化学回热循环的蒸汽系统热力设计_宋少雷
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以上几种方案都需要一套充分利用烟气余热产生 蒸汽的系统，目前，各种余热回收方案得到广泛研究。 主要的蒸汽产生方案是采用余热锅炉。但是采用余热 锅炉技术产汽量较少；低工况时难以产生蒸汽；变工 况时产生的蒸汽参数变化大，易对系统产生冲击[13, 14]。
为克服这些困难，目前也采取各种措施，改进余 热锅炉技术，主要的改进手段有采用多压系统；这种 措施增加了系统的受热面，升高燃气轮机背压，有降 低系统效率的趋势，提高系统复杂性，增加成本。采 用再热设备，尤其是在低工况时采用该方案，会使系 统总体效率降低。另外，还有太阳能辅助技术，利用 太阳能将给水加热到饱和状态，烟气对蒸汽进行过热； 目前而言，该方案使系统复杂，成本较高[15, 16]。
2015/2 机电设备 2
A cademic Research 技术交流
蒸器的闪蒸压力可以调节，在不同工况下产生的蒸汽 参数都很稳定，减少对系统的冲击。低工况时，也能 产生温度压力较低的蒸汽以及蒸馏水，回收系统能量。
G1 = G21 + G22
(5)
能量平衡方程：
G1 × h1 = G21 × h21 + G22 × h22
作者简介：宋少雷（1982-），男，工程师，主要从事热力设计。
1 机电设备 2015/2
燃气轮机由于其单机功率大，比质量小，机动性 好，振动噪声小，寿命长，运行平稳，维护方便等优 点得到广泛地应用。但是燃气轮机简单循环具有热效 率不高、特别是低工况效率低、污染排放量不达标等 缺点[5]。燃气轮机的技术改造是解决以上能源和环境问 题的一个重要手段。主要的途径是采用不同的方式回 收燃气轮机的高温余热并以余热为能源来改善燃烧状 况。目前使用较多的燃气轮机改造方式有：燃-蒸联合 循环——利用燃气高温余热产生蒸汽作为蒸汽轮机的 工质产生输出功[6-8]，湿空气循环——利用余热产生蒸 汽与压气机出口的空气混合以实现能量回收[9]，注蒸汽 循环——利用余热产生蒸汽注入燃烧室实现能量回收 并改进燃烧状况[10]，化学回热循环——采用化学反应 回收烟气余热并改善燃料品质[11, 12]。
573.15
7.826
给水
16
288.15
*
入口烟气
0.1
700.27
92
下面，将根据这些参数进行水处理系统的部件的 热力设计。 2.1.1 蒸汽发生系统的参数设定
蒸汽发生系统的参数设定是其热力设计的基础。 各个设备的参数设定有其特殊的要求，下面将详细介 绍各设备的参数设定要求并设定其热力参数。
1）设计点压力 闪蒸压力的选择需要考虑两个方面的因素，一是 闪蒸得到的蒸汽要能够自由地流动到下级设备，因此 闪蒸压力需要高于下级装备的工作压力；另外，闪蒸
1.2 蒸汽发生系统数学模型
1.2.1 换热设备数学模型
换热设备满足如下基本的物理及热力学定律，质
量守恒、能量守恒、传热方程和热力学状态参数方程
等[17]。由此可以建立换热设备的数学模型如下式 1-4。
流量平衡方程：
G1 = G2
(1)
能量平衡方程：
Q = G1h1 − G2h2
(2)
传热方程：
Q = K × F × ΔTm
回热循环中要保证燃油-蒸汽重整反应的最佳值，设置水 碳比（水分子和碳原子数目比）为 4:1 较为合适[11, 12]，
燃油分子式为 C10H18（其热值为 42618.5kJ/kg，与柴油 热值 427000kJ/kg 相近），燃油供给量为 1.5kg/s，蒸汽流
量则为 7.826kg/s。蒸汽的压力略大于燃烧室的压力，设
关键词：燃气轮机；化学回热循环；蒸汽发生系统；热力设计 中图分类号：TK473，TK16 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2015.02.001
Thermodynamic Design for Heat Recovery Steam Generator of Chemically Recuperated Gas Turbine
置为 2.5MPa；蒸汽的温度选定为 573.15K（高于饱和压
力，利于重整进行）。给水压力为 16MPa，给水加压更
为方便，便于闪蒸产生高压水蒸汽。给水的流量将根据
高压闪蒸器的热力计算获得。具体设计参数见表 1。
表 1 水处理系统/(kg/s)
出口蒸汽
2.5
A cademic Research 技术交流
化学回热循环的蒸汽系统热力设计
宋少雷 1，舒春英 2，谢瑜玻 3
（1. 海装沈阳局，黑龙江 哈尔滨 150078；2. 中船重工集团第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078，3. 中船重工 集团第七〇四研究所，上海 200031）
摘 要：分析了利用燃气轮机高温余热的蒸汽发生系统的设计准则，并基于某型燃气轮 机设计了用于构建化学回热循环燃气轮机的一种蒸汽发生系统。设定了该蒸汽发生系统的设 计点工况并对各主要部件进行了热力设计，建立该系统的热力性能计算模型。计算了设计点 性能参数并校验了计算精度，出口蒸汽和烟气的各主要性能参数的最大误差为 0.4%，所设计 系统可用于燃气轮机系统的性能分析。系统符合能量梯级利用原则，低工况时也能充分利用 余热，变工况时所产生蒸汽参数稳定。
