余熱回收發(fā)電系統(tǒng)英文文獻翻譯終極版

1、英文文獻翻譯：余熱回收發(fā)電系統(tǒng)的熱力學第二定律分析摘要：本文基于熱力學第二定律對各種不同的運行條件下余熱回收利用于發(fā)電系統(tǒng)進行了科學研究。對不同的運行條件下，余鍋爐的溫度、輸出功、第二定律下的效率以及熵增進行了模擬。分析結果中考慮了具有不同排煙成分和排煙溫度的煙氣比熱。對于節(jié)點溫差對余熱鍋爐性能、熵增率和第二定律效率的影響也進行了研究。隨著節(jié)點溫差的增大，余熱鍋爐和動力回收裝置的熱力學第二定律的效率有所下降。發(fā)電系統(tǒng)的第一第二定律效率隨著排煙成分和氧氣含量的不同而不同。將排煙近似為空氣處理，從第一和第二定律的觀點來看，空氣的標準分析會導致發(fā)電系統(tǒng)性能估計過高或者過低。采用實際的氣體組成成分和比

2、熱可以準確的預測第二定律下的性能。本文的結果為基于熱力學第一第二定律下，氣體成分、比熱和節(jié)點溫差對余熱鍋爐的性能影響提供了更多的信息。關鍵詞：余熱鍋爐；余熱回收利用；第二定律效率；節(jié)點溫差；氣體成分；性能1. 簡介近年來，隨著能源價格的上漲和全球的能源告急，發(fā)展先進的能源系統(tǒng)以提高效率和降低排放成為一個迫切的需要。能源在一個國家的發(fā)展和繁榮過程中扮演著十分重要的角色。這些年，余熱回收利用，可更新的能源，熱電聯產和聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)得到了人們越來越多的注意。一些工業(yè)過程回收余熱來發(fā)電或者通過余熱鍋爐來利用余熱具有很大的可行性。同時，余熱鍋爐也應用于電站燃氣輪機和蒸汽輪機裝置來回收燃氣輪機排氣的余熱

3、來產生蒸汽。從經濟的角度來說，余熱鍋爐的性能在這些先進的能源系統(tǒng)的運行中是十分重要的，因為蒸汽發(fā)生裝置的每一個附加的部件都代表著額外的發(fā)電量或者實際可以應用的余熱。有已出版的文獻資料基于熱力學第一定律對節(jié)點溫差對余熱回收用于發(fā)電或者熱電聯產系統(tǒng)的影響做了分析。熱力學第一定律的分析沒有解釋系統(tǒng)中能量的不可逆和能量品質降低的原因。第二定律的分析通過分析能量的品質為測量和優(yōu)化一個熱力系統(tǒng)性能提供了有效的手段。相比傳統(tǒng)的能量分析方法，熱力學第二定律分析熱力系統(tǒng)的方法在工業(yè)和學術領域已被廣泛接受，它已發(fā)展成為一套測量評估系統(tǒng)性能的標準。第一定律分析揭示了能量是如何被有效地轉化的，而火用分析卻體現了能量的

4、質量。不像能量，火用受一些不可逆（熵增）的因素影響，例如摩擦，熱損失或者化學上的不可逆。由于這個原因，熱力學第二定律分析方法提供了一個真實的評估余熱鍋爐和余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的手段。Valdes等人考慮了能源成本和年資金流轉后，提出了一個在聯合循環(huán)裝置中用于選擇設計余熱鍋爐系統(tǒng)的熱經濟模型。Ongiro等人做了一個商業(yè)的聯合循環(huán)裝置中余熱鍋爐的數值模擬，說明了在滿負荷和部分負荷運行條件下設計和操作的限制，而Valdes和Rapun用影響系數來優(yōu)化余熱鍋爐的設計。Karthikeyan 等人研究了補燃對熱電聯產裝置中余熱鍋爐性能的影響。Cenusa 等人基于余熱鍋爐性能和換熱面積成本對余熱鍋爐進行了

5、分析。Nag和De對余熱鍋爐產生飽和蒸汽做了熱力學第二定律分析，而Reddy 等人則對余熱鍋爐產生的過熱蒸汽做了熱力學第二定律的分析。Karthikeyan 等人做了一些關于熱電聯產系統(tǒng)中余熱回收利用的蒸汽發(fā)生和輸出量的初步工作。已出版的文獻資料中，關于余熱鍋爐和廢熱回收發(fā)電系統(tǒng)中，廢氣成分以及不同成分和進口溫度的廢氣比熱，節(jié)點溫差和其他運行參數對熵增率和第二定律的效率的影響的研究不是很多。本文通過熱力學第二定律研究了不同的運行條件如廢氣成分，比熱，節(jié)點溫差和廢氣進口溫度下余熱鍋爐和廢熱回收發(fā)電系統(tǒng)的性能。研究結果將提供不同運行條件的原始信息并對余熱鍋爐和廢熱回收發(fā)電系統(tǒng)的設計起到積極的指導意

