展深入研究，以期赶、超世界先进水平。本论文选择a p g c 循环这一目前国内研究 尚少的课题进行研究，也是作为论文作者与中科院大连化物所联合研究“燃料电池与微 型燃机复合”课题的基础之一，无论在学术上还是工程应用上都将很有意义。 1 2 3 燃料电池( f c ) 联合循环 由于对电力需求的持续增长，世界上每年都有相当的发电量投入安装使用，而且在 未来的2 0 年里，世界对电力的需求将成倍增加。然而，传统发电站所在地通常不是电 力需求的地方，电力传输系统必不可少。由于电力输出系统耗资巨大，所以并没有得到 同步发展，尤其在发展中国家和偏远地区，电力系统还处于相当落后的地步。因此，分 散发电技术受到了世界各国广泛的重视。燃料电池正是这种逐渐将传统的中心供电体系 改变为分散供电体系的新型发电技术，直接在用户所在地根据用电量的需要安装发电【4 】。 f c 是当今高效洁净和很有应用前景的发电设备，它自问世以来，便得到人们的高度 重视，争相注重资进行研究开发，目前研究进展较快的f c 是直接甲醇燃料电池( d c f c ) 、 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 。而固体氧化物燃料电池具 有多燃料适应性、结构简单、能量转化率高等特点，且电池产生的废热可以作为热源供 给联合发电系统的其他部分使用，实现了热电联产，从而更有效地提高了整个发电系 统的效率，因此s o f c 在区域供电方面前景可观【l ”。 固体氧化物燃料电池以氧离子导电的氧化物为电解质隔膜，在高温下通过电化学反 应将化学能直接转化为电能的发电装置。它的最好燃料是氢，也适用含碳燃料，如煤气、 天然气、液化石油气等。固体氧化物燃料电池的发电效率可达5 0 。效率提高后，在同 样发电功率的情况下使c o ：的排放量减少。另外，燃料在氧化中是靠电化学反应完成的， 空气中的氮气未参加反应，因而排放中氮的氧化物含量很少。 因此，固体氧化物燃料电池与微型燃机的复合不但可解决小燃机装置低效率和燃烧 室的二氧化碳排放物污染环境的关键问题，又可解决固体氧化物燃料电池高成本( 约 1 0 0 0 1 5 0 0 美元k w ) 的问题。 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 当前国外已开发出不同类型的f c ，功率范围很广，小到1 k w 以下，大到i o m w 以上。 低温燃料电池中磷酸燃料电池( p a f c ) 较为成熟，工作温度只有1 6 0 2 2 0 ，不宜与m g t 复合，而熔镉碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和固体氧化物燃料电池( s o f c ) 工作温度高，它 们分别为6 0 0 7 0 0 和9 0 0 1 0 0 0 ，都可以与m g t 复合，其中尤以s o f c 最宜与m g t 复合。 且联合循环系统的发电效率可达6 0 - 7 0 ，是二十一世纪最先进的高效、清洁的能源技术， 可应用于分布式电站、多联产工厂、大型发电厂等。 固体氧化物燃料电池与燃气轮机构成联合循环发电己成为发达国家重点研究的新 能源技术方向。西门子一西屋公司为南加利福尼亚爱迪生公司建造了世界第一个联合循 环发电系统2 2 0 k w 加压s o f c m g t 联合循环发电系统( p h 2 0 0 ) ，并于2 0 0 0 年6 月于 加利福尼亚i r v i n e 大学的国家燃料电池研究中心安装调试，发电效率为5 3 。虽然系统 的发电效率没有达到预期目标，但其运转试验已经展示了固体氧化物燃料电池与燃气轮 机结合的优越性，该公司目前正在研制3 0 0 k w 联合循环发电系统【1 2 】。 1 3 研究内容和目的 基于热力学原理，以提高动力循环效率和发电功率为目标，探索a p g c 循环的能量转 化利用规律。在传统燃气轮机布雷顿循环的基础上，与a p g c 循环组成多种联合动力装置， 开展联合循环的性能研究。将a p g c 循环应用于燃料电池和其它余热动力回收装置中，进 一步提高装置的有效功的输出和提高装置的效率，进行实际装置的应用研究。为此，本 论文从以下几个方面入手： ( 1 ) 环境压力下吸热燃气轮机循环a p g c 性能分析 针对a p g c 循环过程的特点，从理论上分析影响循环比功、效率的因素：并利用大型 化工软件a s p e np l u s ，给定循环参数，研究a p g c 循环性能，并与布雷顿循环性能进行对 比分析；针对循环排气不同的利用方式，探讨其对提高效率和减少污染物排放的影响。 ( 2 ) a p c c 联合循环的性能研究 以布雷顿循环和a p g c 组成的联合循环为基础，基于能的品位梯级利用原理，通过系 统取长补短、优势互补的有机结合，提出新型的高效、洁净燃气轮机发电联合循环系统。 ( 3 ) a p g c 循环的应用研究 针对a p g c 循环所提供的余热、余压的动力回收特点，可将a p g c 循环应用于国民经济 的不同领域。本论文仅在沼气利用、钢铁行业的余热和余压动力回收以及基于常压下燃 料电池与a p g c 进行应用研究，提出了切实可行的循环设计方案。 大连理工大学硕士学位论文 2 流程模拟分析软件a s p e np l u s 2 1 概述 流程模拟就是将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，并在计算 机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果如操作条件等。这一方法是计算机技术在 化工方面的最重要的应用之一。用计算机做化工过程模拟始于5 0 年代，到现在它已成 为一种普遍采用的常规手段而广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产过程的控制、 优化及技术改造等方面。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，化工过程模拟 技术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工过程模拟中，其主要代表就是a s p e n p l u s 软1 牛【13 1 。 a s p e np l u s 是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学 院( m i t ) 组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进 系统”( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s se n g i n e e r i n g ，简称a s p e n ) ，并于1 9 8 1 年底 完成。1 9 8 2 年为了将其商品化，成立了a s p e n t e c h 公司，并称之为a s p e np l u s 。该软 件经过近2 0 年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十个版本，成为举世公认的标 准大型流程模拟软件。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公 司都是a s p e np l u s 的用户。以a s p e np l u s 严格机理模型为基础，还逐步发展起来了针 对不同用途、不同层次的a s p e nt 程套件( a s p e ne n g i n e e r i n gs u i t e ，简称a e s ) 产品系 列。a s p e np l u s 是工程套件的核心，可广泛地应用于新工艺开发、装置设计优化，以及 疑难系统的分析与改造。此稳态模拟工具具有丰富的物性数据库，可以处理非理想、极 性高的复杂物系；并独具联立方程法和序贯模块法相结合的解算方法，以及一系列拓展 的单元模型库。此外还具有灵敏度分析、自动排序、多种收敛方法，以及报告等功能3 。 a s p e np l u s 具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅速而准确地收 敛。这些方法包括直接迭代法( w e g s t e i n ) 、正割法( s e c a n t ) 、拟牛顿法、b r o y d e n 法等。 这些方法均经a s p e n t e c h 进行了修正。例如，修正后s e c a n t 法可以处理非单调的设计 规定。a s p e np l u s 可以同时收敛多股撕裂( t e a r ) 物流、多个设计规定，甚至收敛有设 计规定的撕裂物流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要 i 4 1 。 