壓縮比對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)熱效率和比功的影響及經(jīng)濟(jì)性分析

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組而言，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有供電效率高、運(yùn)行可靠性高、投資費(fèi)用低、建設(shè)周期短、發(fā)電環(huán)保性能好、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，近些年使用相當(dāng)多數(shù)量的燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)拉開(kāi)了序幕[2]。Carapellucci Roberto等研究熱量回收對(duì)燃?xì)怆姀S經(jīng)濟(jì)效益的影響，并利用軟件對(duì)不同燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出燃?xì)廨啓C(jī)熱效率隨壓比的升高而升高，未來(lái)可能對(duì)再生能源進(jìn)行分析，進(jìn)一步提高發(fā)電廠的能源可用性[3]；王樹(shù)國(guó)對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)實(shí)施優(yōu)化探究，首先，建立聯(lián)合循環(huán)理論分析模型，其次，開(kāi)發(fā)聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行優(yōu)化程序，最后，分析運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果[4]。(1)燃?xì)獬鯗卦礁?，?lián)合循環(huán)熱效率越高；(2)在給定的空氣初始溫度下，聯(lián)合循環(huán)的熱效率隨壓縮比變化而緩慢變化；(3)其余參數(shù)恒定的基礎(chǔ)上，聯(lián)合循環(huán)的功率由于壓縮比的增大而不斷減小，蒸汽發(fā)生器的排煙溫度隨壓縮比的增加而升高；(4)大氣溫度越高，聯(lián)合循環(huán)熱效率越低[5]。周恩東等對(duì)40 MW燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)優(yōu)化進(jìn)行分析，根據(jù)焓熵圖進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)計(jì)算，再通過(guò)改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗睾涂倝罕葋?lái)進(jìn)行多組熱力計(jì)算，得到在不同的參數(shù)選取條件下燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能參數(shù)的變化情況[6]；趙亞迪等研究燃?xì)忮仩t煙氣潛熱利用技術(shù)，得出降低排煙熱損失的同時(shí)增加潛熱回收率，系統(tǒng)熱效率升高[7]；Kumar Nitul等分析了空氣/燃料比和壓縮比對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱效率的影響，即對(duì)包括壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒器、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)和冷凝器等設(shè)備性能進(jìn)行研究，計(jì)算確定不同參數(shù)值的空氣/燃料比及壓縮比等性能參數(shù)[10]。

本文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的回?zé)嵫h(huán)、間冷循環(huán)以及再熱循環(huán)進(jìn)行理論分析，即針對(duì)燃機(jī)效率最大或者燃汽輪機(jī)比功最大相對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)壓比的分配進(jìn)行深度探究，得出相應(yīng)結(jié)論并給出不同的壓縮比配比方式供相關(guān)的研究學(xué)者進(jìn)行參考。

1 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)

1.1 回?zé)嵯到y(tǒng)

圖1為最簡(jiǎn)單燃機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，它是由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙浇M成，圖1中1-2為壓縮機(jī)中的絕熱壓縮，2-3為燃燒室中的等壓吸熱，3-4為燃?xì)廨啓C(jī)中的絕熱膨脹，4-1為等壓放熱過(guò)程。

與圖1不同，圖2是在圖1基礎(chǔ)上加裝了一臺(tái)回?zé)崞鳂?gòu)成燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)，即由壓縮機(jī)C壓縮的空氣先在回?zé)崞鱎G中用透平T的排氣進(jìn)行加熱，然后再進(jìn)入燃燒室CC，在透平進(jìn)氣溫度T3不變時(shí)減少了燃料量的同時(shí)，又提高了吸熱過(guò)程的平均吸熱溫度，而且排氣在回?zé)崞髦袦囟冉档?，以低于透平出口燃?xì)鉁囟仍诖髿庵蟹艧幔瑥亩档土朔艧徇^(guò)程的平均放熱溫度，故使得燃機(jī)循環(huán)效率得以提高[7]。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)系統(tǒng)C-壓縮機(jī)；CC-燃燒室；T-燃?xì)馔钙?；G-發(fā)電機(jī)

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)C-壓縮機(jī)；CC-燃燒室；T-燃?xì)馔钙?；G-發(fā)電機(jī)；RG-回?zé)崞?/p>

1.2 循環(huán)效率與比功

壓氣機(jī)耗功Wc、透平做功Wt和循環(huán)吸熱量q1分別為[8]

(1)

根據(jù)循環(huán)系統(tǒng)效率的關(guān)系式(1)可得

(2)

燃機(jī)比功為

(3)

式中qm,a、qm,g——空氣和燃?xì)獾馁|(zhì)量流量/kg·s-1；

cp,a、cp,g——空氣和燃?xì)庠诙▔合碌臒崛?J·(kg·K)-1；

π——壓縮機(jī)壓比；

k——工質(zhì)絕熱系數(shù)；

ηc、ηt、ηcc——壓氣機(jī)、透平和燃燒室的燃燒效率/[%]。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)計(jì)算案例

某一燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)過(guò)程，假定大氣溫度t1=20℃，忽略空氣和燃?xì)獗榷▔簾崛莶町惽覂烧呔閏pa=cpg=0.24 J/(kg·K)，絕熱系數(shù)k=1.4，分別取透平進(jìn)口溫度t3=1 473 K、t3=1 673 K及t3=1 873 K，壓縮比π取5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23；ηc=ηt=ηcc=0.85，回?zé)岫热ˇ舝g=0.8，由式(1)～(3)計(jì)算可得出燃機(jī)回?zé)嵫h(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)參數(shù)的結(jié)果為圖3～圖6所示。

圖3 燃機(jī)熱效率變化規(guī)律(無(wú)回?zé)?

