采用煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力性能分析

張兆宇，計(jì)京津，彭淑宏

(上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海 200240)

在燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率提升、透平前溫升高以及污染物排放指標(biāo)日趨嚴(yán)格的發(fā)展背景下，煙氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation, EGR)技術(shù)受到研究機(jī)構(gòu)與廠商越來越多的關(guān)注。

受限于當(dāng)前低NOx燃燒器的有效工作溫度區(qū)間，J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的NOx排放問題需要采用其他新型低NOx燃燒技術(shù)加以解決[1]，EGR技術(shù)即其中一種。EGR通過將一部分透平或余熱鍋爐的煙氣與壓氣機(jī)進(jìn)氣空氣混合，來稀釋空氣中的O2，使燃燒速度降低，減少局部火焰高溫現(xiàn)象，從而抑制熱力型NOx的生成。由于這一特性，EGR被視為下一代燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)儲(chǔ)備技術(shù)。

除了為下一代燃?xì)廨啓C(jī)提供NOx排放解決方案，EGR還具備其他熱力性能方面的使用價(jià)值，包括：通過進(jìn)氣加熱實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)除冰，并調(diào)節(jié)熱力循環(huán)總體性能，起到和進(jìn)氣加熱(Inlet Bleed Heating, IBH)系統(tǒng)類似的效果；在降低燃燒室O2濃度的同時(shí)提升燃?xì)獾腃O2濃度，更有利于排氣的碳捕集。

世界主要?jiǎng)恿υO(shè)備廠商在EGR領(lǐng)域普遍有較成熟的技術(shù)積累。GE開展了EGR對(duì)F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)DLN燃燒器排放性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[2]，并申請(qǐng)了數(shù)個(gè)關(guān)于EGR的專利作為未來的技術(shù)儲(chǔ)備，例如：將透平排氣送入壓氣機(jī)進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)燃燒室NOx排放的降低[3]；使煙氣進(jìn)入燃燒室進(jìn)行二次燃燒，提升排氣中CO2的含量，增強(qiáng)碳捕捉能力[4]；利用再循環(huán)的煙氣替代壓氣機(jī)抽氣，用于透平的冷卻，減少燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的O2含量[5]；將再循環(huán)煙氣用于進(jìn)氣系統(tǒng)除冰和除濕[6]等。三菱計(jì)劃將EGR燃燒技術(shù)應(yīng)用于1 700 ℃燃?xì)廨啓C(jī)，并完成了燃燒室的高壓燃燒試驗(yàn)[7]。西門子基于SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了部分負(fù)荷熱力性能分析計(jì)算[8]。

本文基于AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)熱力模型，計(jì)算采用EGR改造后機(jī)組的總體熱力性能。本文將分析部分負(fù)荷工況下EGR率對(duì)機(jī)組出力和效率的影響，根據(jù)進(jìn)排氣工質(zhì)組分分析排放性能的變化，并與進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行性能比較。最后給出EGR改造在當(dāng)前F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中的應(yīng)用價(jià)值、運(yùn)行建議，并提出改造中尚需驗(yàn)證和解決的問題。

1 系統(tǒng)建模

典型的EGR設(shè)計(jì)方案如圖1所示，從余熱鍋爐排煙引入再循環(huán)煙氣，與空氣混合送入壓氣機(jī)。本文采用IPSEpro平臺(tái)，按照該設(shè)計(jì)方案，建立聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力模型進(jìn)行計(jì)算和分析。在余熱鍋爐排煙出口添加循環(huán)回路，按設(shè)定比例使煙氣進(jìn)入循環(huán)回路，與壓氣機(jī)進(jìn)口空氣等壓混合后進(jìn)入壓氣機(jī)。模型部分架構(gòu)如圖2所示。燃?xì)廨啓C(jī)模型型號(hào)為AE94.3A，設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)如表1所示，冷卻抽氣采用ISO 2314標(biāo)準(zhǔn)[9]方法進(jìn)行折算和簡(jiǎn)化。汽水側(cè)為三壓再熱循環(huán)，高壓缸模塊按單級(jí)組處理，中低壓缸分別按兩級(jí)組處理，低壓缸末級(jí)排汽損失通過末級(jí)損失模型模擬。

圖1 典型EGR設(shè)計(jì)方案

圖2 計(jì)算模型

表1 AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)[10-11]