6、義。術語符號Cp 比熱(kJ/kg.K 第一定律效率 能量轉化率(kW t 透平等熵效率h 比焓(kJ/kg p 泵等熵效率h1 熱量損失參數 第二定律效率HRSG 余熱鍋爐 質量流率(kg/s 下標M 摩爾質量(kg/mol econ 省煤器Ns 熵增量 evap 蒸發(fā)器P 壓力(bar f 流體PP 節(jié)點溫差(K g 燃氣 熱量轉化率(kW o 環(huán)境R 氣體常數(kJ/kmol.K p 泵 熵增率(kW/kg.K s 蒸汽s 比熵(kJ/kg.K sat 飽和T 溫度(K super 過熱器 輸出功率(MW system 余熱發(fā)電系統(tǒng)x 蒸汽或水質量 t 透平y(tǒng) 燃氣質量分數 w 水符號P

7、/P 壓力損失(% 火用轉化率(MW 2. 問題的明確表述本文研究的余熱鍋爐系統(tǒng)包括了省煤器，蒸發(fā)器和過熱器。余熱鍋爐中產生的蒸汽進入蒸汽輪機膨脹做功用于發(fā)電。圖1表示了余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及其相關細節(jié)。圖2表示了余熱鍋爐中廢氣和水蒸汽的溫度曲線。高溫廢氣以Tg1的溫度進入過熱器，依次流過蒸發(fā)器和省煤器，溫度降為Tg4，然后排入大氣。給水以Tw1的溫度進入省煤器，被加熱到Tw2再進入蒸發(fā)器。水在蒸發(fā)器中(飽和溫度Ts蒸發(fā)形成飽和蒸汽后進入過熱器，在過熱器中由Ts1被加熱到過熱狀態(tài)Ts2，然后過熱蒸汽進入蒸汽透平。在分析系統(tǒng)之前，做如下假設： 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。 蒸汽側無壓力損失。 煙氣側的壓力下降

8、不影響溫度。 忽略接近點溫差。圖1 余熱回收發(fā)電系統(tǒng)示意圖圖2 單壓余熱鍋爐溫度曲線通過圖2的溫度曲線和節(jié)點溫差，進入余熱鍋爐省煤器的煙氣溫度可寫成下式： (1其中，Tsat是給定壓力下的飽和溫度，PP是節(jié)點溫差。余熱鍋爐中的蒸汽發(fā)生率取決于過熱器和蒸發(fā)器的控制量，通過能量平衡關系，可寫成： （2）其中 是廢氣質量流率，Cp是廢氣比熱，h1是余熱鍋爐的熱損失百分率(2-3%，hs2和hw2分別是過熱器出口的蒸汽焓值和蒸發(fā)器進口的水焓值。離開過熱器的燃氣溫度取決于過熱器的控制體和能量平衡。為了求解Tg2，假設，Tg2的比熱確定后，再用(3式重新計算Tg2。重新計算的Tg2用于后續(xù)的分析和計算過程

9、中。 (3省煤器出口處的燃氣溫度Tg4同Tg2的決定方式相似：省煤器的控制體和能量平衡。 (42.2. 理想氣體混合物的熱力學特性 將排氣看作是空氣作為一種情況，看成是實際的氣體組成成分作為另外一種情況?？諝獾谋葻嵬ㄟ^標準的熱力學圖表計算獲得。實際排氣的比熱取決于Moran和Shapiro的關系： （5）T的單位是K，方程適用于300-1000 K。其中R是普適氣體常數，M是氣體摩爾質量，和是各種不同理想氣體的氣體常數。混合氣體的比熱由每一種氣體組成成分的比熱和他們的質量分數來表述的： （6）理想混合氣體熵的變化量表示為： （7）2.3. 輸出功發(fā)電系統(tǒng)的輸出功為： （8）第一定律效率余熱發(fā)電

10、系統(tǒng)的第一定律效率定義為輸出功與進入系統(tǒng)的余熱之比。這個參數提供了一個能量如何有效地轉化為凈輸出功的度量。余熱發(fā)電系統(tǒng)的第一定律效率表述為： (92.4. 余熱鍋爐的熵增量熵增量是一個無量綱參數用來描述整個系統(tǒng)的熵增率，被定義為： （10）其中是余熱鍋爐系統(tǒng)中廢氣的平均比熱。余熱鍋爐中，廢氣和汽水的熵增率為： （11a） （11b）其中，廢氣和汽水的熵是在同樣的狀態(tài)下測定。因為外部熱損失也包含在模型中，所以由于向環(huán)境散失熱量引起的熵增也就考慮在內了。余熱鍋爐中由于熱損失引起的熵增率表述為： （12）余熱鍋爐的熵增量表述為： （13）2.5. 熱力學第二定律效率熱力學第一定律效率是能量在廢氣和汽

