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1、工业应用中的新型动力循环刘宾热能 1003 2010000874摘要：为了进一步提高能源转化效率和减少环境污染，近年来新型热力循环展开了广泛 的研究，包括Kalinna循环、igcc技术。其中HAT（Humid Air Turbine）循环具有高效率、高 比功、低污染、低成本及良好的变工况性能等优点，受到国际能源动力工程界的重视，已成 为新型热力循环的重要研究方向之一。虽然目前还出去开发初期，但是已有的研究成果已非 常令人鼓舞，特别是和煤气技术相结合时更显示出它的优越性。关键词：Kalinna循环、igcc技术 湿空气透平循环、联合循环发电1引言我国东部地区经济发达，但一次能源匮乏。目前火力发
2、电厂以煤炭消费为主，环 境污染日趋严重。为了减少so2排放并控制酸雨的危害，许多已投运的机组纷纷 补上尾部烟气脱硫装置（FGD）。为了优化能源结构、改善环境，国家决定利用 西气东输，东海油气和进口液化天然气（LNG ）等清洁能源，建设一批大型天然 气联合循环电厂2工业应用中的燃气蒸汽轮机2.1：燃气轮机工作原理燃气轮机的工作过程是，压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩 后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即进入燃机 透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着燃机发电机做功发电。燃气轮机静止起动时， 需要将发电机转换为电动机用带动燃机旋转，待加速到一定转速后，启动装置脱 扣
3、，就可以以发电机形式来做功发电。燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气 轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效 率显著提高。工业和船用燃气轮机的燃气透平初温最高达1200 r左右，航空燃 气轮机的超过1350C。目前美国通用电气最先进的9H型燃气轮机压缩比23.2, 燃气透平初温1430 Co22燃气-蒸汽联合循环发电燃气-蒸汽联合循环发电机组就是将燃气轮机的排气引入余热锅炉，产生的 高温、高压蒸汽驱动汽轮机，带动汽轮发电机发电。其常见形式有燃气轮机、蒸 汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机、蒸汽轮机各分别与发电机组合的多轴联合循环。目前，联合循环
4、的热效率接近60%,“二拖一”的机组配置方式，提高了机组供热能力，整套机组的热效率比常规“一拖一”配置机 组热效率高出0.6%，在冬季供暖期热效率高达79%。2.3燃气-蒸汽联合循环机组的优点燃气-蒸汽联合循环机组主要用于发电和热电联产，其具有以下独特的优点： 发电效率高：由于燃气轮机利用了布朗和朗肯二个循环，原理和结构先进，热 耗小，因此联合循环发电效率较高。 环境保护好：燃煤电厂锅炉排放灰尘很多，二氧化硫多，氮氧化物为200PPM。 燃机电厂余热锅炉排放无灰尘，二氧化硫极少，氮氧化物为（1025）PPM。 运行方式灵活：燃机电厂其调峰特性好，启停速度快，不仅能作为基本负荷运 行，还可以作为
5、调峰电厂运行。 消耗水量少：燃气一蒸汽联合循环电厂的蒸汽轮机仅占总容量的1/3，所以 用水量一般为燃煤火电的1 / 3，由于凝汽负压部分的发电量在全系统中十分有 限，国际上已广泛采用空气冷却方式，用水量近乎为零。 占地面积少：由于没有了煤和灰的堆放，又可使用空冷系统，电厂占地大大节 省，占地仅为燃煤火电厂的10%30%，节约了大量的土地资源，这对地少人 多的城市非常重要。 建设周期短：燃气轮机系统发电的建设周期为810个月，联合循环系统发 电的建设周期为1620个月，而燃煤火电厂需要2436个月，燃机电厂建设 周期短、回收快。3卡琳娜（Kalina）动力循环技术31卡琳娜（Kalina）动力循