模型計(jì)算的相關(guān)設(shè)定及假設(shè)前提包括：

1)大氣環(huán)境為ISO工況；

2)天然氣組分為100%CH4，氣源壓力3 MPa，溫度15 ℃，預(yù)熱至120 ℃；

3)EGR率定義為煙氣循環(huán)回路流量與余熱鍋爐總流量之比；

4)余熱鍋爐排煙壓力與環(huán)境壓力相等，且忽略煙氣循環(huán)回路壓損及風(fēng)機(jī)耗功；

5)以機(jī)組設(shè)計(jì)點(diǎn)負(fù)荷為基準(zhǔn)計(jì)算負(fù)荷率，將其定義為機(jī)組負(fù)荷與設(shè)計(jì)點(diǎn)負(fù)荷之比；

6)從基本負(fù)荷工況降低負(fù)荷的控制策略為，先關(guān)小IGV或增大EGR率，維持定TETC運(yùn)行，IGV關(guān)至最小開度后，以等IGV開度運(yùn)行；

7)主蒸汽、再熱蒸汽溫度上限為565 ℃；

8)汽輪機(jī)在主蒸汽壓力7.5 MPa以上時(shí)采用滑壓運(yùn)行，主蒸汽壓力降至7.5 MPa后采用定壓運(yùn)行。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

在EGR率為0%～50%、機(jī)組負(fù)荷率為35%～ 80%的部分負(fù)荷工況范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算及分析。通過給定EGR率、機(jī)組負(fù)荷及透平排氣溫度得到各工況計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果以設(shè)計(jì)點(diǎn)工況為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，使其結(jié)論更為普適。

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)性能

EGR對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)性能的直接影響來自壓氣機(jī)入口溫度的顯著升高，如圖3所示。各負(fù)荷率下45%的EGR率均能夠使進(jìn)氣溫度由15 ℃提升至約45 ℃。由于進(jìn)氣溫度的升高，進(jìn)氣密度降低，壓氣機(jī)第1級(jí)載荷也需要相應(yīng)增大。這兩方面的影響都使得IGV在部分負(fù)荷下需要增大開度，以適應(yīng)進(jìn)氣溫度的升高。

圖3 壓氣機(jī)入口溫度與EGR率關(guān)系

伴隨著EGR率增加，由于進(jìn)氣密度的降低，在開大IGV以維持甚至增大進(jìn)氣體積流量的同時(shí)，進(jìn)氣的質(zhì)量流量是反而降低的，如圖4和圖5所示。

圖4 壓氣機(jī)入口質(zhì)量流量與EGR率關(guān)系

圖5 壓氣機(jī)入口體積流量與EGR率關(guān)系

在常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)部分工況中，IGV關(guān)小、壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)是導(dǎo)致壓氣機(jī)效率降低的主要原因之一。在相同的機(jī)組出力下，提高IGV開度可以使壓氣機(jī)第1級(jí)的工況向最佳工況點(diǎn)偏移，顯著提高壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的效率，如圖6所示?；谶@一原因，較高的負(fù)荷率和EGR率工況下的壓氣機(jī)效率甚至可以大于基準(zhǔn)工況下的效率。但在80%負(fù)荷率下，壓氣機(jī)效率的極大值點(diǎn)位于40%至45%EGR率區(qū)間內(nèi)。繼續(xù)增大EGR率，會(huì)使壓氣機(jī)遠(yuǎn)離最佳工況點(diǎn)，效率大幅下降。

圖6 壓氣機(jī)效率與EGR率及聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷率關(guān)系

從另一個(gè)角度來看，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組從滿負(fù)荷工況開始降低負(fù)荷時(shí)，可以維持IGV全開，通入循環(huán)煙氣降低機(jī)組出力。EGR提供了更為靈活的負(fù)荷調(diào)節(jié)方法，可以在較高負(fù)荷率工況下通過改變EGR率對(duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，以推遲關(guān)小IGV的過程，從而將壓氣機(jī)效率維持在較高水平。但采用這一方法需要注意進(jìn)氣溫度較高時(shí)IGV的開度上限，避免壓氣機(jī)第1級(jí)載荷過大。這也是限制EGR率的因素之一。

在EGR提升壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的同時(shí)，由于等TETC的控制策略，透平排氣溫度也同時(shí)得到提高，如圖7所示。45%的EGR率可以將各負(fù)荷率下的透平排氣溫度均提升至600 ℃以上，并減小排氣流量，使蒸汽循環(huán)的主蒸汽溫度達(dá)到565 ℃的上限，從而將汽水側(cè)的熱效率維持在較高的水平。由于鍋爐側(cè)的進(jìn)氣溫度限制通常在600～610 ℃，45%～50%的EGR率是當(dāng)前聯(lián)合循環(huán)機(jī)組可接受的上限。

