温度对口、梯级利用燃气轮机总能系统及其能的梯级利用原理

温度对口、梯级利用燃气轮机总能系统及其能的梯级利用原理

2007年，著名的工程热学家吴忠华先生成立90周年之际（1917-1992）。20世纪50年代初他发表的“轴流、经流和混流式亚声速与超声速叶轮机械中三元流动的普遍理论”论文,被国际上誉为吴氏通用理论。吴先生是位杰出的科学家,更是位爱国者。他对我国能源动力事业倾注了大量心血,做出了重大贡献,他的真知灼见影响深远。他创建的三元流动理论是燃气轮机设计的理论基础,更主要的是他对燃气轮机在国防和能源利用中具有的重要作用作了重要论述,吴先生回国伊始就在清华大学创建我国第一个燃气轮机专业和教研组,为我国培养了大批燃气轮机的专业人才。他还多次参加我国燃气轮机发展规划制定与决策,描绘我国研发工业燃气轮机的蓝图,提出发展策略和具体建议。1980年他在中央书记处举办科学技术讲座的讲课中,提出能源利用必须“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”,从而把燃气轮机应用提高到“能的梯级利用的总能系统”高度来认识。在纪念吴仲华先生诞辰90周年之际,特发表他生前三位助手与学生撰写的文章,以从一个侧面来缅怀这位伟大科学家的科学精神和爱国情怀。1980年吴仲华先生在中共中央书记处举办的科学技术知识讲座报告《中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径》中,提出各种不同品质的能源要合理分配、对口供应,做到各得其所,提倡按照“温度对口、梯级利用”原则,大力发展各种联合循环与热电并供、余能利用等总能系统。1988年他主编《能的梯级利用与燃气轮机总能系统》一书,对能的梯级利用与总能系统做了全面阐述。温度对口、梯级利用的热力系统,通常被称为狭义总能系统(下面简称为总能系统)。目前还没有世界公认的定义,比较普遍的一种说法是:“按照能量品位高低进行梯级利用,从总体上安排好功、热(冷)与物料内能等各种能量之间的匹配关系与转换使用,在系统高度上综合利用好各种能源,以取得更好的总效果,而不仅是着眼于单一生产设备或工艺的能源利用率或其他性能指标的提高”。为了深入进行相关的系统研究,他组建了联合循环课题组(本文三位作者先后担任组长),20多年来,承担与完成了数十项国家级重要科研项目,全面拓展和阐明了热能梯级利用理论,逐步形成热能梯级利用原理的热力系统基础理论体系,研究提出与分析了多种新型热力循环。从20世纪80年代初吴先生倡导总能系统概念,至今已有20多个年头。在这期间,世界能源动力系统开拓发展正是按照这个思路展开,而我国许多科学和技术发展规划中能源领域的具体内容与发展思路,都可看到这个科学用能思想的影响。现在,能的梯级利用原则已成为能源动力系统集成开拓的关键核心科学问题,他倡导的总能系统已成为能源科学发展的主流思想,对能源科学技术和能源学科、乃至国民经济发展都产生了巨大而深远的影响。本文特为纪念杰出科学家吴仲华先生诞辰90周年而写。主要介绍他对“温度对口,梯级利用”与总能系统的论述并概述在其基础上拓展的一些研究成果,包括联合循环的梯级利用原理、热(或和冷)功联产的梯级利用原理、以及中低温热能的梯级利用原理等。还通过许多典型实例研究,剖析系统集成的能量(侧重热能)梯级利用机制和特性规律。现在,吴先生虽然与世长辞,但我们永远也不会忘记他将毕生精力无私地奉献给祖国和人类的能源动力事业的功绩,吴先生的事业心和爱国心将永远激励着继续从事能源动力事业的广大科技人员。1燃轮机总能系统总能系统是通过系统集成把各种热力过程有机地整合在一起,来同时满足各种热工功能需求的能量系统,系统集成理论对总能系统的设计优化、新系统开拓以及应用发展等都是至关重要的,而其本质特征在于不同热力循环和用能(供能)系统的有机整合与集成。基于“温度对口、梯级利用”原理集成的热力系统为热工领域的总能系统。