氫氧燃燒熱力循環(huán)系統(tǒng)的特性分析

1、中國(guó)電力教育2007年研究綜述與技術(shù)論壇?？瘹溲跞紵裏崃ρh(huán)系統(tǒng)的特性分析段婷婷X郭曉丹(華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系,北京 102206)摘 要:本文主要闡述了新型氫氧燃燒熱力循環(huán)的系統(tǒng)的構(gòu)成,并進(jìn)行了特性的分析,指出了新型氫氧熱力循環(huán)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:氫氧燃燒;熱力循環(huán);特性分析未來全球能源領(lǐng)域?qū)⒚媾R前所未有的巨大挑戰(zhàn)。為了解決不斷增長(zhǎng)的能源需求與日益嚴(yán)重的環(huán)境污染及溫室效應(yīng)之間的尖銳矛盾,世界能源結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整,特別目前以化石燃料為主的能源格局需要逐步改變。在能源與動(dòng)力領(lǐng)域,通過熱力循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的輸出,圍繞熱力循環(huán)的研究是能源利用轉(zhuǎn)換領(lǐng)域永恒的課題。人們一方面尋求和開發(fā)新能源,例如太陽能、核

2、能、地?zé)崮?、風(fēng)能、潮汐能等,另一方面就是要開拓研究高效、潔凈能源利用的新循環(huán)、新機(jī)理、新技術(shù)。在眾多新能源中,氫能以其熱值高、無污染和不產(chǎn)生溫室氣體等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注,利用氫氧燃燒的新的聯(lián)合循環(huán)形式也應(yīng)運(yùn)而生。氫氧燃料具有燃燒清潔無污染、能量階梯利用率高等特點(diǎn)。早在上世紀(jì)90年代初,就有日、美等國(guó)科技工作者提出氫氧燃燒聯(lián)合循環(huán)的設(shè)想?，F(xiàn)在,美國(guó)與日本均有科研計(jì)劃將之付諸實(shí)用的研究。本文主要分析利用氫氧燃料的熱力循環(huán)系統(tǒng)各自的性能特點(diǎn),并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。一、系統(tǒng)構(gòu)成及特性1.與傳統(tǒng)燃煤蒸汽透平相結(jié)合的氫氧燃燒系統(tǒng)(1)系統(tǒng)的構(gòu)成圖1所表示的是一個(gè)中間一次再熱的135MW

3、燃煤蒸汽透平循環(huán)的系統(tǒng)圖作為本文的參考系統(tǒng)。系統(tǒng)包括八段抽氣,給水溫度為251e。表1給出了參考系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。在此基礎(chǔ)上提出幾種與傳統(tǒng)熱力循環(huán)相結(jié)合的新型系統(tǒng)。新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要添加了兩個(gè)部分:氫氧燃燒裝置將用于高壓缸排氣的再熱,白色箭頭處為混合式的氫氧燃燒蒸汽再熱裝置。如圖1所示,灰色箭頭處為氫氧燃燒蒸汽過熱裝置,用于從燃煤鍋爐出來的蒸汽過熱。假設(shè)溫度和壓力等條件均滿足,則可以提出以下四種循環(huán),如表2所示。所有的循環(huán)都添加了混合式氫氧燃燒再熱器(白色箭頭處),并且第三和第四種循環(huán)添加了混合式氫氧燃燒過熱器(灰色箭頭處)。所有的低溫回?zé)嵯到y(tǒng)都與參考(2)系統(tǒng)的特點(diǎn)如表2給出的參考系統(tǒng)參數(shù),我們

4、可以進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算以評(píng)估其性能。經(jīng)過計(jì)算可以得出各個(gè)系統(tǒng)的如下特點(diǎn)。四個(gè)系統(tǒng)的整體循環(huán)氫效率可以達(dá)到59.7%-61.8%,氫的利用率很高,而對(duì)于總的效率,僅燃用煤的參考系統(tǒng)為36.2%,四個(gè)系統(tǒng)的效率則可以達(dá)到56.2%-58.3%,因此應(yīng)用這些裝置勢(shì)必會(huì)帶來可觀的收益和更高的能源利用價(jià)值。就系統(tǒng)損失來說,對(duì)于同樣的機(jī)械動(dòng)力輸出,燃煤量降低,相應(yīng)的煙氣損失也降低,但每個(gè)系統(tǒng)的冷源損失變化很小,可以認(rèn)為是恒定的。經(jīng)過分析,四個(gè)系統(tǒng)具有十分相似的特征,但最為明顯圖1 參考系統(tǒng)圖系統(tǒng)相同,只是需對(duì)高溫回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。改造后的系統(tǒng)中壓缸抽氣的壓力和流量要求與相應(yīng)的參考系統(tǒng)相一致。(,382的特

