李建鋒, 呂俊復(fù), 李 斌,3, 郝繼紅, 張全勝, 堯國(guó)富, 黃海濤

(1.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)科技開(kāi)發(fā)服務(wù)中心,北京 100055;2.清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;3.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206)

社會(huì)迅速發(fā)展帶來(lái)了電力消耗的急劇增加,而煤炭仍是當(dāng)前我國(guó)發(fā)電的主要能源.據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2009年底,我國(guó)6000 kW規(guī)模以上火電裝機(jī)容量約占全國(guó)總裝機(jī)容量的74.6%,而火力發(fā)電量則占據(jù)全國(guó)發(fā)電量的83%以上.煤炭的燃燒不僅產(chǎn)生了大量的SO2、NOx等污染物,同時(shí)也產(chǎn)生了大量的CO2,成為溫室氣體的主要來(lái)源.

為了降低煤炭消耗,人們通過(guò)不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)提高發(fā)電系統(tǒng)的熱效率,如現(xiàn)在大力發(fā)展的超超臨界(USC)技術(shù)[1]、整體煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)[2]等.另一方面,由于我國(guó)煤質(zhì)復(fù)雜多樣,在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生了大量的低熱值燃料,對(duì)這些劣質(zhì)燃料的開(kāi)發(fā)利用也是減少煤炭消耗總量的一個(gè)重要方式.據(jù)統(tǒng)計(jì),2008年全國(guó)排放煤矸石及煤泥等劣質(zhì)燃料約5.51×108t,按照熱值在5016 kJ/kg以上的煤矸石可以入爐燃燒發(fā)電計(jì)算,可用于CFB鍋爐燃燒的煤矸石和煤泥總量在3.4×108t以上,折合熱值約1×108t標(biāo)煤.如果按照規(guī)劃,2020年原煤產(chǎn)量達(dá)到3×109t,洗煤量提高到70%,預(yù)測(cè)煤矸石排放總量將達(dá)到9.3×108t.發(fā)展循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)[3-6]是充分利用這些劣質(zhì)燃料最適宜的方式之一.

據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2009年底,我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的總裝機(jī)容量已達(dá)73000 MW.但是,過(guò)高的廠用電率對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了極為不利的影響.我國(guó)已投運(yùn)的部分300 MW級(jí)循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的平均廠用電率高達(dá)9.6%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同級(jí)別煤粉鍋爐機(jī)組的平均值5.67%,與此相對(duì)應(yīng)的是循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的平均供電煤耗比煤粉鍋爐機(jī)組高出約16 g/(kW?h)[4].一次風(fēng)、二次風(fēng)壓頭過(guò)高是導(dǎo)致循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組廠用電率高的重要因素.

1 增壓流化床聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的發(fā)展過(guò)程中,為了提高循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的性能,出現(xiàn)了常壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組(AFBC-CC)[7-8]與增壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組(PFBC-CC)[9-11].因?yàn)閮煞N循環(huán)流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組耦合了燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐,可以利用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪排氣或者壓氣機(jī)排氣為鍋爐提供流化風(fēng),同時(shí)利用高溫高壓的空氣/煙氣推動(dòng)渦輪做功帶動(dòng)壓氣機(jī),所以從表象上看沒(méi)有供風(fēng)電耗;同時(shí)因?yàn)橛姓羝l(fā)電系統(tǒng),所以也屬于聯(lián)合動(dòng)力循環(huán),具有較高的系統(tǒng)熱效率.二者相比,增壓流化床鍋爐機(jī)組由于具有更高的熱效率[7-8],所以得到了更大的發(fā)展,已在日本等國(guó)家得到了應(yīng)用[9].表1給出了大崎發(fā)電廠的250 MW增壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的部分參數(shù).圖1給出了該機(jī)組的系統(tǒng)圖,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),只畫出一個(gè)爐膛.

表1 大崎發(fā)電廠增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of PFBC unit in Cbugoku Electric Power Co.,Inc

從圖1和表1可知,增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組實(shí)際上是一個(gè)燃煤的聯(lián)合動(dòng)力循環(huán),所以具有較高的發(fā)電效率.在表1中,大崎發(fā)電廠增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效率高達(dá)42.7%,折合供電煤耗為288 g/(kW?h),低于我國(guó)現(xiàn)階段運(yùn)行的大部分超超臨界機(jī)組[12].

