化學回熱循環的蒸汽系統熱力設計

宋少雷，舒春英，謝瑜玻

（1. 海裝沈陽局，黑龍江 哈爾濱 150078；2. 中船重工集團第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078，3. 中船重工集團第七〇四研究所，上海 200031）

化學回熱循環的蒸汽系統熱力設計

宋少雷1，舒春英2，謝瑜玻3

（1. 海裝沈陽局，黑龍江 哈爾濱 150078；2. 中船重工集團第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078，3. 中船重工集團第七〇四研究所，上海 200031）

分析了利用燃氣輪機高溫余熱的蒸汽發生系統的設計準則，并基于某型燃氣輪機設計了用于構建化學回熱循環燃氣輪機的一種蒸汽發生系統。設定了該蒸汽發生系統的設計點工況并對各主要部件進行了熱力設計，建立該系統的熱力性能計算模型。計算了設計點性能參數并校驗了計算精度，出口蒸汽和煙氣的各主要性能參數的最大誤差為0.4%，所設計系統可用于燃氣輪機系統的性能分析。系統符合能量梯級利用原則，低工況時也能充分利用余熱，變工況時所產生蒸汽參數穩定。

燃氣輪機；化學回熱循環；蒸汽發生系統；熱力設計

0 引言

全球一次能源消耗量在不斷地增長；我國占全球一次能源消耗量的比例在也一直在增加，到2011年已經達到21.29%[1,2]。全球CO2的排放量逐年增加，而我國的排放量增長更為迅速。我國占全球CO2排放量的比例由1986年的9.82%急速增加到2011年的26.38%[3,4]。可見，節能環保已是全社會非常迫切的任務。

燃氣輪機由于其單機功率大，比質量小，機動性好，振動噪聲小，壽命長，運行平穩，維護方便等優點得到廣泛地應用。但是燃氣輪機簡單循環具有熱效率不高、特別是低工況效率低、污染排放量不達標等缺點[5]。燃氣輪機的技術改造是解決以上能源和環境問題的一個重要手段。主要的途徑是采用不同的方式回收燃氣輪機的高溫余熱并以余熱為能源來改善燃燒狀況。目前使用較多的燃氣輪機改造方式有：燃-蒸聯合循環——利用燃氣高溫余熱產生蒸汽作為蒸汽輪機的工質產生輸出功[6-8]，濕空氣循環——利用余熱產生蒸汽與壓氣機出口的空氣混合以實現能量回收[9]，注蒸汽循環——利用余熱產生蒸汽注入燃燒室實現能量回收并改進燃燒狀況[10]，化學回熱循環——采用化學反應回收煙氣余熱并改善燃料品質[11,12]。

以上幾種方案都需要一套充分利用煙氣余熱產生蒸汽的系統，目前，各種余熱回收方案得到廣泛研究。主要的蒸汽產生方案是采用余熱鍋爐。但是采用余熱鍋爐技術產汽量較少；低工況時難以產生蒸汽；變工況時產生的蒸汽參數變化大，易對系統產生沖擊[13,14]。

為克服這些困難，目前也采取各種措施，改進余熱鍋爐技術，主要的改進手段有采用多壓系統；這種措施增加了系統的受熱面，升高燃氣輪機背壓，有降低系統效率的趨勢，提高系統復雜性，增加成本。采用再熱設備，尤其是在低工況時采用該方案，會使系統總體效率降低。另外，還有太陽能輔助技術，利用太陽能將給水加熱到飽和狀態，煙氣對蒸汽進行過熱；目前而言，該方案使系統復雜，成本較高[15,16]。

本文將提出一套應用于燃氣輪機的蒸汽生產系統，并以構建化學回熱循環燃氣輪機系統為目標對其進行熱力設計，驗證設計結果。

1 計算模型

1.1 系統結構

當前常用的蒸汽發生裝置是余熱鍋爐，余熱鍋爐的結構如下圖 1所示，主要由預熱器，蒸發器和過熱器組成。過熱器中，高溫煙氣加熱飽和蒸汽；蒸發器中煙氣加熱給水蒸發；預熱器中低溫煙氣預熱給水。余熱鍋爐蒸汽產量較低，而且低工況時難以產生蒸汽，為改善這種狀況，一般會在余熱鍋爐中提供額外的能源輸入。如圖 2所示的太陽能余熱鍋爐，采用太陽能加熱來提供蒸發器的能量，大大提高了蒸汽產量和低工況時的性能。相似的方案有補燃式余熱鍋爐。這些方案是系統結構復雜，增加了建設成本，補燃式方案也難以帶來系統的熱效率提高。

