_燃气轮机总能系统及其能的梯级利用原理

1 热能梯级利用原理概述
总能系统是通过系统集成把各种热力过程有机 地整合在一起 , 来同时满足各种热工功能需求的能 量系统 , 系统集成理论对总能系统的设计优化 、新系 统开拓以及应用发展等都是至关重要的 , 而其本质 特征在于不同热力循环和用能(供能)系统的有机整 合与集成 。 基于“温度对口 、梯级利用”原理集成的 热力系统为热工领域的总能系统 。 但要特别指出的 是 , 总能系统不是多个循环或系统的简单叠加 , 而是 基于能的梯级利用原理集成的一体化系统 。 以燃气 轮机为核心而集成的燃气轮机总能系统比其他热机 的总能系统更具发展潜力 , 这是源于燃气轮机的固 有特性 :①它是高温加热并伴随着高温排热的热机 , 虽然在简单循环时效率比较低 , 但组成总能系统时 能很好实现物理能梯级利用 , 既能充分发挥燃气轮 机高温加热优势 , 又避免较高温排热损失大的缺陷 , 显示出很好的总体性能 。 ②它是高速旋转的动力机 械 , 且气体工质朝着一个方向连续流动 , 既易于单机 大型化 , 又可以做到微型化 。 ③其热力循环的四个 热力过程是分在各自单独的部件或子系统中完成 , 这便于按不同需要和能的综合梯级原理进行系统集
第 21 卷 第 1 期 2008 年 3 月
《 燃 气 轮 机 技 术》 GAS TURBINE TECHNOLOGY
Vol.21 No .1 M ar ., 2008
燃气轮机总能系统及其能的梯级利用原理
林汝谋 , 金红光 , 蔡睿贤
(中国科学院工程热物理研究所 , 北京 100080)
图 2 典型总能系 统能量平衡示意图
对于各种热能转换利用系统 , 系统集成的关键 在于热能梯级利用 。 从典型的系统能量转换与利用 平衡方程(如对图 2 所示的情况), 不难推得相关的 通用基本方程 。
纯产功的系统出功与燃气侧出功之比为 :
Wcc Wgt
=ηηcgct
=WgtW+g tWst
=f (B3
从以上两式可以看出 , 当简单循环燃气轮机集
成为联合循环或功热并供等总能系统时 , Wcc/ Wgt和 (Wcc +QR)/ Wgt 或(ηcc/ ηgt )和(η1/ ηgt)等表达了不 同热力循环的结合和不同用能系统一体化整合时的
总能系统性能提升情况 , 即系统热能梯级利用完善
度 。它们与各热力循环技术 系数(B3 , B 4)有关 , 即 与各循环部件集成优化及其技术水平有关 ;而更重
要的是与系统 中各种能量转换利用时 的热能品位
(A3 , A4 , Ai , AR 等)密切相关 。
能量品位 ;
Ai —加入蒸汽循环的其它蒸汽热源品位 。
对功热并供系统则有 :
Wcc +QR Wgt
=ηηg1t=f (B3,来自B4,A3
,
A4
,
Ai
,
AR)
(2)
式中 :QR —系统有效热输出 ; AR —功热并 供系 统有 效热 能输 出 的热 能品
位;
η1 —系统热力学第一定律效率(即系统的能源
利用率)。
成 。 ④其热力性能与热力参数密切相关 , 特别是随 着透平初温提高而大大改善 , 它比大多数热机都有 更大的提高性能(含环保)空间 。 现在 , 燃轮机总能 系统已显示了更大的竞争力和更好的总体性能 , 已 得到电力 、石化 、冶金等部门的广泛应用 , 其主要形 式有 :联合循环发电装置 , 功热并供系统 , 余能利用 系统 , 先热利用系统以及能源综合体等 。
Qgt —输入燃气轮机循环的能量 ;
Qst —输入蒸汽循环的能量 ; B3 —燃气侧循 环技术系数(即考虑 有关部件
技术实时水平等对系统性能的影响);
A3 =1 -T0/ T3 =1 -1/ τ, 即燃气 侧循环热源
的能量品位 ;
B4 —蒸汽侧循环技术系数 ;
A4 =1 -T0/ T 4 =f (τ, ε), 蒸汽侧循环热源的