11、水之間轉化量的表征，而熱力學第二定律效率則表述了能量如何有效的轉化或能量轉化的質量。熱力學第二定律分析方法使得比較一個系統(tǒng)中許多不同的相互作用成為了可能，確定了主要的火用損失的來源。余熱鍋爐余熱鍋爐中轉化到汽水的熱量可以寫成： （14） 廢氣和汽水的火用的改變量為： （15） （16）以溫度Tb為溫度界限，熱轉化過程中火用的改變定義為： （17）余熱鍋爐中由熱損失引起的火用的減少為： （18）余熱鍋爐的第二定律效率是通過廢氣（冷卻）的火用變化量比上汽水（加熱）的火用變化量來計算的： （19）余熱發(fā)電系統(tǒng)以環(huán)境作為參考，進入余熱鍋爐的排氣火用定義為： （20）其中，是環(huán)境或周圍溫度，s(T是比熵

12、。余熱發(fā)電系統(tǒng)的第二定律效率定義為輸出功與廢氣火用的比率： （21）3.結果和討論分析分析所用的排氣成分及運行條件細節(jié)分別列在表1和表2。從熱力學第一和第二定律的觀點來看，廢氣組成成分不同為廢氣成分如何影響比熱，比熱如何影響余熱鍋爐和余熱發(fā)電系統(tǒng)的性能提供了依據。排氣成分由Cihan，Moran，Shapiro等人給出，其中，燃料是天然氣。每種氣體的燃燒產物和質量分數列于表1。余熱發(fā)電系統(tǒng)模擬中所用的實驗參數列于表2。 3.1. 節(jié)點溫差對溫度曲線和余熱鍋爐蒸汽發(fā)生率的影響節(jié)點溫差對整個余熱鍋爐中汽水和燃氣溫度曲線的影響示于圖3。大的節(jié)點溫差導致進入省煤器的燃氣溫度升高，導致過熱器和蒸發(fā)器中的

13、換熱減弱，最終導致蒸汽發(fā)生率降低。產生蒸汽減少導致省煤器的換熱減弱以及較高的排煙溫度。排煙溫度較高意味著余熱鍋爐的廢熱利用較少。這個溫度曲線適用于表1所描述的氣體I組成成分。為了獲得基于熱力學第二定律的更好性能，應該采用較小的節(jié)點溫差。這也導致了余熱鍋爐中的不可逆較小，因為燃氣和汽水之間的換熱溫差減小。余熱鍋爐不同節(jié)點溫差的蒸汽發(fā)生率示于圖4。大的節(jié)點溫差導致余熱鍋爐系統(tǒng)余熱利用較少。 大的節(jié)點溫差增加了蒸發(fā)器和省煤器中的燃氣溫度。 3.2. 廢氣成分和進口溫度對余熱發(fā)電系統(tǒng)的第一定律效率的影響某一特定節(jié)點溫差下（20K），不同燃氣進口溫度的蒸汽發(fā)生率示于圖5。由于更多的能量進入余熱鍋爐，蒸汽

14、發(fā)生率隨著燃氣進口溫度的增加而增加。對任意廢氣進口溫度和確定的節(jié)點溫差來說，蒸汽發(fā)生率隨著排氣組分的不同而不同。這清楚地顯示出實際氣體組分和相關的比熱影響了蒸汽的發(fā)生，為了有合適的蒸汽發(fā)生率和輸出功，應當考慮這個問題。假設余熱鍋爐中的廢氣是空氣，基于空氣標準方法的計算得不到準確的蒸汽發(fā)生率。在一定的節(jié)點溫差下，不同廢氣進口溫度下的蒸汽透平凈輸出功示于圖6。由于余熱鍋爐的蒸汽發(fā)生率增大，凈輸出功隨著燃氣進口溫度的增加而增加。然而，廢氣進口溫度下的凈輸出功取決于排氣組分。將排氣視為空氣，基于空氣標準分析的計算可以得到一個合理的接近真實值的結果，但是，通常會導致較大的錯誤或者對性能的過估計或估計不足