3 机电设备 2015/2
压力应该尽量维持在一个较低的值，这样能够得到更 多的蒸汽。考虑通过过热器以及其他管件的压损，高 压闪蒸器的压力设定为 2.5MPa，略高于进入化学回热 器的蒸汽压力。低压闪蒸器的压力设定为 0.15MPa， 略高于大气压力，便于流通预热器 PH。考虑到压损， 设定各个设备的进出口压力如下：冷凝段：给水入口 压力 16MPa，给水出口压力 15.8MPa；蒸汽入口压力 0.15MPa，出口冷凝水压力 0.14MPa。预热段：给水入 口压力 15.8MPa，给水出口压力 15.6MPa；废水入口压 力 0.15MPa，废水出口压力 0.14MPa。过热器：水蒸汽 入口和出口均为 2.5MPa，烟气入口和出口的压力均为 0.1MPa。饱和器：给水入口压力 15.6MPa，给水出口 压力 15MPa；烟气进出口压力为 0.1MPa。高压闪蒸器 入口水压力 15MPa；出口水蒸汽和饱和水的压力为 2.5MPa。低压闪蒸器的入口水压力为 2.5MPa；出口水 蒸汽和饱和水的压力为 0.15MPa。
(6)
流量平衡出口的饱和蒸汽和饱和水的流量与入口
给水流量相同。能量平衡反应出口饱和蒸汽和饱和水
的显焓之和与入口给水显焓相同。
不考虑非平衡温度损失，则闪蒸器出口汽、液温
度相等，压力相等且等于闪蒸器内压力。这样在已知
闪蒸器进口补给水的流量、焓和闪蒸压力，就可以计
算出闪蒸器出口蒸汽和水的流量。
图 3 水处理系统示意图
(3)
对数平均温差：
ΔTm
=
ΔTmax − ΔTmin ln ΔTmax
(4)
ΔTmin
其中，下标 1、2 分别代表进出口参数；ΔTmax 和 ΔTmin
分别表示传热面的始端和终端温差的大值和小值。
1.2.2 闪蒸装置数学模型
水系统中，闪蒸器是核心部件，是产生蒸汽的部
件，其工作原理为高温高压的补给水被引入闪蒸器时，
加热来提供蒸发器的能量，大大提高了蒸汽产量和低 工况时的性能。相似的方案有补燃式余热锅炉。这些 方案是系统结构复杂，增加了建设成本，补燃式方案 也难以带来系统的热效率提高。
图 1 余热锅炉基本结构
图 2 太阳能余热锅炉基本结构
燃气轮机的排气温度较高，通常在 500℃上下，可 以用来生产蒸汽，产生蒸汽可以作为动力系统的工质 或者其他用途。当燃气轮机运行在低工况时，排气温 度降低但仍然携带较高的能量，可能难以产生足够品 质的蒸汽以便于作为动力装置的工质；此时蒸汽发生 系统应该能产生较低品质的蒸汽以提供其他用途。基 于以上原则和以上所列举的余热锅炉结构，以构建化 学回热循环燃气轮机系统为目标提出一套充分利用燃 气轮机排气余热的蒸汽发生系统，其结构如图 3 所示。
0 引言
全球一次能源消耗量在不断地增长；我国占全球 一次能源消耗量的比例在也一直在增加，到 2011 年已 经达到 21.29%[1, 2]。全球 CO2 的排放量逐年增加，而
我国的排放量增长更为迅速。我国占全球 CO2 排放量 的比例由 1986 年的 9.82%急速增加到 2011 年的 26.38%[3, 4]。可见，节能环保已是全社会非常迫切的任务。
Abstract: The design principle of the heat recovery steam generator (HRSG) absorbing the waste heat of gas turbine is analyzed; and a HRSG to construct the chemically recuperated gas turbine (CRGT) is proposed based on some gas turbine. The parameters of design working condition are set and thermodynamic designs of the components of the HRSG are performed. Calculation models of the HRSG are built and the performance parameters at design point are calculated. The maximal error of the parameters of the output steam and gas is 0.4% and it can be said that the designed HRSG is available for the CRGT. The HRSG conforms to the principle of energy cascade utilization and has the advantages of making the best of waste energy in low working conditions and running steadily in varied conditions. Key words: gas turbine，chemically recuperated，heat recovery steam generator，thermodynamic design