保證增壓流化床聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行特別是渦輪安全運(yùn)行的重要因素是所用燃料的品質(zhì)與除塵裝置的效率.由表1可見(jiàn),大崎發(fā)電廠所用燃料的熱值很高.受國(guó)情的限制,我國(guó)煤粉鍋爐的燃料平均熱值約為20900 kJ/kg,而我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐的燃料平均熱值僅為12540 kJ/kg左右[4].我國(guó)大部分流化床鍋爐機(jī)組所用的燃料不僅熱值較低,而且灰分很高,最高可達(dá)50%以上[3],這是流化床鍋爐在我國(guó)迅速得到發(fā)展而增壓流化床聯(lián)合循環(huán)卻無(wú)法推廣的一個(gè)重要因素.另一方面,不論是AFBC-CC還是PFBC-CC,因?yàn)橐谜羝到y(tǒng)來(lái)吸收煙氣的熱量,所以蒸汽動(dòng)力循環(huán)只能采用朗肯循環(huán)(或者一次再熱朗肯循環(huán)),效率低于多級(jí)回?zé)嵫h(huán),這對(duì)系統(tǒng)熱效率反而產(chǎn)生了不利的影響.

圖1 大崎發(fā)電廠增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組Fig.1 Schematic diagram of PFBC unit in Cbug oku Electric Power Co.,Inc

2 新型燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐耦合系統(tǒng)

為了克服增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的燃?xì)廨啓C(jī)磨損問(wèn)題,采用另一種燃?xì)廨啓C(jī)與流化床鍋爐相耦合的系統(tǒng),即采用燃煤鍋爐的外燃式燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)[13]可能是一種更好的技術(shù)方案(見(jiàn)圖2).空氣被壓氣機(jī)壓縮后,進(jìn)入低溫?fù)Q熱器中預(yù)熱,然后進(jìn)入爐膛內(nèi)的高溫?fù)Q熱器中繼續(xù)加熱,進(jìn)一步提高溫度.高溫高壓的空氣隨后推動(dòng)渦輪做功,乏氣再作為燃用空氣排入流化床鍋爐爐膛,與燃料發(fā)生燃燒反應(yīng),在爐膛內(nèi)加熱高溫?fù)Q熱器內(nèi)的高壓空氣后進(jìn)入分離器.分離后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入低溫?fù)Q熱器中進(jìn)一步放熱,然后依次經(jīng)過(guò)除塵器、引風(fēng)機(jī)和煙囪,最后排入大氣.在圖2所示的系統(tǒng)中,燃?xì)廨啓C(jī)也完全可以和煤粉鍋爐相耦合,不過(guò)需要額外安裝脫硫脫硝裝置.與增壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組相比,由于燃?xì)廨啓C(jī)的整個(gè)循環(huán)工質(zhì)均為空氣,因此燃?xì)廨啓C(jī)不會(huì)受到磨損問(wèn)題的困擾,這也是本系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn).

新型燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐的耦合系統(tǒng)的熱力循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖3:1-2為空氣在壓氣機(jī)中被壓縮的過(guò)程;2-3為空氣在換熱器中的受熱過(guò)程;3-4為高溫高壓空氣在渦輪中膨脹做功;4-1則是放熱/回?zé)徇^(guò)程.由于渦輪的排氣要再次進(jìn)入鍋爐爐膛參與燃燒,因此4-1既是放熱過(guò)程,又是回?zé)徇^(guò)程.

圖2 鍋爐與燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)單耦合Fig.2 Schematic diagram of the simple coupling system of boiler and gas turbine

圖3 耦合系統(tǒng)的熱力循環(huán)圖Fig.3 Thermal cycle of the coupling system

通過(guò)對(duì)圖3中熱力循環(huán)1-2-3-4-1的分析,受換熱材料耐熱性能的限制,在循環(huán)溫度不高的情況下,系統(tǒng)的熱效率也不會(huì)很高,這也是目前外燃式燃?xì)廨啓C(jī)沒(méi)有獲得進(jìn)一步發(fā)展的主要原因之一.不過(guò)與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)相比,因?yàn)闇u輪的排氣將再次進(jìn)入鍋爐爐膛參與燃燒,所以系統(tǒng)具有天然的回?zé)崽匦?而且回?zé)嵝蕿?.為了在有限的循環(huán)溫度范圍內(nèi)進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱效率,可以采用多級(jí)壓縮、中間冷卻的方式降低壓氣機(jī)功耗,同時(shí)可以降低鍋爐的排煙熱損失;采用多級(jí)膨脹、中間再熱的方式來(lái)提高系統(tǒng)的平均吸熱溫度和吸熱量,增加系統(tǒng)的熱效率和做功量,系統(tǒng)見(jiàn)圖4.