但要特别指出的是,总能系统不是多个循环或系统的简单叠加,而是基于能的梯级利用原理集成的一体化系统。以燃气轮机为核心而集成的燃气轮机总能系统比其他热机的总能系统更具发展潜力,这是源于燃气轮机的固有特性:①它是高温加热并伴随着高温排热的热机,虽然在简单循环时效率比较低,但组成总能系统时能很好实现物理能梯级利用,既能充分发挥燃气轮机高温加热优势,又避免较高温排热损失大的缺陷,显示出很好的总体性能。②它是高速旋转的动力机械,且气体工质朝着一个方向连续流动,既易于单机大型化,又可以做到微型化。③其热力循环的四个热力过程是分在各自单独的部件或子系统中完成,这便于按不同需要和能的综合梯级原理进行系统集成。④其热力性能与热力参数密切相关,特别是随着透平初温提高而大大改善,它比大多数热机都有更大的提高性能(含环保)空间。现在,燃轮机总能系统已显示了更大的竞争力和更好的总体性能,已得到电力、石化、冶金等部门的广泛应用,其主要形式有:联合循环发电装置,功热并供系统,余能利用系统,先热利用系统以及能源综合体等。吴仲华先生从能量转化的基本定律出发,阐述了能的梯级利用与品位概念,提出“温度对口、梯级利用”原理(图1)。从这个基本原理出发,他提出把燃气轮机和其他用能系统关联起来,综合考虑能源的综合梯级利用,组成总能系统。因此,热能的梯级利用就成为能源动力系统集成开拓的核心科学问题。不同的总能系统体现“热能梯级利用”的集成原理和方法有很大的差别,即要针对指定的具体功能和条件,从不同思路采用多种措施和组合。例如:(1)“联合循环的梯级利用”。对于联合循环系统来说,一般高品位(高温)的热能首先在高温热力循环(如燃气轮机)中做功,而中、低品位(中、低温)的排热和系统中其它余热与废热回收后再在中、低温热力循环(如汽轮机)中实现热功转换,然后利用系统流程和参数的综合优化,使各循环实现合理的匹配,减小系统不可逆损失,从而获得总能系统性能最优。(2)“热(或和冷)功联产的梯级利用”。对于热功或冷热电联产系统集成时,则侧重于按照热能品位的高低对口进行梯级利用,从系统层面安排好功、热或冷与工质内能等各种能量之间的配合关系与转换使用,以便在实现多种热功能目标时达到最合理用能。(3)“高效利用系统中低温热能的梯级利用”。对注蒸汽燃气轮机循环(STIG)和湿空气透平循环(HAT)等系统,系统集成的侧重点在于通过热能梯级利用来高效利用系统中各种中低温余热与废热。热能转换利用时不仅有数量的问题,还有能的品位的问题。热能的品位是指单位能量所具有可用能的比例,它常常被认为热能温度所对应的卡诺循环效率。本研究集体全面拓展了“温度对口、热能梯级利用”原理,包括:基于热源品位概念的“联合循环的梯级利用原理”;基于热机(热功转换)和供热利用优化整合的“热(或和冷)功联产的梯级利用原理”;基于高效梯级利用各种余热与废热的“中低温热能的梯级利用原理”等。不仅为热力循环系统集成开拓提供了理论依据,而且还揭示了各种类型典型能源动力系统中能量转换利用过程或系统的热能梯级利用机理,为相关的系统设计优化,包括不同循环与不同用能系统的整合等,指明有效途径与方法。用以实现热功转换功能的热力循环是热机发展的理论基础,其相关的核心科学问题就是热能的梯级利用,它从能的“质与量”相结合的思路进行系统集成,其本质是如何实现系统内动力、中温、低温余热等不同品位能量的耦合与转换利用。热力循环是利用受热后工质温度到环境温度之间的温区范围内热能,所以系统集成的好坏取决于这部分热能利用的充分性和有效性。对于各种热能转换利用系统,系统集成的关键在于热能梯级利用。从典型的系统能量转换与利用平衡方程(如对图2所示的情况),不难推得相关的通用基本方程。