張澤龍
(東部戰(zhàn)區(qū)海軍訓練基地電工教研室,上海201900)
余熱利用式燃氣輪機循環(huán)是以空氣為工質(zhì),通過換熱器回收余熱并輸出功的動力裝置[1],它最初是為了回收燃氣輪機的高溫排氣余熱提出的[2,3]。Korobitsyn[4]提出將燃氣輪機循環(huán)作為玻璃熔爐的熱回收裝置進行發(fā)電,其發(fā)電效率為26%.Vittorio和Valerio[5]提出了以太陽能為熱源的燃氣輪機循環(huán),該循環(huán)通過太陽能集熱器收集太陽能為燃氣輪機循環(huán)提供熱量,并對循環(huán)性能進行了分析。付建勤等[6]提出了回收內(nèi)燃機廢氣余熱的燃氣輪機循環(huán),對該循環(huán)的余熱回收性能進行了分析。
在實際的鋼鐵生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的余能余熱,這些余能余熱的回收利用已成為鋼廠挖掘節(jié)能潛力、提高節(jié)能水平的重要手段[7-9]。尤其是鋼鐵生產(chǎn)過程能產(chǎn)生大量的高溫熔渣(主要是高爐渣和鋼渣,1 400~1 600℃)等,屬于高品位熱能,回收高爐渣的余熱對鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排意義很大[10]。以往,對熔渣余熱沒有很好的利用方法,熔渣干式?;╗11]的提出為高溫熔渣余熱提供了一種新的途徑,熔渣在旋轉(zhuǎn)盤中由于離心力的作用下分離,產(chǎn)生的熔滴在鼓風空氣的作用下快速冷卻固化,同時可回收600℃左右的熱空氣。
為了進一步提高鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排能力,本文對以熔渣余熱所產(chǎn)生的熱空氣為熱源的燃氣輪機循環(huán)性能進行研究,基于經(jīng)典熱力學理論和方法[12],分析余熱回收溫度對循環(huán)功率和熱回收效率的影響,并以循環(huán)功率最大為優(yōu)化目標,對空氣質(zhì)量流率和循環(huán)壓比進行優(yōu)化。
余熱利用式燃氣輪機裝置如圖1所示?;厥珍搹S生產(chǎn)過程中熔渣余熱所產(chǎn)生的高溫空氣作為高溫熱源,進入燃氣輪機的換熱器高溫側;在燃氣輪機循環(huán)中,空氣進入壓氣機壓縮,再進入換熱器低溫側吸熱,然后進入渦輪機做功,最后排入大氣,整個裝置實現(xiàn)了熔渣余熱的回收利用。
圖1 余熱利用式燃氣輪機裝置
圖2為該燃氣輪機循環(huán)T-s圖,1-2為空氣在壓氣機中的壓縮過程,2-3為空氣在換熱器低溫側中的吸熱過程,3-4為空氣在渦輪機中的膨脹過程,4-0為空氣排放過程,TH1-TH2為回收的熱空氣在換熱器高溫側中的放熱過程。
空氣在壓氣機中壓縮,其等熵溫比為:
式中,β1=P2/P1為壓氣機壓比,γa為空氣比熱比。循環(huán)壓比為β=β1.
圖2 余熱利用式燃氣輪機循環(huán)T-s圖
根據(jù)壓氣機的等熵效率的定義ηc=(T2s-T1)/(T2-T1),空氣在壓氣機中的不可逆絕熱壓縮的溫比為:
壓氣機消耗的功率為:
式中,cpa為空氣定壓比熱,m˙a為空氣質(zhì)量流率。
壓縮空氣進入換熱器吸熱,由換熱器理論可得:
式中,Cwf= m˙acpa為工質(zhì)熱容率,CH= m˙Hcpa為高溫熱源熱容率,m˙H為高溫熱空氣質(zhì)量流率,CHmin= min(Cwf,CH),EH為換熱器有效度:
式中,CHmax= max(Cwf,CH),NH= UH/CHmax為傳熱單元數(shù),CH為工質(zhì)與高溫熱源間的熱導率。
工質(zhì)流出換熱器,進入渦輪機做功,在渦輪機中膨脹過程的等熵溫比為:
式中,β2為渦輪機膨脹比,β2= β1= β.
