基于IEC技術的蒸發式布雷頓循環熱力學性能研究

施其樂，何緯峰，韓 東，高燕飛，蘇鵬飛

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京 210016；2.東方電氣集團 東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，新型動力循環正在朝著高效運行、清潔環保的方向持續發展[1-2]。近年來備受關注的蒸發式透平循環就是一類典型的富有發展潛力的動力循環，該循環對于高壓空氣進行濕化以實現高汽氣比，這不僅能夠增加比功輸出[3]，還能夠減少燃燒過程中NOx的生成[4]。學者們針對該類循環做出了諸多形式與內容上的改進與填補，例如采用更加細化的噴嘴[5]、更加精細的填料[6]。

蒸發式透平循環商業化的主要障礙在于通常采用直接蒸發的手段，空氣加濕過程中具有局限性，額外設備投資成本將使其在經濟上不具吸引力[7]。近年來有國外學者提出了將間接蒸發冷卻(Indirect Evaporative Cooling)手段應用到原本的蒸發式循環過程中去[8]，對比了與傳統蒸發式循環的區別，結果表明可以向傳統蒸發式循環發起挑戰，并且結合了IEC技術使得系統結構更加緊湊。國內針對該種集成手段的蒸發式循環的研究幾乎空白，本文系統地比較了MCTC(Maisotsenko Combustion Turbine Cycle)、MRTC(Maisotsenko Regenerative Turbine Cycle)、MGTC(Maisotsenko Gas Turbine Cycle)三種帶有間接蒸發冷卻的布雷頓循環，建立不同飽和器的數學模型，具體分析壓比、燃燒室出口溫度、入口給水溫度等物理量對于系統的整體效率、凈輸出功、載水量等重要參數的影響?？紤]了不同間接蒸發冷卻方式應用的局限性與延展性，顯示了復合型間接蒸發冷卻在動力循環中提升效率與比功方面的優越性，并將加濕循環視為布雷頓循環與朗肯循環的耦合循環做出分析，為進一步改進蒸發式透平循環提供了優化思路。

1 系統介紹

目前IEC技術主要包括常規間接蒸發冷卻和M循環。原理圖如圖1。

圖1 IEC系統及原理圖

圖1(a)和圖1(c)反映了常規間接蒸發冷卻的模式，其中干通道和濕通道由隔板進行熱量傳遞，由于濕通道內發生水蒸發過程使得兩通道內的氣體溫度均沿程降低，③位置處氣體最低溫度可達到入口處的濕球溫度。圖1(b)和圖1(d)表示的是M循環的過程，在干通道出口處氣流部分回流至濕通道內，②處氣體可降至濕球溫度之下甚至逼近露點溫度[9]，該循環具有良好的冷卻效果。

本文為探究間接蒸發冷卻在燃氣輪機循環中的潛在重要性，首先設置了MCTC及MRTC循環(如圖2和圖3)，這兩種循環過程中的蒸發冷卻過程均有所不同。傳統的蒸發式透平是高壓空氣與水直接進行接觸從而傳熱傳質，本文提出的MCTC循環與MRTC循環過程中均是以間接蒸發冷卻的方式進行對于空氣的加濕和回熱的利用[10]。MRTC循環過程如圖3所示，在壓縮機出口處設置一處采用M循環的預冷飽和器，對于高壓空氣進行冷卻和加濕。隨后空氣進入逆流式回熱器與渦輪排氣進行熱交換[11]。MCTC過程如圖3所示，高壓空氣直接進入回熱飽和器與渦輪排氣進行熱傳遞，這里的回熱飽和器明顯不同于MRTC中的簡單換熱器，由于給水的直接注入，回熱飽和器中進行了常規間接蒸發冷卻。隨后渦輪排氣繼續作為熱源在預熱器中加熱注入飽和器中的給水。