5、征有以下兩點(diǎn):氫氧燃燒熱力循環(huán)系統(tǒng)的特性分析當(dāng)最高溫度達(dá)到1500e時(shí),可以獲得最佳的氫轉(zhuǎn)換效率。在第一種情況下,如果部件要求滿足,其氫需求量最低,且氫轉(zhuǎn)換率也接近最高。2.氫氧燃燒蒸汽聯(lián)合循環(huán)(1)系統(tǒng)構(gòu)成圖2所示的氫氧蒸汽聯(lián)合循環(huán)流程是本文在已有的氫氧循環(huán)方案的基礎(chǔ)上,具體和細(xì)化了循環(huán)系統(tǒng)的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié),提出了一套更為完整和實(shí)用研究?jī)r(jià)值也更高的氫-氧蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)方案。氫-氧蒸汽混合循環(huán)相當(dāng)于以純氫作為燃料,以純氧作為氧化劑,在第一燃燒室中通過摩爾比為2:1混合進(jìn)行完全燃燒,形成高溫(1700e或者更高)高壓的過熱水蒸氣作為工質(zhì),蒸汽流經(jīng)高壓燃?xì)廨啓C(jī)膨脹做功后,壓力溫度都有所降低,這時(shí)把

6、蒸汽引入第二燃燒室,仍通過一定量氫氣和氧氣的完全燃燒產(chǎn)生的熱量給蒸汽再熱,以達(dá)到較高的(甚至再熱到高壓燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)汽溫度)中壓燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)汽溫度。再熱蒸汽在中壓燃?xì)廨啓C(jī)中繼續(xù)膨脹做功后進(jìn)入余熱鍋爐冷卻放熱,而后進(jìn)入低壓蒸汽輪機(jī)中繼續(xù)膨脹做功。蒸汽在低壓蒸汽輪機(jī)做功后凝結(jié)成水,水被引入余熱鍋爐,利用中壓燃?xì)廨啓C(jī)排氣所放出的熱量被加熱成過熱(超超臨界)蒸汽后,進(jìn)入高壓蒸汽輪機(jī)做功,排汽再混入第一燃燒室重新形成高溫高壓蒸汽,從而形成一個(gè)封閉的循環(huán)。表1 參考系統(tǒng)的主要參數(shù)蒸汽流量最大蒸汽壓力再熱壓力凝汽器壓力過熱P再熱溫度給水溫度熱效率(LHV)圖2 氫氧燃燒蒸汽聯(lián)合循環(huán)經(jīng)過分析計(jì)算可以得出,在選定的工

7、況下得到了比較高的系統(tǒng)循環(huán)效率57.48%。氫氧蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中的聯(lián)合循環(huán)以燃?xì)廨啓C(jī)為主,所以燃?xì)鈧?cè)循環(huán)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響最大。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)輸出功79758KJ,約占總輸出功的66.7%,而蒸汽輪機(jī)循環(huán)輸出功量為41731KJ,約占總輸出功量的34.5%。在某一確定的循環(huán)最高溫度下,存在著效率最佳壓比,而且高壓燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度即循環(huán)最高溫度TIT對(duì)最佳壓比影響較小。例如TIT=1700e時(shí),最佳效率壓比為5.2左右,TIT=1500e時(shí),最佳效率壓比基本不變。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的總壓比一定時(shí),分配給高壓燃機(jī)的焓降越大,燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)輸出功就越多,從而使循環(huán)效率提高。但壓比并不是能取任意大的值,前提是要在

8、當(dāng)今透平技術(shù)能夠允許的范圍內(nèi)。回?zé)釅毫?35MPa)一定時(shí),系統(tǒng)的循環(huán)效率隨回?zé)釡囟茸兓?。在一定的回?zé)釅毫ο?隨著回?zé)釡囟鹊奶岣?循環(huán)效表2 四種循環(huán)的參數(shù)系統(tǒng)編號(hào)1234(2)系統(tǒng)的特點(diǎn)給定幾組不同循環(huán)工質(zhì)的參數(shù),就能定量的進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)的計(jì)算,以評(píng)估系統(tǒng)性能。計(jì)算時(shí)相關(guān)參數(shù)的取值覆蓋了過去、現(xiàn)在以及將來的技術(shù),例如高溫燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度TIT=1500-1900e,進(jìn)口壓力2-10MPa,高壓蒸汽輪機(jī)進(jìn)口溫度300-600e,進(jìn)口壓力35MPa等。如表3所示。再熱參數(shù)10MpaP1500e10MpaP1700e10MpaP1500e10MpaP1700e率下降。而且隨著TIT的上升,循環(huán)效率下

