燃气轮机的湿空气循环性能分析与试验_翁史烈

翁 史 烈 ，等 ：燃 气 轮 机 的 湿 空 气 循 环 性 能 分 析 与 试 验
器及经济器后排入大气。
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图２ ＨＡＴ 循环系统原理图
本文所用到的分轴燃气轮机 ＨＡＴ 循环系统 试验台布置图参见图３，系统 主 要 由 压 气 机、饱 和 器、燃 烧 室、高 压 涡 轮、动 力 涡 轮 以 及 电 涡 流 测 功 机组成。目前该 系 统 正 处 于 逐 步 完 善 阶 段，现 阶 段的 换 热 器 仅 有 饱 和 器，其 他 如 后 冷 器、回 热 器、 经济器暂不考虑。压气机为１级离心式压气机， 额 定 转 速 为６３ ０００ｒ／ｍｉｎ，额 定 压 比 为３．５４，高 压 涡轮为１级向心 式 涡 轮，动 力 涡 轮 为 １ 级 轴 流 式 涡轮，额 定 转 速 为 １４ ０００ｒ／ｍｉｎ，额 定 输 出 功 率 为 ８０ｋＷ。齿轮变速箱额定 输 入 功 率 为 ８０ｋＷ，额 定 输 入 转 速 为 １４ ０００ｒ／ｍｉｎ，传 动 比 为 ４．６６７∶１。
前面两个方程 表 示 相 平 衡 时 气、液 两 相 温 度
和压力都相等，第 三 个 方 程 表 示 两 相 间 的 质 量 传
递 相 等 ，处 于 传 质 平 衡 状 态 。
１．２ 湿 空 气 焓 和 熵 湿空气的焓、熵、定 压 比 热 等 热 力 学 参 数，可
以利用余函数修正方法计算。该方法是在理想气
１ 湿 化 复 合 工 质 的 热 物 性
假设湿空气气 相 是 蒸 汽、氧 气 和 氮 气 组 成 的
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翁 史 烈 ，等 ：燃 气 轮 机 的 湿 空 气 循 环 性 能 分 析 与 试 验
混合气体，混合气体的状态方程满足 ＲＫ 方程：
Ｐ
＝ｖＲ－Ｔｂ－
槡Ｔ
ａ ·ｖ·（ｖ＋ｂ）
式中：ｐ，Ｔ 和ｖ 分 别 为 混 合 气 体 的 压 力 、温 度 和 体 积；Ｒ
ａ
槡Ｔ
ｌｎ
ｖ＋ｂ ｖ
烏
烐
烑
余项
湿空气的熵：
∫ ∑ （ ） ｓ＝
Ｔ Ｔ０
ｉ＝Ｎ１ｙｉ·Ｃ０ｐ，ｉＴ（Ｔ）－
Ｒｌｎ
Ｐ Ｐ０
＋
烏
烐
烑
标准值
（ ） （ ） （ ） Ｒｌｎ
ｖ－ｂ ｖ
＋
１ ｂ
ｄ ｄＴ
ａ
槡Ｔ
ｌｎБайду номын сангаас
ｖ＋ｂ ｖ
烏
烐
烑
余项
可以看到，采用 ＲＫ 方程作为状态方程时，热
力学状态参数的计算表达式清楚地分为基本项和
余项两部分。ＲＫ 方程可 以 用 来 计 算 水 蒸 气 的 热 物性，令水蒸气的摩尔浓度ＹＨ２Ｏ为１；氮和氧 的 摩 尔组分 ＹＮ２ 和 ＹＯ２ 为 ０，得 到 不 同 温 度 下 的 焓 和
熵，与 符 卡 洛 维 奇 的 水 蒸 气 数 据 比 较，不 同 温 度、 不同压力下蒸汽的热物理及饱和含湿量计算结果 与比较如图１所示。
由图１（ａ）可 以 看 到，与 水 蒸 气 数 据 相 比，采 用 ＲＫ 方 程 计 算 的 熵 误 差 很 小。 例 如：当 Ｐ 为 ０．１ ＭＰａ，Ｔ 为 ４３３ Ｋ 时，熵 值 的 相 对 误 差 仅 为 ０．５％。由图１（ｂ）可以看 到，采 用 ＲＫ 模 型 和 理 想 气 体 混 合 模 型 道 尔 屯 分 压 定 律 ，对 不 同 温 度 、不 同 压力下的饱和含 湿 量 计 算 的 结 果，在 所 研 究 的 温 度 和 压 力 范 围 内 ，采 用 道 尔 屯 分 压 定 律 ，最 大 误 差 可达 ５．５％，表 明 ＲＫ 模 型 的 计 算 结 果 更 符 合 实 际情况。
空气—水系统中的 气、液 两 相 总 是 同 时 存 在 相 互
转 化 ，当 气 相 和 液 相 之 间 的 质 量 传 递 达 到 平 衡 时 ，
相平衡方程就是饱和状态的控制方程：
ＴＶ ＝ ＴＬ；ｐＶ ＝ ｐＬ；ｆｉＶ ＝ ｆｉＬ
式中：ＴＶ 和 ＴＬ 分 别 为 空 气—水 系 统 中 气 相 和 液 相 的 温 度 ；ｐＶ 和 ｐＬ 分 别 为 系 统 中 气 相 和 液 相 的 压 力 ；ｆｉＶ 和 ｆｉＬ 分 别 为 第ｉ组 分 气 相 和 液 相 逸 度 。