纯产功的系统出功与燃气侧出功之比为:WccWgt=ηccηgt=Wgt+WstWgt=f(B3,B4,A3,A4,Ai)WccWgt=ηccηgt=Wgt+WstWgt=f(B3,B4,A3,A4,Ai)(1)Wgt=ηgtQf=B3A3Qgt=f(B3,A3,ε)(1a)Wst=ηstQst=B4A4Qst=f(B4,A4,Ai)(1b)式中:Wgt—燃气循环功率;Wst—蒸汽循环功率;Qf—输入系统的燃料能量;Qgt—输入燃气轮机循环的能量;Qst—输入蒸汽循环的能量;B3—燃气侧循环技术系数(即考虑有关部件技术实时水平等对系统性能的影响);A3=1-T0/T3=1-1/τ,即燃气侧循环热源的能量品位;B4—蒸汽侧循环技术系数;A4=1-T0/T4=f(τ,ε),蒸汽侧循环热源的能量品位;Ai—加入蒸汽循环的其它蒸汽热源品位。对功热并供系统则有:Wcc+QRWgt=η1ηgt=f(B3,B4,A3,A4,Ai‚AR)Wcc+QRWgt=η1ηgt=f(B3,B4,A3,A4,Ai‚AR)(2)式中:QR—系统有效热输出;AR—功热并供系统有效热能输出的热能品位;η1—系统热力学第一定律效率(即系统的能源利用率)。从以上两式可以看出,当简单循环燃气轮机集成为联合循环或功热并供等总能系统时,Wcc/Wgt和(Wcc+QR)/Wgt或(ηcc/ηgt)和(η1/ηgt)等表达了不同热力循环的结合和不同用能系统一体化整合时的总能系统性能提升情况,即系统热能梯级利用完善度。它们与各热力循环技术系数(B3,B4)有关,即与各循环部件集成优化及其技术水平有关;而更重要的是与系统中各种能量转换利用时的热能品位(A3,A4,Ai,AR等)密切相关。2在中、低温工况下实现热功转换、输出有效功在相当长时期内许多热机多采用简单循环,且多采用一种工质,由于所采用的工质性质和金属材料耐温性等限制,只能局限于狭窄的温度区间内工作,热转功的效率比较低。若将具有不同工作温度区间的热机循环,按“温度对口、梯级利用”原则,联合起来、互为补充,就可以大大提高整体循环效率。例如,目前获得广泛采用和最高实用热机效率的燃气蒸汽联合循环发电系统,借助燃气轮机在高温区段实现高效热功转换,又利用汽轮机在中、低温区段实现热功转换、输出有效功,因而比较充分实现热能梯级利用,热效率就比较高。这样,它按梯级利用的原则把高加热温度(如1300℃以上)与高排气温度(一般在450～600℃)的布雷顿循环(燃气轮机)和低初温(550℃左右)与低排汽温度(接近环境温度)的朗肯循环(汽轮机)串联起来,获得比燃气轮机和汽轮机简单循环时高得多的循环效率(50%～60%)。这主要得益于系统集成。联合循环中系统整合原则是:按照热能品位的高低进行梯级利用,安排好不同循环的热能对口利用及其各种能量之间的配合关系与转换使用,在系统的层面上综合利用好各级能量,从而获得更好的联合循环系统性能。另外,联合循环系统可以在常规联合循环基础上后置更低温热力循环或逆向制冷循环,即所谓的正逆向耦合循环动力系统。它是通过吸收式制冷逆向循环,利用各种废热或余热,把正向循环(Brayton)进口工质温度或循环放热平均温度降低,来提高循环性能。而利用LNG冷火用的动力系统也是出于类似的思路,液化天然气处于约-160℃的超低温状态,可用来降低Brayton循环进口工质的温度与压缩耗功,也可用来降低Rankine循环工质排温与排压,从而提高循环效率。下面对几种常规的联合循环系统集成时热能的梯级利用情况进行分析。2.1u3000相对性能燃气轮机依据热能的梯级利用原理集成为余热锅炉型联合循环后(如图3所示),使系统的性能大幅度提高。其所有燃料都从燃气轮机顶循环输入,燃料燃烧释放热能,在尽可能高的循环初温条件下,先由燃气轮机循环实现高温、高效的热功转换功能,然后回收燃气排热产生过热蒸汽,再由汽轮机循环在尽可能低的循环放热条件下实现中低温的热功转换功能。当燃气轮机排气充分利用时,底部循环的出功应为最大。底循环效率主要取决于三个因素,首先是顶部和底部循环的平均传热温差,这取决于传热技术、传热元件及投资的综合考虑;其次是余热锅炉排烟温度,理论上排烟温度越低越好,但需考虑燃料含硫量对尾部换热器腐蚀的影响,不能太低;最后是底循环工质性质、循环流程与参数的优化。