圖2 MCTC系統原理圖

圖3 MRTC系統原理圖

而在形式上結合了前兩者循環的MGTC的流程圖如圖4所示，壓縮機的出口氣流首先進入預冷飽和器下端的空氣入口，部分空氣在預冷飽和器下端的空氣出口回流，這里進行M循環，目的在于獲得未回流而剩余的低溫氣流?；亓鞯臍怏w與注入的水進行傳熱傳質。預冷飽和器下端的兩處出口氣流進入回熱飽和器中，同渦輪排氣進行換熱。同時，位置3處進入回熱飽和器的氣流被加濕，進一步充分利用余熱?；責犸柡推魃喜窟M行的過程依舊是常規間接蒸發冷卻過程。

圖4 MGTC系統原理圖

值得注意的是，在引入間接蒸發冷卻的同時，Rankin循環也被同時耦合進入Brayton循環之中。給水在經過水泵之后，在預冷和回熱時進入兩相區，在燃燒室中轉變為過熱區，隨后進入渦輪做功并隨后在回熱放熱過程中被冷卻，具備了Rankin循環的運行過程特點，因而在分析過程中從兩種循環結合的角度切入，關于兩種循環的協同運行將在后文詳細分析。

2 數學模型及計算方法

2.1 數學模型

在本節中，由于MGTC形式完備，以MGTC模式為例，重點給出了系統中所涉及的重要部件的詳細熱力學模型。利用MATLAB對這項研究工作進行了必要的模擬。為避免利用平均比熱容和一些經驗公式帶來計算上的誤差，根據商用軟件RFPROPM對氣流各組分在各溫度和壓力狀態下進行焓值等物理量的求取。為重點突出蒸發冷卻方式對于整體循環的重要性，均采用單級加壓、單級渦輪、無中冷、無再熱的模式進行研究，依靠保守估計的回熱環節提升效率。所有的熱力學參數、假設和限制條件在表1中都進行了展示[12]。

表1 相關參數、假設與初始值

2.1.1 預冷飽和器模型

為了提高描述氣體在預冷飽和器中數學模型的準確性，單獨針對氣體在預冷加濕的過程中開發了一套新的模型，預冷飽和器出口氣溫及流量的計算過程如下[13]

T3=T2-Edew(T2-Tdew,2)

(1)

(2)

(3)

(4)

Psat4=xw4P4

(5)

Psat4→T4

(6)

預冷飽和器下部的主要任務是對空氣進行冷卻，同時對部分空氣進行加濕。對空氣的冷卻程度用定義的露點效能Edew進行反映，Edew取值范圍在0～1之間，這里取值為0.8。該值越大，表征空氣冷卻程度越高。Tdew,2為2點位置處空氣所對應的露點溫度，該值為氣體在飽和器中的冷卻下限。Ra為分流比，反映3處出口的冷卻氣流比例，mdan、mwn和ndan、nwn分別反映序號為n位置處的空氣與水質量(kg)和摩爾數(mol)，xw4、Psat4、P4、T4分別表示4點位置處的水的摩爾比重、飽和壓力(kPa)、總壓力(kPa)、溫度(K)，計算過程中位置4處空氣為飽和狀態。

2.1.2 回熱飽和器模型

對回熱飽和器的數學公式也可采用類似的數學模型。需要注意的是，回熱器能夠將排氣溫度降至狀態5時空氣的濕球溫度，即

T8=T7-Ewbt(T7-Twbt3)

(7)

其中Twbt3為在3狀態下的空氣濕球溫度，Ewbt為濕球溫度效率，取0.9。而燃氣輪機主要采用零硫含量的天然氣，其廢氣可冷卻至338 K[14]，不形成硫酸。為了避免腐蝕性酸的凝結，被考慮作為空氣飽和器內冷卻過程中允許排氣溫度達到的最小限值是400 K[15]。假定所有注入到飽和器中的給水充分蒸發。由于回熱飽和器出口溫度過高，其對應的飽和蒸氣壓過高[16]，因而在計算過程中，設定將出口達到飽和狀態時的載水量的10%重新注入回熱飽和器中，進而獲得全新的出口參數。