圖4 燃機(jī)有、無(wú)回?zé)岬臒嵝时容^

圖5 燃機(jī)熱效率變化規(guī)律(有回?zé)?

圖6 燃機(jī)比功變化規(guī)律(有回?zé)?

由圖3可知，系統(tǒng)無(wú)回?zé)釙r(shí)，燃機(jī)進(jìn)氣溫度t3越高，燃機(jī)循環(huán)熱效率越高，同時(shí)熱效率η*的最有利位置將隨著壓縮比π增大而先增大后減?。挥蓤D4可知，t3相同時(shí)，有回?zé)嵯到y(tǒng)的熱效率比無(wú)回?zé)崆闆r下系統(tǒng)的熱效率高；圖5可得，三種進(jìn)氣溫度下，隨著π的變化，存在最佳熱效率，且所對(duì)應(yīng)的壓縮比幾乎相同，低壓比π=7時(shí)燃機(jī)熱效率較大；圖6通過(guò)比較三種進(jìn)氣溫度下燃機(jī)比功的大小可知，t3越高，燃機(jī)比功越大，且兩種進(jìn)氣溫度下最佳比功所對(duì)應(yīng)的壓比近似相同，高壓比π=12時(shí)燃機(jī)比功相對(duì)較高。

2 燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻循環(huán)

2.1 回?zé)?間冷循環(huán)

圖7 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)?間冷循環(huán)系統(tǒng)C-壓縮機(jī)；CC-燃燒室；T-燃?xì)馔钙?；G-發(fā)電機(jī)；RG-回?zé)崞?；IC-冷卻器

2.2 最佳間冷壓力的確定

第一段壓縮功ωc1

(4)

第二段壓縮功ωc2

(5)

壓縮機(jī)壓縮功ωc

(6)

因?yàn)?/p>

πc=πc1πc2ηc1=ηc2=ηc

(7)

為求得壓縮機(jī)兩段壓縮比的最佳值，可對(duì)式(6)求極值，將(7)式中的πc2換成πc/πc1帶入,求?ωc/?πc1,并使之為零得

(8)

即可得

(9)

這說(shuō)明當(dāng)兩段壓縮比平均分配時(shí)，壓縮機(jī)所做的壓縮功最大。

式中 πc1——第一段壓氣機(jī)的壓縮比；

πc2——第二段壓氣機(jī)的壓縮比；

ηc1——第一段壓氣機(jī)的效率/[%]；

ηc2——第二段壓氣機(jī)的效率/[%]。

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)?間冷循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算案例

某一燃?xì)廨啓C(jī)間冷循環(huán)過(guò)程，假定大氣溫度t1=293 K，忽略空氣和燃?xì)獗榷▔簾崛莶町惽揖閏pa=cpg=0.24 J/(kg·K)，絕熱系數(shù)k=1.4，透平進(jìn)口溫度t3=1 673 K，ηc=ηt=ηcc=0.85，以上一算例計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，因此取最大熱效率值對(duì)應(yīng)的最佳壓縮比πc=7以及最佳燃?xì)廨啓C(jī)比功對(duì)應(yīng)的壓縮比πc=12，具有一次中間冷卻，冷卻到293 K，求πc1=2、2.5、2.646、2.8、3以及πc1=2、3、3.464、4、6時(shí)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 πcw.opt不同分配下熱效率變化趨勢(shì)

圖9 πcw.opt不同分配下燃機(jī)比功變化趨勢(shì)

圖10 πcη.opt不同分配下熱效率變化趨勢(shì)

圖11 πcη.opt不同分配燃機(jī)比功變化趨勢(shì)

3 燃?xì)廨啓C(jī)再熱循環(huán)

3.1 間冷-回?zé)?再熱循環(huán)

如圖12所示，再熱循環(huán)把透平分成兩段，在此之間加裝一個(gè)再燃室，即把一段透平排氣送入再燃室升溫，然后進(jìn)入二段透平膨脹作功。第二段透平膨脹做功量增大，從而使整個(gè)透平做功量增加[7]。

3.2 最佳再熱壓力的確定

第一段膨脹功ωt1為

(10)

第二段膨脹功ωt2為

(11)

圖12 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)?間冷-再熱循環(huán)系統(tǒng)C-壓縮機(jī)；CC-燃燒室；T-燃?xì)馔钙剑籊-發(fā)電機(jī)；RG-回?zé)崞?；IC-冷卻器；RCC-再燃室

透平膨脹功ωt為

(12)

其中

πt=πt1πt2ηt1=ηt2=ηt3

(13)

式中 πt1——第一段燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹比；

πt2——第二段燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹比；

ηt1——第一段燃?xì)廨啓C(jī)的效率/[%]；

ηt2——第二段燃?xì)廨啓C(jī)的效率/[%];

3.3 燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)?間冷-再熱循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算案例

某一燃?xì)廨啓C(jī)再熱循環(huán)過(guò)程，假定大氣溫度t1=20℃，忽略空氣和燃?xì)獗榷▔簾崛莶钪登覂烧呔閏pa=cpg=0.24 J/(kg·K)，絕熱系數(shù)k=1.4，燃?xì)馔钙竭M(jìn)口溫度t3=1 673 K，ηc=ηt=ηcc=0.85，取πt=7、πt=12，用一次再熱兩段膨脹，再熱溫度仍取1 673 K，求πt1=2、2.5、2.646、2.8、3及πt1=2、3、3.464、4、6時(shí)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖13～圖16所示。

圖13 πcw.opt不同分配下熱效率變化趨勢(shì)

圖14 πcw.opt不同分配下燃機(jī)比功變化趨勢(shì)

圖15 πcη.opt不同分配下熱效率變化趨勢(shì)

圖16 πcη.opt不同分配燃機(jī)比功變化趨勢(shì)

4 結(jié)論