采用烟气再循环的联合循环机组热力性能分析

张兆宇，计京津，彭淑宏

(上海电气燃气轮机有限公司，上海 200240)

在燃气轮机循环效率提升、透平前温升高以及污染物排放指标日趋严格的发展背景下，烟气再循环(Exhaust Gas Recirculation, EGR)技术受到研究机构与厂商越来越多的关注。

受限于当前低NOx燃烧器的有效工作温度区间，J级燃气轮机的NOx排放问题需要采用其他新型低NOx燃烧技术加以解决[1]，EGR技术即其中一种。EGR通过将一部分透平或余热锅炉的烟气与压气机进气空气混合，来稀释空气中的O2，使燃烧速度降低，减少局部火焰高温现象，从而抑制热力型NOx的生成。由于这一特性，EGR被视为下一代燃气轮机的研发储备技术。

除了为下一代燃气轮机提供NOx排放解决方案，EGR还具备其他热力性能方面的使用价值，包括：通过进气加热实现进气系统除冰，并调节热力循环总体性能，起到和进气加热(Inlet Bleed Heating, IBH)系统类似的效果；在降低燃烧室O2浓度的同时提升燃气的CO2浓度，更有利于排气的碳捕集。

世界主要动力设备厂商在EGR领域普遍有较成熟的技术积累。GE开展了EGR对F级燃气轮机DLN燃烧器排放性能影响的实验研究[2]，并申请了数个关于EGR的专利作为未来的技术储备，例如：将透平排气送入压气机进口，实现燃烧室NOx排放的降低[3]；使烟气进入燃烧室进行二次燃烧，提升排气中CO2的含量，增强碳捕捉能力[4]；利用再循环的烟气替代压气机抽气，用于透平的冷却，减少燃气轮机排气中的O2含量[5]；将再循环烟气用于进气系统除冰和除湿[6]等。三菱计划将EGR燃烧技术应用于1 700 ℃燃气轮机，并完成了燃烧室的高压燃烧试验[7]。西门子基于SGT-800燃气轮机进行了部分负荷热力性能分析计算[8]。

本文基于AE94.3A燃气轮机联合循环热力模型，计算采用EGR改造后机组的总体热力性能。本文将分析部分负荷工况下EGR率对机组出力和效率的影响，根据进排气工质组分分析排放性能的变化，并与进气空调系统进行性能比较。最后给出EGR改造在当前F级燃气轮机机组中的应用价值、运行建议，并提出改造中尚需验证和解决的问题。

1 系统建模

典型的EGR设计方案如图1所示，从余热锅炉排烟引入再循环烟气，与空气混合送入压气机。本文采用IPSEpro平台，按照该设计方案，建立联合循环机组热力模型进行计算和分析。在余热锅炉排烟出口添加循环回路，按设定比例使烟气进入循环回路，与压气机进口空气等压混合后进入压气机。模型部分架构如图2所示。燃气轮机模型型号为AE94.3A，设计点参数如表1所示，冷却抽气采用ISO 2314标准[9]方法进行折算和简化。汽水侧为三压再热循环，高压缸模块按单级组处理，中低压缸分别按两级组处理，低压缸末级排汽损失通过末级损失模型模拟。

图1 典型EGR设计方案

图2 计算模型

表1 AE94.3A燃气轮机设计点参数[10-11]

模型计算的相关设定及假设前提包括：

1)大气环境为ISO工况；

2)天然气组分为100%CH4，气源压力3 MPa，温度15 ℃，预热至120 ℃；

3)EGR率定义为烟气循环回路流量与余热锅炉总流量之比；

4)余热锅炉排烟压力与环境压力相等，且忽略烟气循环回路压损及风机耗功；

5)以机组设计点负荷为基准计算负荷率，将其定义为机组负荷与设计点负荷之比；

6)从基本负荷工况降低负荷的控制策略为，先关小IGV或增大EGR率，维持定TETC运行，IGV关至最小开度后，以等IGV开度运行；

7)主蒸汽、再热蒸汽温度上限为565 ℃；

8)汽轮机在主蒸汽压力7.5 MPa以上时采用滑压运行，主蒸汽压力降至7.5 MPa后采用定压运行。

2 计算结果及分析

在EGR率为0%～50%、机组负荷率为35%～ 80%的部分负荷工况范围内进行计算及分析。通过给定EGR率、机组负荷及透平排气温度得到各工况计算结果。计算结果以设计点工况为基准进行归一化处理，使其结论更为普适。

