濕空氣透平循環(huán)9頁

1、濕空氣透平（HAT）循環(huán)專業(yè)：265466313113213131313131姓名：164654321321321一、背景介紹能源是人類社會生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生產(chǎn)和生活的重要支柱之一，能源開發(fā)和利用的歷史也就是人類社會發(fā)展和進步的歷史。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人類生活水平的提高，人類社會對能源特別是電能、熱能和機械能的需要越來越大，而不可再生的一次性常規(guī)能源的已知存儲量卻的逐年劇減。目前世界性的能源危機與環(huán)境污染是人類社會和諧持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大嚴峻的問題，因此合理利用地球上的寶貴資源，提高資源的利用效率、減少資源的浪費和損失，利用有限的資源獲得最大極限的可用能量，成為全世界各國解決這兩個

2、問題的共同手段。為了進一步提高能源轉(zhuǎn)化效率和減少環(huán)境污染，近年來新型熱力循環(huán)展開了廣泛的研究，包括Kalinna循環(huán)、注蒸汽燃氣輪機（STIG）循環(huán)、是空氣透平（HAT）循環(huán)等都是新型循環(huán)的代表，其中HAT（Humid Air Turbine）循環(huán)具有高效率、高比功、低污染、低成本及良好的變工況性能等優(yōu)點，受到國際能源動力工程界的重視，已成為新型熱力循環(huán)的重要研究方向之一，被譽為21世紀的熱力循環(huán)。雖然目前還出去開發(fā)初期，但是已有的研究成果已非常令人鼓舞，特別是和煤氣技術(shù)相結(jié)合時更顯示出它的優(yōu)越性。二、HAT循環(huán)簡介 HAT循環(huán)新概念是由日本Y.Mori教授于1983年首先提出當初他們把它看成

3、是一種特殊的會熱燃氣輪機循環(huán)，帶有噴水手段，且采用兩相、多組分的混合工質(zhì)，故稱之為水接觸蒸發(fā)的多相多組分系統(tǒng)（MPCS/DCE）。1985年后，美國出現(xiàn)多項HAT循環(huán)的專利。HAT循環(huán)的核心是建立在中冷回?zé)崛紮C循環(huán)的基礎(chǔ)之上的。目前廣泛使用的得到認可的HAT循環(huán)的系統(tǒng)流程為空氣經(jīng)低壓壓氣機、中冷器、高壓壓氣機、后冷器后進入飽和器底部，補充水在中冷器、后冷器、熱水器中加熱升溫后從飽和器頂部進入。在飽和器中，空氣和水逆流接觸，空氣被加熱濕化，水被冷卻并部分蒸發(fā)。從飽和器出來的濕空氣回收透平排氣高溫余熱后進入燃燒室，經(jīng)燃燒加熱，生成的高溫高濕燃氣在透平中膨脹做功，透平排氣經(jīng)回?zé)崞骱蜔崴魑鼰岷笈湃氪?/p>

4、氣，完成一個工作流程。水經(jīng)過間冷器、后冷器和經(jīng)濟器的分別加熱后，三股熱水混合在一起，然后從頂部被噴射到飽和器內(nèi)，壓氣機出口的高壓空氣經(jīng)冷卻后從底部進入飽和器內(nèi)。在飽和器內(nèi)，高壓壓縮空氣和噴霧水滴（填料飽和器內(nèi)填料上的水膜）直接接觸，進行熱質(zhì)交換，高溫水變溫冷卻和部分蒸發(fā)，使高壓空氣的溫度和相對濕度（含濕量）都升高，成為空氣和水蒸汽的混合物，未蒸發(fā)的水從飽和器底部引出并循環(huán)利用。隨后，高含濕量的濕空氣（含1045蒸汽）經(jīng)回?zé)崞骷訜嵘郎睾?，進入燃燒室與天然氣或者液體燃料燃燒加熱，最后高溫、高壓的濕空氣在透平中膨脹做功。透平排氣通過回?zé)崞骱徒?jīng)濟器逐步降溫，最后排向大氣。其充分利用了系統(tǒng)的各種余熱和廢

5、熱，循環(huán)放熱溫度很低，比較好的體現(xiàn)總能系統(tǒng)的能量梯級利用原則。其相應(yīng)流程圖如下所示：三、HAT循環(huán)的優(yōu)點與傳統(tǒng)循環(huán)相比，HAT循環(huán)有以下優(yōu)點：（1）濕空氣是在透平中膨脹做功的，它可以省去常規(guī)的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽輪機及其系統(tǒng)，使發(fā)電設(shè)備大為簡化；（2）從空氣中冷器和排氣給水預(yù)熱器中回收的低溫?zé)崮芏寄鼙焕脕韰⑴c循環(huán)過程，而且這些傳熱過程中冷、熱側(cè)的工質(zhì)都不發(fā)生相變，因而平均傳熱溫差較低，能更大限度地回收熱能，這些為提高循環(huán)的熱效率提供了條件；（3）由于水蒸汽的加入使?jié)窨諝獾牧髁吭黾右约八羝哂凶龉δ芰Υ蟮奶攸c，因而循環(huán)的比功值很大；（4）空氣的濕化在飽和器內(nèi)完成，濕化過程只需要較低溫度的

