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雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2019-07-02 12:12:42姜成果王寶玉魏司琪李艷梅
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2019年6期
關(guān)鍵詞:壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)

姜成果, 王寶玉, 魏司琪, 李艷梅, 張 勇

(通化師范學(xué)院 物理學(xué)院, 吉林 通化 134002)

0 引 言

熱能是由一次能源轉(zhuǎn)換來(lái)的最主要形式,然后再轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而被利用,該轉(zhuǎn)換裝置就是熱機(jī)[1]。然而,熱機(jī)的熱效率很低。汽油機(jī)的熱效率為20%~30%,柴油機(jī)的熱效率為37%~42%,燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)循環(huán)熱效率為32%~40%,雙機(jī)聯(lián)合循環(huán)熱力機(jī)組的熱效率為52%~60%,程氏循環(huán)的熱效率約為53%,國(guó)產(chǎn)20萬(wàn)kW汽輪機(jī)熱效率為44%左右。熱機(jī)的效率如此低,迫使人們思考40%~80%的熱量都去哪了?一部分是壓氣機(jī)壓縮空氣消耗了;一部分因過(guò)程不可逆耗散了;一部分是強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)散失了;一部分通過(guò)尾氣釋放到大氣中去了。

本文從能量梯階利用原理出發(fā),設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī),對(duì)浪費(fèi)的能量進(jìn)行回收和高效轉(zhuǎn)換,收到了較好效果。

1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作過(guò)程

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī),增添了散失熱量回收系統(tǒng)、燃燒室冷卻系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、低溫燃燒系統(tǒng)和消除噪音系統(tǒng)等,具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2-4]。

1.2 工作過(guò)程

壓氣機(jī)4壓縮空氣和燃料混合在燃燒室6中完成

1-減速機(jī)渦輪;2-減速機(jī)殼;3-蝸桿;4-三級(jí)壓氣機(jī)葉;5-換氣閥;6-燃燒室;7-冷卻水套;8-相變室;9-雙氣換熱室;10-燃?xì)鉁u輪;11-三級(jí)換熱器;12-排氣管;13-汽水分離器;14-蓄水箱;15-換熱器混頻腔;16-一級(jí)換熱器;17-冷凝室;18-出水口

圖1 雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

燃燒,高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)燃燒室內(nèi)壁將一部分熱量傳導(dǎo)給冷卻水套(二級(jí)換熱器)7中的來(lái)自于一級(jí)換熱器16的溫水;另一部分通過(guò)波形隔離板傳導(dǎo)給相變室8。第二工質(zhì)(大氣溫度的純凈水)注入蓄水箱14后,進(jìn)入換熱器排管16,尾氣經(jīng)過(guò)混頻腔15從排管16中通過(guò),給排管16加熱,從換熱器16中流出的溫水進(jìn)入冷卻水套7對(duì)燃燒室6內(nèi)壁進(jìn)行冷卻,升溫后再進(jìn)入三級(jí)換熱器11,冷卻混合換熱室9。大量的熱會(huì)使部分水發(fā)生相變,形成汽水共存狀態(tài)。其中的水蒸汽被汽水分離器13分離出加到混合換熱器9中進(jìn)行換熱,其中熱水通過(guò)霧化器以極高的速度噴進(jìn)相變室8,接觸高溫波形隔離板,瞬間發(fā)生相變,經(jīng)多次碰撞,吸收波形板的傳導(dǎo)熱和輻射熱完成相變,然后在相變室8出口和燃燒室6出口處雙氣混合換熱,成為理想氣體[5-6]。通過(guò)旋流導(dǎo)管吹向燃?xì)鉁u輪10做功,使渦桿3轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)減速機(jī)渦輪1發(fā)電。尾氣從排氣管12中排出,若直接排入大氣會(huì)產(chǎn)生刺耳的嘯叫聲。導(dǎo)入換熱器,經(jīng)過(guò)混頻腔15分流后再混合,使頻率極度升高,再經(jīng)過(guò)排管16進(jìn)行冷卻降壓混頻,從排管16排出后再次混頻從排氣尾管排出大氣。音強(qiáng)降低,超出人耳的分辨范圍,實(shí)現(xiàn)消音目的[7]。從排管15中排出的不再是水蒸汽,而是水霧,進(jìn)入冷凝室,大部分水蒸汽凝結(jié)成水流到凝水室下方,由出水口流出進(jìn)行收集,循環(huán)使用,少量的水蒸汽和尾氣排入大氣。