体考虑温度对状 态 参 数 影 响 的 基 础 上，进 一 步 考
虑压力的影响，通 过 实 际 气 体 状 态 方 程 导 出 修 正
余函数实现的。
湿空气的焓：
∑ ｈ ＝ ｉ ｙｉｈｉ０（Ｔ）＋ｖＲ－Ｔｂｂ－ａｖＴ＋－０ｂ．５ －
烏烐烑 烏 标准值
烐
余项
烑
［ （ ）］ （ ） １
ｂ
ａ
槡Ｔ
－Ｔ
ｄ ｄＴ
０ 引 言
燃气轮机采用 湿 空 气 涡 轮 （Ｈｕｍｉｄ Ａｉｒ Ｔｕｒ－ ｂｉｎｅ，ＨＡＴ）循环可以 充 分 利 用 循 环 中 余 热，提 高 燃机的热效率，由 于 余 热 的 回 收 其 回 热 器 的 换 热 面积远小 于 蒸 汽 余 热 锅 炉 中 的 蒸 发 段 的 换 热 面 积，因 此 与 燃 气—蒸 汽 复 合 循 环 及 主 蒸 汽 循 环 （ＳＴＩＧ）相 比 ，设 备 的 成 本 可 以 大 幅 降 低 。
第 ３２ 卷 第 ６ 期 ２０１１ 年 １２ 月
电力与能源
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学术前沿 燃气轮机的湿空气循环性能分析与试验
翁史烈，蒲 强，卫琛喻，葛 冰，臧述升，惠 宇，王玉璋
（上 海 交 通 大 学 机 械 与 动 力 工 程 学 院 ，动 力 机 械 及 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 ，上 海 ２００２４０）
上海交通大学对 ＨＡＴ 循环系统从理论到实 验 ，进 行 了 长 期 的 研 究 工 作 ，对 湿 化 过 程 中 的 湿 空 气 热 物 性 、饱 和 器 的 传 热 、传 质 机 理 及 系 统 试 验 开 展 了 深 入 的 研 究，并 通 过 实 际 系 统 试 验 得 出 了 ＨＡＴ 循环装 置 性 能 机 理 性 试 验 结 果，本 文 将 简 单介绍这些研究工作和成果。
Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｈｕｍｉｄ Ａｉｒ Ｔｕｒｂｉｎｅ
Ｗｅｎｇ Ｓｈｉｌｉｅ，Ｐｕ Ｑｉａｎｇ，Ｗｅｉ Ｃｈｅｎｙｕ，Ｇｅ Ｂｉｎｇ，Ｚａｎｇ Ｓｈｕｓｈｅｎｇ，Ｈｕｉ Ｙｕ，Ｗａｎｇ Ｙｕｚｈａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
ＨＡＴ 循环装置采 用 空 气 加 湿 的 方 法 可 以 提 高 燃 机 的 比 功，而 且 空 气 加 湿 燃 烧 还 可 以 减 少 ＮＯＸ 的 排 放。 由 于 ＨＡＴ 循 环 可 在 不 改 变 涡 轮 初温和压比下提 高 其 比 功 及 效 率，这 种 在 成 熟 的 技 术 基 础 上 获 得 的 性 能 改 善，更 值 得 人 们 关 注。 因此２０世纪 ８０ 年 代 日 本Ｙ．Ｍｏｒｉ教 授 提 出 这 种 循 环 后 ，立 即 受 到 一 些 国 际 大 公 司 的 关 注 ，继 而 投 入大量资 金 进 行 研 究 开 发［１］。 瑞 典 的 ＬＵＮＤ 理 工学院 与 皇 家 理 工 学 院 共 同 搭 建 了 第 一 台 ６００ ｋＷ 的 微 型 燃 气 轮 机 试 验 台 （该 试 验 台 基 于 ＶＴ ６００Ｖｏｌｖｏ的单轴燃气 轮 机），并 利 用 试 验 台 对 饱
为气体常数；ａ 和ｂ 为常数。
１．１ 湿 空 气 相 平 衡 方 程 及 饱 和 湿 量 空气—水系统是各种状态空气和水混合物的
统称：其 中 的 气 相 是 水 蒸 气、氮 气、氧 气 和 少 量 其
他气体组成的混合 气 体 （通 常 称 为 湿 空 气）；液 相
是 溶 解 了 少 量 氮 、氧 和 其 他 气 体 的 水 溶 液 。 通 常 ，
和 器 、大 湿 度 燃 烧 室 的 运 行 进 行 了 研 究 ，得 到 了 许 多宝贵的试验数据资料。其后又与英国的纽卡斯 尔大学合作，采用 了 人 工 神 经 网 络 对 该 试 验 台 的 稳态运行工况进 行 了 模 拟，模 拟 结 果 与 试 验 结 果 很 好 吻 合 。 ［２－３］