圖4 帶多級(jí)壓縮與多級(jí)再熱的耦合系統(tǒng)Fig.4 The coupling system with multi-compression and multi-reheat process

在圖4所示的系統(tǒng)中,其熱力循環(huán)過(guò)程如圖3中 1-1′-2′-2-3-3′-4′-1 所示 .很顯然,僅就圖 3 所示,在相同的循環(huán)溫度范圍內(nèi),多級(jí)間冷壓縮以及多級(jí)再熱膨脹的復(fù)雜系統(tǒng)具有更大的循環(huán)功量,也更接近卡諾循環(huán).理論上,如果采用足夠多級(jí)的間冷壓縮與再熱膨脹過(guò)程,同時(shí)忽略壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程的效率損失,那么該系統(tǒng)的熱力循環(huán)可看成一個(gè)概括性卡諾循環(huán)[14],其效率將與卡諾循環(huán)相當(dāng).

參考?jí)簹鈾C(jī)噴水冷卻技術(shù)[14],為了提高換熱效率、降低鋼材消耗,可以采用氣-水混合式換熱器.在圖5所示的氣-水混合式換熱器中,加壓后的熱空氣從底部進(jìn)入,而冷卻水從上部進(jìn)行噴淋,經(jīng)過(guò)充分混合后由冷卻水將空氣中熱量帶走.由于是直接噴淋,換熱效率很高.如果換熱器的截面積足夠大,那么不僅換熱器出口空氣溫度將與環(huán)境溫度相當(dāng),而且空氣在換熱器內(nèi)流動(dòng)所受的阻力也可以忽略不計(jì).

圖5 氣-水混合式換熱器Fig.5 Air-water mixed heat exchanger

3 新型耦合系統(tǒng)的熱效率

以圖4所示系統(tǒng)為例對(duì)其熱力循環(huán)性能進(jìn)行分析.假定環(huán)境壓力為p1,壓氣機(jī)級(jí)數(shù)為n,最終出口空氣壓力為p2,那么最佳級(jí)增壓比為:

因?yàn)橹虚g冷卻換熱器為氣-水直接混合式,假設(shè)水流量足夠大,則冷卻器出口空氣溫度與冷卻水的進(jìn)口溫度相同,即為環(huán)境溫度 T1;假定忽略直接混合式換熱器的阻力,各級(jí)壓氣機(jī)的效率均為ηc,那么n級(jí)壓氣機(jī)的總功耗為:

式中:k為空氣的質(zhì)量定壓熱容與質(zhì)量定容熱容之比;R為空氣常數(shù).

因?yàn)橐朔骰插仩t的流動(dòng)阻力,空氣在渦輪內(nèi)膨脹做功時(shí),不可能膨脹到環(huán)境壓力,假定渦輪的排氣壓力為p′1;考慮到目前鍋爐所用管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)壓降一般為1000 Pa左右,不足環(huán)境大氣壓的1%,所以忽略空氣換熱器的阻力,認(rèn)為渦輪入口壓力與壓氣機(jī)出口壓力相當(dāng),因此,對(duì)于級(jí)數(shù)為n′的渦輪,最佳膨脹比為:

同樣,如果空氣在換熱器中換熱充分,除最后一級(jí)外,其余每級(jí)渦輪出口的空氣均可以再加熱到渦輪進(jìn)口溫度值T3.假定渦輪效率為ηt,那么渦輪的總輸出功為:

系統(tǒng)總輸出功為

對(duì)于單級(jí)壓氣機(jī),出口空氣溫度為

那么通過(guò)中間冷卻換熱器散失的總熱量為

式中:cp為空氣的比定壓熱容.