为克服这些困难，目前也采取各种措施，改进余 热锅炉技术，主要的改进手段有采用多压系统；这种 措施增加了系统的受热面，升高燃气轮机背压，有降 低系统效率的趋势，提高系统复杂性，增加成本。采 用再热设备，尤其是在低工况时采用该方案，会使系 统总体效率降低。另外，还有太阳能辅助技术，利用 太阳能将给水加热到饱和状态，烟气对蒸汽进行过热； 目前而言，该方案使系统复杂，成本较高[15, 16]。
2015/2 机电设备 2
A cademic Research 技术交流
蒸器的闪蒸压力可以调节，在不同工况下产生的蒸汽 参数都很稳定，减少对系统的冲击。低工况时，也能 产生温度压力较低的蒸汽以及蒸馏水，回收系统能量。
G1 = G21 + G22
(5)
能量平衡方程：
G1 × h1 = G21 × h21 + G22 × h22
作者简介：宋少雷（1982-），男，工程师，主要从事热力设计。
1 机电设备 2015/2
燃气轮机由于其单机功率大，比质量小，机动性 好，振动噪声小，寿命长，运行平稳，维护方便等优 点得到广泛地应用。但是燃气轮机简单循环具有热效 率不高、特别是低工况效率低、污染排放量不达标等 缺点[5]。燃气轮机的技术改造是解决以上能源和环境问 题的一个重要手段。主要的途径是采用不同的方式回 收燃气轮机的高温余热并以余热为能源来改善燃烧状 况。目前使用较多的燃气轮机改造方式有：燃-蒸联合 循环——利用燃气高温余热产生蒸汽作为蒸汽轮机的 工质产生输出功[6-8]，湿空气循环——利用余热产生蒸 汽与压气机出口的空气混合以实现能量回收[9]，注蒸汽 循环——利用余热产生蒸汽注入燃烧室实现能量回收 并改进燃烧状况[10]，化学回热循环——采用化学反应 回收烟气余热并改善燃料品质[11, 12]。
573.15
7.826
给水
16
288.15
*
入口烟气
0.1
700.27
92
下面，将根据这些参数进行水处理系统的部件的 热力设计。 2.1.1 蒸汽发生系统的参数设定
蒸汽发生系统的参数设定是其热力设计的基础。 各个设备的参数设定有其特殊的要求，下面将详细介 绍各设备的参数设定要求并设定其热力参数。
1）设计点压力 闪蒸压力的选择需要考虑两个方面的因素，一是 闪蒸得到的蒸汽要能够自由地流动到下级设备，因此 闪蒸压力需要高于下级装备的工作压力；另外，闪蒸
1.2 蒸汽发生系统数学模型
1.2.1 换热设备数学模型
换热设备满足如下基本的物理及热力学定律，质
量守恒、能量守恒、传热方程和热力学状态参数方程
等[17]。由此可以建立换热设备的数学模型如下式 1-4。
流量平衡方程：
G1 = G2
(1)
能量平衡方程：
Q = G1h1 − G2h2
(2)
传热方程：
Q = K × F × ΔTm
回热循环中要保证燃油-蒸汽重整反应的最佳值，设置水 碳比（水分子和碳原子数目比）为 4:1 较为合适[11, 12]，
燃油分子式为 C10H18（其热值为 42618.5kJ/kg，与柴油 热值 427000kJ/kg 相近），燃油供给量为 1.5kg/s，蒸汽流
量则为 7.826kg/s。蒸汽的压力略大于燃烧室的压力，设
关键词：燃气轮机；化学回热循环；蒸汽发生系统；热力设计 中图分类号：TK473，TK16 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2015.02.001
Thermodynamic Design for Heat Recovery Steam Generator of Chemically Recuperated Gas Turbine
置为 2.5MPa；蒸汽的温度选定为 573.15K（高于饱和压
力，利于重整进行）。给水压力为 16MPa，给水加压更
为方便，便于闪蒸产生高压水蒸汽。给水的流量将根据
高压闪蒸器的热力计算获得。具体设计参数见表 1。
表 1 水处理系统/(kg/s)
出口蒸汽
2.5
A cademic Research 技术交流
化学回热循环的蒸汽系统热力设计
宋少雷 1，舒春英 2，谢瑜玻 3
（1. 海装沈阳局，黑龙江 哈尔滨 150078；2. 中船重工集团第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078，3. 中船重工 集团第七〇四研究所，上海 200031）
摘 要：分析了利用燃气轮机高温余热的蒸汽发生系统的设计准则，并基于某型燃气轮 机设计了用于构建化学回热循环燃气轮机的一种蒸汽发生系统。设定了该蒸汽发生系统的设 计点工况并对各主要部件进行了热力设计，建立该系统的热力性能计算模型。计算了设计点 性能参数并校验了计算精度，出口蒸汽和烟气的各主要性能参数的最大误差为 0.4%，所设计 系统可用于燃气轮机系统的性能分析。系统符合能量梯级利用原则，低工况时也能充分利用 余热，变工况时所产生蒸汽参数稳定。
3 机电设备 2015/2
