刘建生
摘 要：传统的燃气发电机组采用燃气燃烧后的混合气体作为工质，热力循环为开式设计，排烟损失较大。如采用空分装置分离出氧气，通过燃气氧气燃烧形成二氧化碳循环闭式循环，能够提高系统运行效率，通过对系统进行合理设置，能够实现在透平实现高焓值二氧化碳做功，降低透平的设备体积，并在排烟形成高浓度二氧化碳环境，为二氧化碳捕集提供便利。本文在现有燃气发电循环的基础上，就燃气-二氧化碳发电机组的新型热力循环进行研究，对热力发电机组循环的设计提供一种新的设计思路。
关键词：燃气；二氧化碳；发电机组；新型热力循环；二氧化碳捕集；效率；设计思路
Exploration Of Thermal Cycle Design Ideas For Closed Gas Carbon Dioxide Generator Sets
Liujiansheng
Abstract: Traditional gas generator sets use the mixed gas after gas combustion as the working fluid, and the thermal cycle is designed in an open manner, resulting in significant exhaust losses. If an air separation device is used to separate oxygen and form a closed cycle of carbon dioxide through combustion of gas oxygen, the operating efficiency of the system can be improved. By setting the system reasonably, it is possible to achieve high enthalpy carbon dioxide work in the turbine, reduce the equipment volume of the turbine, and create a high concentration carbon dioxide environment in the exhaust, providing convenience for carbon dioxide capture. On the basis of the existing gas power generation cycle, this article studies the new thermal cycle of gas carbon dioxide power generation units, providing a new design idea for the cycle of thermal power generation units.
Key words:gas; carbon dioxide; Generator Set; New thermal cycle; Carbon dioxide capture; Efficiency; Design concept
燃气蒸汽联合循环机组是当前技术先进的发电装备机型之一，大容量、高参数的出现，使得燃气发电机组占有一定的份额，尤其是其具有环保的优势，成为我国在华北和沿海城市等经济发达地区用于发电和供热的主要机型。
现代火力发电技术主要存在基于蒸汽循环和燃气循环，燃气循环一般附加蒸汽循环来提高运行效率。随着国内外环保标准的提高，燃气联合循环成为更多发电企业的选择，但燃机生产制造和改造优化技术主要集中在少数几个国家厂商手里1，造成了燃机采购和维护费用过高的局面，限制了我国燃机发电的快速发展。
1 传统燃气发电系统的特点
