余热回收发电系统英文文献翻译终极版.doc

英文文献翻译：余热回收发电系统的热力学第二定律分析摘要：本文基于热力学第二定律对各种不同的运行条件下余热回收利用于发电系统进行了科学研究。对不同的运行条件下，余锅炉的温度、输出功、第二定律下的效率以及熵增进行了模拟。分析结果中考虑了具有不同排烟成分和排烟温度的烟气比热。对于节点温差对余热锅炉性能、熵增率和第二定律效率的影响也进行了研究。随着节点温差的增大，余热锅炉和动力回收装置的热力学第二定律的效率有所下降。发电系统的第一第二定律效率随着排烟成分和氧气含量的不同而不同。将排烟近似为空气处理，从第一和第二定律的观点来看，空气的标准分析会导致发电系统性能估计过高或者过低。采用实际的气体组成成分和比热可以准确的预测第二定律下的性能。本文的结果为基于热力学第一第二定律下，气体成分、比热和节点温差对余热锅炉的性能影响提供了更多的信息。关键词：余热锅炉；余热回收利用；第二定律效率；节点温差；气体成分；性能1. 简介近年来，随着能源价格的上涨和全球的能源告急，发展先进的能源系统以提高效率和降低排放成为一个迫切的需要。能源在一个国家的发展和繁荣过程中扮演着十分重要的角色。这些年，余热回收利用，可更新的能源，热电联产和联合循环发电系统得到了人们越来越多的注意。一些工业过程回收余热来发电或者通过余热锅炉来利用余热具有很大的可行性。同时，余热锅炉也应用于电站燃气轮机和蒸汽轮机装置来回收燃气轮机排气的余热来产生蒸汽。从经济的角度来说，余热锅炉的性能在这些先进的能源系统的运行中是十分重要的，因为蒸汽发生装置的每一个附加的部件都代表着额外的发电量或者实际可以应用的余热。有已出版的文献资料基于热力学第一定律对节点温差对余热回收用于发电或者热电联产系统的影响做了分析。热力学第一定律的分析没有解释系统中能量的不可逆和能量品质降低的原因。第二定律的分析通过分析能量的品质为测量和优化一个热力系统性能提供了有效的手段。相比传统的能量分析方法，热力学第二定律分析热力系统的方法在工业和学术领域已被广泛接受，它已发展成为一套测量评估系统性能的标准。第一定律分析揭示了能量是如何被有效地转化的，而火用分析却体现了能量的质量。不像能量，火用受一些不可逆（熵增）的因素影响，例如摩擦，热损失或者化学上的不可逆。由于这个原因，热力学第二定律分析方法提供了一个真实的评估余热锅炉和余热发电系统性能的手段。Valdes等人考虑了能源成本和年资金流转后，提出了一个在联合循环装置中用于选择设计余热锅炉系统的热经济模型。Ongiro等人做了一个商业的联合循环装置中余热锅炉的数值模拟，说明了在满负荷和部分负荷运行条件下设计和操作的限制，而Valdes和Rapun用影响系数来优化余热锅炉的设计。Karthikeyan 等人研究了补燃对热电联产装置中余热锅炉性能的影响。Cenusa 等人基于余热锅炉性能和换热面积成本对余热锅炉进行了分析。Nag和De对余热锅炉产生饱和蒸汽做了热力学第二定律分析，而Reddy 等人则对余热锅炉产生的过热蒸汽做了热力学第二定律的分析。Karthikeyan 等人做了一些关于热电联产系统中余热回收利用的蒸汽发生和输出量的初步工作。已出版的文献资料中，关于余热锅炉和废热回收发电系统中，废气成分以及不同成分和进口温度的废气比热，节点温差和其他运行参数对熵增率和第二定律的效率的影响的研究不是很多。本文通过热力学第二定律研究了不同的运行条件如废气成分，比热，节点温差和废气进口温度下余热锅炉和废热回收发电系统的性能。研究结果将提供不同运行条件的原始信息并对余热锅炉和废热回收发电系统的设计起到积极的指导意义。