以SCO2为底循环工质的燃气联合循环系统优化

由 岫，任显龙 ，卜一凡

(1. 哈尔滨电气集团有限公司，哈尔滨 150028；2. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

燃气轮机具有功率密度大、启动速度快、低污染等特点，近年来得到了广泛应用，但由于燃气轮机燃烧温度高，排气当中还蕴藏着巨大的能量，因此常规的联合循环会配置蒸汽朗肯循环作为底循环，提高能源利用率。

S-CO2透平是以超临界CO2为工质，基于布雷顿循环原理的动力发电设备，是一种比传统蒸汽轮机更为先进的发电设备。具有以下特点：功率密度高，体积小，一般为蒸汽轮机的1/20～1/30；成本低，初始投资比蒸汽轮机低30%～40%，比燃气轮机低20%；热效率高，最高可达55%；结构简单，属于单相循环，没有相变过程，不使用凝汽器，所使用的阀的数量只有朗肯循环的1/10。S-CO2工质的主要优点有：惰性，不易发生化学反应,无毒，临界压力、临界温度适中，易获取。已有研究表明，在透平初温为620 ℃和720 ℃时，采用S-CO2循环比常规的蒸汽朗肯循环效率更高[1]。在一些严重缺水地区，将其作为联合循环的底循环尤为适合。

关于S-CO2的系统模拟，国内外一些学者已做过相应研究。Seong Kuk Cho等人以西门子公司的SGT5-4000F重型燃气轮机为计算对象，对该等级燃气轮机与S-CO2循环方式进行对比分析计算[2]，国内厦门大学、中科院等科研单位做S-CO2的变工况特性分析[3-4]，研究对象是核电与S-CO2的联合利用。中小型燃气轮机可广泛应用于海上油气开发平台、舰船动力、分布式供能系统等方面，本文建立适用于30 MW等级中小型燃气轮机，尾气余热利用以S-CO2为底循环工质的燃气联合循环系统模型，并对模型进行性能优化。

1 计算模型搭建

采用Aspen Plus软件进行计算模型搭建，底循环以S-CO2为循环工质，顶循环系统中燃气轮机选用LM2500+，该机型源于CF6-6航空发动机，压气机16级，压比20，进口可转导叶，6级可调静叶(以提高燃气轮机在不同负荷下的效率，并防止压气机发生喘振)，高压透平2级，动力透平6级，性能参数和排气组分如表1和表2所示。

表1 顶循环燃气轮机排气参数

表2 燃气轮机排气组分

CO2的临界温度为31.2 ℃，临界压力为7.38 MPa，超临界流体是温度、压力高于其临界状态的流体。超临界流体具有许多特有的性质，粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。在临界点附近，流体的密度、粘度、溶解度、介电常数等物性发生急剧变化。

S-CO2循环系统计算的准确性取决于工质的物性参数，尤其是在临界点附近的各参数，本文的物性计算采用REFPROP物性数据库。对于纯CO2工质来说，目前最精确的计算方法为Span-Wagner状态方程[5]，基于这种方法由NIST开发的REFPROP物性数据库确保在整个循环系统中CO2工质处在超临界态，主压缩机的压力应大于7.4 MPa。

由于不同压力下的S-CO2热容相差很大，回热器的效率很难提高，为降低节点温差，提高换热器的换热效果，在简单的回热循环的基础上将低压流体分流，增加一级回热器构成再压缩循环，如图1所示。这种循环方式是目前研究最广泛的一种高效的循环类型，热源温度500～600 ℃的范围内循环效率最高，适用于核电发电等要求热源温度小范围内变化的情况下[2,6]。

为提高对燃气轮机排气余热的利用，对压气机出口流体进行分流，增加一级余热利用器，构成部分加热循环，如图2所示。另一种降低回热器节点温差的循环方式如图3所示预压缩循环。