根據(jù)渦輪機的內(nèi)效率的定義ηt=(T3-T4)/(T3-T4s),空氣在渦輪機中的不可逆絕熱膨脹的溫比為:
渦輪機的輸出功率為:
空氣布雷頓循環(huán)的凈功率為:
空氣布雷頓循環(huán)的熱效率為:
定義空氣布雷頓循環(huán)的熱回收效率為:
本節(jié)通過數(shù)值計算分析余熱回收溫度對循環(huán)功率、熱回收效率和循環(huán)熱效率的影響,并以循環(huán)功率最大為優(yōu)化目標,優(yōu)化循環(huán)壓比和工質(zhì)質(zhì)量流率。計算中,空氣布雷頓循環(huán)裝置相關參數(shù)取值為:換熱器熱導率為UH=3 kW/K,壓氣機內(nèi)效率為ηc=0.92,渦輪機內(nèi)效率為ηt=0.95,環(huán)境壓力為P0=0.101 MPa,環(huán)境溫度為T0=293 K;回收熱空氣溫度TH1為867 K,質(zhì)量流率為0.7 kg/s.無特殊說明,計算時以上參數(shù)取值不變。
對于余熱利用式燃氣輪機循環(huán),余熱溫度TH1對循環(huán)性能影響很大。本節(jié)分析余熱回收溫度對循環(huán)性能的影響。圖3和圖4給出了當循環(huán)壓比為β=5時,TH1對W˙、η 和 η1與m˙a關系的影響。由圖可知,隨著TH1的增加,W˙、η和η1都能得到提高。提高干式?;酂峄厥昭b置的性能,使TH1提高,能提高空氣布雷頓循環(huán)的性能。
圖 3 TH1對W˙與m˙a關系的影響
圖 4 TH1對η 和η1與m˙a關系的影響
在余熱量給定的情況下,空氣布雷頓循環(huán)作為余熱回收裝置,其性能體現(xiàn)在輸出功率的大小,因此本溫對循環(huán)功率W˙進行優(yōu)化。
圖5給出了W˙與β和m˙a的三維關系。由圖可知,存在一組最佳的循環(huán)壓比和循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流率使循環(huán)功率達到最大值,β和m˙可以作為設計變量進行優(yōu)化。
圖 5 W˙與m˙a和β 的關系
圖 6 給出了當m˙a=0.7 kg/s時,W˙、η1和 η 與 β 的關系。由圖可知,隨著β的增大,W˙、η和η1先增大后減小,存在最佳 βopt使W˙和 η1達到最大值W˙max和 η1max.
圖 6 W˙、η 和η1與β的關系
圖 7 給出了W˙max、η1max及相應 η 和 βopt與m˙a關系。由圖可知,βopt和 η 隨著m˙a的增加而減小;W˙max和 η1max隨著m˙a的增加先增大后減小,存在最佳m˙aopt使W˙max和η1max達到雙重最大值W˙max,2和,η1max,2,此時最佳壓比記為βopt,2.通過選取合理的循環(huán)的質(zhì)量流率,能使循環(huán)性能達到最優(yōu)。循環(huán)的優(yōu)化結果如表1所示。
圖 7 W˙max、η、η1ma x和βopt與m˙a的關系
表1 空氣布雷頓循環(huán)經(jīng)典熱力學優(yōu)化結果(TH1=867K)
回收鋼廠生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的余熱資源,是實現(xiàn)鋼廠進一步節(jié)能減排的關鍵。為了探索余熱回收式燃氣輪機在鋼廠節(jié)能方面的應用潛力,本文應用經(jīng)典熱力學理論和方法,對該燃氣輪機裝置的功率、熱效率和熱回收效率進行了分析和優(yōu)化,主要結論有:(1)循環(huán)功率、熱回收效率和循環(huán)熱效率隨著余熱回收溫度的增大而增大,故提高熔渣干式?;酂峄厥昭b置的性能有利于提高循環(huán)性能;(2)以循環(huán)功率最大為優(yōu)化目標時,通過調(diào)整循環(huán)壓比和循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流率,能使循環(huán)最大功率達到雙重最大值,此時熱回收效率也是最大的,故通過合理選取循環(huán)壓比和工質(zhì)質(zhì)量流率能提高循環(huán)性能,該循環(huán)的最大功率為59.83 kW,最大熱回收效率為14.82%.