2.2 參數驗證及程序框圖

為證明模擬結果的可靠性，針對MGTC系統的模擬數據進行了如下對比[11]。P和T分別表示該點位置上的壓力和溫度，Wc、Wt、Wnet分別為單位干空氣流量的壓縮機耗功(Wc)、渦輪輸出功(Wc)以及凈輸出功(Wnet)，η為整體效率，Rw是相對于每千克入口干空氣的預冷飽和器的給水質量流量比率。結果表明，與他人的研究成果大體相同。然而，考慮到使用了更為精細的計算方法，以及采用了一些更加嚴謹的假設，部分參數存在微小差異。其中壓縮機耗功、渦輪輸出功、凈輸出功和預冷飽和器載水量和整體效率的差別均低于5%，表明了本文模擬的可靠性。本文計算過程中所采用的的程序框圖如圖5所示。

表2 參數驗證

圖5 程序設計框圖

3 結果與分析

3.1 壓比

本節重點探討壓比對于系統運行的影響，燃燒室出口溫度僅設置為1 473 K，設置的壓比取值范圍在5～25之間。上圖6反映的是整機效率及凈輸出功隨著壓比增加而變化的趨勢。三者的效率以MGTC系統的效率最高，在低壓狀態下，MCTC系統效率較高,而在高壓狀態下,MRTC系統效率較高。隨著壓比的逐漸增大，三種系統效率先逐漸增大后逐漸下降，均存在著一個最大效率點，其中MRTC在總壓比為17時取得最大效率37.78%，MGTC在總壓比為9時取得最大效率44.49%，而MCTC系統則在總壓比為7時取得最大效率40.49%。三種系統的凈輸出功則與效率的變化趨勢不同，MGTC與MRTC系統的凈輸出功隨著壓比升高持續增大，增大的速度在低壓時較快在高壓時放緩。MCTC系統的凈輸出功而是呈現先增大后減小的趨勢。在壓比為14時，MGTC系統的凈輸出功分別高出MRTC系統與MCTC系統的凈輸出功3.1%和27.02%。在壓比為5-25的范圍內，MGTC模式的整體效率分別比MCTC以及MRTC的效率高出15.55%和14.06%。

圖6 不同壓比下凈輸出功與效率的關系

對于MRTC系統而言，它的回熱系統并未采用蒸發冷卻設施，對于回熱的充分利用僅依靠M循環制取的低溫氣體來獲取，于此同時氣體含濕量得到增加從而消耗更多的燃料用于增加渦輪輸出功。而MCTC系統中，最終排氣溫度受制于壓縮機出口溫度。從Brayton分循環這一側看，隨著壓比的持續升高，壓縮機排氣溫度逐漸上升而渦輪排氣溫度逐漸下降。這直接導致回熱過程利用效果的下降，以及平均放熱溫度的升高和平均吸熱溫度的下降，因而整體效率在經過短暫的上升期后逐漸呈現下降趨勢。

從Rankine分循環這一側看，熱力學表現則與朗肯循環的特性有所不同，壓力升高下給水蒸發時兩相區的飽和溫度同步提升，隨后轉變為過熱蒸汽后，平均吸熱溫度反而上升。Rankine分循環相變區中所需的熱能來自于渦輪排氣的回熱過程，因而這里的Rankine分循環效率極高，在布雷頓循環效率經過先上升后下降的轉折區的過程中，高效Rankine分循環對于提升整體效能起到促進作用，Rankine分循環的特性以間接蒸發的方式被耦合在Brayton循環中。MGTC系統綜合了前兩種循環的特點，既能夠使用M循環獲得較低的預冷飽和器出口溫度，又能夠在回熱飽和器中使用間接蒸發冷卻。最終數據表明，在該模式下渦輪最終排氣溫度最低而燃燒室入口溫度最高，因而獲得了較高的效率。同理，由圖6可以看出該模式下飽和器中氣流的含濕量較大，在燃燒室出口溫度一定時消耗了更多的燃料，同時也獲得了更大的凈輸出功。