2.1 燃气轮机性能

EGR对于燃气轮机性能的直接影响来自压气机入口温度的显著升高，如图3所示。各负荷率下45%的EGR率均能够使进气温度由15 ℃提升至约45 ℃。由于进气温度的升高，进气密度降低，压气机第1级载荷也需要相应增大。这两方面的影响都使得IGV在部分负荷下需要增大开度，以适应进气温度的升高。

图3 压气机入口温度与EGR率关系

伴随着EGR率增加，由于进气密度的降低，在开大IGV以维持甚至增大进气体积流量的同时，进气的质量流量是反而降低的，如图4和图5所示。

图4 压气机入口质量流量与EGR率关系

图5 压气机入口体积流量与EGR率关系

在常规的联合循环部分工况中，IGV关小、压气机偏离设计工况点是导致压气机效率降低的主要原因之一。在相同的机组出力下，提高IGV开度可以使压气机第1级的工况向最佳工况点偏移，显著提高压气机和燃气轮机的效率，如图6所示。基于这一原因，较高的负荷率和EGR率工况下的压气机效率甚至可以大于基准工况下的效率。但在80%负荷率下，压气机效率的极大值点位于40%至45%EGR率区间内。继续增大EGR率，会使压气机远离最佳工况点，效率大幅下降。

图6 压气机效率与EGR率及联合循环负荷率关系

从另一个角度来看，联合循环机组从满负荷工况开始降低负荷时，可以维持IGV全开，通入循环烟气降低机组出力。EGR提供了更为灵活的负荷调节方法，可以在较高负荷率工况下通过改变EGR率对机组负荷进行调节，以推迟关小IGV的过程，从而将压气机效率维持在较高水平。但采用这一方法需要注意进气温度较高时IGV的开度上限，避免压气机第1级载荷过大。这也是限制EGR率的因素之一。

在EGR提升压气机进口温度的同时，由于等TETC的控制策略，透平排气温度也同时得到提高，如图7所示。45%的EGR率可以将各负荷率下的透平排气温度均提升至600 ℃以上，并减小排气流量，使蒸汽循环的主蒸汽温度达到565 ℃的上限，从而将汽水侧的热效率维持在较高的水平。由于锅炉侧的进气温度限制通常在600～610 ℃，45%～50%的EGR率是当前联合循环机组可接受的上限。

图7 透平排气温度与EGR率关系

由于引入EGR后，相同负荷下IGV的开度增大，IGV最小开度对应的联合循环负荷率也随之降低，如图8所示。由于控制模式切换的推迟，最小环保负荷也可因此降低至设计值[12]以下。

图8 IGV最小开度工况负荷率与EGR率关系

ISO等效透平进口温度Tiso的变化规律相比排气温度较复杂，如图9所示。由于透平排气温度的提升，Tiso在大部分工况点中也相应提升。但在负荷率为50%～75%、EGR率为45%～50%的区间中会出现Tiso的极大值点。这与膨胀比下降、透平效率下降等因素有关。

图9 透平Tiso与EGR率关系

2.2 联合循环性能

EGR率对联合循环效率的影响如图10所示。联合循环效率的提升主要来自于压气机效率和Tiso升高的贡献。在计算范围内，同一负荷率下50%的EGR率可实现0.62%～1.31%的效率提升。负荷率越低，EGR对效率提升的效果越显著。受到压气机效率及Tiso变化特性的影响，所计算工况范围中，80%和75%负荷率下存在效率最佳EGR率，分别位于35%～45%和45%～50%之间，而在其他负荷率下，所计算的EGR率范围内未出现效率极值点。

