基于IEC技术的蒸发式布雷顿循环热力学性能研究_施其乐.pdf

第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6基于 IEC 技术的蒸发式布雷顿循环热力学性能研究施其乐1，何纬峰1，韩东1，高燕飞1，苏鹏飞2(1 南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016;2 东方电气集团 东方汽轮机有限公司，四川德阳618000)摘要:传统的蒸发式透平循环由于结构复杂使得成本高昂，难以商业化运行，因而开发集成度更高的加湿设备尤为必要。本文运用间接蒸发冷却(IEC)技术集成加湿、后冷、回热等过程于一体，研究了不同类型的饱和器，并发展出相应的数学模型。首次从布雷顿循环与朗肯循环协同运行的新角度，对运用不同饱和器的动力循环关键参数进行了敏感性分析。研究结果表明:预冷饱和器载水量优于回热饱和器，而双重饱和器结合了两者的特点，对于余热利用实现了最大化。协同循环模型也指出朗肯分循环的效率远高于布雷顿分循环。本文验证了带有预冷回热双重饱和器的动力循环在高效运行、高载水量、高输出功方面的优势和潜在应用前景。关键词:间接蒸发冷却;蒸发式透平循环;载水量;饱和器;余热利用中图分类号:TK11+5文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0502 07Study on Thermodynamic Performance of Evaporative BraytonCycle based on IEC TechnologySHI Qi le1，HE Wei feng1，HAN Dong1，GAO Yan fei1，SU Peng fei2(1 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，College of Energy and Power Engineering，Nanjing，210016，China;2 Dongfang Electric Group，Dongfang Steam Turbine Co，Ltd，Deyang 618000，China)Abstract:It is particularly vital to build a humidifier with higher integration because the existing evapora-tive turbine cycles complex structure makes it expensive and challenging to operate commercially Thispaper incorporates humidification，aftercooling，and regenerative processes using indirect evaporativecooling(IEC)technology Mathematical models are created in accordance with the research on varioussaturator kinds The coordination of the Brayton cycle and ankine cycle is considered for the first timewhen sensitivity analysis of the key power cycle parameters with various saturators is conducted The re-sults indicate that the precooling saturator has a higher water maximum load than the regenerative satura-tor，and the double saturator combines the advantages of the two to maximize the use of waste heat Thecollaborative cycle model further emphasizes that the ankine sub cycle has a much higher efficiency thanthe Brayton sub cycle In high efficiency operation，high water load，and high output power，this paperreveals the advantages and prospective application prospects of power cycles with precooling and regenera-tive double saturatorsKey words:indirect evaporative cooling;evaporative turbine cycle;water carrying capacity;saturator;waste heat utilization收稿日期2022 05 12修订稿日期2022 05 28基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK2020129);江苏省重点研究开发项目(BE2019088)作者简介:施其乐(1998 )，男，硕士研究生，主要从事湿空气透平方向的研究工作。2050引言随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，新型动力循环正在朝着高效运行、清洁环保的方向持续发展1 2。近年来备受关注的蒸发式透平循环就是一类典型的富有发展潜力的动力循环，该循环对于高压空气进行湿化以实现高汽气比，这不仅能够增加比功输出3，还能够减少燃烧过程中 NOx的生成4。