传统的燃气发电机组主要由燃气轮机、发电机组构成，压气机排出的压缩空气和天然气混合做功，带动发电机发电，燃气轮机排出的烟气经烟囱排出。为了提高循环效率，大型的燃气机组一般配套余热锅炉和汽轮机组，余热锅炉吸收燃机排除的烟气热量，生成高温高压蒸汽拖动汽轮机，这样就构成了燃气蒸汽联合循环，见图1。联合循环同时利用了燃气透平和蒸汽透平所提供的动能，因而具有较高的热力发电效率，目前先进的主流9F型联合循环机组效率高达58%，9H型机组效率更是达到了61%左右，而大型燃煤机组仅能达到45%左右。
图1 传统燃气发电机组热力循环示意图
从热力循环来区分，燃气轮机循环为布雷顿循环2，空气在压气机中经外来动能压缩做功，在燃烧器中顶压加热，后在透平中绝热膨胀做功，最后尾部烟气排出燃机。该循环由括等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀、等压冷却四个过程。蒸汽轮机循环和普通的燃煤发电机组类似，由锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵等设备组成，为传统的蒸汽朗肯循环。
2 传统燃气循环存在的不足
首先，传统燃气循环对环境温度、湿度比较敏感，由于空气密度受环境温度的影响，温度越高，其比容越大，造成压气机吸入的空气流量受限，直接导致燃机夏季出力小于冬季，运行经验表明，燃机冬夏季的带负荷能力相差超过10%。由于季节的差异，燃机发电企业在核定发电容量时较为保守，一般采用平均负荷或低于平均负荷作为自身的带负荷能力在电网备案，造成电网核定的年度发电计划偏低。
其次，燃机的排烟损失较大。和燃煤发电机组类似，燃机余热虽然经过余热锅炉回收，但余热锅炉排烟仍会带走大量的热量，目前大型9F燃气轮机排烟多达2500t/h以上，温度接近90℃，烟气的潜能未被利用，这就造成了大量的热量被烟囱排走，余热锅炉效率偏低，如某9F燃气电厂，余热锅炉运行效率仅为85%。
再次，传统燃气轮机采用空气作为主要工质参与热力循环，完成增压、吸热和膨胀做功过程，在和天然气混合燃烧中，由于温度过高，会生成大量的氮氧化物，虽然燃气轮机氮氧化物排放低于燃煤机组，但随着国家环保排放标准的不断提高，燃机排放也将不能满足要求，因此如何燃气轮机降低氮氧化物排放也是难点之一。
另外，传统燃气发电机组为开式布置，燃机本体、锅炉内部均与外部环境相通，在机组停运中湿度较大的空气进入燃机内部，造成燃机内部锈蚀，由于燃机本体无法有效隔离，有效的氮气保养难于实施，已严重影响燃机的安全运行和使用寿命。
3 新型燃气热力循环的提出
为了避免传统燃气轮机在设计上存在的缺点，急需针对上述不足采取的一定的方案进行解决，国外燃机设备生产厂家也就此进行了一定的研究，并提出过多种设计方案，但至今未能成功付诸实施。
3.1闭式热力循环的过程
如图2所示，闭式热力循环仍然包括压气机、燃烧室、透平和余热锅炉等部分，将余热锅炉排出的烟气经过处理后接回压气机入口即可形成闭式循环，减少经烟囱产生的烟气外排。为了满足循环要求，需要通过降温手段降低烟气的温度和容积，保证其能够以正常的流量进入压气机，作为下一个热力循环的工质。由于高温烟气中主要为水蒸气和二氧化碳，需要将水蒸气去除，留下二氧化碳作为主要传热工质。
图2 闭式燃气发电机组热力循环系统图
为了满足天然气燃烧条件，利用空分装置将空气进行分离，并将高纯度的氧气接入燃机压气机的入口，作为助燃气体，氧气和二氧化碳在压气机中完成升压和均匀混合，形成无氮气的混合物，在后续循环中可以不考虑氮氧化物排放的影响。氧气和二氧化碳混合气体进入天然气燃烧器，并在控制下组织燃烧，天然气燃烧后形成高温高压的烟气，推动燃气轮机透平做功，后经烟道排出。排出的烟气经余热锅炉吸热后温度和压力进一步降低，为下一次循环创造条件。
3.2闭式循环的特点
首先，闭式循环可以充分回收烟囱排出烟气的余热，进一步提高联合循环的运行效率。烟气余热包含二氧化碳等气体所含的热量，通过热量回收设备除可以回收这部分热量外，还能够通过冷凝回收水蒸气的气化潜热，获得一定的节能收益。
其次闭式循环采用烟气中的二氧化碳作为传热介质，二氧化碳气体因其具有高温稳定的特性被广泛用于气体保护焊接工艺中，该气体不会在高温环境中与其他气体发生化学反应。因不再采用空气作为传热介质，也就避免了氮气在高温环境下生成了热力型氮氧化物。