图10 EGR率对联合循环效率影响

在定负荷计算约束下，虽然进气温度的提升增大了压气机的单位耗功，但烟气能量的注入也替代了部分燃料，缩小了部分负荷工况燃气轮机效率的下滑幅度。依托于主蒸汽温度和流量的提升，联合循环的效率得以提升。在高EGR率工况下，即使主蒸汽温度达到565 ℃的上限，减温水流量增大，蒸汽流量增加带来的汽轮机出力和循环效率的增益仍然大于减温水造成的效率损失。

EGR对联合循环出力分配的影响如图11所示。引入EGR后，压气机耗功增多，燃气轮机出力在联合循环出力中的占比进一步下降。联合循环出力的分配由效率下滑的燃气轮机转移到维持较高效率的汽轮机，这也是EGR有利于部分负荷联合循环效率的表现之一。

图11 燃气轮机出力占比与EGR率关系

2.3 排放性能

除联合循环热力性能方面外，该模型的计算结果中的O2及CO2气体组分数据可为燃烧和排放相关方面提供部分参考信息。

引入EGR对排烟CO2浓度的影响如图12所示。采用45%EGR率后，各负荷工况下排烟的CO2体积分数增加了80%，同时排烟流量也减少了约47%，这有助于提升碳捕集效率并降低捕集成本。

图12 排烟CO2体积分数与EGR率关系

燃烧室进口O2浓度的变化如图13所示，45%的EGR率可以使燃烧室进口O2体积分数降低约30%。根据文献[2]中的试验研究结论，这一下降幅度对NOx排放的降低有极大的帮助。但同时需要注意两方面的问题：第一，如图14所示，过量空气系数在计算范围内最低降至1.75以下，这可能带来燃烧不稳定的问题；第二，燃烧室内O2浓度降低和CO2浓度升高会导致CO排放的增加，但燃烧温度的升高使这一问题有所缓解。这一问题需要对燃烧方面进行进一步的研究予以确认。

图13 燃烧室进口O2体积分数与EGR率关系

图14 过量空气系数与EGR率关系

3 与进气加热技术的对比

由于EGR对于联合循环机组热力性能方面的影响主要来自于进气温度的提升，其原理与进气加热有一定的相似性，因此采用相同方式建立进气空调热力模型，对两种进气加热技术进行经济性对比。

3.1 进气加热模型

对比模型采用表面式进气加热方案，基于同一组联合循环模型进行模型开发和性能评估比较。低压省煤器出口的热水和凝汽器出口的热水混合后进入常规逆流式换热器，与进口空气进行换热，进气加热范围涵盖EGR对进口温度的提升区间。在相似的进气加热工况范围内，比较两种技术手段对联合循环性能的提升效果。

模型相关计算设定及假设前提除了与EGR模型保持一致的部分外，换热器部分及有差异部分设定如下：

1)逆流式换热器热端压损0.1 MPa，进气端压损300 Pa，进气端入口节点温差20 ℃，出口节点温差30 ℃；

2)低压省煤器出口热水温度高于120 ℃时，设定燃料预热至120 ℃；低于120 ℃时，换热器燃料出口的节点温差设定为5 ℃。

3.2 计算结果及对比分析

基于上述模型及计算设定，在35%～80%负荷率、压气机进口温度由15 ℃加热至45 ℃范围内对进气空调模型热力性能进行计算。

由于采用与EGR模型相同的TETC控制策略，进气空调模型同样通过进气温度的提升实现了压气机效率以及透平排气温度的提升。联合循环热效率随进气温度升高的变化趋势如图15所示。在各部分负荷工况下，进气温度越高，联合循环效率越高，且在计算范围内不存在极大值点。