压力应该尽量维持在一个较低的值，这样能够得到更 多的蒸汽。考虑通过过热器以及其他管件的压损，高 压闪蒸器的压力设定为 2.5MPa，略高于进入化学回热 器的蒸汽压力。低压闪蒸器的压力设定为 0.15MPa， 略高于大气压力，便于流通预热器 PH。考虑到压损， 设定各个设备的进出口压力如下：冷凝段：给水入口 压力 16MPa，给水出口压力 15.8MPa；蒸汽入口压力 0.15MPa，出口冷凝水压力 0.14MPa。预热段：给水入 口压力 15.8MPa，给水出口压力 15.6MPa；废水入口压 力 0.15MPa，废水出口压力 0.14MPa。过热器：水蒸汽 入口和出口均为 2.5MPa，烟气入口和出口的压力均为 0.1MPa。饱和器：给水入口压力 15.6MPa，给水出口 压力 15MPa；烟气进出口压力为 0.1MPa。高压闪蒸器 入口水压力 15MPa；出口水蒸汽和饱和水的压力为 2.5MPa。低压闪蒸器的入口水压力为 2.5MPa；出口水 蒸汽和饱和水的压力为 0.15MPa。
(6)
流量平衡出口的饱和蒸汽和饱和水的流量与入口
给水流量相同。能量平衡反应出口饱和蒸汽和饱和水
的显焓之和与入口给水显焓相同。
不考虑非平衡温度损失，则闪蒸器出口汽、液温
度相等，压力相等且等于闪蒸器内压力。这样在已知
闪蒸器进口补给水的流量、焓和闪蒸压力，就可以计
算出闪蒸器出口蒸汽和水的流量。
图 3 水处理系统示意图
(3)
对数平均温差：
ΔTm
=
ΔTmax − ΔTmin ln ΔTmax
(4)
ΔTmin
其中，下标 1、2 分别代表进出口参数；ΔTmax 和 ΔTmin
分别表示传热面的始端和终端温差的大值和小值。
1.2.2 闪蒸装置数学模型
水系统中，闪蒸器是核心部件，是产生蒸汽的部
件，其工作原理为高温高压的补给水被引入闪蒸器时，
加热来提供蒸发器的能量，大大提高了蒸汽产量和低 工况时的性能。相似的方案有补燃式余热锅炉。这些 方案是系统结构复杂，增加了建设成本，补燃式方案 也难以带来系统的热效率提高。
图 1 余热锅炉基本结构
图 2 太阳能余热锅炉基本结构
燃气轮机的排气温度较高，通常在 500℃上下，可 以用来生产蒸汽，产生蒸汽可以作为动力系统的工质 或者其他用途。当燃气轮机运行在低工况时，排气温 度降低但仍然携带较高的能量，可能难以产生足够品 质的蒸汽以便于作为动力装置的工质；此时蒸汽发生 系统应该能产生较低品质的蒸汽以提供其他用途。基 于以上原则和以上所列举的余热锅炉结构，以构建化 学回热循环燃气轮机系统为目标提出一套充分利用燃 气轮机排气余热的蒸汽发生系统，其结构如图 3 所示。
0 引言
全球一次能源消耗量在不断地增长；我国占全球 一次能源消耗量的比例在也一直在增加，到 2011 年已 经达到 21.29%[1, 2]。全球 CO2 的排放量逐年增加，而
我国的排放量增长更为迅速。我国占全球 CO2 排放量 的比例由 1986 年的 9.82%急速增加到 2011 年的 26.38%[3, 4]。可见，节能环保已是全社会非常迫切的任务。
Abstract: The design principle of the heat recovery steam generator (HRSG) absorbing the waste heat of gas turbine is analyzed; and a HRSG to construct the chemically recuperated gas turbine (CRGT) is proposed based on some gas turbine. The parameters of design working condition are set and thermodynamic designs of the components of the HRSG are performed. Calculation models of the HRSG are built and the performance parameters at design point are calculated. The maximal error of the parameters of the output steam and gas is 0.4% and it can be said that the designed HRSG is available for the CRGT. The HRSG conforms to the principle of energy cascade utilization and has the advantages of making the best of waste energy in low working conditions and running steadily in varied conditions. Key words: gas turbine，chemically recuperated，heat recovery steam generator，thermodynamic design