目前，有关 ＨＡＴ 循 环 装 置 的 研 究 工 作 已 经 不再局限在对大型燃气轮机的 ＨＡＴ 循环结构 以 及性能的分析和 优 化，以 微 型 和 小 型 燃 气 轮 机 为 基础的 ＨＡＴ 循 环 装 置，研 究 开 发 工 作 也 引 起 行 业内的广泛关注。
摘 要 ：对 燃 气 轮 机 湿 空 气 循 环 的 性 能 进 行 了 分 析 ，建 立 了 湿 化 工 质 的 热 物 性 计 算 模 型 ，并 对 基 于 微 型 分 轴 燃 气 轮 机 湿 空 气 循 环 装 置 的 性 能 进 行 了 初 步 试 验 。 试 验 结 果 表 明 ，空 气 加 湿 后 燃 气 轮 机 系 统 的 运 行 性 能 有 明 显 改善，与简单循环系统相比，比功和效率都有很大的提 高。根 据 试 验 条 件 进 行 的 模 拟 计 算 结 果 与 试 验 结 果 能 很好地吻合。 关 键 词 ：微 型 分 轴 燃 气 轮 机 ；燃 气 轮 机 湿 空 气 循 环 ；燃 气 轮 机 性 能 试 验 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４７２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－１２５６（２０１１）０６－０４５３－０４
图 １ 不 同 温 度 、不 同 压 力 下 蒸 汽 的 热 物 性 及 饱和含湿量计算结果与比较
２ 分轴燃气轮机 ＨＡＴ 循环试验系统
ＨＡＴ 循环试验系 统 原 理 图 如 图 ２ 所 示。 经 压气机压缩后的 空 气 进 入 饱 和 器，同 时 在 经 济 器 中吸收排 气 低 温 余 热 的 循 环 水 从 饱 和 器 顶 部 喷 下 ，与 压 缩 后 的 空 气 充 分 混 合 ，湿 化 后 的 湿 空 气 进 入回热器吸收排 气 高 温 余 热 后 进 入 燃 烧 室，高 温 燃 气 经 过 高 压 涡 轮 、动 力 涡 轮 做 功 ，最 终 通 过 回 热
３ 试 验 结 果 及 分 析
在保持供 油 量 为 ４７ｋｇ／ｈ 不 变 的 条 件 下，循 环试验分为先加湿后减湿两个阶 段。第一 阶 段 加 湿，喷 入 饱 和 器 的水 量 由 ０．８ ｍ３／ｈ 逐 渐 增 加 到 １．７ ｍ３／ｈ；第 二 阶 段 减 湿，燃 气 轮机转入 高 工 况 运 行，供 油 量 增 至５７ｋｇ／ｈ，喷 入 饱 和 器 的 水 量 由 １．７ ｍ３／ｈ 逐 渐 减 少 到 ０．６ ｍ３／ｈ。ＨＡＴ 循环 试 验 结 果 如 图 ４所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｕｍｉｄ ｗｏｒｋ ｇａｓｅｓ ｏｆ ｈｕ－ ｍｉｄ ａｉｒ ｔｕｒｂｉｎｅ（ＨＡＴ）．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｉｃｒｏ ｔｗｏ－ｓｈａｆｔ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＨＡＴ ｃｙｃｌｅ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍ－ ａｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｃｙｃｌｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｃｙｃｌｅ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｆｉｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ ｔｗｏ－ｓｈａｆｔ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ＨＡＴ ｃｙｃｌｅ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