术语符号Cp 比热(kJ/kg.K) 第一定律效率· 能量转化率(kW) t 透平等熵效率h 比焓(kJ/kg) p 泵等熵效率h1 热量损失参数 第二定律效率HRSG 余热锅炉 · 质量流率(kg/s) 下标M 摩尔质量(kg/mol) econ 省煤器Ns 熵增量 evap 蒸发器P 压力(bar) f 流体PP 节点温差(K) g 燃气 热量转化率(kW) o 环境R 气体常数(kJ/kmol.K) p 泵 熵增率(kW/kg.K) s 蒸汽s 比熵(kJ/kg.K) sat 饱和T 温度(K) super 过热器· 输出功率(MW) system 余热发电系统x 蒸汽或水质量 t 透平y 燃气质量分数 w 水符号P/P 压力损失(%)· 火用转化率(MW) 2. 问题的明确表述本文研究的余热锅炉系统包括了省煤器，蒸发器和过热器。余热锅炉中产生的蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功用于发电。图1表示了余热回收发电系统及其相关细节。图2表示了余热锅炉中废气和水蒸汽的温度曲线。高温废气以Tg1的温度进入过热器，依次流过蒸发器和省煤器，温度降为Tg4，然后排入大气。给水以Tw1的温度进入省煤器，被加热到Tw2再进入蒸发器。水在蒸发器中(饱和温度Ts)蒸发形成饱和蒸汽后进入过热器，在过热器中由Ts1被加热到过热状态Ts2，然后过热蒸汽进入蒸汽透平。在分析系统之前，做如下假设： 系统处于稳定状态。 蒸汽侧无压力损失。 烟气侧的压力下降不影响温度。 忽略接近点温差。图1 余热回收发电系统示意图图2 单压余热锅炉温度曲线2.1.热力学分析通过图2的温度曲线和节点温差，进入余热锅炉省煤器的烟气温度可写成下式： (1)其中，Tsat是给定压力下的饱和温度，PP是节点温差。余热锅炉中的蒸汽发生率取决于过热器和蒸发器的控制量，通过能量平衡关系，可写成： （2）其中 是废气质量流率，Cp是废气比热，h1是余热锅炉的热损失百分率(2-3%)，hs2和hw2分别是过热器出口的蒸汽焓值和蒸发器进口的水焓值。离开过热器的燃气温度取决于过热器的控制体和能量平衡。为了求解Tg2，假设，Tg2的比热确定后，再用(3)式重新计算Tg2。重新计算的Tg2用于后续的分析和计算过程中。 (3)省煤器出口处的燃气温度Tg4同Tg2的决定方式相似：省煤器的控制体和能量平衡。 (4)2.2. 理想气体混合物的热力学特性 将排气看作是空气作为一种情况，看成是实际的气体组成成分作为另外一种情况。空气的比热通过标准的热力学图表计算获得。实际排气的比热取决于Moran和Shapiro的关系： （5）T的单位是K，方程适用于300-1000 K。其中R是普适气体常数，M是气体摩尔质量，和是各种不同理想气体的气体常数。混合气体的比热由每一种气体组成成分的比热和他们的质量分数来表述的： （6）理想混合气体熵的变化量表示为： （7）2.3. 输出功发电系统的输出功为： （8）第一定律效率余热发电系统的第一定律效率定义为输出功与进入系统的余热之比。这个参数提供了一个能量如何有效地转化为净输出功的度量。余热发电系统的第一定律效率表述为： (9)2.4. 余热锅炉的熵增量熵增量是一个无量纲参数用来描述整个系统的熵增率，被定义为： （10）其中是余热锅炉系统中废气的平均比热。余热锅炉中，废气和汽水的熵增率为： （11a） （11b）其中，废气和汽水的熵是在同样的状态下测定。因为外部热损失也包含在模型中，所以由于向环境散失热量引起的熵增也就考虑在内了。余热锅炉中由于热损失引起的熵增率表述为： （12）余热锅炉的熵增量表述为： （13）2.5. 热力学第二定律效率热力学第一定律效率是能量在废气和汽水之间转化量的表征，而热力学第二定律效率则表述了能量如何有效的转化或能量转化的质量。热力学第二定律分析方法使得比较一个系统中许多不同的相互作用成为了可能，确定了主要的火用损失的来源。