再次该循环采用闭式循环，燃气轮机、余热锅炉和排烟回气系统构成一个密闭的空间，在机组停运中内部充满二氧化碳等惰性气体，燃气轮机通流部分和余热锅炉内部的金属部件可以得到较好的保养，在一定程度上延长了使用寿命。
采用二氧化碳闭式循环，可以充分利用二氧化碳分子量大于空气、体积功率密度大的特点，同功率下大幅降低透平等热力设备的体积，降低叶片高度，从而降低设备制造难度和设备成本。
3.3为二氧化碳的捕集创造条件
采用分子筛空分装置对空气进行分离，采用氧气、二氧化碳混合气体代替氧气、氮气混合气体，能够在燃烧后形成高纯度的二氧化碳，一部分二氧化碳作为循环工质，余下的二氧化碳可以捕集用于工业生产或封存，减少了采用乙醇胺等化学工艺用于捕集的工艺，降低了捕集设备和生产成本，为热力发电循环二氧化碳捕集提供了一种新的解决思路。
4 热力循环的难点和解决措施
4.1排放烟气热量回收
传统的联合循环机组排出的烟气温度在90℃左右，较低的温度造成了热量回收难度较大，国内外厂家就烟气的冷凝回收进行过研究论证，并在小型燃气锅炉有相关应用，但至今并未在大型燃气发电机组的进行推广。排放烟气回收热量可以采用超低温省煤器和溴化锂技术，经过超低温省煤器可以降低至50℃左右，经溴化锂热泵热量回收后可以降低至30℃，能够满足燃机压气机进气的需求。存在的主要问题是大型燃气轮机的排烟量很大，造成余热锅炉尾部余热回收设备需占用过大的空间，设备投资增加。
4.2大流量氧气的来源
建立燃气热力循环是一般采用空气作为介质，空气中的氧气用于助燃，氮气在其中作为传热工质之一，采用闭式循环后，需将循环工质由空气置换为烟气中的二氧化碳。由于二氧化碳不具有助燃的性质，为了保证天然气能够正常燃烧，需要加入大流量的氧气。大流量氧气可以采用分子筛变压吸附或低温分离的方式制取，目前分子筛变压吸附制氧工艺逐步成熟，已在钢厂、化工厂得到广泛应用，可以作为大流量氧气的来源。低温液化空气能够制取大量的液化氧气，但该工艺比较复杂，如能够配套建设，也是可行的解决方法。
4.3气体燃烧前预混
为了保证燃烧器燃烧稳定，稳定燃烧流量，防止天然气和高浓度氧气燃烧火焰局部高温对金属部件的灼烧，需要现对氧气和二氧化碳传热工质进行预混，形成一定浓度的混合气体，控制火焰燃烧温度。由于二氧化碳和氧气的混合为后期混合，不能达到空气中氧气氮气的均匀程度，因此混合均匀度难于保证，造成火焰控制难度加大，如在燃机进气部位加入氧气并采用扰动的方式进行混合，该问题也能够得到消除。
4.4费用和空间的限制
由于大型燃气发电机组不同于小型燃气锅炉，余热排出的烟气流量很大，由于传热温差小，为了充分吸收余热锅炉排出烟气较低温度的余热，需要制造较大的受热面满足传热需求。这就造成受热面所需的材料增多，制造费用较高，并需要较大的安装空间，这也是国内外燃机余热锅炉超低温排放技术现场实施的难点所在。这就需要在设计初期考虑较大的受热面空间，为大型热量回收设备的安装创造条件。
5 结语
为了提高燃气蒸汽联合循环的运行效率，进一步降低污染物外排，对热力循环进行优化，通过前端空气分离措施，实现二氧化碳循环，可以提高热力循环效率，达到更好的节能效益。采用燃烧生成二氧化碳作为循环的传热工质改变了高温环境下氮气不稳定、易氧化的现状，能够解决因氮氧化物排放所引起的环保问题，并为二氧化碳捕集提供了一种新的解决思路。本文就燃气发电机组热力循环的构成进行了深入分析，提出了燃机空气、燃气和二氧化碳循环闭式循环的概念，并就其中的难点和解决措施进行了阐述，对燃气、燃煤等热力发电循环设计和研究具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]吉桂明，热力循环升级改进现有燃气轮机[J]，热能动力工程，2006(5):469-469
[2]张万里，陈林根，韩文玉等，正反向布雷顿循环有限时间热力学分析与优化研究进展[J]，燃气轮机技术，2012，25(2):1-11