圖1 余熱鍋爐基本結構

圖2 太陽能余熱鍋爐基本結構

燃氣輪機的排氣溫度較高，通常在500℃上下，可以用來生產蒸汽，產生蒸汽可以作為動力系統的工質或者其他用途。當燃氣輪機運行在低工況時，排氣溫度降低但仍然攜帶較高的能量，可能難以產生足夠品質的蒸汽以便于作為動力裝置的工質；此時蒸汽發生系統應該能產生較低品質的蒸汽以提供其他用途。基于以上原則和以上所列舉的余熱鍋爐結構，以構建化學回熱循環燃氣輪機系統為目標提出一套充分利用燃氣輪機排氣余熱的蒸汽發生系統，其結構如圖3所示。

該系統基于能量梯級利用原則，充分利用煙氣提供的能量。該系統的蒸汽發生裝置包括產生高壓水蒸汽的高壓閃蒸器，產生低壓水蒸汽的低壓閃蒸器。系統還包括飽和器，飽和器產生飽和水供入高壓閃蒸器。系統設置預熱器，預熱給水，包括冷凝段和預熱段。冷凝段利用供給水將來自低壓閃蒸器的低壓蒸汽冷卻為蒸餾水并預熱補給水。預熱段利用低壓閃蒸器出口飽和水加熱出自冷凝段的補給水。系統還設置過熱器，將來自高壓閃蒸器的高壓蒸汽加熱到過熱狀態。系統充分利用熱源熱量產生水蒸汽和蒸餾水，結構緊湊，最大限度地利用能量和水資源，節能環保。高低壓閃蒸器的閃蒸壓力可以調節，在不同工況下產生的蒸汽參數都很穩定，減少對系統的沖擊。低工況時，也能產生溫度壓力較低的蒸汽以及蒸餾水，回收系統能量。

圖3 水處理系統示意圖

1.2 蒸汽發生系統數學模型

1.2.1 換熱設備數學模型

換熱設備滿足如下基本的物理及熱力學定律，質量守恒、能量守恒、傳熱方程和熱力學狀態參數方程等[17]。由此可以建立換熱設備的數學模型如下式1-4。

流量平衡方程：

能量平衡方程：

傳熱方程：

對數平均溫差：

其中，下標1、2分別代表進出口參數；ΔTmax和ΔTmin分別表示傳熱面的始端和終端溫差的大值和小值。

1.2.2 閃蒸裝置數學模型

水系統中，閃蒸器是核心部件，是產生蒸汽的部件，其工作原理為高溫高壓的補給水被引入閃蒸器時，由于補給水在閃蒸室內突然處于過熱狀態，瞬間蒸發產生蒸汽。不過閃蒸過程十分劇烈，存在非平衡溫度損失。這里為了計算的簡化，不予考慮，視為平衡閃蒸，滿足質量守恒定律和能量守恒定律[18]。

流量平衡方程：

能量平衡方程：

流量平衡出口的飽和蒸汽和飽和水的流量與入口給水流量相同。能量平衡反應出口飽和蒸汽和飽和水的顯焓之和與入口給水顯焓相同。

不考慮非平衡溫度損失，則閃蒸器出口汽、液溫度相等，壓力相等且等于閃蒸器內壓力。這樣在已知閃蒸器進口補給水的流量、焓和閃蒸壓力，就可以計算出閃蒸器出口蒸汽和水的流量。

2 結果與分析

2.1 蒸汽發生系統熱力設計

燃氣輪機的出口煙氣參數是蒸汽發生系統的熱力設計基礎，某型燃氣輪機出口煙氣參數列于表1。化學回熱循環中要保證燃油-蒸汽重整反應的最佳值，設置水碳比（水分子和碳原子數目比）為4:1較為合適[11,12]，燃油分子式為 C10H18（其熱值為 42618.5kJ/kg，與柴油熱值427000kJ/kg相近），燃油供給量為1.5kg/s，蒸汽流量則為7.826kg/s。蒸汽的壓力略大于燃燒室的壓力，設置為2.5MPa；蒸汽的溫度選定為573.15K（高于飽和壓力，利于重整進行）。給水壓力為 16MPa，給水加壓更為方便，便于閃蒸產生高壓水蒸汽。給水的流量將根據高壓閃蒸器的熱力計算獲得。具體設計參數見表1。