2 回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)熱效率分析

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率

某大型陸上燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)(見(jiàn)圖2)輸出凈功率為100 MW,循環(huán)的最高溫度為1 600 K,最低溫度為300 K,循環(huán)最低壓力為100 kPa,壓氣機(jī)壓比π=14。壓氣機(jī)絕熱效率為0.85,燃?xì)廨啓C(jī)的相對(duì)內(nèi)效率為0.88,空氣比熱容取定值(cp=1.005 J/g)。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)

(1) 壓氣機(jī)消耗的功率、循環(huán)空氣的流量和循環(huán)的熱效率。

狀態(tài)1:p1=100 kPa,T1=300 K。

狀態(tài)2:p3=p2=1 400 kPa。

T2S=T1(p2/p1)(k-1)/k=T1π(k-1)/k=637.63 K

狀態(tài)3:p3=1 400 kPa,T3=1 600 K。

狀態(tài)4:p4=100 kPa。

T4=T3-ηT(T3-T4S)=854.5 K

(2) 循環(huán)中1 kg工質(zhì)在壓氣機(jī)內(nèi)耗功、燃?xì)廨啓C(jī)輸出功及循環(huán)凈功。

ωC=h2-h1=cp(T2-T1)=399.2 J/g

ωT=h3-h4=cp(T3-T4)=749.2 J/g

ωnet=ωT-ωC=350.0 J/g

循環(huán)工質(zhì)流量

壓氣機(jī)功率

PC=qmωC=114.051 4 MW

燃?xì)廨啓C(jī)功率

PT=qmωT=214.046 4 MW

熱流量

qQ1=qmq1=qm(h3-h2)=

qmcp(T3-T2)=259.219 6 MW/s

循環(huán)熱效率

ηt=(PT-PC)/qQ1=0.386

2.2 回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)的熱效率

在定壓加熱簡(jiǎn)單循環(huán)的基礎(chǔ)上采用回?zé)崾翘岣呷細(xì)廨啓C(jī)裝置的熱效率的一種有效措施。圖3所示為具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置流程的示意圖,其簡(jiǎn)化的回?zé)嵫h(huán)的T-s圖如圖4所示。

圖3 具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置流程示意圖

圖4 極限回?zé)崂碚撗h(huán)

由于工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功后,溫度T4還相當(dāng)高,向冷源放熱造成很大的熱損失。若在裝置中增添一個(gè)回?zé)崞鱍,利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量加熱壓縮后的空氣。極限的情況下可以把壓縮后的空氣加熱到T5=T4,同時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)的排氣冷卻到T6=T2。這樣,工質(zhì)自外熱源吸熱過(guò)程為5-3,吸熱量q1=h3-h5=53hf5(面積)。與無(wú)回?zé)嵫h(huán)的吸熱過(guò)程2-3比較,吸熱減少相當(dāng)于25fe2(面積)。同時(shí),循環(huán)凈功ωnet不變,仍相當(dāng)于12341(面積)。顯然,采用回?zé)岷笱h(huán)熱效率提高到3,在燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)際循環(huán)1-2′-3-4′-1中(見(jiàn)圖5)。

圖5 極限回?zé)岬膶?shí)際循環(huán)

采用回?zé)嵬瑯涌梢蕴岣哐b置的內(nèi)部熱效率。如果采用極限回?zé)?,可以把壓縮后的工質(zhì)加熱到T5=T4′,膨脹后的工質(zhì)冷卻到T6=T2′。極限回?zé)犭m然對(duì)提高裝置的內(nèi)部熱效率最為有利,但所需的回?zé)崞鲹Q熱面積趨于無(wú)窮大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)。實(shí)用上選取

σ=(h7-h2′)/(h4′-h2′)=0.7

若近似地將比熱容當(dāng)作定值,則σ=(T7-T2′)/(T4′-T2′)。保證圖3的其他條件不變,此時(shí)裝置加熱量q=h3-h7,較無(wú)回?zé)釙r(shí)少了h7-h2′。裝置的內(nèi)部功未變而加熱量減少,使裝置循環(huán)熱效率提高到3(見(jiàn)圖5),p1=100 kPa,T1=300 K;p2=1.4 MPa,T2′=697.2 K;p3=p2=1.4 MPa,T3=1 600 K;p4=100 kPa,T4′=854.5 K;ωnet=350.0 kJ/kg。

由σ=(T7-T2′)/(T4′-T2′)得:

T7=T2′+σ(T4′-T2′)=807.3 K

q1=h3-h7=cp(T3-T7)=800.3 J/g

循環(huán)效率ηt=ωnet/q1=0.437。

2.3 發(fā)電機(jī)的輸出功率和熱效率

2.3.1 1 kg汽油完全燃燒所需空氣量

汽油燃燒時(shí)氣燃比理論值:1 740∶114=15.26∶1.00。取過(guò)量空氣系數(shù)為1.2,那么實(shí)際氣燃比為18.31∶1.00,1 kg汽油完全燃燒所需空氣量為18.31 kg[8]。

2.3.2 1 kg汽油完全燃燒所需的冷卻工質(zhì)量

1 kg汽油完全燃燒放出的熱量為44.82 MJ[9],熾熱點(diǎn)高達(dá)2 300 K,若沒(méi)有冷卻工質(zhì),很多金屬都熔化了。燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣占總空氣量的60%~80%,這些空氣消耗了燃?xì)廨啓C(jī)大部分機(jī)械功[10]。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)是用水作為冷卻工質(zhì),需要多少冷卻水呢?

T8S=T1(p8/p1)(k-1)/k=1301.34 K

設(shè)工質(zhì)膨脹做功的溫度T9=1 073 K,則

q2=qm1(T8-T9)cp=42 865.38 kJ

(2) 1 kg水當(dāng)溫度達(dá)到T9時(shí)所具有的焓為h9,1 kg水成為膨脹做功的工質(zhì)在燃?xì)庵形盏臒崃繛閝3。

燃燒5.78 kg的汽油所需冷卻水的質(zhì)量

2.3.3 混合氣體膨脹做功后的溫度

2.3.4 發(fā)電機(jī)的輸出功率

水蒸氣所做的軸功為ωS,T,ωS,T=qm2(h9-h10)=141.269 MJ。給水泵所消耗的軸功一般只占汽輪機(jī)所輸出軸功的2%左右,則

ωS,P=2.8 MJ

燃?xì)馑龅妮S功

ωT1=qm1cp(T9-T11)=102.945 kJ

壓縮空氣所消耗的功

ωC1=qm1cp(T8-T1)=125.295 kJ

雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)的輸出功率

P′=ωs,T-ωs,p+ωT-ωc1=116.154 MW

2.3.5 發(fā)電機(jī)的熱效率

雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)總的熱效率

3 發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

(1) 雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)不存在熾熱點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度高,熾熱點(diǎn)在2 000 ℃以上,這么高的溫度,氮?dú)鈺?huì)被氧化,二氧化碳會(huì)被第2次熱解,對(duì)周圍環(huán)境污染很嚴(yán)重。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)采用紅外線網(wǎng)低溫燃燒技術(shù),不存在熾熱點(diǎn)。

(2) 二氧化碳排放量小。做相同的功,耗油量降低了,燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的排放量也相對(duì)減小了[13]。

(3) 減少了對(duì)渦輪的熱傷害。燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度為1 600 K,雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)工作溫度為1 073 K,減小了熱傷害。

(4) 減小了自耗功。燃?xì)廨啓C(jī)供氧和冷卻消耗53.28%透平功,雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)用水冷卻,壓氣機(jī)只提供燃料燃燒所需的氧氣,自耗功非常小,給水泵所消耗的軸功一般只占水蒸氣所做軸功的2%左右。

(5) 輸出功率高。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)減少了自耗功,回收了尾氣和強(qiáng)制冷卻的一部分熱量,總的熱效率比回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)高出1.11%,所以輸出功率高,經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀[14-16]。

(6) 用途比較廣泛。雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)熱效率高、功率覆蓋面大、自耗功小、排放標(biāo)準(zhǔn)高,適合火力發(fā)電廠、備用電站、工程機(jī)械等裝用。

3.2 缺 點(diǎn)

在雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)中燃?xì)夂驼羝旌献龉螅瑫?huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定碳酸氣體,碳酸氣體對(duì)鐵的腐蝕很嚴(yán)重,在生產(chǎn)實(shí)踐中會(huì)逐步解決這個(gè)的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)制作了雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī),取得了有益效果。通過(guò)水冷卻替代空氣膜冷卻,減少了壓氣機(jī)的自耗功,提高了輸出功率。采用水冷卻后,燃?xì)夂驼羝旌吓蛎涀龉r(shí)氣體的溫度為800 ℃,減少了熱傷害。通過(guò)回收尾氣和強(qiáng)制冷卻的部分熱量,使水發(fā)生相變成為工質(zhì),參與做功,提高了循環(huán)熱效率。燃燒相同的燃料比回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)熱效率高1.11%,經(jīng)濟(jì)價(jià)值相當(dāng)可觀。由于占地面積小,排放標(biāo)準(zhǔn)高,市場(chǎng)發(fā)展前景非常廣闊。

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