循环系统包括以下几种主要工作部件，余热加热器HX；预冷器PC；主压缩机MC；再压缩机RC；预压缩机PreC；透平TB；低温回热器LTR；高温回热器HTR；简单循环回热器RCP及其它辅助设备，ΔT表示不同位置余热加热器的换热端差。

计算结果中底循环效率ηb和总循环效率ηt定义如下所示：

三种循环方式的计算结果见表3。由表3结果可知，再压缩循环、部分加热循环、预压缩循环三种循环方式中，部分加热循环方式的出力最高，为7.269 MW，这是因为这种循环方式中，余热利用设备采用两级加热，余锅的排气温度为193.25 ℃，相比其它两种方式降低100 ℃以上，增加了对燃气轮机排气的利用程度。但是通过对底循环效率的对比可知，部分加热循环方式的效率为26%，是三种方式中最低的。

2 循环系统型式优化

再压缩循环效率高达36.5%，余锅排气温度仍高达319.85 ℃，只采用这一种循环方式对余热的利用不充分，并不适用于燃气轮机联合循环[6]，因此下文中将再压缩循环之后的排烟余热分别通过简单回热循环和部分加热循环的方式进一步利用，循环示意见图4和图5。高温烟气首先通过余热加热器HX1将热量传递给再压缩循环中的做功工质S-CO2，在图4中HX1的排气通过HX2将烟气中的余热传递至简单循环；在图5中HX1的排气通过HX2和HX3将烟气中余热传递至部分加热循环。

表3 循环系统主要性能参数

优化后循环参数如表4所示，循环系统的排气温度降低至200 ℃等级，这代表底循环对燃气轮机余热利用更充分，循环功率和效率相比再压缩循环都有提高，底循环功率提高了1.383 MW和1.792 MW。再压缩循环+部分加热循环方式总功率34.9 MW，系统总效率达到49.2%，与常规的朗肯循环效率相比持平，是一种较适宜于燃气联合循环的方式。

表4 循环参数对比

3 对再压缩+部分加热循环的参数优化

以再压缩循环+部分加热循环为参考模型，建立整厂循环模型，对影响循环的几个主要参数进行优化设计。模型暂未考虑循环系统相关管道、阀门及换热器的温损及压损。对换热器、压气机和透平均做了相应的简化处理，其中压气机和透平性能采用固定的等熵效率，系统中所有的换热器通过端差计算能量平衡，不进行详细的换热器计算。端差是指换热器的冷热源在高温或低温侧工质的温度差值。

影响循环系统的参数主要包括压气机进口温度压力和透平进口温度压力。其中透平进口温度由燃气轮机的排烟温度决定，取决于余热利用设备的换热效率。其它参数对系统的影响结果如图6～图8所示。纵坐标采用当前点数值与基准点对应数值的比值，图6选取压比为3.1时的功率效率参数作为基准点，图7选取压气机进口温度为33℃时的参数作为基准点，图8选取压气机进口压力为7.4 MPa的参数作为基准点。

由图6可知，随着系统压比的升高，底循环功率和总循环效率变化趋势相同，均为先略升高再降低，压比为3.4时为最优值。底循环的效率随着系统压比的升高而下降。

由图7可知，压气机进口温度越高，底循环和总循环的功率、效率越低，因此在保证CO2工质处于临界态的前提下，温度越低系统效率和功率越高。

由图8可知，从循环的角度来说，保证系统压比和压气机进口温度的前提下，压气机的进口压力越高，底循环和系统的效率越高，但是对于压气机部件设计来说进口压力越高，气体可压缩程度越低，压气机效率降低，因此压气机的进口压力不宜无限制增大，取7.8～8.0 MPa为宜。

4 结论

1) 采用S-CO2作为底循环工质的联合循环系统，可采用再压缩+简单循环和再压缩+部分加热循环的型式，功率和效率比单一型式的系统有所提高。

2) 对于LM2500+为顶循环的S-CO2再压缩+部分加热联合循环系统，系统最优参数为，压气机进口压力7.8～8.0 MPa，压气机进口温度33 ℃，压比3.4。