對(duì)于低溫?fù)Q熱器而言,因?yàn)橐紤]煙氣的低溫腐蝕等因素,所以排煙溫度不可能太低.假定其排煙溫度為T,那么系統(tǒng)通過(guò)排煙散失的熱量為:

系統(tǒng)總效率為

4 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算中取環(huán)境壓力為100 kPa,環(huán)境溫度為15℃,壓氣機(jī)效率為0.85,渦輪效率取為0.90.受目前材料耐高溫高壓性能的限制,超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度一般不超過(guò)620℃.但是在目前的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中,空氣的最高循環(huán)壓力也不超過(guò)3 MPa,參考新開(kāi)發(fā)的耐高溫合金性能[15],比如可以使用GH2984合金來(lái)提高渦輪進(jìn)口空氣溫度,其在105h、700℃條件下的持久強(qiáng)度高于100 MPa,因此渦輪入口空氣溫度可以取為650℃.同時(shí)考慮到煙氣低溫腐蝕等因素,低溫?fù)Q熱器的排煙溫度取為130℃[3].流化床鍋爐機(jī)組一次風(fēng)機(jī)出口壓頭一般在20 kPa左右,所以取渦輪的排氣壓力為100 kPa.

4.1 壓氣機(jī)與渦輪級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

壓氣機(jī)與渦輪級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱效率和系統(tǒng)復(fù)雜程度之間的綜合影響很重要.圖6給出了渦輪入口壓力、壓氣機(jī)/渦輪級(jí)數(shù)與系統(tǒng)熱效率之間的關(guān)系曲線,其中取壓氣機(jī)與渦輪級(jí)數(shù)相同.

圖6 系統(tǒng)熱效率與渦輪入口壓力、壓氣機(jī)/渦輪級(jí)數(shù)的關(guān)系Fig.6 Curves of thermal efficiency varying with inlet pressure of turbine and stage number of compressor/turbine

由圖6(a)可知,當(dāng)壓氣機(jī)與渦輪的級(jí)數(shù)均大于3時(shí),隨著渦輪入口壓力的增加,系統(tǒng)熱效率不斷增加.2級(jí)壓氣機(jī)與2級(jí)渦輪模式的系統(tǒng)熱效率隨著壓力的增加達(dá)到最大值,而單級(jí)壓氣機(jī)單級(jí)渦輪模式的系統(tǒng)熱效率則隨著壓力的增加一直下降.這是因?yàn)樵趩渭?jí)模式下,系統(tǒng)就相當(dāng)于帶回?zé)岬腂rayton循環(huán),但是因?yàn)閴簹鈾C(jī)出口溫度隨壓氣機(jī)出口壓力增大而急劇升高(見(jiàn)圖7),所以導(dǎo)致系統(tǒng)回?zé)崃坎粩嘟档?甚至出現(xiàn)了壓氣機(jī)出口空氣溫度大于渦輪排氣溫度的情形,此時(shí)鍋爐排煙溫度不斷升高,至少壓氣機(jī)出口溫度將會(huì)不斷上升,因此系統(tǒng)熱效率不斷下降.從圖6(a)中還可以看出,隨著壓力的增加,即使增加壓氣機(jī)與渦輪的級(jí)數(shù),系統(tǒng)熱效率的增加也在不斷放緩.由圖6(b)可知,隨著級(jí)數(shù)的增加,在渦輪入口壓力較低的情況下,系統(tǒng)熱效率略有降低.這是因?yàn)殡S著級(jí)數(shù)的增加,壓氣機(jī)出口溫度逐漸降低,對(duì)于一般的帶回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī),壓氣機(jī)出口溫度越低,意味著排煙溫度越低,系統(tǒng)熱效率就越高.但是在本系統(tǒng)中鍋爐的排煙溫度卻是定值,所以進(jìn)一步增加壓氣機(jī)級(jí)數(shù)并不會(huì)降低系統(tǒng)的排煙溫度,反而會(huì)使得中間冷卻器帶走更多的熱量(見(jiàn)圖8),導(dǎo)致系統(tǒng)熱損失有所增加,因此系統(tǒng)熱效率略有下降.也正是因?yàn)槿绱?在渦輪級(jí)數(shù)為6時(shí),系統(tǒng)熱效率隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的增加將會(huì)有一個(gè)最大值(見(jiàn)圖9).

圖7 壓氣機(jī)出口空氣溫度與壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的關(guān)系Fig.7 Outlet temperature of compresso r vs.its stage number

圖8 中間冷卻器散熱量Fig.8 Heat release from intercooler

圖9 壓氣機(jī)級(jí)數(shù)與系統(tǒng)熱效率之間的關(guān)系Fig.9 Stage number of compressor vs.thermal efficiency of sy stem

由圖9可知,當(dāng)渦輪入口壓力在600 kPa以上時(shí),隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的增加,系統(tǒng)熱效率均有一個(gè)最大值,且最大值所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)級(jí)數(shù)隨著系統(tǒng)壓力的增加而增加.當(dāng)渦輪入口壓力為1800 kPa時(shí),系統(tǒng)熱效率最大值對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)級(jí)數(shù)為3,熱效率超過(guò)了46%.因此,對(duì)于本系統(tǒng)在排煙溫度一定的情況下,壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)有一個(gè)最佳值.

