中國(guó)航發(fā)燃機(jī)：燃?xì)廨啓C(jī)如何提升發(fā)電效率

未來(lái)將大規(guī)模以可再生能源發(fā)電為主體，但可再生能源自身存在隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，使得電網(wǎng)和電力供應(yīng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性備受考驗(yàn)。燃?xì)廨啓C(jī)具有占地小、可靠性好、效率高、快速啟停等優(yōu)點(diǎn)，必將在電網(wǎng)過(guò)渡階段發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

目前燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)模式相較于簡(jiǎn)單循環(huán)配置下能增加約20%的效率。對(duì)通過(guò)采用更高的燃燒溫度和提高部件性能，可顯著提升燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的效率。中國(guó)航發(fā)燃機(jī)瞄準(zhǔn)世界燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展方向，為進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率進(jìn)行了深入研究并編譯本文，以期引發(fā)行業(yè)更多有益的思考。

熱力循環(huán)

當(dāng)今世界大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)采用簡(jiǎn)單循環(huán)運(yùn)行，只有少數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)用壓縮機(jī)中間冷卻、再加熱(順序燃燒)或通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)行內(nèi)部熱回收。簡(jiǎn)單循環(huán)需要更高的入口溫度和更高的部件性能，每一代燃?xì)廨啓C(jī)的效率都有會(huì)小幅提升。然而提高效率需要不斷完善技術(shù)，鑒于熱力學(xué)和材料學(xué)的高需求，這些效率的提高在經(jīng)濟(jì)性上有待商榷?；诖?，業(yè)內(nèi)已經(jīng)有一些聲音在呼喚——其他循環(huán)，如熱布雷頓循環(huán)，將被考慮用于未來(lái)的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，在不達(dá)到如此高溫度的情況下實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的效率。需要進(jìn)一步探索在額定和非設(shè)計(jì)條件下對(duì)循環(huán)性能、燃燒器運(yùn)行、冷卻流量管理、渦輪機(jī)熱管理以及重要的靈活性的影響。

氣路設(shè)計(jì)

目前燃?xì)廨啓C(jī)中的壓氣機(jī)和渦輪的氣路設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核心等熵流(遠(yuǎn)離環(huán)空的流動(dòng))的精細(xì)化水平。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化獲得的高度三維葉片現(xiàn)在普遍使用，產(chǎn)生了前所未有的空氣動(dòng)力學(xué)效率。進(jìn)一步的內(nèi)部效率提升將是適度的，尤其是在壓氣機(jī)中。

盡管如此，仍有些二次流動(dòng)可進(jìn)一步提高效率。渦輪間隙控制就是其中之一，估計(jì)有可能通過(guò)主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0.25%的聯(lián)合循環(huán)效率增益。主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)可用于新的燃?xì)廨啓C(jī)和現(xiàn)有裝置升級(jí);其中一些依靠轉(zhuǎn)子的軸向位移，而另一些則徑向工作。無(wú)論采用什么方法，都面臨著發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)溫度分布的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)受到負(fù)載變化的影響，更加頻繁啟動(dòng)或停止。未來(lái)的系統(tǒng)需要能夠進(jìn)一步減少壓氣機(jī)端部泄漏流量，避免旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間的物理接觸。

冷卻系統(tǒng)

大約20%的壓縮機(jī)流量從氣路排出，用于冷卻和密封發(fā)動(dòng)機(jī)的(高壓)熱部分。其中大部分用于冷卻一級(jí)渦輪葉片。在渦輪高壓段內(nèi)氣路的根部，吸入熱氣也可能導(dǎo)致機(jī)械故障和空氣動(dòng)力損失。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的高應(yīng)力部件(如轉(zhuǎn)子盤(pán))被從氣路吸入的熱氣過(guò)熱時(shí)，可能會(huì)觸發(fā)機(jī)械故障。輪輞密封件通常與內(nèi)部密封件一起從壓縮機(jī)排出冷卻/密封空氣以防止流入空腔，但這也會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)效率。從壓氣機(jī)排出的空氣會(huì)導(dǎo)致熱效率減少，更重要的是氣體路徑中的出口和核心流之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的動(dòng)力損失。這些現(xiàn)象也受到瞬態(tài)操作的影響，因?yàn)檫@會(huì)改變所有相關(guān)流動(dòng)的壓力和溫度分布，以及密封元件的公差。

因此，二級(jí)氣路的改進(jìn)設(shè)計(jì)、多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化和冷卻流的主動(dòng)控制是需要進(jìn)一步研究的領(lǐng)域，以進(jìn)一步提高現(xiàn)有和新燃?xì)廨啓C(jī)的性能。

底層循環(huán)

現(xiàn)代熱回收蒸汽發(fā)生器在壓力水平下產(chǎn)生蒸汽并結(jié)合，目前能夠在技術(shù)上可行的情況下回收盡可能多的能量，受最低煙道溫度限制，這會(huì)引發(fā)煙道氣流中的冷凝問(wèn)題。從第二定律的角度(即火用破壞)來(lái)看，超臨界高壓蒸發(fā)器可以減少這種不可逆性，但相關(guān)成本可能無(wú)法通過(guò)邊際性能增強(qiáng)(估計(jì)最先進(jìn)技術(shù)的聯(lián)合循環(huán)效率點(diǎn)為0.5個(gè)百分點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償)。

多壓力熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)在燃?xì)廨啓C(jī)的低排氣溫度下最受關(guān)注。當(dāng)從單壓到多壓降低時(shí)，隨著溫度提高性能，并且在熱氣溫度(HRSG入口)大約為700℃時(shí)，兩種布局之間的差異消失了。隨著燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的升高(現(xiàn)在超過(guò)650℃)需要以較低容量系數(shù)運(yùn)行的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)成本，可能有機(jī)會(huì)采用亞臨界的單壓再熱底部循環(huán)。

附加說(shuō)明

在未來(lái)幾十年，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠高效發(fā)電將依賴(lài)于部分負(fù)荷效率而不是額定工況效率。因此，提高部分負(fù)荷性能和瞬態(tài)響應(yīng)(盡可能快地過(guò)渡到更高負(fù)載以減少低負(fù)載下的運(yùn)行時(shí)間)將對(duì)于運(yùn)行的靈活性和電網(wǎng)的利益至關(guān)重要。這同樣適用于減少燃?xì)廨啓C(jī)的最小環(huán)境負(fù)荷，從而減少啟動(dòng)和關(guān)閉的次數(shù)，并減少相關(guān)的燃料消耗、提高使用壽命和降低排放。這一切都與提高聯(lián)合循環(huán)和簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的整體效率有關(guān)。