a s p e np l u s 具有优化功能，一可寻求工厂操作条件的最优值，以达到任何目标函数的 最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可以将任意工程或技术经济变量作为 目标函数，可将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。 9 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 集成序贯模块法和联立方程法的求解引擎，不仅提高了计算结果的精确度，而且还 可以更加快速地模拟流程，大大节省了模型的运行时间，这对处理大型、复杂或带内部 循环的流程尤其重要。 物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。a s p e np l u s 具有最适用于工 业、且最完备的物性系统；完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型( 共1 0 5 种) ； 数据库包括5 0 0 0 多种纯组分的物性数据及唯一获准与d e c h e m a 数据库接口的软件，该 数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据；高度 灵活的数据回归系统( d r s ) 可使用实验数据求取物性参数，可以回归实际应用中任何 类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型；性质常数估算系统( p c e s ) 能 够通过输入分子结构和易测性质( 例如沸点) 来估算短缺的物性参数： r e d li c h k w o n g u n i f a c 状态方程可用于非极性、极性和缔合组分体系。 可进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算；预测物质的流率、组成和性质：预测 操作条件、设备尺寸；帮助改进当前工艺。 a s p e np l u s 可以模拟固体系统、电解质系统，具有完整的单元操作模型库，可以模 拟各种操作过程，如由单个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。所有模型都可以 处理固体和电解质。单元操作模型库约由5 0 种单元操作模型构成，用户还可将自身的 专用单元操作模型以用户模型( u s e rm o d e l ) 加入到a s p e np l u s 系统之中，这为用户 提供了极大的方便性和灵活性。 a s p e np l u s 已广泛应用在化学、石油工业、炼油、汽油加工、合成燃料、发电、造 纸工业、食品、医药及生物技术等领域，通过对单元和全过程进行模拟分析，完成对现 有装置的优化操作和进行新、改造装置的设计和优化。 2 2a s p e np l u s 在燃气轮机装置中的应用分析 由于多组分燃料的物性参数计算是整个软件计算准确与否的关键，a s p e np l u s 软件 提供有5 0 0 0 多种纯组分数据，可方便地输入任何燃料成分，实现准确的物性参数和过 程参数计算，运算速度快；利用a s p e np l u s 所提供的单元模块，只须提供最基本的输 入参数，即可快速完成所要求的计算。如对于压缩机模块，只须输入入口参数、压比和 内效率，可方便、快速地获得压缩功；利用软件中的设计规定( d e s i g ns p e c i f i c a t i o n ) ， 通过选择与计算相应的变量，可实现对任何模块计算参数所规定的目标值，如通过选择 燃料流量作为变量，规定透平入口温度为定值，通过迭代计算，很容易计算出达到目标 值所需要的燃料流量；a s p e np l u s 还具有模型分析工具，可通过灵敏度分析，在内部嵌 ，套f o r t r a n 语句和子程序进行二次开发，完成所需要的个性分析。工况研究则通过给定 1 0 大连理工大学硕士学位论文 同一流程不同的工况条件，实现一次模拟计算获得多工况的计算结果，便于流程的分析 和工况的比较。 a s p e np l u s 软件通过人机对话界面，实现了数据的输入、输出功能，与自编燃机循 环计算软件相比，使用更方便、更直观，计算速度更快，计算结果更准确。 在此，以c a p s t o n e 3 0 微型燃机参数为例，运用a s p e np l u s 软件进行循环分析。利 用a s p e np l u s 软件中提供的压缩机b l 、换热器b ：、反应器吼、透平膨胀机b 3 单元操作 模块绘制微型燃机装置流程图，输入标准燃料c j 。