在系統(tǒng)放熱量一定時(shí),吸熱量越多,系統(tǒng)熱效率就越高,因此渦輪級(jí)數(shù)的增加會(huì)不斷增加吸熱量,系統(tǒng)的熱效率也就不斷提高,見(jiàn)圖10.隨著渦輪級(jí)數(shù)的增加,系統(tǒng)熱效率也在不斷增加,在渦輪級(jí)數(shù)超過(guò)3以后增幅放緩.因此,如果考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性,渦輪也可以只取到3級(jí).循環(huán)壓力超過(guò)1200 kPa時(shí),系統(tǒng)熱效率與大崎發(fā)電廠增壓流化床聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的熱效率相當(dāng).圖10中壓氣機(jī)為3級(jí).

圖10 渦輪級(jí)數(shù)與系統(tǒng)熱效率之間的關(guān)系Fig.10 Stage number of turbine vs.thermal efficiency of sy stem

4.2 渦輪入口溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

目前,燃?xì)廨啓C(jī)渦輪的入口溫度約為1700 K,現(xiàn)役或在研的先進(jìn)航空用燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)口溫度值可以達(dá)到1900～2100 K[16-17].而在本系統(tǒng)中,受換熱器材料的限制,渦輪的進(jìn)口溫度僅為923 K,所以僅就渦輪耐熱來(lái)說(shuō),系統(tǒng)熱效率還有很大的提升空間.因此如果選用更耐熱的高溫?fù)Q熱器材料,如耐高溫鎳基合金(耐熱溫度為約1200℃)、碳化硅材料(耐熱溫度為1200℃)、陶瓷和陶瓷纖維(耐熱溫度為1500℃)和碳/碳復(fù)合材料(耐熱溫度3000℃以上)等[18-19],可以進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度.但受流化床鍋爐最高燃燒溫度的限制,系統(tǒng)的最高循環(huán)溫度也不會(huì)很高.圖11給出了渦輪入口溫度在600～800℃、采用3級(jí)壓縮和3級(jí)膨脹時(shí)的系統(tǒng)熱效率值.由圖11可知,不論在哪個(gè)工作壓力下,隨著渦輪入口溫度的升高,系統(tǒng)熱效率都不斷提高.在渦輪入口空氣壓力超過(guò)1200 kPa、溫度為1073 K時(shí),系統(tǒng)的熱效率已經(jīng)超過(guò)了50%.因此,開(kāi)發(fā)新型換熱器、不斷提高渦輪入口空氣溫度是提高新系統(tǒng)熱效率的一個(gè)重要方向[20].從圖11中還可以看出,即使渦輪入口溫度降低至873 K(600℃)、最高循環(huán)壓力超過(guò)900 kPa時(shí),系統(tǒng)熱效率仍可接近40%,折合供電煤耗約為307.6 g/(kW?h),低于我國(guó)大部分超臨界機(jī)組的供電煤耗.當(dāng)最高工作溫度一定時(shí),系統(tǒng)熱效率隨著渦輪入口壓力的增加達(dá)到最大值:如渦輪入口溫度為923 K時(shí),系統(tǒng)熱效率在渦輪入口壓力為1500 kPa時(shí)達(dá)到最大值42.64%,與大崎發(fā)電廠的增壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率相當(dāng).

圖11 渦輪入口溫度與系統(tǒng)熱效率的關(guān)系Fig.11 Inlet temperature of turbine vs.thermal efficiency of system

4.3 渦輪排氣壓力對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

為了克服流化床鍋爐布風(fēng)板以及床料的阻力,流化床鍋爐的一次風(fēng)風(fēng)機(jī)出口壓力最高可達(dá)20 kPa左右,因此在前面的計(jì)算中渦輪排氣壓力取120 kPa.由于本系統(tǒng)也可以與煤粉鍋爐相耦合,所以此時(shí)的排氣壓力可以降低到與環(huán)境壓力相當(dāng).圖12給出了系統(tǒng)在渦輪入口溫度為650℃、采用3級(jí)壓縮和3級(jí)膨脹時(shí),不同末級(jí)渦輪排氣壓力下的效率值.由圖12可知,渦輪的排氣壓力越低,系統(tǒng)的熱效率越高,最高可超過(guò)46%.因此,從圖12中可以推測(cè):當(dāng)采用節(jié)能型流化床技術(shù)時(shí)[10],系統(tǒng)最高熱效率將超過(guò)44%.在相同的排氣壓力下,隨著渦輪入口壓力的增加,系統(tǒng)熱效率將達(dá)到最大值,且最大值隨著排氣壓力的增加向渦輪入口壓力增加的方向移動(dòng).