9、降的趨勢(shì)逐漸變緩。二、可行性分析就以上分析結(jié)果來看,與傳統(tǒng)燃煤系統(tǒng)結(jié)合的氫氧燃燒系統(tǒng)整體效率較高,有效的減少了煤耗,并且降低了污染,可見采用此種方法具有一定的可行性。但是這種新型系統(tǒng)需要解決的技術(shù)問題很多,比如為適應(yīng)過高的蒸汽溫度必須采用蒸汽冷卻技術(shù)以防止部件受損破壞,原有的鍋爐也需要改型與新型的回?zé)嵯到y(tǒng)相匹配,同時(shí),高、中壓缸也要進(jìn)行必要的改型和采用冷卻技術(shù)。預(yù)計(jì)到2020年可以設(shè)計(jì)出能適應(yīng)1700e高溫的蒸汽透平,同時(shí)三菱重工已經(jīng)研發(fā)了燃用氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī)的蒸汽冷卻技術(shù),同樣可以應(yīng)用到這些新系統(tǒng)中來。氫氧燃燒熱力循環(huán)系統(tǒng)的特性分析表3 循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算的主要參數(shù)條件參數(shù)高壓燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度高壓

10、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口壓力燃?xì)廨啓C(jī)總膨脹比高壓燃?xì)廨啓C(jī)膨脹比高壓燃?xì)廨啓C(jī)等熵效率第一燃燒室壓損第二燃燒室壓損中壓燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度中壓燃?xì)廨啓C(jī)等熵效率余熱鍋爐蒸汽側(cè)壓損余熱鍋爐煙氣側(cè)壓損余熱鍋爐效率低壓蒸汽輪機(jī)等熵效率低壓蒸汽輪機(jī)排氣壓力低壓蒸汽輪機(jī)排氣溫度高壓蒸汽輪機(jī)進(jìn)口溫度高壓蒸汽輪機(jī)進(jìn)口壓力高壓蒸汽輪機(jī)等熵效率MpaeeMpae單位eMpa參考文獻(xiàn):383合梯級(jí)利用,符合/溫度對(duì)口、梯級(jí)利用0的熱力系統(tǒng)集成原理和可持續(xù)發(fā)展的綠色能源戰(zhàn)略。所以具有一定的現(xiàn)實(shí)可行性。三、結(jié)束語高效率、低污染的氫氧燃燒熱力循環(huán)為我們提出了熱力循環(huán)改進(jìn)的新思路,為能源的充分利用開拓了新的道路。本文所探討的新型循環(huán)忽略了很多

11、問題,比如設(shè)備以及溫度壓力等條件的實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)的投資成本,制氫系統(tǒng)、空氣分離系統(tǒng)與聯(lián)合循環(huán)裝置的匹配組合問題等問題,并且就我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)和參數(shù)條件下還不可能實(shí)現(xiàn),尚有一系列技術(shù)和工程上的難題有待解決。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,零污染排放、無碳的氫能總能系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展前景,合理利用氫能,將對(duì)未來能源利用與環(huán)境相容的協(xié)調(diào)問題具有一定的意義。1UematatsuK,MoriH,SugiditaH.AstudyofthermaldynamixcycleandsystemconfigurationsofhydrogencombustionturbinesJ.HydrigenEnergy,1998,23(8):705-712.2CicconardiS.P,PernaA,SpazzafumoG.Steampower-plantsfedbyhighpressureelectrolytichydrogenJ.InternationalJournalofHydrogenEnergy,2004,29:547-551.4焦樹建.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的理論基礎(chǔ)M.北京:清華大學(xué)出版社,2003.5方鋼,蔡睿賢.氫氧聯(lián)合循環(huán)-設(shè)計(jì)點(diǎn)及變工況初步分析J.工程熱物理學(xué)報(bào),1991,12(3):238-241.對(duì)于直接燃燒氫氧聯(lián)合循環(huán),氫