余热锅炉型联合循环效率ηcc为:ηcc=(Wgt+XGWst)/fHu=ηgt(1+1/Rgs)(3)Rgs=Wgt/(XG·Wst)(3a)其中:Wgt和Wst—顶部和底部循环比功率;ηgt—燃机效率;Rgs—顶部与底循环功率比;XG—底部循环质量流量与顶循环的比值;f—输入顶循环的燃料量;Hu—燃料热值。由于余热锅炉型联合循环是以燃气轮机为主的系统,燃气轮机功率占系统总出力的大部分,其性能参数对联合循环系统的性能也起决定性影响。而蒸汽部分只不过把燃气轮机未能充分利用的气体能量再补充利用。所以在概略分析这种系统时,可以以燃气轮机的性能为基础来求整个系统的功率和效率与纯燃气轮机部分的增大比值(这种系统没有补燃时,效率与功率的增大比值是一样的)。为了能清楚而简单地得出基于梯级利用的联合循环性能相对于燃气轮机循环性能参数提升值,可以将燃气轮机部分与汽轮机部分都设想为理想循环(见图4);即气态工质是理想气体,燃气侧与蒸汽侧的压缩与膨胀过程1-2,3-4,8-9,6-7都是等熵过程,而它们的加热与冷却过程2-3,4-5,9-6,7-8则都是等压过程,都没有压力损失与流量变化(ε=π,Gg=Ga);所有的传热过程都是无热阻的,忽略水泵的压缩功,同时蒸汽冷却过程7-8的两端正好都在饱和线上,亦即T1=T5=T7=T8,T4=T6。由此可推导得联合循环性能相对于燃气轮机性能参数的关系式:ηccηgt=WccWgt=B{√√π-1[(τ√√π-1)/4]+1}/(√√π-1)=f(B‚π‚τ)=f(B3,B4,A3,A4)(4)式中:τ—燃气轮机温比;ε=π—压气机压比。如前所述,这个公式是根据理想情况得出的。各个功率与效率均比实际值大,所以不会完全反映实际情况。但它是一个比值,只要分子分母的理想值都差不多比实际大一样多,则所得相对值还是有一定准确度的。为此在式(4)右侧有一个约等于1的修正系数B。实际上,τ反映循环热源的热能品位(A3=1-1/τ),也是该热能转换为功的能力。π则表达了两热力循环联合时热能梯级利用的优化程度。而B,B3,B4则代表了系统的集成部件技术水平,它与部件的集成匹配和性能等密切相关。余热锅炉型联合循环通过串联方式使热能得到了梯级利用,从而提升了系统的做功能力或有效输出。由前面基本公式还可得到余热锅炉型联合循环相对性能增益(当QR=0,Qst=0,Qgt=Qf时):ΔWWgt=B4m[1B3+m-1-(A3+1-mB3A3)](5)式中:m=1-A31-A4=Τ4Τ3=(Ρ4Ρ3)k-1k;ΔW=Wcc-Wgt。由于m<1,从式(5)可以看出,提高燃气侧循环热源品位A3(主要是提高循环初温)和技术系数B3(如提高透平、压气机等部件效率),联合循环性能相对增益将提高;而改进蒸汽侧循环流程与部件性能可使B4值增大,从而也使联合循环系统性能相对增益提高。也可以说,当提高循环初温和优化排热温度以及改善系统集成和技术水平时,将提高循环的热功转换能力(B3,B4,A3,A4),从而增大联合循环系统性能增益。另外,通过上面的分析还可以看出,余热锅炉型联合循环通过降低循环系统排热温度,增加了蒸汽侧可用热能,扩大了工质的循环温区,从而提高了系统效率,更好地实现了热能的梯级利用。图5示出了燃气轮机性能参数与其集成的联合循环性能的关联规律,它是采用典型实例数据,按式(4)计算结果整理得出的。随着t3(τ)的提高,联合循环中高温区段(燃气轮机循环工作区域)热功转换能力提高,而且通常燃气透平排气温度会升高,蒸汽循环主蒸汽参数可选得高些,也可使蒸汽循环的热功转换能力提高,因而联合循环的热效率ηcc就会随着循环温比τ的提高而升高(如图5所示)。并在不同的t3(τ)下都存在一个εηopt,这与燃气轮机简单循环情况相似,但在数值上要低许多。所以,压比ε和温比τ是影响燃气轮机性能的主要参数,它们也是影响联合循环性能的主要参数,而且也反映系统集成时热能梯级利用程度和优化匹配情况。