燃气轮机热力循环性能的分析计算

时间：2015-12-20 23:27:27 所属分类：天然气工业 浏览量:

摘 要：本文基于热力学第二定律，从能量利用的角度出发，引入无量纲熵参数，对燃气轮机装置热力性能参数进行热力性能完善程度评价与分析，为燃气轮机装置的热力性能优化设计提供技术途径。 关键词：燃气轮机；热力循环；性能；分析；计算 1.引言 二十世纪80

摘　要：本文基于热力学第二定律，从能量利用的角度出发，引入无量纲熵参数，对燃气轮机装置热力性能参数进行热力性能完善程度评价与分析，为燃气轮机装置的热力性能优化设计提供技术途径。

关键词：燃气轮机；热力循环；性能；分析；计算
1.引言
　　二十世纪80年代以来，燃气轮机热力循环方面的研究取得了长足的进步，其中热点之一是注蒸汽燃气轮机循环的研究。它不仅具有高效率、高比功的特点，而且它在变工况性能、污染控制等方面的优越性也倍受国内外研究者的青睐。目前世界上正研制和开发的、比较先进的燃煤发电技术是整体煤气化联合循环和增压流化联合循环。本文将整体煤气化联合循环中的先进燃煤技术与注蒸汽循环结合起来，对循环进行了热力学分析计算，就各参数对循环性能的影响进行了探讨。
2.循环过程简介
　　煤在气化炉中形成粗煤气，经过热交换器，降温放热以加热给水产生回注用蒸汽，再经过脱硫、除尘变为洁净煤气，作为循环所用的燃料进入燃烧室。在燃烧室中煤气与空气燃烧后与注入的蒸汽混合，达到燃气轮机人口温度，再在涡轮中膨胀做功。余热锅炉一般不需要补燃，利用燃气轮机排气来加热处理过的水，使之变为过热蒸汽，注入燃烧室。
3.循环分析
　　煤炭的气化是在气化炉中进行的。目前，就气化炉的床型而论可分为喷流床气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉。虽然，各种气化炉产生的煤气成份有所不同，但一般情况下，经过除尘和脱硫的洁净煤气（循环所用燃料）成份有以下几种：H2、CO、C02、N2、Ar、CH4、H20，设各种成份相应的摩尔百分比为：m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7。
　　循环输入参数：
　　气化炉选择为PRENFLO气化炉，气化炉出口温度为1200℃。煤气净化装置的入口温度为200℃，出口温度为200℃。煤种选择Ensdorf煤（德国），Q￡=31 150 l（J／kg，K=10．35，≯=0．988）。清洁煤气的摩尔比m～m7分别取0．28，0．655，0．012，0．037，0．00045，0，0．015。
　　压气机进口空气温度20℃，压气机绝热效率和透平相对内效率均为0．9。
　　燃烧室和余热锅炉的压力损失系数分别为0．03，0．02，取燃烧室效率为O．98。
　　排向大气的燃气温度至少高于露点温度20℃。余热锅炉和煤气化装置中热交换器b的热端温差△t4-6、△t8-11越小，系统对余热的回收越充分，系统的热效率和比功越高。在下面的计算中，△t4-6、△t8-11均取计算条件中所规定的气一气换热器温差最低值20℃。
　　与其它燃气轮机循环相同，压比和温比是影响IGSTIG循环性能的主要参数，当初温为1300℃，压比在20。40范围内，循环的热效率可达45％～48％，而在相同参数条件下，燃油或天然气的STIG循环的效率为49％。54％，效率下降的原因是煤的气化损失。
　　根据燃气轮机装置实际应用中的常规运行参故，取循环进气温度约为290 K、压力约为100KPa；最高温度约为1 500 K，压气机绝热效率为0．85，燃气轮机的相对内效率为0．87，设循环中气体从1300 K的高温热源吸热，向290 K的低温热源放热，燃气轮机装置常观性能参数与根据上述讨论得到的考虑M尽可能。
　　无论是简单的还是复合的燃机循环都有一个最佳压比存在，IGSTIG循环的最佳压比在初温1100℃、12000C、1300℃时分别为29、40、46，而燃油或天然气的STIG循环的最佳压比在相同初温时分别为26、35、39，这是由于IGSTIG循环烧热值较低的煤气，燃料消耗量较大，燃烧后生成的燃气量也较大，从而拉大了透平功和压气功的差距，因此要在稍高的压比下才达到最高效率。
　　在相同初温下，IGSTIG循环达到最佳压比时对应的比功值要比燃油STIG循环达到最佳压比时所对应的比功值高，一方面是由于IGSTIG循环的燃料消耗量较大，燃气量也较大使比功增大，另一方面由于IGSTIG循环回收煤气化显热产生了更多的回注蒸汽，致使比功也相应提高。
　　当温比、压比一定时，注蒸汽比与循环热效率和比功的关系明显。循环比功随着注蒸汽比的增加而增加；循环热效率随着注蒸汽比的增加达到最大值后，进一步增加注蒸汽比，已没有足够的余热供回收，这将导致热效率的下降。
4.结论
　　本文将煤气化技术与注蒸汽循环结合起来，构造了以煤气化产物为燃料的注蒸汽燃气轮机循环，并对系统进行了热力学分析，结果表明，IGSTIG循环虽然由于增加了煤气化装置而必然引起附加损失，但又由于煤气化显热得以有效回收以及最佳压比的提高，而使其循环性能与燃油或天然气的如G循环相近，是很有发展前途的燃煤发电技术。所得结论如下：
　　a．对于相同条件下，燃气轮机装置有回热和无回热相比，得到明显的提高；且可通过增大r来获得较大的值。
　　b．回热式燃气轮机装置循环在d较小情况下，M随着丌的增加而减小，随着r的增加而增加；在d较大的情况下，随着丌的增加而增加，随着r的增加而减小。
　　c．M随着d的增加而逐渐减小。为减小熵产，口应大于0．7；在Tm／TLR越大时，仃应尽可能大，但应用中若盯过大，将增加回热器投资费用、尺寸、重量等，不利于实际生产，因此工程中可根据情况适当选择。

参考文献
[1]章名耀，李大骥等．关于我国发展先进燃煤发电技术的建议[J]．动力工程，2009，14（2）
[2]焦树建．烧煤的燃气一蒸汽联合循环装置[M]．北京：清华大学出版社，1994
[3]严家禄，杨玉顺，刘明著．烃类燃料的燃气热力性质表[M]．科学出版社，2009

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