表1 水處理系統設計參數

下面，將根據這些參數進行水處理系統的部件的熱力設計。

2.1.1 蒸汽發生系統的參數設定

蒸汽發生系統的參數設定是其熱力設計的基礎。各個設備的參數設定有其特殊的要求，下面將詳細介紹各設備的參數設定要求并設定其熱力參數。

1）設計點壓力

閃蒸壓力的選擇需要考慮兩個方面的因素，一是閃蒸得到的蒸汽要能夠自由地流動到下級設備，因此閃蒸壓力需要高于下級裝備的工作壓力；另外，閃蒸壓力應該盡量維持在一個較低的值，這樣能夠得到更多的蒸汽。考慮通過過熱器以及其他管件的壓損，高壓閃蒸器的壓力設定為2.5MPa，略高于進入化學回熱器的蒸汽壓力。低壓閃蒸器的壓力設定為 0.15MPa，略高于大氣壓力，便于流通預熱器PH。考慮到壓損，設定各個設備的進出口壓力如下：冷凝段：給水入口壓力 16MPa，給水出口壓力 15.8MPa；蒸汽入口壓力0.15MPa，出口冷凝水壓力0.14MPa。預熱段：給水入口壓力15.8MPa，給水出口壓力15.6MPa；廢水入口壓力0.15MPa，廢水出口壓力0.14MPa。過熱器：水蒸汽入口和出口均為2.5MPa，煙氣入口和出口的壓力均為0.1MPa。飽和器：給水入口壓力 15.6MPa，給水出口壓力15MPa；煙氣進出口壓力為0.1MPa。高壓閃蒸器入口水壓力 15MPa；出口水蒸汽和飽和水的壓力為2.5MPa。低壓閃蒸器的入口水壓力為2.5MPa；出口水蒸汽和飽和水的壓力為0.15MPa。

2）設計點溫度和流量

在設定壓力的基礎上，通過熱力平衡計算可以設定各個設備在設計點的溫度和流量。首先，可以根據設計點的壓力計算高、低壓閃蒸器的進出口溫度和流量，計算基礎是閃蒸過程的數學模型，如式5和6。

高壓閃蒸器：入口水來自飽和器，應該盡量使飽和器的出口水溫度略低于出口壓力下的飽和溫度，避免給水在飽和器中汽化，因此，入口水壓力設定為613.15K（15MPa時，水的飽和溫度為615.31K）；出口的蒸汽和飽和水為2.5MPa時的飽和溫度497.1K。已知所需的高壓蒸汽的流量是 7.826kg/s，計算可以得到入口水的流量是 22.839kg/s，出口飽和水的流量是15.013kg/s。

低壓閃蒸器：入口水溫度為 497.1K；出口蒸汽和飽和水的溫度為0.15MPa時的飽和溫度384.5K。根據入口飽和水流量以及進出口的溫度、壓力，按照閃蒸的數學模型可以計算得到出口蒸汽和飽和水的流量分別是3.337kg/s和11.676kg/s。

冷凝段：按照流量平衡方程，冷凝段的給水與高壓閃蒸器的入口水流量相同，為22.839kg/s。冷凝器需要將低壓閃蒸器出口的低壓蒸汽冷凝到液態，設定液態溫度為 360.1K。根據能量平衡計算得到給水的出口溫度為370.15K。

預熱段：冷凝段的給水出口狀態參數已經確定，而且保證高溫側入口溫度高于低溫側出口溫度，高溫側出口溫度高于低溫側入口溫度，按照能量平衡反復衡算，設定給水的出口溫度為375.15K，廢水出口溫度為374K。

過熱器：上述計算和設計條件已經得到過熱器的煙氣入口參數和出口溫度、流量以及蒸汽的進出口參數。按照能量平衡可以計算得到煙氣的出口溫度為643.15K。

飽和器：所需求解的只剩飽和器的出口煙氣溫度，根據能量平衡容易求得其溫度為392.17K。

根據給定的設計條件和前述的計算，得到各個設備的進出口狀態參數，將這些參數列入下表2，以便清晰查詢。

表2 水處理系統各設備進出口參數表

2.1.2 蒸汽發生系統的熱力設計

上節已經根據給定設計值和熱力平衡計算確定了各個設備在設計點的進出口參數；另外，已經提出一套計算模型進行化學回熱器的換熱部件熱力設計。這里，根據這些已知條件進行水處理系統中換熱設備的熱力設計。

首先，按照已知條件對冷凝器進行熱力設計計算。然后，將按照這個步驟得到其他部件的熱力計算結果。

1）換熱量計算

冷凝器蒸汽入口的參數為0.15MPa、384.5K，可以根據工質熱物性計算方法計算得到其比焓值為2693.1kJ/kg；冷凝水出口參數為0.14MPa、360.1K，同樣可以根據工質熱物性計算方法計算得到其比焓值為364.2kJ/kg。按照式2可以計算得到冷凝器的換熱量為7771.54kW。

