湿空气透平循环

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1、湿空气透平（HAT）循环专业：265466313113213131313131姓名：164654321321321一、背景介绍能源是人类社会生存和发展的物质基础，是人类生产和生活的重 要支柱之一，能源开发和利用的历史也就是人类社会发展和进步的历 史。随着生产力的发展和人类生活水平的提高，人类社会对能源特别 是电能、热能和机械能的需要越来越大，而不可再生的一次性常规能 源的已知存储量却的逐年剧减。目前世界性的能源危机与环境污染是 人类社会和谐持续发展所面临的两大严峻的问题，因此合理利用地球 上的宝贵资源，提高资源的利用效率、减少资源的浪费和损失，利用 有限的资源获得最大极限的可用能量，成为全世界

2、各国解决这两个问 题的共同手段。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、注蒸汽燃气轮机（STIG） 循环、是空气透平（HAT）循环等都是新型循环的代表，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，被誉为21 世纪的热力循环。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。二、HAT循环简介HAT循环新概念是由日本Y.Mori教授于19

3、83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

4、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

5、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:空临I低压压气机2.高压压气机工透平4.水混合器A艮燃烧室6.回热器工经挤器乳饱和器冬回水泵血后冷器1!冲冷器12冰混合器BR发电机三、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

6、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。四、关键部件HAT循环中关键部件一湿化器。当环境温度升高时，低压压气机流量减少、排气温度升高，则间 冷器和后冷器间冷却水的排水温度和流量都随之变化，引起湿化器出 口空气含湿量随着环境温度升高而增加，一定程度上减缓了功率的减

7、 小趋势，也减缓了循环效率的减小趋势，因此循环具有较好的变工况 性能。五、国内外的研究现状及主要进展1、HAT循环的研究HAT 循环自提出以来，以其效率高、成本低等优点引起了广泛 的重视，各国专家学者对 HAT 循环的整体性能作了大量的研究。早 期的研究工作集中在系统整体分析上，主要对各种系统布置行式和运 行参数进行分析，比较同其它循环在效率、功率输出等方面的不同， 通过研究表明：利用现有的燃气轮机技术（初温1300C，压比20 30）,循环效率可达55%58%。若加大湿化热水量，即蒸汽空气混 合比 X 提高到2045，则可望突破60。美国能源部、电力部 和动力制造公司等对 HAT 循环十分重

8、视，联合推出了一个“先进透 平系统发展项目（ ATSDP） ”，旨在应用新颖循环概念和重大技术进步成果，开发 HAT 装置也是目标之一。美国的 EPRI， Fluor Daniel 等公司联合制定了一个时间表，准备分三个阶段实现HAT循环的商 业化。前几年瑞典 LUND 大学在率先造出了世界上的第一台可以投 入实际运行的蒸发式燃气轮机（HAT循环的雏形）。国内从1993年起对HAT循环进行研究，但研究基本上还限于理 论研究，研究的重点是HAT循环的热力学分析、循环性能分析以及 对循环参数与流程进行优化，从理论上研究和探讨HAT循环的本质 及其性能。2、饱和器的理论研究近十年来，随着研究工作的深

9、入和建立HAT循环示范电站的需 要，研究工作逐步细化深入到循环的各个部件。饱和器是HAT循环 的特色和核心部件，正是由于饱和器的存在，所以能够实现低温余热 的回收，使比功和效率增大，因此饱和器在 HAT循环中占有很重要的地位，对其性能的认识关系到整个系统的性 能分析。国内外对饱和器的研究也日益重视，在参考冷却塔德基础上建立 相应的理论计算模型。根据饱和器内的传热传质规律，建立了微分方 程组。编制SAT模型和CT模型程序计算得出了饱和器内部的参数分 布规律，分析了两种数学模型与实验结果的差异，此外还分析了饱和 器的热经济性能，对空气加压增湿过程进行了模拟计算和分析比较。无论从理论分析还是实验研究

10、来看，饱和器内部的传热传质过程 还有许多问题需要解决，包括过程的火用分析、过程中温度和湿度场 的测量，过程的实验组织和实验数据的整理、过程的稳态特别是动态 的数值计算。只有在解决这些问题的基础上，人们才有可能掌握湿化 饱和过程的实质，才有可能设计出性能良好的饱和器。3、饱和器的实验研究 饱和器工作于高热、高压、高湿环境下，内部物理过程非常杂， 通过纯理论的方法来研究存在较大的缺陷，如假定工质物性、传热和 传质系数不变，因此在理论基础上的实验研究对于揭示饱和器内部规 律是必须的。瑞典的 LUND 理工学院与瑞典皇家理工学院共同于 1998 年 10 月搭建完成了第一台以600KW微型透平为基础的

11、HAT循环实验台， 此实验台基于 Volvo VT600 的单轴燃气轮机，涡轮入口温度大约 1000C，空气流量3. 44kg / s，饱和器进口压力0. 8MPa,通过此实验台对饱和器和大湿度燃烧室等进行了很好的研 究，得到了许多宝贵的实验数据资料，完善了相关的理论模型空白。近几年来国内几所高校和科研单位也相继搭建了饱和器性能实 验台，对增湿饱和器进行了初步的实验研究，取得了一定的成果。然 而由于测量条件限制一直未对饱和器内两相流动进行详细的试验研究，因此对饱和器内气体的流动、液滴的流动、液滴 的分布、液滴的浓度、液滴的速度、液滴和气体间的换热和传质等的 性质研究也很少。4、饱和器的数值模拟

12、研究 在饱和器内部喷雾水滴和湿空气直接接触，这是一个气液两相问 题。由于流体流动过程的复杂，模型实验测量具有一定局限性，无法 全面了解饱和器内部两相流场的微观状态和加热加湿动态过程的信 息，而数值模拟的方法则可用于流场的预测和弥补实验中无法测量的 一些参数。5、对HAT循环优化的研究目前已有多种HAT系统方案，由于没有试验验证，对他们性能 的评价只能建立在各作者各种假设条件的基础上，因为条件不同，这 些结果就没有可比性。P.Chiesa等将以往研究者提出的HAT方案综合起来，并加入自 己的构想，得到了 HAT循环的超结构流程，如下图图一所示。图二为 相应温熵图，左边曲线代表空气和燃气的工作过程，右边曲线代表补 水的工作过程。U；-低压压气机；HC-高压压气机；1C-中冷器;AC -后冷器;H-湿化矣T-透平mi-高温回热熱RH2r低温回热器;CC-燃烧室口图一 HAT循环的超结构流程图图二 HAT循环超结构温熵图问：高温高湿的水蒸气喷射入燃烧室的作用是什么？答：等温加湿。加湿用的蒸汽可以产生的低压蒸汽，空气增加水蒸气后，含湿量增加，但温度近似不变。其做功能力增大。