学者们针对该类循环做出了诸多形式与内容上的改进与填补，例如采用更加细化的喷嘴5、更加精细的填料6。蒸发式透平循环商业化的主要障碍在于通常采用直接蒸发的手段，空气加湿过程中具有局限性，额外设备投资成本将使其在经济上不具吸引力7。近年来有国外学者提出了将间接蒸发冷却(IndirectEvaporative Cooling)手段应用到原本的蒸发式循环过程中去8，对比了与传统蒸发式循环的区别，结果表明可以向传统蒸发式循环发起挑战，并且结合了 IEC 技术使得系统结构更加紧凑。国内针对该种集成手段的蒸发式循环的研究几乎空白，本文系统地比较了 MCTC(Maisotsenko Combustion Turbine Cy-cle)、MTC(Maisotsenko egenerative Turbine Cy-cle)、MGTC(Maisotsenko Gas Turbine Cycle)三种带有间接蒸发冷却的布雷顿循环，建立不同饱和器的数学模型，具体分析压比、燃烧室出口温度、入口给水温度等物理量对于系统的整体效率、净输出功、载水量等重要参数的影响。考虑了不同间接蒸发冷却方式应用的局限性与延展性，显示了复合型间接蒸发冷却在动力循环中提升效率与比功方面的优越性，并将加湿循环视为布雷顿循环与朗肯循环的耦合循环做出分析，为进一步改进蒸发式透平循环提供了优化思路。1系统介绍目前 IEC 技术主要包括常规间接蒸发冷却和 M循环。原理图如图 1。图 1(a)和图 1(c)反映了常规间接蒸发冷却的模式，其中干通道和湿通道由隔板进行热量传递，由于湿通道内发生水蒸发过程使得两通道内的气体温度均沿程降低，位置处气体最低温度可达到入口处的湿球温度。图 1(b)和图 1(d)表示的是 M 循环的过程，在干通道出口处气流部分回流至湿通道内，处气体可降至湿球温度之下甚至逼近露点温度9，该循环具有良好的冷却效果。本文为探究间接蒸发冷却在燃气轮机循环中的图 1IEC 系统及原理图图 2MCTC 系统原理图图 3MTC 系统原理图潜在重要性，首先设置了 MCTC 及 MTC 循环(如图 2 和图 3)，这两种循环过程中的蒸发冷却过程均有所不同。传统的蒸发式透平是高压空气与水直接进行接触从而传热传质，本文提出的 MCTC 循环与MTC 循环过程中均是以间接蒸发冷却的方式进行对于空气的加湿和回热的利用10。MTC 循环过程如图 3 所示，在压缩机出口处设置一处采用 M 循环的预冷饱和器，对于高压空气进行冷却和加湿。随后空气进入逆流式回热器与涡轮排气进行热交换11。MCTC 过程如图 3 所示，高压空气直接进入回热饱和器与涡轮排气进行热传递，这里的回热饱和器明显不同于 MTC 中的简单换热器，由于给水的直接注入，回热饱和器中进行了常规间接蒸发冷却。随后涡轮排气继续作为热源在预热器中加热注入饱和器中的给水。305图 4MGTC 系统原理图而在形式上结合了前两者循环的 MGTC 的流程图如图 4 所示，压缩机的出口气流首先进入预冷饱和器下端的空气入口，部分空气在预冷饱和器下端的空气出口回流，这里进行 M 循环，目的在于获得未回流而剩余的低温气流。回流的气体与注入的水进行传热传质。预冷饱和器下端的两处出口气流进入回热饱和器中，同涡轮排气进行换热。同时，位置 3 处进入回热饱和器的气流被加湿，进一步充分利用余热。回热饱和器上部进行的过程依旧是常规间接蒸发冷却过程。值得注意的是，在引入间接蒸发冷却的同时，ankin 循环也被同时耦合进入 Brayton 循环之中。给水在经过水泵之后，在预冷和回热时进入两相区，在燃烧室中转变为过热区，随后进入涡轮做功并随后在回热放热过程中被冷却，具备了 ankin 循环的运行过程特点，因而在分析过程中从两种循环结合的角度切入，关于两种循环的协同运行将在后文详细分析。2数学模型及计算方法2 1数学模型在本节中，由于 MGTC 形式完备，以 MGTC 模式为例，重点给出了系统中所涉及的重要部件的详细热力学模型。利用 MATLAB 对这项研究工作进行了必要的模拟。为避免利用平均比热容和一些经验公式带来计算上的误差，根据商用软件 F-POPM 对气流各组分在各温度和压力状态下进行焓值等物理量的求取。为重点突出蒸发冷却方式对于整体循环的重要性，均采用单级加压、单级涡轮、无中冷、无再热的模式进行研究，依靠保守估计的回热环节提升效率。所有的热力学参数、假设和限制条件在表 1 中都进行了展示12。表 1相关参数、假设与初始值参数数值燃料低热值/kJ kg155 000燃烧室效率99%压缩机多变效率91%压缩机机械效率99%涡轮多变效率90%涡轮机械效率99%水泵等熵效率90%发电机电气效率99%发电机机械效率98%燃烧室压降/kPa5%压缩机入口压降/kPa1 3%入口气温/K288排气温度/K4002 1 1预冷饱和器模型为了提高描述气体在预冷饱和器中数学模型的准确性，单独针对气体在预冷加湿的过程中开发了一套新的模型，预冷饱和器出口气温及流量的计算过程如下13 T3=T2 Edew(T2 Tdew，2)(1)nw4=(1 a)mw2+mwin1Mw(2)nda4=(1 a)mda2Ma(3)xw4=nw4nda4+nw4(4)Psat4=xw4P4(5)Psat4T4(6)预冷饱和器下部的主要任务是对空气进行冷却，同时对部分空气进行加湿。对空气的冷却程度用定义的露点效能 Edew进行反映，Edew取值范围在0 1之间，这里取值为 0 8。该值越大，表征空气冷却程度越高。Tdew，2为 2 点位置处空气所对应的露点温度，该值为气体在饱和器中的冷却下限。a为分流比，反映 3 处出口的冷却气流比例，mdan、mwn和ndan、nwn分别反映序号为 n 位置处的空气与水质量(kg)和摩尔数(mol)，xw4、Psat4、P4、T4分别表示4 点位置处的水的摩尔比重、饱和压力(kPa)、总压力(kPa)、温度(K)，计算过程中位置 4 处空气为饱和状态。2 1 2回热饱和器模型对回热饱和器的数学公式也可采用类似的数学模型。需要注意的是，回热器能够将排气温度降至状态 5 时空气的