圖12 渦輪排氣壓力與系統(tǒng)熱效率的關(guān)系Fig.12 Discharge pressure of turbine vs.thermal efficiency of system

5 系統(tǒng)特點(diǎn)分析

對(duì)新型燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐耦合系統(tǒng)的性能分析表明,新系統(tǒng)具有較高的熱效率.在最高循環(huán)溫度為650℃時(shí),最高系統(tǒng)熱效率可以達(dá)到46%,供電效率約45%高于目前超超臨界機(jī)組最高約43.6%的供電效率.即使采用3級(jí)壓縮、3級(jí)膨脹的方式,系統(tǒng)熱效率也可以達(dá)到42.6%,仍高于目前大部分超超臨界機(jī)組的效率.該系統(tǒng)的一次風(fēng)、二次風(fēng)由渦輪排氣替代,并且不存在給水電耗,電廠自身僅有引風(fēng)機(jī)電耗、煤破碎和輸送電耗等較小功率的電耗,因此發(fā)電效率與供電效率幾乎相等.此外,該系統(tǒng)因?yàn)闆](méi)有蒸汽系統(tǒng),所以系統(tǒng)熱效率與機(jī)組容量的關(guān)聯(lián)性較小,較容易實(shí)現(xiàn)小機(jī)組高熱效率,與超超臨界機(jī)組相比應(yīng)用也更靈活方便,特別是對(duì)于利用煤矸石等劣質(zhì)燃料的坑口電站.

與目前的增壓流化床聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)相比,因?yàn)橥耆梢岳脿t膛內(nèi)的高溫?fù)Q熱器加熱高壓空氣,渦輪內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)為干凈的空氣,所以也就不存在渦輪磨損問(wèn)題.當(dāng)壓氣機(jī)以及渦輪的級(jí)數(shù)均為3、系統(tǒng)循環(huán)壓力超過(guò)1200 kPa時(shí),系統(tǒng)的熱效率與大崎發(fā)電廠的增壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱效率相當(dāng).與常壓流化床聯(lián)合循環(huán)和增壓流化床聯(lián)合循環(huán)相比,因?yàn)闆](méi)有蒸汽系統(tǒng),所以系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單.

與IGCC系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)不僅熱效率較高,而且因?yàn)闆](méi)有空氣分離系統(tǒng)、煤氣化系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)以及蒸汽循環(huán)系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化、可靠性大大提高.

與現(xiàn)役流化床鍋爐電站相比,該系統(tǒng)熱效率較高而廠用電率卻顯著降低.如果耦合系統(tǒng)的流化床鍋爐脫硫效率很高,尾部煙氣腐蝕較小,那么還可以通過(guò)進(jìn)一步降低排煙溫度來(lái)提高系統(tǒng)熱效率[21].

6 結(jié) 論

(1)燃?xì)廨啓C(jī)與CFB鍋爐的耦合系統(tǒng)具有較高的熱效率和很低的廠用電率,且燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)為干凈的空氣,可以完全避免增壓流化床聯(lián)合循環(huán)鍋爐機(jī)組所存在的渦輪磨損問(wèn)題.

(2)因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)與CFB鍋爐相耦合,所以具有很強(qiáng)的燃料適應(yīng)性;因?yàn)闆](méi)有蒸汽系統(tǒng),所以機(jī)組容量與效率沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性,在使用上具有更大的靈活性,特別適合于裝備坑口電站.

(3)在燃?xì)廨啓C(jī)與CFB鍋爐相耦合時(shí),考慮到系統(tǒng)簡(jiǎn)化及系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性,空氣的壓縮和膨脹均采用3級(jí)較合適.

(4)渦輪入口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響較大,為了提高系統(tǒng)的熱效率,需要開(kāi)發(fā)低成本的高溫?fù)Q熱器.

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