6、熱水，可以更好的利用各種低溫?zé)崮埽覛庖褐苯咏佑|，減少了傳熱、傳質(zhì)過程的不可逆性；（5）由于大量的水蒸汽參與燃燒過程，可以降低燃燒產(chǎn)物中的NO化物的含量。四、關(guān)鍵部件HAT循環(huán)中關(guān)鍵部件濕化器。當環(huán)境溫度升高時，低壓壓氣機流量減少、排氣溫度升高，則間冷器和后冷器間冷卻水的排水溫度和流量都隨之變化，引起濕化器出口空氣含濕量隨著環(huán)境溫度升高而增加，一定程度上減緩了功率的減小趨勢，也減緩了循環(huán)效率的減小趨勢，因此循環(huán)具有較好的變工況性能。五、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及主要進展1、HAT循環(huán)的研究HAT循環(huán)自提出以來，以其效率高、成本低等優(yōu)點引起了廣泛的重視，各國專家學(xué)者對HAT循環(huán)的整體性能作了大量的研究

7、。早期的研究工作集中在系統(tǒng)整體分析上，主要對各種系統(tǒng)布置行式和運行參數(shù)進行分析，比較同其它循環(huán)在效率、功率輸出等方面的不同，通過研究表明：利用現(xiàn)有的燃氣輪機技術(shù)（初溫1300，壓比2030），循環(huán)效率可達5558。若加大濕化熱水量，即蒸汽空氣混合比X提高到2045，則可望突破60。美國能源部、電力部和動力制造公司等對HAT循環(huán)十分重視，聯(lián)合推出了一個“先進透平系統(tǒng)發(fā)展項目（ATSDP）”，旨在應(yīng)用新穎循環(huán)概念和重大技術(shù)進步成果，開發(fā)HAT裝置也是目標之一。美國的EPRI，F(xiàn)luor Daniel等公司聯(lián)合制定了一個時間表，準備分三個階段實現(xiàn)HAT循環(huán)的商業(yè)化。前幾年瑞典LUND大學(xué)在率先造出了

8、世界上的第一臺可以投入實際運行的蒸發(fā)式燃氣輪機（HAT循環(huán)的雛形）。國內(nèi)從1993年起對HAT循環(huán)進行研究，但研究基本上還限于理論研究，研究的重點是HAT循環(huán)的熱力學(xué)分析、循環(huán)性能分析以及對循環(huán)參數(shù)與流程進行優(yōu)化，從理論上研究和探討HAT循環(huán)的本質(zhì)及其性能。2、飽和器的理論研究近十年來，隨著研究工作的深入和建立HAT循環(huán)示范電站的需要，研究工作逐步細化深入到循環(huán)的各個部件。飽和器是HAT循環(huán)的特色和核心部件，正是由于飽和器的存在，所以能夠?qū)崿F(xiàn)低溫余熱的回收，使比功和效率增大，因此飽和器在HAT循環(huán)中占有很重要的地位，對其性能的認識關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能分析。國內(nèi)外對飽和器的研究也日益重視，在參考

9、冷卻塔德基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的理論計算模型。根據(jù)飽和器內(nèi)的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，建立了微分方程組。編制SAT模型和CT模型程序計算得出了飽和器內(nèi)部的參數(shù)分布規(guī)律，分析了兩種數(shù)學(xué)模型與實驗結(jié)果的差異，此外還分析了飽和器的熱經(jīng)濟性能，對空氣加壓增濕過程進行了模擬計算和分析比較。無論從理論分析還是實驗研究來看，飽和器內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程還有許多問題需要解決，包括過程的火用分析、過程中溫度和濕度場的測量，過程的實驗組織和實驗數(shù)據(jù)的整理、過程的穩(wěn)態(tài)特別是動態(tài)的數(shù)值計算。只有在解決這些問題的基礎(chǔ)上，人們才有可能掌握濕化飽和過程的實質(zhì)，才有可能設(shè)計出性能良好的飽和器。3、飽和器的實驗研究飽和器工作于高熱、高壓、高濕環(huán)境下，

10、內(nèi)部物理過程非常雜，通過純理論的方法來研究存在較大的缺陷，如假定工質(zhì)物性、傳熱和傳質(zhì)系數(shù)不變，因此在理論基礎(chǔ)上的實驗研究對于揭示飽和器內(nèi)部規(guī)律是必須的。瑞典的LUND理工學(xué)院與瑞典皇家理工學(xué)院共同于1998年10月搭建完成了第一臺以600KW微型透平為基礎(chǔ)的HAT循環(huán)實驗臺，此實驗臺基于Volvo VT600的單軸燃氣輪機，渦輪入口溫度大約1000，空氣流量344kgs，飽和器進口壓力08MPa，通過此實驗臺對飽和器和大濕度燃燒室等進行了很好的研究，得到了許多寶貴的實驗數(shù)據(jù)資料，完善了相關(guān)的理論模型空白。近幾年來國內(nèi)幾所高校和科研單位也相繼搭建了飽和器性能實驗臺，對增濕飽和器進行了初步的實驗研

11、究，取得了一定的成果。然而由于測量條件限制一直未對飽和器內(nèi)兩相流動進行詳細的試驗研究，因此對飽和器內(nèi)氣體的流動、液滴的流動、液滴的分布、液滴的濃度、液滴的速度、液滴和氣體間的換熱和傳質(zhì)等的性質(zhì)研究也很少。4、飽和器的數(shù)值模擬研究在飽和器內(nèi)部噴霧水滴和濕空氣直接接觸，這是一個氣液兩相問題。由于流體流動過程的復(fù)雜，模型實驗測量具有一定局限性，無法全面了解飽和器內(nèi)部兩相流場的微觀狀態(tài)和加熱加濕動態(tài)過程的信息，而數(shù)值模擬的方法則可用于流場的預(yù)測和彌補實驗中無法測量的一些參數(shù)。5、 對HAT循環(huán)優(yōu)化的研究 目前已有多種HAT系統(tǒng)方案，由于沒有試驗驗證，對他們性能的評價只能建立在各作者各種假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，因為條件不同，這些結(jié)果就沒有可比性。 P.Chiesa等將以往研究者提出的HAT方案綜合起來，并加入