15、。結果表明廢氣成分很大地影響了系統(tǒng)性能。廢氣成分對系統(tǒng)熱力學第一定律效率的影響示于圖7。第一定律效率隨著不同的排氣組分和氧含量的不同而不同。不同廢氣組分的不同比熱影響了換熱。多回收的余熱使得蒸汽發(fā)生量增加，從而在進入系統(tǒng)余熱相同的條件下增加了輸出功?；诳諝鈽藴史治龅姆椒ǖ凸懒说谝欢尚剩瑢嶋H的氣體組分則可以精確地預測第一定律下的性能。3.3. 余熱鍋爐廢氣組分和進口溫度對第二定律效率和熵增量的影響廢氣組分對余熱鍋爐第二定律效率的影響示于圖8。在相同的節(jié)點溫差下，第二定律效率隨著廢氣進口溫度的升高而增大。第二定律效率取決于排氣成分。若用空氣標準分析，第二定律效率估計值偏低，系統(tǒng)第二定律性能由

16、于采用實際氣體和假定為空氣分析而造成的差異在燃氣進口溫度較低的情況下更加明顯。實際混合氣體相比空氣有不同的比熱，因此，余熱鍋爐的蒸汽發(fā)生率也不同。相比空氣標準分析方法，考慮到實際的氣體組分和相關的焓熵值，第二定律效率較高。結果可以看出基于空氣標準分析方法的余熱發(fā)電系統(tǒng)會低估第二定律效率。在計算和分析中，最好采用實際氣體組分和相關的值。同時，排氣組分極大的影響了系統(tǒng)性能正如表1中所列兩種不同排氣（氧含量不同）和進口溫度下的第二定律效率。排氣組分和廢氣進口溫度對熵增量的影響見圖9。在相同的節(jié)點溫差下，熵增量隨著廢氣進口溫度的升高而增大，這是由于增加了余熱鍋爐中的不可逆。結果表明廢氣的熵取決于廢氣成

17、分，這也反應在熵增率上。廢氣的比熱取決于廢氣組分，它同時影響了系統(tǒng)的第一和第二定律性能。這種影響的程度隨著排氣中氧含量和排氣組分的不同而不同。然而，由于熵增量方程的分母含有比熱，比熱也影響了熵增和熵增量。3.4. 余熱發(fā)電系統(tǒng)的運行條件對第二定律效率的影響余熱發(fā)電系統(tǒng)的第二定律效率隨著廢氣進口溫度的升高而增加，見圖10。 高的廢氣進口溫度增大了余熱鍋爐的蒸汽發(fā)生率，凈輸出功和廢氣的可用能。廢氣組分影響了發(fā)電系統(tǒng)的第二定律效率。在相同的節(jié)點溫差和廢氣進口溫度下，不同氣體組分的第二定律效率不同。這清楚的表明了將廢氣視為空氣做基于空氣的第二定律分析導致了對發(fā)電系統(tǒng)性能預測過低或過高。盡管第二定律效率

18、與燃氣進口溫度的變化趨勢相同，然而廢氣組分影響了余熱回收，余熱鍋爐的溫度曲線，余熱鍋爐的不可逆，發(fā)電單元的第一和第二定律效率。模型中，將空氣作為廢氣會造成對余熱發(fā)電系統(tǒng)的第二定律效率很大程度上估計過高。余熱發(fā)電系統(tǒng)的第二定律效率隨著節(jié)點溫差的增大而降低，這一結果示于圖11。這是由于節(jié)點溫差增大，減少了蒸汽發(fā)生量和凈輸出功。在較大的節(jié)點溫差下，廢氣和汽水之間的溫度差也變大，從而導致了較大的不可逆。系統(tǒng)的第二定律效率與節(jié)點溫差有很大關系，節(jié)點溫差越小，系統(tǒng)的第二定律性能越好。3.5. 運行條件對第二和第二定律效率的影響余熱發(fā)電系統(tǒng)不同節(jié)點溫差和廢氣進口溫度下的第一和第二定律效率示于圖12。第一定律

19、效率隨節(jié)點溫差的變化與第二定律效率有所不同。這清晰的表明第二定律分析方法基于能量品質的觀點提供了更多關于余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的細節(jié)。第二定律效率較高，因為它基于能量品質提供了一個系統(tǒng)如何有效的利用熱力資源的度量。第一定律效率較低是因為大部分進入系統(tǒng)的熱量都被冷凝器帶走。第二定律效率隨著節(jié)點溫差的增大而降低，這是因為蒸汽發(fā)生量降低使得輸出功減少。較高的廢氣進口溫度可以使得第一和第二定律效率提高，因為附加的“熱輸入”導致蒸汽發(fā)生量和凈輸出功增大，煙氣出口溫度降低。3.6. 已出版文獻對這些結果的確認這些余熱鍋爐的結果和趨勢與Karthikeyan和Ganapathy 等人的文獻中所論述的大致相同。Nag和De曾經做過一個余熱鍋爐的第二定律分析，他們的焦點是熵增量和力求使余熱鍋爐的不可逆最小