余热利用式燃气轮机循环热力学分析

张泽龙

（东部战区海军训练基地电工教研室，上海201900）

0 前言

余热利用式燃气轮机循环是以空气为工质，通过换热器回收余热并输出功的动力装置[1]，它最初是为了回收燃气轮机的高温排气余热提出的[2，3]。Korobitsyn[4]提出将燃气轮机循环作为玻璃熔炉的热回收装置进行发电，其发电效率为26%.Vittorio和Valerio[5]提出了以太阳能为热源的燃气轮机循环，该循环通过太阳能集热器收集太阳能为燃气轮机循环提供热量，并对循环性能进行了分析。付建勤等[6]提出了回收内燃机废气余热的燃气轮机循环，对该循环的余热回收性能进行了分析。

在实际的钢铁生产过程中会产生大量的余能余热，这些余能余热的回收利用已成为钢厂挖掘节能潜力、提高节能水平的重要手段[7-9]。尤其是钢铁生产过程能产生大量的高温熔渣（主要是高炉渣和钢渣，1 400～1 600℃）等，属于高品位热能，回收高炉渣的余热对钢铁工业节能减排意义很大[10]。以往，对熔渣余热没有很好的利用方法，熔渣干式粒化法[11]的提出为高温熔渣余热提供了一种新的途径，熔渣在旋转盘中由于离心力的作用下分离，产生的熔滴在鼓风空气的作用下快速冷却固化，同时可回收600℃左右的热空气。

为了进一步提高钢铁工业节能减排能力，本文对以熔渣余热所产生的热空气为热源的燃气轮机循环性能进行研究，基于经典热力学理论和方法[12]，分析余热回收温度对循环功率和热回收效率的影响，并以循环功率最大为优化目标，对空气质量流率和循环压比进行优化。

1 装置模型

余热利用式燃气轮机装置如图1所示。回收钢厂生产过程中熔渣余热所产生的高温空气作为高温热源，进入燃气轮机的换热器高温侧；在燃气轮机循环中，空气进入压气机压缩，再进入换热器低温侧吸热，然后进入涡轮机做功，最后排入大气，整个装置实现了熔渣余热的回收利用。

图1 余热利用式燃气轮机装置

2 循环分析

图2为该燃气轮机循环T-s图，1-2为空气在压气机中的压缩过程，2-3为空气在换热器低温侧中的吸热过程，3-4为空气在涡轮机中的膨胀过程，4-0为空气排放过程，TH1-TH2为回收的热空气在换热器高温侧中的放热过程。

空气在压气机中压缩，其等熵温比为：

式中，β1=P2/P1为压气机压比，γa为空气比热比。循环压比为β=β1.

图2 余热利用式燃气轮机循环T-s图

根据压气机的等熵效率的定义ηc＝（T2s-T1）/（T2-T1），空气在压气机中的不可逆绝热压缩的温比为：

压气机消耗的功率为：

式中，cpa为空气定压比热，m˙a为空气质量流率。

压缩空气进入换热器吸热，由换热器理论可得：

式中，Cwf＝ m˙acpa为工质热容率，CH＝ m˙Hcpa为高温热源热容率，m˙H为高温热空气质量流率，CHmin＝ min（Cwf，CH），EH为换热器有效度：

式中，CHmax＝ max（Cwf，CH），NH＝ UH/CHmax为传热单元数，CH为工质与高温热源间的热导率。

工质流出换热器，进入涡轮机做功，在涡轮机中膨胀过程的等熵温比为：

式中，β2为涡轮机膨胀比，β2= β1= β.

根据涡轮机的内效率的定义ηt=（T3-T4）/（T3-T4s），空气在涡轮机中的不可逆绝热膨胀的温比为：

涡轮机的输出功率为：

空气布雷顿循环的净功率为：

空气布雷顿循环的热效率为：

定义空气布雷顿循环的热回收效率为：

3 数值算例

本节通过数值计算分析余热回收温度对循环功率、热回收效率和循环热效率的影响，并以循环功率最大为优化目标，优化循环压比和工质质量流率。计算中，空气布雷顿循环装置相关参数取值为：换热器热导率为UH＝3 kW/K，压气机内效率为ηc=0.92，涡轮机内效率为ηt=0.95，环境压力为P0=0.101 MPa，环境温度为T0=293 K；回收热空气温度TH1为867 K，质量流率为0.7 kg/s.无特殊说明，计算时以上参数取值不变。

对于余热利用式燃气轮机循环，余热温度TH1对循环性能影响很大。本节分析余热回收温度对循环性能的影响。图3和图4给出了当循环压比为β=5时，TH1对W˙、η 和 η1与m˙a关系的影响。由图可知，随着TH1的增加，W˙、η和η1都能得到提高。提高干式粒化余热回收装置的性能，使TH1提高，能提高空气布雷顿循环的性能。

图 3 TH1对W˙与m˙a关系的影响

图 4 TH1对η 和η1与m˙a关系的影响

在余热量给定的情况下，空气布雷顿循环作为余热回收装置，其性能体现在输出功率的大小，因此本温对循环功率W˙进行优化。

图5给出了W˙与β和m˙a的三维关系。由图可知，存在一组最佳的循环压比和循环工质质量流率使循环功率达到最大值，β和m˙可以作为设计变量进行优化。

图 5 W˙与m˙a和β 的关系

图 6 给出了当m˙a=0.7 kg/s时，W˙、η1和 η 与 β 的关系。由图可知，随着β的增大，W˙、η和η1先增大后减小，存在最佳 βopt使W˙和 η1达到最大值W˙max和 η1max.

图 6 W˙、η 和η1与β的关系

图 7 给出了W˙max、η1max及相应 η 和 βopt与m˙a关系。由图可知，βopt和 η 随着m˙a的增加而减小；W˙max和 η1max随着m˙a的增加先增大后减小，存在最佳m˙aopt使W˙max和η1max达到双重最大值W˙max，2和，η1max，2，此时最佳压比记为βopt，2.通过选取合理的循环的质量流率，能使循环性能达到最优。循环的优化结果如表1所示。

图 7 W˙max、η、η1ma x和βopt与m˙a的关系

表1 空气布雷顿循环经典热力学优化结果（TH1=867K）

4 结论

回收钢厂生产过程中所产生的余热资源，是实现钢厂进一步节能减排的关键。为了探索余热回收式燃气轮机在钢厂节能方面的应用潜力，本文应用经典热力学理论和方法，对该燃气轮机装置的功率、热效率和热回收效率进行了分析和优化，主要结论有：（1）循环功率、热回收效率和循环热效率随着余热回收温度的增大而增大，故提高熔渣干式粒化余热回收装置的性能有利于提高循环性能；（2）以循环功率最大为优化目标时，通过调整循环压比和循环工质质量流率，能使循环最大功率达到双重最大值，此时热回收效率也是最大的，故通过合理选取循环压比和工质质量流率能提高循环性能，该循环的最大功率为59.83 kW，最大热回收效率为14.82%.