壓比的變化對于系統載水量同樣存在直接的影響。如上圖7所示，壓比由5變化到25時，MCTC系統下飽和器帶水量mw持續下降，下降比例達74.60%，而MRTC系統飽和器帶水量持續上升，上升比例高達183%，在MGTC系統中，飽和器帶水量有上下兩部分構成，其數值明顯高于其他兩種模式且呈現出先下降后上升的變化趨勢。對于MCTC系統而言，壓比的增大使得飽和器中渦輪排氣的進出口溫差進一步減小，用于促使給水蒸發汽化的熱量進一步減少，從而帶水量下降。MRTC系統帶水量對于預冷飽和器出口的飽和溫度極其敏感，該溫度變化與壓比變化呈現正相關，因而MRTC系統飽和器帶水量持續上升。在壓比為14時，MGTC載水量高出MCTC模式下載水量80%，高出MRTC模式下載水量16%。本文對同一壓比下MRTC與MCTC系統的飽和器帶水量做出加和處理，做出與MGTC系統同一CIT下的水量變化曲線，并與MGTC系統本身的飽和器總帶水量相比較，發現兩者變化趨勢保持一致，實際總帶水量與加和處理結果相似，且在高壓時曲線極其貼近。這充分說明了MGTC系統結合前兩種系統的特點，擁有著高帶水量、高運行效率與高比功輸出的特性。

圖7 不同壓比下總載水量與燃燒室入口溫度(CIT)之間的關系

3.2 燃燒室出口溫度

本節深入研究的是燃燒室出口溫度COT對于系統運行的影響。這里觀察的COT的數值范圍在1 460 K到1 820 K之間。

如上圖8所示，隨著COT的上升，MGTC和MCTC系統的飽和器帶水量持續上升，而MRTC系統飽和器帶水量基本保持不變。對于MCTC系統而言，COT的上升會進一步提升渦輪排氣溫度，而飽和器入口溫度保持不變，渦輪排氣溫度受此影響保持不變，從而飽和器中排氣釋放熱量增大，帶水量隨之提升。而MRTC系統中帶水量不受COT影響，這主要是因為該系統中的飽和器前置，不與回熱過程存在耦合關系。MGTC系統結合了兩個系統的帶水量特點，其飽和器帶水量整體呈現上升態勢。于此同時，從上圖也可以看出燃料量也由于流量的增大持續增長。

圖8 不同燃燒室出口溫度(COT)下總載水量與燃料量之間的關系

進一步觀察COT對于系統效率及凈輸出功的影響。如上圖9所示，三種模式下的效率在COT升高時均實現了增長，MCTC、MRTC、MGTC系統的效率增幅分別達到了23.35%、16.16%、15.70%，其中，MGTC系統在最大COT時，效率達到了50%以上。隨著COT持續提升，各系統的凈輸出功同步增長，MCTC、MRTC、MGTC系統的凈輸出功實現了76.30%、57.81%、74.07%的增幅。效率的上升得益于平均吸熱溫度的上升，凈輸出功的提高在于帶水量的持續增長。從中可以看出，MGTC模式集合了兩種模式的優點，綜合擁有了兩種模式下的帶水量同時還能夠實現對于回熱的充分利用。