最佳压比εηopt是综合考虑燃气侧和蒸汽侧循环热能梯级利用情况下得出的,通常它会偏离简单循环时的最佳值。值得注意,相对于其它类型的联合循环,由于燃气轮机功率份额较大,故其压比ε和温比τ对ηcc的影响程度也就更大。2.2u3000平台型排气全燃型联合循环是一个利用燃气轮机排气作为锅炉热风、以蒸汽循环为主串联集成的热力循环,其中大部分燃料从锅炉加入产生中等品位过热蒸汽驱动汽轮机。它充分回收顶循环的中低温排气余热,以节省送风机高品位电功和锅炉空气加热能耗,即通过蒸汽循环和燃气循环的联合途径以实现部分输入燃料的能量梯级利用。若蒸汽循环的输入能量为1个单位,则排气全燃型联合循环蒸汽侧与燃气侧的输出功各为ηst和Rgsηst,总输入能量为1+Rgsηst,不难推导基于蒸汽循环的联合循环的相对性能表达式:ηcc/ηst=(1+Rgs)/(1+Rgsηst)(6)Rgs=1/{[ηstHus(1-βg)/(LsαsLg)]+ηst(1/ηgt-1)}(6a)式中:Rgs=Wgt/Wst—燃气轮机与汽轮机功率比(功比);由公式(6)可知,对一定的汽轮机,只要确定功比Rgs,其排气全燃型联合循环的效率收益就基本确定了。为能更实际、简便地应用上式,下面将给出Rgs的简明示式。排气全燃型联合循环的功比主要取决于锅炉中供氧量的平衡。其中Ls/Hus一般变化不大,ηgt,βg与Lg取决于燃气轮机燃料品种及其热力方案与参数。所以,当知道蒸汽侧的燃料和效率与选定燃气轮机,原则上就可以通过公式(6a)估定功比Rgs,并进一步由(6)式预估该排气全燃型联合循环的效率增益。与燃料全部在燃气侧燃烧的联合循环相比,排气全燃型联合循环燃烧后加入循环热能的平均品位(A3)较小,因而这种系统增益也较小。从式(6)和式(1)等还可以得出其系统收益增量为:Δηηst=ηcc-ηstηst=ηccηst-1=Rgs(1-ηst)1+Rgsηst(7)ΔWWst=Rgs(7a)排气全燃型联合循环是在朗肯循环基础上,顶置串联布雷顿循环,以便部分改变前者对高品位热能不作为的状况,使其更好体现热能梯级利用原则。从上面公式分析表明,增大Rgs,即输入系统中燃气侧循环的能量份额比例加大,也就是增大输入循环热能的平均品位A3,即增大了热能梯级利用份额,使得联合循环总体上能量梯级利用状况得以改善,从而使系统的功率增益和效率增益都得以提高。但是,实际应用时,排气全燃型联合循环的Rgs常常比较小,即加入燃气循环能量比例小,能的梯级利用原则没有充分体现,可视为改进了的汽轮机循环,循环性能改善相对小些,效率增值也只有2～5个百分点(Δη=ηcc-ηst=2%～5%)。2.3开放系统环效率和节能方法给水加热型联合循环是一种利用燃气轮机排热加热锅炉给水、并以蒸汽循环为主串联集成的热力循环,其中大部分燃料从锅炉加入产生中等品位过热蒸汽驱动汽轮机。系统集成的主要环节是把燃气轮机的排气用于加热蒸汽循环给水,即利用排热以节约原来蒸汽循环中抽汽加热的抽汽,该类联合循环也只是基于部分输入能量梯级利用的总能系统。由于锅炉给水所需的加热量有限,使输入燃气轮机的燃料比输入锅炉的燃料量小得多。故从系统集成的角度看,加入燃气循环能量份额更小,能的梯级利用原则体现得更不充分,循环性能改善更小。给水加热型联合循环多用于现有汽轮机电站的技术更新改造,假设汽轮机效率基本不变,从基本定义出发,可得出改造后的联合循环效率表达式:ηcc=Ρst+∑GsiΔhi+ΡgtΗus+Ηug=(1+xcs)Rsg+11/ηgt+Rsg/ηst(8)式中:ηgt、Pgt、Hug—分别为燃气侧循环效率、功率和燃料热值;ηst、Pst、Hus—分别为蒸汽侧循环效率、功率和燃料热值;Rsg—汽轮机功率与燃气轮机功率比,Rsg=Pst/Pgt;xcs=(∑GsiΔhi)/Pst—因减少抽汽而使汽轮机功率增加的比率。