6、环简介卡琳娜循环是一种以氨水为工质的高效，新颖的新型动力循环卡琳娜循环电厂可 以向诸如温度为300-400F （149-204C）的地热低能级热源提供效率比前者高 出50%的循环效率。对诸如直燃式锅炉和燃气-蒸汽联合循环电厂中的燃气轮机 废气等高温热源，循环效率约可提高20%。原则上，卡琳娜循环是在朗肯循环 基础上的一种“改进”。这种重大的改进体现在对朗肯循环的循环过程的改变一 将“纯”的循环介质（通常为水）变成了氨水混合物。这种从朗肯循环至卡琳 娜循环的改进包含了专门的系统设计，该设计能最大程度的体现了氨水混合物的 优点,在系统设计上也有诸如再热、再生式加热、超临界压力、双压设计等多种 选择
7、。在具体的电厂设计中，可将上述选择进行不同的组合使用。3.2卡琳娜循环原理朗肯循环（目前最常见的蒸汽动力循环）在朗肯循环中，水在锅炉（或余热锅炉）中被加热，产生高温和高压蒸汽。该蒸 汽流过汽轮机时急剧膨胀后冷却至低温、低压的尾气，该汽轮机驱动一台发电机 发出电力。从汽轮机排出的尾气被具有环境温度的空气，或被来自冷却水池或冷 却塔中的冷却水冷却成水。我们把这种具有环境温度的空气，或冷却水池称之为 热井。凝结水接着被泵入锅炉重复上述过程。这种简单的朗肯循环框图如图一所 Z示O匮1朗肯循环电厂循环简图4朗肯循环电厂的效率较差，即使是容量最大、采用朗肯循环的最新型的燃 煤电厂，一般来说其循环效率都超不
8、过35%（译者注：目前国内亚临界参数燃 煤电厂的循环效率已达38%,超临界和超超临界参数的燃煤电厂的循环效率分 别可达40和43%左右），也就是说燃料燃烧产生的总热量中仅有35%被转换 成了热能。这65%的能量损失是由于一系列的原因造成的。其中约15%的能量损失是 由于燃料中的水分、炉墙的热辐射、排烟损失和自耗电所造成的。对另外的50% 进行分析。基本上，这一损失的能量都蕴藏在汽轮机的排气中。尽管这股蒸汽中 蕴藏着巨大的能量，但是因为它们的温度和压力较低。这部分热量主要通过循环 冷却水带走。在汽轮机的排气侧，存在着一个基本上是恒温的热井，它被水或空 气这些无限的冷却介质冷却。这些冷却介质随着从
9、汽轮机排气端的蒸汽吸热，温 度升高。反过来，蒸汽被冷凝时也是在恒温条件下完成的。4湿空气透平循环4.1湿空气透平循环HAT简介HAT循环新概念是由日本Y.Mori教授于1983年首先提出当初他们把它看成 是一种特殊的会热燃气轮机循环，带有喷水手段，且采用两相、多组分的混合工 质，故称之为水接触蒸发的多相多组分系统（MPCS/DCE）。1985年后，美国出 现多项HAT循环的专利。HAT循环的核心是建立在中冷回热燃机循环的基础之上的。目前广泛使用的 得到认可的HAT循环的系统流程为空气经低压压气机、中冷器、高压压气机、 后冷器后进入饱和器底部，补充水在中冷器、后冷器、热水器中加热升温后从饱 和器
10、顶部进入。在饱和器中，空气和水逆流接触，空气被加热湿化，水被冷却并 部分蒸发。从饱和器出来的湿空气回收透平排气高温余热后进入燃烧室，经燃烧 加热，生成的高温高湿燃气在透平中膨胀做功，透平排气经回热器和热水器吸热 后排入大气，完成一个工作流程。水经过间冷器、后冷器和经济器的分别加热后，三股热水混合在一起，然后 从顶部被喷射到饱和器内，压气机出口的高压空气经冷却后从底部进入饱和器 内。在饱和器内，高压压缩空气和喷雾水滴（填料饱和器内填料上的水膜）直接 接触，进行热质交换，高温水变温冷却和部分蒸发，使高压空气的温度和相对湿 度（含湿量）都升高，成为空气和水蒸汽的混合物，未蒸发的水从饱和器底部引 出并
11、循环利用。随后，高含湿量的湿空气（含1045%蒸汽）经回热器加热升 温后，进入燃烧室与天然气或者液体燃料燃烧加热，最后高温、高压的湿空气在 透平中膨胀做功。透平排气通过回热器和经济器逐步降温，最后排向大气。其充 分利用了系统的各种余热和废热，循环放热温度很低，比较好的体现总能系统的 能量梯级利用原则。其相应流程图如下所示：低压压气机2高压压气机3.透平4.水混合器A 5.燃烧室6.回热器7.经济器8.饱和器2回水泵10后冷器H冲冷器12水混合器B13发电机42、HAT循环的优点与传统循环相比，HAT循环有以下优点：（1）湿空气是在透平中膨胀做功的， 它可以省去常规的燃气一蒸汽联合循环中的蒸汽轮