圖9 不同燃燒室出口溫度下效率與凈輸出功之間的關系

3.3 給水溫度

注入到飽和器中水的初始溫度對系統運行過程中熱力學影響也需要進一步被闡述。如圖10所示，隨著入口水溫的上升，三種系統下的效率上升幅度分別達到0.37%、1.53%、1.81%。同時凈輸出功也在逐步上漲。同時從上圖可以看出，水溫的升高明顯可以提升飽和器的帶水量，MGTC系統帶水量持續上升，在不需要消耗過多燃料的情況下，對于渦輪輸出功時不僅創造了更大的質量流量，同時也使得水蒸氣更大的做功能力得到發揮，因而凈輸出功均得到增加。值得注意的是，對于燃氣輪機循環而言，燃燒室入口溫度基本保持不變，因而本身的布雷頓循環效率未受太大影響。特殊之處在于由于間接蒸發冷卻的耦合使得Rankine分循環的特性表現在其中，初始給水溫度的提升，提高了Rankine分循環由液態水轉變為水蒸氣的平均吸熱溫度，從而間接提升了整體效率。

圖10 不同給水溫度下效率與凈輸出功之間的關系

3.4 協同循環模型

前文已對Brayton-Rankine協同循環的提法做出部分說明，本節則進一步發展了此模型。圖11對于循環過程做出了拆分式處理，將壓氣機進口的氣體作為Brayton分循環的主體，且由于在MGTC飽和器中攜帶的水量在燃燒室中不進行燃燒，因而可將這部分流量作為Rankine分循環的主體，渦輪輸出功時，按照不同主體在總流量中的占比計算各自循環所承擔的壓氣機耗功，進而分別計算出不同分循環的效率。

圖11 不同壓比下各分循環的效率變化

結果表明，Rankin分循環的效率遠高于Brayton分循環的效率。Rankin分循環與傳統模式下的Rankin循環有所不同，傳統Rankin循環完成汽化時在爐內進行，接受大量燃煤的熱量，而Rankin分循環在飽和器中完成汽化過程，依靠的熱量來自于渦輪排氣的回熱過程，在燃燒室中依靠少量的熱量即可完成提質，因而效率較高。圖12則反映了各分循環在不同壓比下的凈輸出功，由于水量流量遠低于煙氣流量，因而Brayton分循環的凈輸出功遠高于Rankin分循環的凈輸出功。

圖12 不同壓比下各分循環的凈輸出功變化

為反映不同分循環對于總循環的影響程度，設Rankin分循環的權重因子為f，依據下式可得出圖10

fηR+(1-f)ηR=η

(8)

其中ηR和ηB分別表示Rankin分循環與Brayton分循環各自的效率。

圖13表明，在壓比取值逐漸增大的過程中，Rankin分循環的權重因子呈現先下降后上升的過程，但總體變化幅度不大，維持在15%～19%，值得注意的是，Rankin分循環的權重因子的變化趨勢正好與各自分循環的效率變化趨勢相反，這是由于權重因子與各自效率成反比。圖中的環比圖的外層與內層分別是兩個分循環的燃料占比與凈輸出功占比，表明在消耗同等燃料的基礎上，Rankin分循環的效率更高，因而提升了整體的效率。

圖13 不同壓比下權重因子變化

4 結論

傳統的蒸發式透平循環主要采用給水與空氣直接接觸的方式加濕，本文則主要研究將間接蒸發冷卻的手段用于布雷頓循環對其自身影響的熱力學特性。深入分析對比了MCTC、MRTC、MGTC三種不同模式的動力循環，可得出如下結論：

(1)預冷飽和器帶水量高于回熱飽和器，擁有預冷回熱雙重飽和器的MGTC在承載水量方面表現更加優異。

(2)飽和器帶水量的提升能夠顯著增加凈輸出功，預冷回熱雙重飽和器對于回熱利用效率更高。

(3)IEC技術的運用使得原本的Brayton循環耦合了Rankin循環的特性，形成了兩者的協同循環。

(4)協同循環過程中，Rankin分循環的效率遠遠高于Brayton分循環，但Rankin分循環所提供的凈輸出功的占比較小。

借此，本文也為進一步改進其他蒸發式透平循環的其他手段提供了借鑒意義。