圖7 透平排氣溫度與EGR率關(guān)系

由于引入EGR后，相同負(fù)荷下IGV的開度增大，IGV最小開度對(duì)應(yīng)的聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷率也隨之降低，如圖8所示。由于控制模式切換的推遲，最小環(huán)保負(fù)荷也可因此降低至設(shè)計(jì)值[12]以下。

圖8 IGV最小開度工況負(fù)荷率與EGR率關(guān)系

ISO等效透平進(jìn)口溫度Tiso的變化規(guī)律相比排氣溫度較復(fù)雜，如圖9所示。由于透平排氣溫度的提升，Tiso在大部分工況點(diǎn)中也相應(yīng)提升。但在負(fù)荷率為50%～75%、EGR率為45%～50%的區(qū)間中會(huì)出現(xiàn)Tiso的極大值點(diǎn)。這與膨脹比下降、透平效率下降等因素有關(guān)。

圖9 透平Tiso與EGR率關(guān)系

2.2 聯(lián)合循環(huán)性能

EGR率對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率的影響如圖10所示。聯(lián)合循環(huán)效率的提升主要來自于壓氣機(jī)效率和Tiso升高的貢獻(xiàn)。在計(jì)算范圍內(nèi)，同一負(fù)荷率下50%的EGR率可實(shí)現(xiàn)0.62%～1.31%的效率提升。負(fù)荷率越低，EGR對(duì)效率提升的效果越顯著。受到壓氣機(jī)效率及Tiso變化特性的影響，所計(jì)算工況范圍中，80%和75%負(fù)荷率下存在效率最佳EGR率，分別位于35%～45%和45%～50%之間，而在其他負(fù)荷率下，所計(jì)算的EGR率范圍內(nèi)未出現(xiàn)效率極值點(diǎn)。

圖10 EGR率對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率影響

在定負(fù)荷計(jì)算約束下，雖然進(jìn)氣溫度的提升增大了壓氣機(jī)的單位耗功，但煙氣能量的注入也替代了部分燃料，縮小了部分負(fù)荷工況燃?xì)廨啓C(jī)效率的下滑幅度。依托于主蒸汽溫度和流量的提升，聯(lián)合循環(huán)的效率得以提升。在高EGR率工況下，即使主蒸汽溫度達(dá)到565 ℃的上限，減溫水流量增大，蒸汽流量增加帶來的汽輪機(jī)出力和循環(huán)效率的增益仍然大于減溫水造成的效率損失。

EGR對(duì)聯(lián)合循環(huán)出力分配的影響如圖11所示。引入EGR后，壓氣機(jī)耗功增多，燃?xì)廨啓C(jī)出力在聯(lián)合循環(huán)出力中的占比進(jìn)一步下降。聯(lián)合循環(huán)出力的分配由效率下滑的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)移到維持較高效率的汽輪機(jī)，這也是EGR有利于部分負(fù)荷聯(lián)合循環(huán)效率的表現(xiàn)之一。

圖11 燃?xì)廨啓C(jī)出力占比與EGR率關(guān)系

2.3 排放性能

除聯(lián)合循環(huán)熱力性能方面外，該模型的計(jì)算結(jié)果中的O2及CO2氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)可為燃燒和排放相關(guān)方面提供部分參考信息。

引入EGR對(duì)排煙CO2濃度的影響如圖12所示。采用45%EGR率后，各負(fù)荷工況下排煙的CO2體積分?jǐn)?shù)增加了80%，同時(shí)排煙流量也減少了約47%，這有助于提升碳捕集效率并降低捕集成本。

圖12 排煙CO2體積分?jǐn)?shù)與EGR率關(guān)系

燃燒室進(jìn)口O2濃度的變化如圖13所示，45%的EGR率可以使燃燒室進(jìn)口O2體積分?jǐn)?shù)降低約30%。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的試驗(yàn)研究結(jié)論，這一下降幅度對(duì)NOx排放的降低有極大的幫助。但同時(shí)需要注意兩方面的問題：第一，如圖14所示，過量空氣系數(shù)在計(jì)算范圍內(nèi)最低降至1.75以下，這可能帶來燃燒不穩(wěn)定的問題；第二，燃燒室內(nèi)O2濃度降低和CO2濃度升高會(huì)導(dǎo)致CO排放的增加，但燃燒溫度的升高使這一問題有所緩解。這一問題需要對(duì)燃燒方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究予以確認(rèn)。