组分参数，选择p r b m 的物性方法， 设计规定回热度0 9 和透平膨胀机进口温度8 4 3 ，采用灵敏度分析方法，嵌套f o r t r a n 自编计算程序，最终得出装置的净功率3 0 k w 和发电效率2 7 9 ，具体流程和过程参数如 图2 1 所示。图2 2 为c 3 0 净功率效率随环境温度变化曲线【1 5 】，当环境温度为2 7 时， 微型燃机的净功率为3 0 k w ，发电效率2 7 4 。而c 3 0 全负荷参数提供的发电功率3 0 ( + o 一2 ) k w ，发电效率2 6 ( - - + 2 ) 。从两者的对比可以看出，计算结果完全一致。因 此，可以判断出：软件中所采用的模块类型、物性方法等是合理的，结果是可信的，选 用的a s p e np l u s 软件对燃气轮机装置进行计算分析是行之有效的。 图2 ic a p s t o n e3 0 微型燃气轮机装置 f i g 2 1c a p s t o n e3 0m i c n g t u r b i n e 堑丝垦垄! 墼垫丝皇笙垫堡至塑茎型婴壅 图2 2c 3 0 净功率效率随环境温度变化曲线 f i g 2 2c 3 0n e tp o w e ra n de f f i c i e n c ya ta m b i e n tt e m p e r a t u r e 1 2 大连理工大学硕士学位论文 3 环境压力下吸热燃气轮机循环( a p g c ) 热力学理论和性能数值计算 分析 3 1a p g c 系统描述 图3 1 为回热式a p g c 燃气轮机的组成示意图，图3 2 为该循环在t s 温熵图上的 表示。c 代表压缩机，t 代表膨胀机，b 为燃烧室，h 。为回热器，h 2 为冷却器。空气首先 经过回热器，被膨胀机出口的燃气加热后进入燃烧室，与燃油混合燃烧至透平膨胀机入 口所需的温度，然后高温燃气进入膨胀机作功，一方面带动压缩机，另一方面带动负载 例如发电机发电。由于回热器出口的燃气温度仍比较高，所以要经过冷却器进一步冷却， 燃气才能进入压缩机，否则将使压缩机耗功增加，降低循环经济性。燃气经压缩机增压 至稍高于环境压力后排放。 循环的组成和性质与常规的b c 一样，都是由吸热、放热、压缩和膨胀热力过程组 成，热力过程的性质和功热转换的规律相同，对b c 循环分析得出的结论原则上对a p g c 也是适用的。但从流程和热力过程的次序来看，两者又截然不同，两者的工作压力环境 不同，常规b c 的工作压力在环境压力之上，而a p g c 的工作压力则在环境压力之下，因 此相对b c 来说，a p g c 本身具有许多特点。 一 纠j p a 图3 1a p g c 燃气轮机组成示意图 f i g 3 1a p g cg a st u r b i n el a y o u t l 图3 2a p g c 在t - s 图上的表示 f i g 3 2t e m p e r a m r e ( t ) - e n t r o p y ( s ) d i a g r a m f o r a p g c 3 1 1 压缩过程 a p g c 中压缩工质和膨胀的工质都是燃气，而不像开式b c 那样，压缩的是空气，膨 胀的是燃气。分析压缩过程时，燃气和空气热力性质的差异会对排气温度、耗功有明显 环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究 影响。例如空气的绝热指数在一定温度范围内为1 4 ，而一般燃气透平的燃气绝热指数 为1 3 3 3 ，因此在相同压比、进气温度和效率的情况下，空气的压缩终点温度会比燃气 压缩终点的温度高，但由于空气的定压比热比燃气的要小，计算耗功时，两者虽有差异， 但由于比热大小和压缩终点、起点的温差的大小正好相反，空气和燃气在前述相同条件 下的压缩耗功不会像压缩终点、起点的温差那么大。 3 1 2 中间冷却过程 在a p g c 中，透平膨胀出口的气体在回热循环中经过回热冷却后，温度还比较高， 仍需进一步冷却，在不回热循环中，直接进入冷却器进行冷却，这一整个冷却过程是必 需的，不可缺少，因为如果不冷却而直接进入压缩机压缩，显然，理想情况下循环比功 为0 ，实际情况下循环功定为负值。从循环的热力过程来说，a p g c 中热力过程同样是 和压缩、膨胀、吸热、放热等组成过程一样成为循环的组成过程，但和b c 却有着显著 不同点。b c 系统的出口在低压即环境压力下，燃气经回热器冷却放热和之后向环境放热 同属一个放热过程，而a p g c