对式(8)进行求导,可推得联合循环效率随蒸燃功比Rsg和汽轮机功率增加比率xcs的变化率表达式:∂ηcc∂Rsg=(1+xcs)/ηgt-1/ηst(1/ηgt+Rsg/ηst)(8a)∂ηcc∂xcs=Rsg(1/ηgt+Rsg/ηst)(8b)limRsg→0ηcc=ηgt;limRsg→∞ηcc=ηst;(8c)由式(8a)可见,当(1+xcs)>ηgt/ηst时(这是较普通的情况),∂ηcc∂Rsg＞0‚ηcc在ηgt～(1+xcs)ηst间变化。若单纯从数学上看,Rsg→∞时,Δηmax=xcsηst。但工程上是不能实现的,因为首先必需满足一定的限定热平衡条件。它要求燃气与蒸汽两侧的匹配有所限制,因而燃气轮机的功率只能在一个不大的范围内变化,这样就决定了Rsg值的变化也是有限的。要使改造后燃气轮机排气余热得到充分利用时,联合循环效率增益才会增大。相反,若(1+xcs)<ηgt/ηst,则∂ηcc∂Rsg＜0‚ηcc在(1+xcs)ηst～ηgt间变化,这种情况下改造后效率一定会提高,且纯数学上可能的最小值Δηmin=xcsηst。当Rsg→0时,数学上ηcc取得最大值ηgt,实际上这相当于用高效率大功率的燃气轮机来代替汽轮机。由式(8b)推断出,xcs越大,表明燃气轮机余热利用效果越好,对联合循环效率越有利。从以上分析可见,除了系统集成的两个部件性能ηgt和ηst外,影响给水加热型联合循环系统性能的主要因素是反映系统集成完善的两个变量Rsg和xcs,前者表示输入系统燃料释放的热能梯级利用的程度,后者反映系统对口利用中低温余热或废热的有效性。3u3000计算公式从热能梯级利用角度看,不同用能系统主要是指热工领域联产系统,即是指具有两种以上热工功能(发电、供热、以及制冷等)的热力系统,主要有功热并供和冷热电联产两种类型。功热并供联产是指热机或联合循环输出机械功(电)同时,还生产工艺用热和生活用热(如图6所示)。多数热用户所需温度并不高,往往可以用输出功的热机余热来满足。这样,高温段产功,低温段供热,合乎工程热力学梯级利用能的原则。因为相对于生产等量的功(电)和热而言,热电分产时:一方面,产热系统用于生产热的燃料燃烧后产生的燃烧产物的高温区段可用能没有被充分利用,而直接去产生较低温度的蒸汽或热水,可用能损失很大;另一方面,发电系统工质发电后的可利用余热没有合理利用而损失掉。而冷热电多联产也是运用能量梯级利用原则,把制冷、供热及发电过程有机结合在一起的能源利用系统。本节以燃气轮机功热并供系统为例,分析不同用能系统整合时热能梯级利用情况。热电联供系统(CHP)是一种基于热能梯级利用概念将供热与发电过程有机结合在一起的总能系统。从热力学基本方程可以导出燃气轮机功热并供的关系式。蒸汽流量与燃气流量之比:XG=CΡ(Τ4-ΤΡ-ΔΤΡ)hs-hp(9)式中:CP—燃气侧平均比热;hs—供热蒸汽比焓;hp—饱和水比焓;ΔTP—余热锅炉最小节点温差;T4—燃气透平出口温度。经济火用系数:θ′=1Ζ(1+BR)⋅τηt(1-1/φd)-(φ-1)/ηcτ-1-(φ-1)/ηc⋅ηb(10)式中:φ=π(k-1)/k;τ=T3/T1;d=Φ(k-1)/k;Φ—总压恢复系数;Z—燃料与功价格比。系统功热比:RΡR=τηt(1-1/φd)-(φ-1)/ηc[τ(1-(1-1/φd)⋅ηt)-ΤΡ+ΔΤΡΤ1]⋅hs-hlhs-hp(11)由式(10)‚∂θ′∂φ=0,可获得最佳压比φopt,再代入式(11),可得RPR,opt值。大量的热电联产系统实例的研究结果表明:①从热电联供系统能量转换的特点及基本规律看,联供系统集成的关键在于热能的梯级利用,如若更好实现中低温热能的合理利用,性能更佳。②联供系统的性能主要取决于动力系统设计与集成。与传统单一功能的简单循环系统相比,联产系统是一种复杂的多变量能量供应系统,它的热力学性能不仅与各子系统的具体形式和性能参数有关,更为重要的是还取决于系统构成流程形式以及各子系统间的热力参数匹配情况,系统集成时体现能的梯级利用原理的充分性与系统性能特性密切相关。