本文特为纪念杰出科学家吴仲华先生 诞辰 90 周年而写 。 主要介绍他对“温度对口 , 梯级利用” 与 总能系统的论述并概述在其基础上拓展的一些研究 成果 , 包括联合循环的梯级利用原理 、热(或和冷)功 联产的梯级利用原理 、以及中低温热能的梯级利用 原理等 。还通过许多典型实例研究 , 剖析系统集成 的能量(侧重热能)梯级利用机制 和特性规律 。 现 在 , 吴先生虽然与世长辞 , 但我们永远也不会忘记他 将毕生精力无私地奉献给祖国和人类的能源动力事 业的功绩 , 吴先生的事业心和爱国心将永远激励着 继续从事能源动力事业的广大科技人员 。
级利用 , 从总体上安排好功 、热(冷)与物料内能等各 种能量之间的匹配关系与转换使用 , 在系统高度上 综合利用好各种能源 , 以取得更好的总效果 , 而不仅 是着眼于单一生产设备或工艺的能源利用率或其他 性能指标的提高” 。
为了深入进行相关的系统研究 , 他组建了联合 循环课题组(本文三位作者先后担任组长), 20 多年 来 , 承担与完成了数十项国家级重要科研项目 , 全面 拓展和阐明了热能梯级利用理论 , 逐步形成热能梯 级利用原理的热力系统基础理论体系 , 研究提出与 分析了多种新型热力循环 。
,
B4
,
A3
,
A4
,
Ai )(1)
Wgt =ηgt Qf =B3 A3Qgt =f(B3 , A3 , ε) (1a)
Wst =ηst Qst =B4 A4 Qst =f(B4 , A4 , Ai) (1b)
式中 :Wgt —燃气循环功率 ; Wst —蒸汽循环功率 ;
Qf —输入系统的燃料能量 ;
1980 年吴仲华先生在中共中央书记处举办的 科学技术知识讲座报告《中国的能源问题及其依靠 科学技术解决的途径》中 , 提出各种不同品质的能源 要合理分配 、对口供应 , 做到各得其所 , 提倡按照“温 度对口 、梯级利用”原则 , 大力发展各种联合循环与 热电并 供 、余能 利用 等总能 系统 。 1988 年 他主 编 《能的梯级利用与燃气轮机总能系统》一书[ 1] , 对能 的梯级利用与总能系统做了全面阐述 。 温度对口 、 梯级利用的热力系统 , 通常被称为狭义总能系统(下 面简称为总能系统)。目前还没有世界公认的定义 , 比较普遍的一种说法是 :“按照能量品位高低进行梯
吴仲华先生从能量转化的基本定律出发 , 阐述 了能的梯级利用与品位概念 , 提出“ 温度对口 、梯级 利用”原理(图 1)。从这个基本原理出发 , 他提出把 燃气轮机和其他用能系统关联起来 , 综合考虑能源 的综合梯级利用 , 组成总能系统 。因此 , 热能的梯级 利用就成为能 源动力系统集成开拓的 核心科学问 题 。不同的总能系统体现“热能梯级利用”的集成原 理和方法有很大的差别 , 即要针对指定的具体功能 和条件 , 从 不同思路采用多 种措施和组合 。 例如 : (1)“联合循环的梯级利用” 。 对于联合循环系统来 说 , 一般高品位(高温)的热能首先在高温热力循环 (如燃气轮机)中做功 , 而中 、低品位(中 、低温)的排
摘 要 :吴仲华先生从科学 原理出发 , 阐述热力系统中能 的梯级利用与品位 概念 , 倡导 总能系统 , 提出了著名 的 :温度对口 、梯级利用” 原理 。 这里 , 介绍他的部分论述和我们对它的理解 , 侧重概述作者等在其基础上的相 关拓展 , 包括联合循环的梯级利用原理 、热(或和冷)功联产的梯级 利用原理 、以及中低温热能的梯级利用原理 等 。 还通过许多典型实例研究 , 剖析系统集成的能量梯级利用机制和特性规律 。 能量梯级利用原理是热力系 统及其转换利用过程的核心科学问题 , 不仅为热力循环系统集 成开拓提 供理论依据 , 而且 为相关的 系统设计 优化等指明有效途径与方法 。
关 键 词 :燃气轮机 ;总能系统 ;能的梯级利用 ;系统集成 。
中图分类号 :TK471, TM611.3 文献标识码 :A 文章编号 :1009-2889(2008)01 -0001-12
编者按