余热锅炉余热锅炉中转化到汽水的热量可以写成： （14） 废气和汽水的火用的改变量为： （15） （16）以温度Tb为温度界限，热转化过程中火用的改变定义为： （17）余热锅炉中由热损失引起的火用的减少为： （18）余热锅炉的第二定律效率是通过废气（冷却）的火用变化量比上汽水（加热）的火用变化量来计算的： （19）余热发电系统以环境作为参考，进入余热锅炉的排气火用定义为： （20）其中，是环境或周围温度，s(T)是比熵。余热发电系统的第二定律效率定义为输出功与废气火用的比率： （21）3.结果和讨论分析分析所用的排气成分及运行条件细节分别列在表1和表2。从热力学第一和第二定律的观点来看，废气组成成分不同为废气成分如何影响比热，比热如何影响余热锅炉和余热发电系统的性能提供了依据。排气成分由Cihan，Moran，Shapiro等人给出，其中，燃料是天然气。每种气体的燃烧产物和质量分数列于表1。余热发电系统模拟中所用的实验参数列于表2。 3.1. 节点温差对温度曲线和余热锅炉蒸汽发生率的影响节点温差对整个余热锅炉中汽水和燃气温度曲线的影响示于图3。大的节点温差导致进入省煤器的燃气温度升高，导致过热器和蒸发器中的换热减弱，最终导致蒸汽发生率降低。产生蒸汽减少导致省煤器的换热减弱以及较高的排烟温度。排烟温度较高意味着余热锅炉的废热利用较少。这个温度曲线适用于表1所描述的气体I组成成分。为了获得基于热力学第二定律的更好性能，应该采用较小的节点温差。这也导致了余热锅炉中的不可逆较小，因为燃气和汽水之间的换热温差减小。余热锅炉不同节点温差的蒸汽发生率示于图4。大的节点温差导致余热锅炉系统余热利用较少。 大的节点温差增加了蒸发器和省煤器中的燃气温度。 3.2. 废气成分和进口温度对余热发电系统的第一定律效率的影响某一特定节点温差下（20K），不同燃气进口温度的蒸汽发生率示于图5。由于更多的能量进入余热锅炉，蒸汽发生率随着燃气进口温度的增加而增加。对任意废气进口温度和确定的节点温差来说，蒸汽发生率随着排气组分的不同而不同。这清楚地显示出实际气体组分和相关的比热影响了蒸汽的发生，为了有合适的蒸汽发生率和输出功，应当考虑这个问题。假设余热锅炉中的废气是空气，基于空气标准方法的计算得不到准确的蒸汽发生率。在一定的节点温差下，不同废气进口温度下的蒸汽透平净输出功示于图6。由于余热锅炉的蒸汽发生率增大，净输出功随着燃气进口温度的增加而增加。然而，废气进口温度下的净输出功取决于排气组分。将排气视为空气，基于空气标准分析的计算可以得到一个合理的接近真实值的结果，但是，通常会导致较大的错误或者对性能的过估计或估计不足。结果表明废气成分很大地影响了系统性能。废气成分对系统热力学第一定律效率的影响示于图7。第一定律效率随着不同的排气组分和氧含量的不同而不同。不同废气组分的不同比热影响了换热。多回收的余热使得蒸汽发生量增加，从而在进入系统余热相同的条件下增加了输出功。基于空气标准分析的方法低估了第一定律效率，实际的气体组分则可以精确地预测第一定律下的性能。3.3. 余热锅炉废气组分和进口温度对第二定律效率和熵增量的影响废气组分对余热锅炉第二定律效率的影响示于图8。在相同的节点温差下，第二定律效率随着废气进口温度的升高而增大。第二定律效率取决于排气成分。若用空气标准分析，第二定律效率估计值偏低，系统第二定律性能由于采用实际气体和假定为空气分析而造成的差异在燃气进口温度较低的情况下更加明显。实际混合气体相比空气有不同的比热，因此，余热锅炉的蒸汽发生率也不同。相比空气标准分析方法，考虑到实际的气体组分和相关的焓熵值，第二定律效率较高。结果可以看出基于空气标准分析方法的余热发电系统会低估第二定律效率。在计算和分析中，最好采用实际气体组分和相关的值。同时，排气组分极大的影响了系统性能正如表1中所列两种不同排气（氧含量不同）和进口温度下的第二定律效率。排气组分和废气进口温度对熵增量的影响见图9。在相同的节点温差下，熵增量随着废气进口温度的升高而增大，这是由于增加了余热锅炉中的不可逆。