③各种形式功热并供有其相适应的功热比范围。余热锅炉式燃气轮机功热并供的理想最佳功热比在0.4～1.1之间,最佳功热比值附近总的效益特性变化不大,这时能更好地体现热能梯级利用原则,以便能获得更好的系统性能。图7中的曲线表示燃气轮机的热效率及其功热并供系统的热效率随温比τ和压比ε的变化。可以看出,随着温比的提高,功热并供系统能的总利用率比燃气轮机热效率增加得更多。对于同一温比,随着压比的提高,燃气轮机热效率先增大,达到极大值后则降低;而功热并供系统能的总利用率却随压比的提高而单调下降。但是这绝不意味着燃气轮机的压比越低,功热并供系统能的利用就越充分。值得特别注意的是,功热并供系统与单一的热力学系统有很大的不同,它存在多种形式的能量输出,因此如何选择性能分析与评估标准就十分关键。有时就同时用总能源利用率与功热比来评价功热并供装置。这两个准则数值都大的装置性能较好。但是,同时用两个准则是不够理想的,如两台装置的这两个准则各有高低时,就不易判断其优劣。还有很多人以单一的火用效率作为评价准则而考虑了功与热的品位差别。但为便于与日常使用的热效率相联系,另外定义一个当量火用效率ηex=(P+EQ)/GfHu。它与普通火用效率的主要区别在于分母沿用热效率公式中采用的所消耗燃料的低位发热量。另外,还采用了一个以经济考虑为主的准则:在已知同样单位下热与功(电)的售价比值XR后,认为经济火用效率ηEC=(P+XRQ)/GfHu是判断系统效果的一个准则,即认为总的售能收入越高越好。上述两个准则其实有类似之处:都用某种方法评价功与热品位的差异。根据相关假设和计算条件可导得热电联产系统的当量火用效率:ηex={[ηcηtτ(1-es-ewhs-hp)+1+ηces-ewhs-hp(τ-TP+ΔTPT1)-ηcηtτ(1-es-ewhs-hp)/(φd)-φ]/[ηc(τ-1)+1-φ]}ηb(12)式中:ηc、ηt、ηb—分别表示压气机、透平的内效率与燃烧室的燃烧效率;τ—燃气轮机温比;es、ew—分别表示供热蒸汽和给水的比火用;hs、hp、hw—分别表示供热蒸汽、饱和水和给水的比焓;TP—饱和水的温度;ΔTP—余热锅炉节点温差;T1—大气温度;φ—ε(k-1)/k;d—Φ(k-1)/k,其中Φ表示燃气侧总的压力保持系数;cp—燃气定压比热容;T4—燃气透平出口温度。图8为温比、压比对当量火用效率和经济火用效率的影响。图中下方的实线是当量火用效率ηex值,也相当于热电售价比XR=0.343时的经济火用效率ηEC值。图中还把各个温比下的最佳压比点连起来。图中虚线为简单循环燃气轮机效率曲线,点划线为同样参数但XR值小一半时的ηEC曲线。图的上方示出功热比RPQ曲线,线上圆点表示ηex值或XR=0.343时ηEC值最高的点,点划线表示比最高值下降2%时的边界点,即两点划线之间为性能较佳的功热比区域;相应的叉号及双点划线表示XR=0.343/2时ηEC值的对应位置。从该图可以看出,温比越高,性能也越好,最佳压比值也越大。这是因为降低压比有利于利用余热,而压比太小则产生有价值的高品位能—功太少,也不合算;另外,由于供热是以可能出功的火用值来评价的,所以整个循环的最佳压比值就会与余热锅炉型联合循环的相近,即接近于简单循环燃气轮机比功最大的压比。相对当量火用效率,用经济火用效率表达系统性能显得更加实际,它反映了系统的售能收入情况。由图8还可见,在常用参数范围内,简单循环燃气轮机功热并供的功热比值与温比值关系不大,主要取决于压比值。实际上设计功热并供装置时,首先要满足在规定供热参数下生产中所需要的功热比,在什么参数条件下可以与所需的功热比匹配是个很重要的问题。由于在最佳压比附近时,当量火用效率或经济火用效率曲线随压比的变化是比较缓慢的,稍为偏离最佳压比对系统性能的影响不大。