氢氧燃烧热力循环系统的特性分析

氢氧燃烧热力循环系统的特性分析

段婷婷X郭晓丹

(华北电力大学动力工程系,北京102206)

摘要:本文主要阐述了新型氢氧燃烧热力循环的系统的构成,并进行了特性的分析,指出了新型氢氧热力循环的应用前景。

关键词:氢氧燃烧;热力循环;特性分析

未来全球能源领域将面临前所未有的巨大挑战。为了解决不断增长的能源需求与日益严重的环境污染及温室效应之间的尖锐矛盾,世界能源结构亟待调整,特别目前以化石燃料为主的能源格局需要逐步改变。在能源与动力领域,通过热力循环实现机械能的输出,围绕热力循环的研究是能源利用转换领域永恒的课题。人们一方面寻求和开发新能源,例如太阳能、核能、地热能、风能、潮汐能等,另一方面就是要开拓研究高效、洁净能源利用的新循环、新机理、新技术。在众多新能源中,氢能以其热值高、无污染和不产生温室气体等独特优点引起了人们越来越多的关注,利用氢氧燃烧的新的联合循环形式也应运而生。氢氧燃料具有燃烧清洁无污染、能量阶梯利用率高等特点。早在上世纪90年代初,就有日、美等国科技工作者提出氢氧燃烧联合循环的设想。现在,美国与日本均有科研计划将之付诸实用的研究。本文主要分析利用氢氧燃料的热力循环系统各自的性能特点,并对其可行性进行了分析评价。

一、系统构成及特性

1.与传统燃煤蒸汽透平相结合的氢氧燃烧系统

(1)系统的构成

图1所表示的是一个中间一次再热的135MW燃煤蒸汽透平循环的系统图作为本文的参考系统。系统包括八段抽气,给水温度为251e。表1给出了参考系统的运行参数。在此基础上提出几种与传统热力循环相结合的新型系统。新系统的设计主要添加了两个部分:

¹氢氧燃烧装置将用于高压缸排气的再热,白色箭头处为混合式的氢氧燃烧蒸汽再热装置。

º如图1所示,灰色箭头处为氢氧燃烧蒸汽过热装置,用于从燃煤锅炉出来的蒸汽过热。

假设温度和压力等条件均满足,则可以提出以下四种循环,如表2所示。所有的循环都添加了混合式氢氧燃烧再热器(白色箭头处),并且第三和第四种循环添加了混合式氢氧燃烧过热器(灰色箭头处)。所有的低温回热系统都与参考系统相同,只是需对高温回热系统进行重新设计。改造后的系统中压缸抽气的压力和流量要求与相应的参考系统相一

致。

图1参考系统图

(2)系统的特点

如表2给出的参考系统参数,我们可以进行相应的计算以评估其性能。经过计算可以得出各个系统的如下特点。

四个系统的整体循环氢效率可以达到59.7%-61.8%,氢的利用率很高,而对于总的效率,仅燃用煤的参考系统为36.2%,四个系统的效率则可以达到56.2%-58.3%,因此应用这些装置势必会带来可观的收益和更高的能源利用价值。

就系统损失来说,对于同样的机械动力输出,燃煤量降低,相应的烟气损失也降低,但每个系统的冷源损失变化很小,可以认为是恒定的。

经过分析,四个系统具有十分相似的特征,但最为明显

X作者简介:段婷婷(1983-),女,河北保定人,华北电力大学动力工程系热能工程专业06级硕士研究生。

中国电力教育2007年研究综述与技术论坛专刊

的特征有以下两点:

¹当最高温度达到1500e时,可以获得最佳的氢转换效率。

º在第一种情况下,如果部件要求满足,其氢需求量最低,且氢转换率也接近最高。

2.氢氧燃烧蒸汽联合循环

(1)系统构成

图2所示的氢氧蒸汽联合循环流程是本文在已有的氢氧循环方案的基础上,具体和细化了循环系统的一些关键环节,提出了一套更为完整和实用研究价值也更高的氢-氧蒸汽联合循环系统方案。氢-氧蒸汽混合循环相当于以纯氢作为燃料,以纯氧作为氧化剂,在第一燃烧室中通过摩尔比为2:1混合进行完全燃烧,形成高温(1700e或者更高)高压的过热水蒸气作为工质,蒸汽流经高压燃气轮机膨胀做功后,压力温度都有所降低,这时把蒸汽引入第二燃烧室,仍通过一定量氢气和氧气的完全燃烧产生的热量给蒸汽再热,以达到较高的(甚至再热到高压燃气轮机进汽温度)中压燃气轮机进汽温度。再热蒸汽在中压燃气轮机中继续膨胀做功后进入余热锅炉冷却放热,而后进入低压蒸汽轮机中继续膨胀做功。蒸汽在低压蒸汽轮机做功后凝结成水,水被引入余热锅炉,利用中压燃气轮机排气所放出的热量被加热成过热(超超临界)蒸汽后,进入高压蒸汽轮机做功,排汽再混入第一燃烧室重新形成高温高压蒸汽,从而形成一个封闭的循环。

表1参考系统的主要参数

蒸汽流量112.3kg P s

最大蒸汽压力18Mpa

再热压力 3.51Mpa

凝汽器压力0.005Mpa

过热P再热温度525P525e

给水温度251e

热效率(LHV)0.43

表2四种循环的参数

系统编号过热参数再热参数118.2Mpa P525e10Mpa P1500e

218.2Mpa P525e10Mpa P1700e

318.2Mpa P1500e10Mpa

P1500e 418.2Mpa P1700e10Mpa P1700e

(2)系统的特点

给定几组不同循环工质的参数,就能定量的进行系统循环的计算,以评估系统性能。计算时相关参数的取值覆盖了过去、现在以及将来的技术,例如高温燃气轮机进口温度TIT =1500-1900e,进口压力2-10MPa,高压蒸汽轮机进口温度300-600e,进口压力35MPa等。如表3所示。

图2氢氧燃烧蒸汽联合循环

经过分析计算可以得出,在选定的工况下得到了比较高的系统循环效率57.48%。氢氧蒸汽循环系统中的联合循环以燃气轮机为主,所以燃气侧循环参数对系统性能影响最大。燃气轮机循环输出功79758KJ,约占总输出功的66.7%,而蒸汽轮机循环输出功量为41731KJ,约占总输出功量的34. 5%。

在某一确定的循环最高温度下,存在着效率最佳压比,而且高压燃气轮机进口温度即循环最高温度TIT对最佳压比影响较小。例如TIT=1700e时,最佳效率压比为5.2左右,TIT=1500e时,最佳效率压比基本不变。

燃气轮机系统的总压比一定时,分配给高压燃机的焓降越大,燃气轮机系统输出功就越多,从而使循环效率提高。但压比并不是能取任意大的值,前提是要在当今透平技术能够允许的范围内。

回热压力(35MPa)一定时,系统的循环效率随回热温度变化。在一定的回热压力下,随着回热温度的提高,循环效率下降。而且随着TIT的上升,循环效率下降的趋势逐渐变缓。

二、可行性分析

就以上分析结果来看,与传统燃煤系统结合的氢氧燃烧系统整体效率较高,有效的减少了煤耗,并且降低了污染,可见采用此种方法具有一定的可行性。但是这种新型系统需要解决的技术问题很多,比如为适应过高的蒸汽温度必须采用蒸汽冷却技术以防止部件受损破坏,原有的锅炉也需要改型与新型的回热系统相匹配,同时,高、中压缸也要进行必要的改型和采用冷却技术。预计到2020年可以设计出能适应1700e高温的蒸汽透平,同时三菱重工已经研发了燃用氢燃料的燃气轮机的蒸汽冷却技术,同样可以应用到这些新系统中来。

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