12、机及其系统，使发电设备大为 简化；（2）从空气中冷器和排气给水预热器中回收的低温热能都能被利用来参与 循环过程，而且这些传热过程中冷、热侧的工质都不发生相变，因而平均传热温 差较低，能更大限度地回收热能，这些为提高循环的热效率提供了条件；（3）由 于水蒸汽的加入使湿空气的流量增加以及水蒸汽具有做功能力大的特点，因而循 环的比功值很大；（4）空气的湿化在饱和器内完成，湿化过程只需要较低温度的 热水，可以更好的利用各种低温热能，而且气液直接接触，减少了传热、传质过 程的不可逆性；（5）由于大量的水蒸汽参与燃烧过程，可以降低燃烧产物中的 NO化物的含量。5 igcc技术5.1 igcc技术简介能源是
13、人类社会赖以生存的物质基础，是经济和社会发展的重要资源。能源安全 可靠、经济环保、充足供应成为了世界各国共同关心的战略问题。2003年以来 石油和天然气价格的剧烈变化使得许多国家意识到分布广泛、储量巨大的煤炭将 在人类的能源供应中起到独特的作用。温室效应导致全球变暖是人类面临的一个 重要而又棘手的热点问题，全球气候变化与能源转换和利用密切相关，在导致气 候变化的各种温室气体中，CO2的贡献率占50%以上，人类活动排放的CO2 有70%来自化石燃料的燃烧。减缓以至最终控制能源生产利用中的CO2对大气 的排放，保护人类赖以生存的地球环境，是全球能源生产面临的前所未有的重 大挑战。IGCC发电技术以
14、其潜在的高效率和CO2减排优势受到了广泛关注， 成为了世界各国洁净煤发电技术领域竞争的重点和焦点之一。5.2igcc技术优点所谓“绿色煤电”，就是以整体煤气化联合循环(IGCC)和碳捕集与封存(CCS )技 术为基础，以联合循环发电为主，并对污染物进行回收，对二氧化碳进行分离、 利用或封存的新型煤炭发电技术。在开发近零排放的燃煤电厂、发展中国洁净煤 技术的道路上，IGCC是决定成败的关键。为此，我国众多煤电企业持续不断地进行科技创新，华能集团在煤电技术改 革中当起了排头兵。“我们从2006年开始，就重点进行2000吨/天级两段式干 煤粉加压气化炉的工业化、实用化设计，验证大型高温煤气净化技术和
15、大型电热 化多联供的系统集成技术。”华能集团总经理苏文斌告诉记者，去年5月，华能 绿色煤电天津IGCC示范电站工程正式获批，计划于2011年建成，届时，我国将 出现第一台25万千瓦等级的整体煤气化燃气一蒸汽联合循环(IGCC)发电机组。 项目建成后，效率将比目前最先进的火力发电技术提高三分之一，并实现二氧化 碳和污染物的近零排放。建设具有自主知识产权的IGCC电站只是实现“绿色煤电”计划的第一步。 专家告诉记者，技术的成熟必将带动产业的规模化发展，实施“绿色煤电”示范 项目便成了题中之义。苏文斌说：“我们计划于2016年左右建成的400MW级绿色煤电示范工 程，将集成大规模煤制氢和氢能发电、二
16、氧化碳捕集和封存等关键技术，实现煤 炭的高效利用，以及污染物和二氧化碳的近零排放，同时不断提高绿色煤电 系统的技术可靠性和经济可行性，为大规模商业化做好准备。”如今，在浙江半山、广东东莞、深圳等地，IGCC煤电化多联产示范工程如 雨后春笋般建立起来，大唐、华电、国电、中电投、神华、国家开发投资公司和 中煤能源集团等一大批企业纷纷投身到“绿色煤电”计划中。在绿色环保生活的 美好图景上，IGCC技术必将添上浓墨重彩的一笔。5.3 igcc技术发展前景煤不仅可以清洁发电，还可以大规模生产液体燃料和化学品？听上去难以想象， 但在2009年国家科学技术进步奖中，“高效洁净煤制甲醇与联合循环集成系统 的研发和示范”工程将这两方面完美地结合在了一起。这一获奖成果是我国 IGCC领域涵盖从基础研究、技术研发、试验验证到工程示范的首