圖13 燃燒室進(jìn)口O2體積分?jǐn)?shù)與EGR率關(guān)系

圖14 過量空氣系數(shù)與EGR率關(guān)系

3 與進(jìn)氣加熱技術(shù)的對(duì)比

由于EGR對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力性能方面的影響主要來自于進(jìn)氣溫度的提升，其原理與進(jìn)氣加熱有一定的相似性，因此采用相同方式建立進(jìn)氣空調(diào)熱力模型，對(duì)兩種進(jìn)氣加熱技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

3.1 進(jìn)氣加熱模型

對(duì)比模型采用表面式進(jìn)氣加熱方案，基于同一組聯(lián)合循環(huán)模型進(jìn)行模型開發(fā)和性能評(píng)估比較。低壓省煤器出口的熱水和凝汽器出口的熱水混合后進(jìn)入常規(guī)逆流式換熱器，與進(jìn)口空氣進(jìn)行換熱，進(jìn)氣加熱范圍涵蓋EGR對(duì)進(jìn)口溫度的提升區(qū)間。在相似的進(jìn)氣加熱工況范圍內(nèi)，比較兩種技術(shù)手段對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的提升效果。

模型相關(guān)計(jì)算設(shè)定及假設(shè)前提除了與EGR模型保持一致的部分外，換熱器部分及有差異部分設(shè)定如下：

1)逆流式換熱器熱端壓損0.1 MPa，進(jìn)氣端壓損300 Pa，進(jìn)氣端入口節(jié)點(diǎn)溫差20 ℃，出口節(jié)點(diǎn)溫差30 ℃；

2)低壓省煤器出口熱水溫度高于120 ℃時(shí)，設(shè)定燃料預(yù)熱至120 ℃；低于120 ℃時(shí)，換熱器燃料出口的節(jié)點(diǎn)溫差設(shè)定為5 ℃。

3.2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

基于上述模型及計(jì)算設(shè)定，在35%～80%負(fù)荷率、壓氣機(jī)進(jìn)口溫度由15 ℃加熱至45 ℃范圍內(nèi)對(duì)進(jìn)氣空調(diào)模型熱力性能進(jìn)行計(jì)算。

由于采用與EGR模型相同的TETC控制策略，進(jìn)氣空調(diào)模型同樣通過進(jìn)氣溫度的提升實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)效率以及透平排氣溫度的提升。聯(lián)合循環(huán)熱效率隨進(jìn)氣溫度升高的變化趨勢(shì)如圖15所示。在各部分負(fù)荷工況下，進(jìn)氣溫度越高，聯(lián)合循環(huán)效率越高，且在計(jì)算范圍內(nèi)不存在極大值點(diǎn)。

圖15 進(jìn)氣加熱聯(lián)合循環(huán)效率與壓氣機(jī)入口溫度關(guān)系

將EGR模型效率曲線以相同方式繪制進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。兩種進(jìn)氣加熱技術(shù)手段在壓氣機(jī)入口45 ℃時(shí)對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率的提升幅度如表2所示。

圖16 EGR聯(lián)合循環(huán)熱效率與壓氣機(jī)入口溫度關(guān)系

表2 進(jìn)氣45 ℃對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率提升幅度對(duì)比

兩種進(jìn)氣加熱技術(shù)手段對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率的提升效果較為接近。在高負(fù)荷率下，進(jìn)氣空調(diào)對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率的提升高出約0.08%，但在35%負(fù)荷率下，EGR能夠提供更多的效率提升。

在高負(fù)荷率下二者提升效果的差異主要來自于透平前溫Tiso的差距。進(jìn)氣空調(diào)需要抽取省煤器出口熱水作為熱源，對(duì)于汽輪機(jī)出力存在一定的負(fù)面影響。在機(jī)組出力固定的計(jì)算條件下，這要求燃?xì)廨啓C(jī)的出力增加，從而使得進(jìn)氣加熱模型Tiso的上升幅度顯著大于EGR模型，如圖17和圖18對(duì)比所示。在各負(fù)荷率下，進(jìn)氣溫度45 ℃時(shí)，進(jìn)氣空調(diào)模型的歸一化Tiso均比EGR模型高出約0.02。這一差異反而使進(jìn)氣空調(diào)模型獲得了較大的效率優(yōu)勢(shì)。

