微小型湿空气透平循环研究

论文摘要

湿空气透平(HAT)循环是一种高效、洁净的先进动力循环，具有最高发电效率的潜力，在中小功率范围有着广阔的发展空间。随着分布式供能系统的发展，近年来微小型HAT循环受到越来越多的关注，逐步进入工业试验阶段。但迄今为止，通过系统配置提高微小型HAT循环性能的研究还非常有限。针对这一问题，本文通过参数优化，研究了不同系统结构以及与逆Brayton循环(Inverted Brayton Cycle，简称IBC)集成等因素对微小型HAT循环性能的影响，探求提高微小型HAT循环性能的系统配置。最后，结合微小型HAT循环应用领域，在考虑部分负荷、环境温度、运行模式影响的基础上，对以微小型HAT循环为主机的分布式联供系统在典型热(冷)电负荷需求下的应用进行了初步研究。主要工作及结果如下：(1)通过对不同水回路结构、不同排烟方式以及采用部分湿化的微小型HAT循坏的参数优化，确定省煤器入口补水的微小型部分空气湿化循环供电效率最高，高于全部空气湿化HAT循环供电效率约0．2个百分点。最佳空气湿化比例在0．46～0．65之间，并随初温升高而上升。与相同初温回热循环相比，最佳压比显著上升，使间冷成为可能。若采用间冷可以提高供电效率2个百分点以上。(2)微小型HAT循环和IBC底循环结合而成的复合循环(本文简称BAHAT循环)相当于增加一次间冷。与有间冷微小型HAT循环相比，BAHAT循环供电效率提高0．4～0．6个百分点以上；最佳压比、水回收率和比功都略有提高；后冷器、湿化器和透平高温段工作压力降低2～3倍，对机组寿命和安全运行非常有利。因烟气温度较低引起相对压缩耗功的降低以及压比增加引起透平出力的上升是循环性能改善的主要原因。(3)不同排烟方式对HAT循坏性能影响的研究表明，具有合适压比的引风机排烟HAT循环与直接排烟法和烟气回热法HAT循环相比，供电效率提高1到1．5个百分点。原因在于前者充分利用了水回收后烟气温度低的特点，降低了压缩耗功。在引风机出口增加水回收器可以保证水回收率。引风机最佳压比范围在1．5～1．6之间。(4)同回热循环相比，由于余热回收利用，HAT循环部分负荷下仍能保持较高的供电效率。随着环境温度的升高，虽然压气机流量下降，但加湿量的增加在一定程度上缓解了透平工质流量的降低。因此，环境温度升高对HAT循环性能影响并不显著。(5)HAT循环可以采用回热循环和注水循环模式运行，在更大的范围内提供灵活的热电负荷并保证足够高的排烟温度，满足制冷需要。解决了纯HAT循环余热无法供冷的问题。(6)以微小型HAT循环为主机的联供系统在典型建筑物中的应用研究表明，除冬季热电联供外，夏季通过运行模式的改变可实现冷电联供。与以简单循环燃机为主机的联供系统相比，前者在运行费用、一次能源利用效率方面具有优势。上述结论，可为微小型HAT循环流程设计以及HAT循环分布式供能系统配置和优化运行提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 HAT循环研究现状
• 1.2.1 HAT循环研究计划
• 1.2.2 HAT循环系统研究
• 1.2.3 HAT循环关键技术研究
• 1.2.4 原型试验研究
• 1.3 微小型HAT循环研究概况
• 1.3.1 微小型HAT循环研究现状
• 1.3.2 微小型HAT循环需要深入研究的问题
• 1.4 本文主要研究内容和工作
• 第二章 微小型HAT循环系统及参数分析
• 2.1 概述
• 2.2 微小型HAT循环描述
• 2.3 水气比对湿化器出口参数影响
• 2.4 微小型HAT循环优化
• 2.4.1 主要性能指标计算式
• 2.4.2 主要单元模型
• 2.4.3 工质热物性
• 2.4.4 计算中设定的己知参数
• 2.3.5 计算方法及条件
• 2.5 计算结果及分析
• 2.5.1 HAT循环流程分析
• 2.5.2 参数分析
• 2.6 间冷微小型HAT循环性能
• 2.7 本章小结
• 第三章 BAHAT循环参数优化及性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 系统描述及说明
• 3.3 参数优化
• 3.3.1 单元及系统模型
• 3.3.2 计算中设定的已知参数
• 3.3.3 计算方法及约束条件
• 3.4 优化结果及分析
• 3.4.1 补水方式影响
• 3.4.2 初温影响
• 3.4.3 水回收器出口烟气温度影响
• 3.4.4 压比影响
• 3.4.5 泄漏量影响
• 3.4.6 容量规模
• 3.5 IBC循环的可实现性
• 3.6 本章小结
• 第四章 HAT循环排烟方式选择
• 4.1 引言
• 4.2 系统计算模型
• 4.2.1 三种排烟方式HAT循环简介
• 4.2.2 计算模型及边界条件
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 系统性能比较及分析
• 4.3.2 水回收率
• 4.3.3 烟气冷凝温度影响
• 4.4 不同排烟方式微小型HAT循环性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 微小型HAT循环变工况性能
• 5.1 概述
• 5.2 系统各单元变工况模型
• 5.2.1 压气机变工况模型
• 5.2.2 透平变工况模型
• 5.2.3 换热器变工况模型
• 5.2.4 湿化器变工况模型
• 5.2.5 其它
• 5.3 部分负荷性能
• 5.4 环境温度影响
• 5.5 环境湿度影响
• 5.6 不同运行模式性能
• 5.6.1 回热循环模式
• 5.6.2 注水循环模式
• 5.7 本章小结
• 第六章 HAT循环分布式供能系统优化配置及优化运行初步研究
• 6.1 概述
• 6.2 系统方案
• 6.3 外部条件
• 6.3.1 负荷特性分析
• 6.3.2 购电及天然气价格
• 6.4 备选方案
• 6.5 主要设备模型
• 6.5.1 燃机模型
• 6.5.2 吸收式冷温水机模型
• 6.5.3 电动热泵/制冷机模型
• 6.6 优化配置和优化运行问题及求解方法
• 6.6.1 目标函数
• 6.6.2 约束条件
• 6.6.3 优化方法
• 6.7 优化配置结果
• 6.8 优化运行策略分析
• 6.8.1 优化运行策略说明
• 6.8.2 联供系统运行费用
• 6.8.3 一次能源利用效率
• 6.9 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 对今后工作的建议
• 符号表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