2）對數平均溫差計算

冷凝器采用的基本結構模式為逆流式。根據進出口的溫度可以計算換熱器兩端的溫差分別為71.95K和14.35 K。按照式4可以計算冷凝器設計點的對數平均溫差35.73K。

3）計算換熱面積

選定給水冷凝蒸汽時逆流式換熱器的經驗值3000w/(m2·K)。這樣，根據式3可以計算冷凝器的換熱面積為72.51m2。

按照相同的計算步驟可以進行得到各個設備的換熱系數和換熱面積，完成換熱設備的熱力設計，熱力設計結果列于下表3。

表3 水處理系統熱力設計結果

由此可見，煙氣流經的兩個設備飽和器和過熱器中，過熱器面積遠小于飽和器。因此，前期熱力設計時，設定過熱器中煙氣的壓降為0。

2.2 設計點校驗計算

水處理系統的熱力設計完成后，首先需要檢驗水系統設計的合理性，這就需要按照得到的設計參數組成水處理系統的計算模型，給定設計點的入口參數，計算其出口參數，分析出口參數的誤差。計算步驟如圖4所示。

圖4 水處理系統熱力計算步驟

設計點工況的熱力計算的輸入條件為：i）給水：壓力16MPa，溫度288.15K，流量22.839kg/s；煙氣：壓力0.1MPa，溫度658.2K，流量92kg/s。計算得到的結果和設計值的誤差計算公式如下：

設計點熱力計算結果以及誤差分析見下表4。由誤差分析的結果可以知道，所涉及的水處理系統設計點計算誤差很小，幾個參數計算的最大誤差為0.4%，滿足需求，可以認為水處理系統能滿足設計要求。

表4 水系統設計點校驗結果

3 結論

本文分析了利用燃氣輪機高溫余熱生產蒸汽的余熱鍋爐的設計準則并且基于某型燃氣輪機提出了一套用于化學回熱循環的蒸汽發生系統。設定了該蒸汽發生系統的設計條件并對各主要部件進行了熱力設計，建立該系統的熱力性能計算模型并校驗了設計點的計算精度。通過對這些內容的討論得到如下結論：

1）該系統的設計符合能量梯級利用的原則，節約了能源；

2）低工況時，可以調節高壓閃蒸的壓力，產生蒸汽提供其他用途；也可以利用低壓閃蒸，產生蒸餾水，提供生活需要，適用于沿海水處理和船舶供水。解決了余熱鍋爐低工況能源利用效率差的問題；

3）變工況時，通過設定高壓閃蒸的壓力，在一定程度上保證了高壓蒸汽參數的穩定性，利于系統運行；

4）系統設計點性能計算結果，系統出口蒸汽和煙氣各熱力參數的最高誤差為0.4%，精度較高；驗證了該系統熱力設計和計算流程的準確性，便于在燃氣輪機系統熱力性能計算的應用。

該蒸汽發生系統基于化學回熱循環設計，也可用于其他燃氣輪機系統。所提出的熱力設計過程也可為利用高溫余熱設計蒸汽發生系統提供一定的幫助。該蒸汽發生系統的變工況性能以及應用于燃氣輪機系統的特點還需要更為深入的研究。

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Thermodynamic Design for Heat Recovery Steam Generator of Chemically Recuperated Gas Turbine

SONG Shao-lei1, SHU Chun-ying2, XIE Yu-bo3
(1. Shenyang Equipment Bureau, Harbin 150078, China; 2. No. 703 Research Institute, CSIC, Harbin 150078,China; 3. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

The design principle of the heat recovery steam generator (HRSG) absorbing the waste heat of gas turbine is analyzed; and a HRSG to construct the chemically recuperated gas turbine (CRGT) is proposed based on some gas turbine. The parameters of design working condition are set and thermodynamic designs of the components of the HRSG are performed. Calculation models of the HRSG are built and the performance parameters at design point are calculated. The maximal error of the parameters of the output steam and gas is 0.4% and it can be said that the designed HRSG is available for the CRGT. The HRSG conforms to the principle of energy cascade utilization and has the advantages of making the best of waste energy in low working conditions and running steadily in varied conditions.

gas turbine，chemically recuperated，heat recovery steam generator，thermodynamic design

TK473，TK16

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.001

宋少雷（1982-），男，工程師，主要從事熱力設計。