圖17 進(jìn)氣加熱模型透平Tiso與壓氣機(jī)入口溫度關(guān)系

圖18 EGR模型透平Tiso與壓氣機(jī)入口溫度關(guān)系

由于進(jìn)氣空調(diào)與燃料預(yù)熱同時(shí)抽取低壓省煤器出口熱水作為熱源，二者存在一定沖突。在負(fù)荷率較低、進(jìn)氣加熱量較大的工況下，省煤器出口熱水溫度大幅下降，進(jìn)氣空調(diào)模型無法維持120 ℃的燃料預(yù)熱溫度。這一部分的沖突導(dǎo)致在例如35%的較低負(fù)荷率下進(jìn)氣空調(diào)的效率優(yōu)勢(shì)喪失。而EGR相當(dāng)于使用了外部熱源，不會(huì)對(duì)燃料預(yù)熱產(chǎn)生限制。

總體而言，在機(jī)組絕對(duì)出力不變的前提下，進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)的熱力性能影響相似，有利于各部分負(fù)荷工況下的效率提升。

4 討 論

現(xiàn)有F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組應(yīng)用EGR時(shí)，其控制策略可設(shè)計(jì)為：在80%以上負(fù)荷率下，從關(guān)小IGV變?yōu)閷GR率由0%逐漸提升，以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)，減小聯(lián)合循環(huán)效率損失；在80%負(fù)荷率左右開始關(guān)小IGV，并調(diào)整EGR率，使效率達(dá)到極大值點(diǎn)；在65%以下負(fù)荷率下，聯(lián)合循環(huán)效率隨EGR率單調(diào)增加，可將再循環(huán)率提升至限制邊界。

再循環(huán)率的安全限制邊界由以下因素共同確定：余熱鍋爐對(duì)透平排氣溫度的限制、壓氣機(jī)第1級(jí)載荷限制、燃燒穩(wěn)定性要求對(duì)燃燒室進(jìn)口O2濃度的最低限制、CO排放的限制、施工中煙氣循環(huán)管路體積的限制等。而將EGR應(yīng)用于實(shí)際機(jī)組改造中還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和解決的問題包括：煙氣的高含水量對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響、煙氣中的硫化物對(duì)壓氣機(jī)的腐蝕影響、控制EGR率的實(shí)現(xiàn)方式、引入EGR后對(duì)燃燒穩(wěn)定性及CO排放的影響等。

由于EGR主要通過提高進(jìn)氣溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)總體性能產(chǎn)生影響，其與采用表面式換熱的進(jìn)氣空調(diào)技術(shù)在這一方面有一定的相似之處。二者對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率的提升效果相近。

對(duì)于當(dāng)前的F級(jí)機(jī)組，如果長(zhǎng)期處在部分負(fù)荷運(yùn)行工況下，采用EGR和進(jìn)氣加熱改造可以獲得相近的效率收益。在新機(jī)組的設(shè)計(jì)階段，如果考慮應(yīng)用較大比例的EGR，應(yīng)當(dāng)對(duì)壓氣機(jī)通流進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以提高壓氣機(jī)在高進(jìn)氣溫度和低折合轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)性能，從而充分釋放EGR系統(tǒng)的潛力。更激進(jìn)的做法是，提高壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)溫度，進(jìn)一步提高EGR工況下的壓氣機(jī)效率。在未來的J級(jí)及更高透平入口溫度的燃?xì)廨啓C(jī)中，EGR在燃燒、排放等方面的應(yīng)用價(jià)值將進(jìn)一步放大，從而具備更大的應(yīng)用潛力。

5 結(jié) 論

本文開發(fā)了EGR聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力模型，對(duì)其熱力性能進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，在部分負(fù)荷工況下，EGR主要通過進(jìn)氣溫度的提升，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)效率的提升和透平排氣溫度的升高，從而提高了聯(lián)合循環(huán)效率。在所計(jì)算負(fù)荷范圍內(nèi)，再循環(huán)率達(dá)到50%時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率可以提升0.62%～1.31%。此外，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，EGR帶來的預(yù)期收益還包括：

1)IGV最小開度工況點(diǎn)向下拓展，最小環(huán)保負(fù)荷降低；

2)燃燒室入口O2濃度降低，抑制熱力型NOx的生成；

3)余熱鍋爐排煙流量減少，CO2濃度提高，O2濃度降低，更有利于碳捕集。