余熱利用式燃氣輪機循環熱力學分析

張澤龍

（東部戰區海軍訓練基地電工教研室，上海201900）

0 前言

余熱利用式燃氣輪機循環是以空氣為工質，通過換熱器回收余熱并輸出功的動力裝置[1]，它最初是為了回收燃氣輪機的高溫排氣余熱提出的[2，3]。Korobitsyn[4]提出將燃氣輪機循環作為玻璃熔爐的熱回收裝置進行發電，其發電效率為26%.Vittorio和Valerio[5]提出了以太陽能為熱源的燃氣輪機循環，該循環通過太陽能集熱器收集太陽能為燃氣輪機循環提供熱量，并對循環性能進行了分析。付建勤等[6]提出了回收內燃機廢氣余熱的燃氣輪機循環，對該循環的余熱回收性能進行了分析。

在實際的鋼鐵生產過程中會產生大量的余能余熱，這些余能余熱的回收利用已成為鋼廠挖掘節能潛力、提高節能水平的重要手段[7-9]。尤其是鋼鐵生產過程能產生大量的高溫熔渣（主要是高爐渣和鋼渣，1 400～1 600℃）等，屬于高品位熱能，回收高爐渣的余熱對鋼鐵工業節能減排意義很大[10]。以往，對熔渣余熱沒有很好的利用方法，熔渣干式粒化法[11]的提出為高溫熔渣余熱提供了一種新的途徑，熔渣在旋轉盤中由于離心力的作用下分離，產生的熔滴在鼓風空氣的作用下快速冷卻固化，同時可回收600℃左右的熱空氣。

為了進一步提高鋼鐵工業節能減排能力，本文對以熔渣余熱所產生的熱空氣為熱源的燃氣輪機循環性能進行研究，基于經典熱力學理論和方法[12]，分析余熱回收溫度對循環功率和熱回收效率的影響，并以循環功率最大為優化目標，對空氣質量流率和循環壓比進行優化。

1 裝置模型

余熱利用式燃氣輪機裝置如圖1所示。回收鋼廠生產過程中熔渣余熱所產生的高溫空氣作為高溫熱源，進入燃氣輪機的換熱器高溫側；在燃氣輪機循環中，空氣進入壓氣機壓縮，再進入換熱器低溫側吸熱，然后進入渦輪機做功，最后排入大氣，整個裝置實現了熔渣余熱的回收利用。

圖1 余熱利用式燃氣輪機裝置

2 循環分析

圖2為該燃氣輪機循環T-s圖，1-2為空氣在壓氣機中的壓縮過程，2-3為空氣在換熱器低溫側中的吸熱過程，3-4為空氣在渦輪機中的膨脹過程，4-0為空氣排放過程，TH1-TH2為回收的熱空氣在換熱器高溫側中的放熱過程。

空氣在壓氣機中壓縮，其等熵溫比為：

式中，β1=P2/P1為壓氣機壓比，γa為空氣比熱比。循環壓比為β=β1.

圖2 余熱利用式燃氣輪機循環T-s圖

根據壓氣機的等熵效率的定義ηc＝（T2s-T1）/（T2-T1），空氣在壓氣機中的不可逆絕熱壓縮的溫比為：

壓氣機消耗的功率為：

式中，cpa為空氣定壓比熱，m˙a為空氣質量流率。

壓縮空氣進入換熱器吸熱，由換熱器理論可得：

式中，Cwf＝ m˙acpa為工質熱容率，CH＝ m˙Hcpa為高溫熱源熱容率，m˙H為高溫熱空氣質量流率，CHmin＝ min（Cwf，CH），EH為換熱器有效度：

式中，CHmax＝ max（Cwf，CH），NH＝ UH/CHmax為傳熱單元數，CH為工質與高溫熱源間的熱導率。

工質流出換熱器，進入渦輪機做功，在渦輪機中膨脹過程的等熵溫比為：

式中，β2為渦輪機膨脹比，β2= β1= β.

根據渦輪機的內效率的定義ηt=（T3-T4）/（T3-T4s），空氣在渦輪機中的不可逆絕熱膨脹的溫比為：

渦輪機的輸出功率為：

空氣布雷頓循環的凈功率為：

空氣布雷頓循環的熱效率為：

定義空氣布雷頓循環的熱回收效率為：

3 數值算例

本節通過數值計算分析余熱回收溫度對循環功率、熱回收效率和循環熱效率的影響，并以循環功率最大為優化目標，優化循環壓比和工質質量流率。計算中，空氣布雷頓循環裝置相關參數取值為：換熱器熱導率為UH＝3 kW/K，壓氣機內效率為ηc=0.92，渦輪機內效率為ηt=0.95，環境壓力為P0=0.101 MPa，環境溫度為T0=293 K；回收熱空氣溫度TH1為867 K，質量流率為0.7 kg/s.無特殊說明，計算時以上參數取值不變。

對于余熱利用式燃氣輪機循環，余熱溫度TH1對循環性能影響很大。本節分析余熱回收溫度對循環性能的影響。圖3和圖4給出了當循環壓比為β=5時，TH1對W˙、η 和 η1與m˙a關系的影響。由圖可知，隨著TH1的增加，W˙、η和η1都能得到提高。提高干式粒化余熱回收裝置的性能，使TH1提高，能提高空氣布雷頓循環的性能。

圖 3 TH1對W˙與m˙a關系的影響

圖 4 TH1對η 和η1與m˙a關系的影響

在余熱量給定的情況下，空氣布雷頓循環作為余熱回收裝置，其性能體現在輸出功率的大小，因此本溫對循環功率W˙進行優化。

圖5給出了W˙與β和m˙a的三維關系。由圖可知，存在一組最佳的循環壓比和循環工質質量流率使循環功率達到最大值，β和m˙可以作為設計變量進行優化。

圖 5 W˙與m˙a和β 的關系

圖 6 給出了當m˙a=0.7 kg/s時，W˙、η1和 η 與 β 的關系。由圖可知，隨著β的增大，W˙、η和η1先增大后減小，存在最佳 βopt使W˙和 η1達到最大值W˙max和 η1max.

圖 6 W˙、η 和η1與β的關系

圖 7 給出了W˙max、η1max及相應 η 和 βopt與m˙a關系。由圖可知，βopt和 η 隨著m˙a的增加而減小；W˙max和 η1max隨著m˙a的增加先增大后減小，存在最佳m˙aopt使W˙max和η1max達到雙重最大值W˙max，2和，η1max，2，此時最佳壓比記為βopt，2.通過選取合理的循環的質量流率，能使循環性能達到最優。循環的優化結果如表1所示。

圖 7 W˙max、η、η1ma x和βopt與m˙a的關系

表1 空氣布雷頓循環經典熱力學優化結果（TH1=867K）

4 結論

回收鋼廠生產過程中所產生的余熱資源，是實現鋼廠進一步節能減排的關鍵。為了探索余熱回收式燃氣輪機在鋼廠節能方面的應用潛力，本文應用經典熱力學理論和方法，對該燃氣輪機裝置的功率、熱效率和熱回收效率進行了分析和優化，主要結論有：（1）循環功率、熱回收效率和循環熱效率隨著余熱回收溫度的增大而增大，故提高熔渣干式粒化余熱回收裝置的性能有利于提高循環性能；（2）以循環功率最大為優化目標時，通過調整循環壓比和循環工質質量流率，能使循環最大功率達到雙重最大值，此時熱回收效率也是最大的，故通過合理選取循環壓比和工質質量流率能提高循環性能，該循環的最大功率為59.83 kW，最大熱回收效率為14.82%.