图15 进气加热联合循环效率与压气机入口温度关系

将EGR模型效率曲线以相同方式绘制进行对比，如图16所示。两种进气加热技术手段在压气机入口45 ℃时对联合循环效率的提升幅度如表2所示。

图16 EGR联合循环热效率与压气机入口温度关系

表2 进气45 ℃对联合循环效率提升幅度对比

两种进气加热技术手段对联合循环效率的提升效果较为接近。在高负荷率下，进气空调对联合循环效率的提升高出约0.08%，但在35%负荷率下，EGR能够提供更多的效率提升。

在高负荷率下二者提升效果的差异主要来自于透平前温Tiso的差距。进气空调需要抽取省煤器出口热水作为热源，对于汽轮机出力存在一定的负面影响。在机组出力固定的计算条件下，这要求燃气轮机的出力增加，从而使得进气加热模型Tiso的上升幅度显著大于EGR模型，如图17和图18对比所示。在各负荷率下，进气温度45 ℃时，进气空调模型的归一化Tiso均比EGR模型高出约0.02。这一差异反而使进气空调模型获得了较大的效率优势。

图17 进气加热模型透平Tiso与压气机入口温度关系

图18 EGR模型透平Tiso与压气机入口温度关系

由于进气空调与燃料预热同时抽取低压省煤器出口热水作为热源，二者存在一定冲突。在负荷率较低、进气加热量较大的工况下，省煤器出口热水温度大幅下降，进气空调模型无法维持120 ℃的燃料预热温度。这一部分的冲突导致在例如35%的较低负荷率下进气空调的效率优势丧失。而EGR相当于使用了外部热源，不会对燃料预热产生限制。

总体而言，在机组绝对出力不变的前提下，进气加热对联合循环的热力性能影响相似，有利于各部分负荷工况下的效率提升。

4 讨 论

现有F级燃气轮机机组应用EGR时，其控制策略可设计为：在80%以上负荷率下，从关小IGV变为将EGR率由0%逐渐提升，以实现负荷调节，减小联合循环效率损失；在80%负荷率左右开始关小IGV，并调整EGR率，使效率达到极大值点；在65%以下负荷率下，联合循环效率随EGR率单调增加，可将再循环率提升至限制边界。

再循环率的安全限制边界由以下因素共同确定：余热锅炉对透平排气温度的限制、压气机第1级载荷限制、燃烧稳定性要求对燃烧室进口O2浓度的最低限制、CO排放的限制、施工中烟气循环管路体积的限制等。而将EGR应用于实际机组改造中还需要进一步验证和解决的问题包括：烟气的高含水量对进气系统的影响、烟气中的硫化物对压气机的腐蚀影响、控制EGR率的实现方式、引入EGR后对燃烧稳定性及CO排放的影响等。

由于EGR主要通过提高进气温度对联合循环总体性能产生影响，其与采用表面式换热的进气空调技术在这一方面有一定的相似之处。二者对联合循环效率的提升效果相近。

对于当前的F级机组，如果长期处在部分负荷运行工况下，采用EGR和进气加热改造可以获得相近的效率收益。在新机组的设计阶段，如果考虑应用较大比例的EGR，应当对压气机通流进行重新设计，以提高压气机在高进气温度和低折合转速下的气动性能，从而充分释放EGR系统的潜力。更激进的做法是，提高压气机的设计工况点温度，进一步提高EGR工况下的压气机效率。在未来的J级及更高透平入口温度的燃气轮机中，EGR在燃烧、排放等方面的应用价值将进一步放大，从而具备更大的应用潜力。

5 结 论

本文开发了EGR联合循环机组热力模型，对其热力性能进行了计算分析。计算结果表明，在部分负荷工况下，EGR主要通过进气温度的提升，实现压气机效率的提升和透平排气温度的升高，从而提高了联合循环效率。在所计算负荷范围内，再循环率达到50%时，联合循环效率可以提升0.62%～1.31%。此外，根据模型计算结果，EGR带来的预期收益还包括：

1)IGV最小开度工况点向下拓展，最小环保负荷降低；

2)燃烧室入口O2浓度降低，抑制热力型NOx的生成；

3)余热锅炉排烟流量减少，CO2浓度提高，O2浓度降低，更有利于碳捕集。