例如图8上认为ηex或ηEC值不比同样温比下的最佳值低2%为可用范围。4中低温热源利用技术根据热力学原理:任何热力循环中热转功的最大值都受制于理想的卡诺循环效率,工质的温度越低,高效热转功就越困难。与高温热源情况相比,中低温热源热功转换效率很低,系统集成就困难得多。为此,需要开拓各种有效利用中低温热能的热力循环和技术,而其关键点仍然是热能梯级利用问题。STIG和HAT循环都是高效转换利用系统中的中低温热能的热力循环,下面以这两个典型循环为例,分析系统中低温热能的梯级利用情况。4.1注蒸汽broa数据共享STIG循环(图9)采用注蒸汽技术来有效回收燃气轮机中低温排热,以增加透平工质流量和相对减少工质压缩耗功,是热力循环中体现热能梯级利用的系统集成思路,以实现高效利用各种中低温余热的重要途径。它不同于Rankine循环,是回收工质的排热产生蒸汽,并通过和高温燃气混合以升温。它有别于一般的Brayton循环,有两种工质,流过透平和压气机的气体量不同。它和余热锅炉型联合循环差异也大,是把两种工质混合,在同一透平中膨胀做功。STIG循环的性能可以表示为:比功:WSTIG=(1+f-ξ)(hg3-hg4)+Xsa(hs3-hs4)-(ha2-ha1)=fw(τ,ε,ΔTp,Xsa)(13)效率:ηSTIG=WSTIG/[(1+f-ξ)hg3-(1-ξ)ha2-fhf1+Xsa(hs3-hs8′)]=fη(τ,ε,ΔTp,Xsa)(13a)式中:Xsa=Gs/Ga—蒸汽空气质量混合比;f—燃空气比;h—焓;ξ—漏气系数;ΔTP—节点温差;8′—余热锅炉出口处。采用与前面类似的方法,并且作了嗨类似的循环理想化假定,可以得到注蒸汽循环相对于燃气轮机性能参数的相对性能关系式:ηSΤΙGηgt=B+√√π-1B+√√π⋅√√π√√π-1+0.19(14)上式适用于接近最佳情况下的注蒸汽燃气轮机循环,式中变量B的定义为:B(τ‚π)=τ(1-1/√√π)0.7(τ/√√π-1)+3(14a)还可推导出针对STIG循环系统性能相对增益表达式:从以上公式可见,借助注蒸汽技术来高效回收利用燃气轮机中低温排热的STIG循环性能主要取决于循环温比τ和压比π。在一定条件下,τ实际上表示循环热源品位(A3)的高低,而π值表征循环设计变量匹配优化情况。分析研究表明,STIG循环性能将随热源品位A3(相应的τ值)提高而提高,在一定τ值条件下,存在一个对应的πopt值。而STIG循环相对于没有注蒸汽时原型简单循环燃气轮机的系统性能相对增益(Δη/ηgt)也主要取决于τ和π,但更重要的是取决于系统集成时热能梯级利用完善度和优化,即与τ和π优化匹配密切相关。循环系统模拟分析结果表明(图10):跟常规的Brayton循环一样,注蒸汽Brayton循环也仅当把主要热力参数控制在一定匹配关系时,才能获得最佳性能。当选定τ时,相应于每一个Xsa(图中X)都有一个最大效率的压比εηopt和一个最大比功的压比εwopt(它们常受余热锅炉节点温差ΔTP等制约);在τ和ΔTP确定时,存在一个效率最佳混合比Xηopt。Xsa增大时,工质总的压缩耗功相对下降,潜热比例则相对增大,所以,在热力参数优化时,要全面权衡。实际上,蒸汽空气质量混合比Xsa反映循环利用中低温余热或废热的充分程度,而循环温比和压比则极大地影响其利用的有效性。4.2hat循环性能HAT循环(图11)是一种采用湿化技术的Brayton回热循环,系统集成时采用许多有效手段来利用系统中各种中低温余热与废热用于工质湿化和加热湿空气,从而节约输入循环的燃料、提高循环效率。HAT循环的系统性能可以表示为:比功:式中:CP—定压比热;Xsa=Gs/Ga—蒸汽/空气混合比;γ—比热比系数。HAT循环相对于常规的燃气轮机的系统性能相对增益:Δηηgt=ηΗAΤ-ηgtηgt=fη(τ‚π‚Xsa‚Τ4a)(17)分析表明,借助湿化技术来高效回收燃气轮机中低温排热和间冷器等余热的HAT循环性能