结果表明废气的熵取决于废气成分，这也反应在熵增率上。废气的比热取决于废气组分，它同时影响了系统的第一和第二定律性能。这种影响的程度随着排气中氧含量和排气组分的不同而不同。然而，由于熵增量方程的分母含有比热，比热也影响了熵增和熵增量。3.4. 余热发电系统的运行条件对第二定律效率的影响3.4.1. 气体组分和进口温度余热发电系统的第二定律效率随着废气进口温度的升高而增加，见图10。 高的废气进口温度增大了余热锅炉的蒸汽发生率，净输出功和废气的可用能。废气组分影响了发电系统的第二定律效率。在相同的节点温差和废气进口温度下，不同气体组分的第二定律效率不同。这清楚的表明了将废气视为空气做基于空气的第二定律分析导致了对发电系统性能预测过低或过高。尽管第二定律效率与燃气进口温度的变化趋势相同，然而废气组分影响了余热回收，余热锅炉的温度曲线，余热锅炉的不可逆，发电单元的第一和第二定律效率。模型中，将空气作为废气会造成对余热发电系统的第二定律效率很大程度上估计过高。3.4.2. 节点温差余热发电系统的第二定律效率随着节点温差的增大而降低，这一结果示于图11。这是由于节点温差增大，减少了蒸汽发生量和净输出功。在较大的节点温差下，废气和汽水之间的温度差也变大，从而导致了较大的不可逆。系统的第二定律效率与节点温差有很大关系，节点温差越小，系统的第二定律性能越好。3.5. 运行条件对第二和第二定律效率的影响余热发电系统不同节点温差和废气进口温度下的第一和第二定律效率示于图12。第一定律效率随节点温差的变化与第二定律效率有所不同。这清晰的表明第二定律分析方法基于能量品质的观点提供了更多关于余热发电系统性能的细节。第二定律效率较高，因为它基于能量品质提供了一个系统如何有效的利用热力资源的度量。第一定律效率较低是因为大部分进入系统的热量都被冷凝器带走。第二定律效率随着节点温差的增大而降低，这是因为蒸汽发生量降低使得输出功减少。较高的废气进口温度可以使得第一和第二定律效率提高，因为附加的“热输入”导致蒸汽发生量和净输出功增大，烟气出口温度降低。3.6. 已出版文献对这些结果的确认这些余热锅炉的结果和趋势与Karthikeyan和Ganapathy 等人的文献中所论述的大致相同。Nag和De曾经做过一个余热锅炉的第二定律分析，他们的焦点是熵增量和力求使余热锅炉的不可逆最小。Reddy 等人报道过一个余热锅炉的熵增量是将废气视为空气。这些结果除了提供节点温差，废气组分对熵增量和第二定律效率的影响，同时在已出版的文献中也有大致相同的结果。这些工作可以同时从热力学第一和第二定律的观点更好的理解废气组分，比热和节点温差对余热发电系统性能的作用。4. 结论 废气组分影响余热锅炉的第一定律效率。在相同的节点温差和蒸汽条件下，余热发电系统的第一定律效率随着废气进口温度的升高而提高。空气标准分析提供了一个保守的第一定律效率。余热发电系统的第二定律性能与废气组分有很大的关系，如果在计算中将废气近似为空气会有很大的改变。余热锅炉和废热发电系统的第一和第二定律效率随着节点温差的增大而降低。节点温差是影响性能的重要参数，需谨慎选取。废气进口温度很大的提高了余热锅炉和发电系统的第二定律效率。在相同的节点温差下，较高的废气进口温度导致余热回收利用增多，余热锅炉的第二定律效率有轻微的提高。第二定律分析方法提供了更多实际性能的细节，是热力学优化所必需的。第一和第二定律分析方法通过描述输入能量如何有效的转化为输出功以及从能量品质的观点来看热力资源如何有效的被利用来度量系统性能，因此是很重要的工具。随着人们对先进能源系统越来越多的关注，第二定律分析方法同传统的能量方法一起成为优化系统性能的手段。致谢 作者感谢NBIF对UGRAI项目的经济支持，作者还对New Brunswick大学机械工程部的教授Robert Rogers博士所提出的建议表示感谢。英文文献原文：