2007 年是我国著名的工程热物理学家吴仲华院士诞辰 90 周年(1917 -1992)。 20 世纪 50 年代初他发表 的“轴流 、经流和混流式亚声速与超声速叶轮机械中三元流动的普遍理论”论文 , 被国际上誉为吴氏通用理 论 。吴先生是位杰出的科学家 , 更是位爱国者 。他对我国能源动力事业倾注了大量心血 , 做出了重大贡献 , 他的真知灼见影响深远 。 他创建的三元流动理论是燃气轮机设计的理论基础 , 更主要的是他对燃气轮机在 国防和能源利用中具有的重要作用作了重要论述 , 吴先生回国伊始就在清华大学创建我国第一个燃气轮机 专业和教研组 , 为我国培养了大批燃气轮机的专业人才 。他还多次参加我国燃气轮机发展规划制定与决策 , 描绘我国研发工业燃气轮机的蓝图 , 提出发展策略和具体建议 。 1980 年他在中央书记处举办科学技术讲座 的讲课中 , 提出能源利用必须“分配得当 、各得其所 、温度对口 、梯级利用” , 从而把燃气轮机应用提高到“能的 梯级利用的总能系统”高度来认识 。 在纪念吴仲华先生诞辰 90 周年之际 , 特发表他生前三位助手与学生撰 写的文章 , 以从一个侧面来缅怀这位伟大科学家的科学精神和爱国情怀 。
收稿日期 :2007-11-12 改稿日期 :2007-11-20 基金项目 :国家 973 计划多联产项目(2005CB221207)等资助 。
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燃气轮机技术
第 21 卷
从 20 世纪 80 年代 初吴先生倡导 总能系统 概 念 , 至今已有 20 多个年头 。 在这期间 , 世界能源动 力系统开拓发展正是按照这个思路展开[ 1-9] , 而我 国许多科学和技术发展规划中能源领域的具体内容 与发展思路 , 都可 看到这个科学用 能思想的影响 。 现在 , 能的梯级利用原则已成为能源动力系统集成 开拓的关键核心科学问题 , 他倡导的总能系统已成 为能源科学发展的主流思想 , 对能源科学技术和能 源学科 、乃至国民经济发展都产生了巨大而深远的 影响 。
图 1 能的梯级利用示意图
热和系统中其它余热与废热回收后再在中 、低温热 力循环(如汽轮机)中实现热功转换 , 然后利用系统 流程和参数的综合优化 , 使各循环实现合理的匹配 , 减小系统不可逆损失 , 从而获得总能系统性能最优 。 (2)“热(或和冷)功联产的梯级利用” 。 对于热功或 冷热电联产系统集成时 , 则侧重于按照热能品位的 高低对口进行梯级利用 , 从系统层面安排好功 、热或 冷与工质内能等各种能量之间的配合关系与转换使 用 , 以便在实现多种热功能目标时达到最合理用能 。
第 1期
燃气轮机 总能系统及其能的梯级利用原理
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(3)“高效利用系统中低温热能的梯级利用” 。 对注 蒸汽燃气轮机循环(STIG)和湿空气透平循环(HAT) 等系统 , 系统集成的侧重点在于通过热能梯级利用 来高效利用系统中各种中低温余热与废热 。
热能转换利用时不仅有数量的问题 , 还有能的 品位的问题 。热能的品位是指单位能量所具有可用 能的比例 , 它常常被认为热能温度所对应的卡诺循 环效率 。 本研究集体全面拓展了“温度对口 、热能梯 级利用”原理 , 包括 :基于热源品位概念的“联合循环 的梯级利用原理” ;基于热机(热功转换)和供热利用 优化整合的“热(或和冷)功联产的梯级利用原理” ; 基于 高效 梯级利 用 各种 余 热 与 废 热 的“ 中 低 温 热 能 的梯级利用原理”等 。 不仅为热力循环系统集成开 拓提供了理论依据 , 而且还揭示了各种类型典型能 源动力系统中能量转换利用过程或系统的热能梯级 利用机理 , 为相关的系统设计优化 , 包括不同循环与 不同用能系统的整合等 , 指明有效途径与方法 。 用 以实现热功转换功能的热力循环是热机发展的理论 基础 , 其相关的核心科学问题就是热能的梯级利用 , 它从能的“质与量”相结合的思路进行系统集成 , 其 本质是如何实现系统内动力 、中温 、低温余热等不同 品位能量的耦合与转换利用 。 热力循环是利用受热 后工质温度到环境温度之间的温区范围内热能 , 所 以系统集成的好坏取决于这部分热能利用的充分性 和有效性 。