深入解析ZEITMOP循环的6.2版本

在先前提出的数据基础上，基于一个假设进行了详细的ZEITMOP循环分析，假设该循环极限压力接近22MPa。选取如此高的压力水平以及最高温度范围，主要是来自早期利用在COOPERATE循环和MATIANT循环中假定数据所获得的结论，而这两个循环是ZEITMOP循环的先行者，如图6-3所示。

在一个标准的AspenPlus®的v111仿真环境下，辅以额外的用于系统中非典型元件以及化学过程的程序进行分析取得了新的和更一致的结果。循环的稳态模拟直接连接到一个用于从空气中分离氧气（ITM单元）的混合导电离子传输膜的简化模型。这一分析是基于tenElshof（1997）用于La_1-xSr_xFeO_3-δ致密膜的性能数据和Excel®工作表计算。

为了验证AspenPlus库用于计算循环中流体性质的可行性进行了一些模拟检测。计算的主要目的是要选择一个方便的既可以描述纯CO₂特性又可以描述其与蒸汽或氧气结合特性的状态方程（EOS）。Peng-Robinson-Boston-Mathias（PRBM）给出的状态方程显示了在更宽范围的状态参数和气体组成（包括液体相变）情况下，模型的灵活性和结果的准确性。与早期针对一个标准CO₂和修改的维里（viri-al）状态方程手工计算与开发的步骤（Yantovsky et al．，2004）和方程相比，该模型可以展示更多有关循环性能和每一单元运行过程的有价值的信息。

目前的版本在主管路中引入了热交换器HE3，利用离开ITM分离器（见图6-3）的贫氧空气，加热从高压透平（T-CO₂）膨胀后的纯CO₂。高温的CO₂和氧气的混合物（～700℃）引入燃烧室（CC）。很容易看到，这种修改提供了更好的CO₂循环流的再热，并且在假定的燃气温度范围内减少了燃烧室中燃料的消耗。利用贫氧空气流使该热量回收为更好地控制主循环的能源利用提供了一种好的措施，同时也避免了由于贫氧空气排到环境中造成的大的能量损失。

图6-3 修改后的ZEITMOP流程图（Yantovsky et al．，2006）

该ZEITMOP循环模拟显示了限制状态参数的范围对循环性能和效率有重要的影响。从忽略压力和热损失的理想情况开始，通过对该循环的模拟，已经发表了一些合理选取压力、温度和液流的基本知识。人们发现，在分析阶段，影响循环性能的主要因素应该从更广泛的变化极限压力和温度范围中获得。当选取循环的温度范围为1200～1500℃、压力范围为8～22MPa时，对这些案例进行了分析。

在这些顶循环条件下，热力参数的下限接近大气边界（0.1MPa，30℃）。在上面提到的参数限制条件下，对几个循环模拟的分析显示，净发电量和热循环效率随上限温度的变化几乎呈线性关系。在压力变化的上限区域，假定合理的用于运行这种能量转换单元数据（透平和压缩机各级的压力比、在热交换器和反应器中的能源密度流、ITM的运行限制等）时呈相反的趋势。正如先前分析所断言的那样（Yantovsky et al．，2004），所计算系统的有效性要以实际的和典型的用在现代透平机械中压缩和膨胀过程的数据为基础。

接下来就要基于现代回热式热交换器和化学反应器中液流行为的典型数据，遵循第一定律原理进行稳态过程模拟。假设压力损失等于特定单元进口压力的1％～3％。高温透平叶片通道里高温冷却流引起的高温混合损失对循环性能有非常强烈的影响。

根据近期有关航空燃气轮机冷却的研究（Mattingly et al．，2002），这些损失改变了燃气轮机的效率η_t0，它与相对冷却流量ε_ct以及燃气温度T_g（k）近似成正比。

Δη_t≈η_t0^-0.9ε_ct（6-1）式中

ε_ct＝m_ct/m_g≈（T_t-1330）/8800（6-2）

在以上的计算方法中，只考虑了典型的燃气冷却系统（如冷CO₂流从压缩机S2流出）。最近已开发出更新、更先进、更复杂的透平冷却系统（蒸汽冷却），但在这个分析中并没有考虑这种冷却系统。只是应当注意到，冷却导致的循环效率的降低与这些冷却损失是成正比的。

将离开ITM的贫氧空气加热中压CO₂流（回到ITM和燃烧室）回热后，循环效率得到了合理改善（提高5％～7％）。

这是由于在燃烧室中用于化学反应和加热燃烧产物的能量需求更少了（燃料、氧气和空气所需量都变小）。空气量减少使空气压缩机的能耗变低（但紧接着，空气透平的有效膨胀功率也降低）。在循环的总能量平衡情况下，最终可以使循环效率增加。

图6-4和图6-5给出了最大循环压力为9～21MPa和最大限制温度为1200～1500℃的分析结果。(www.xing528.com)

这些数据比较了两种情况，第一种没有热交换器HE3（如由Yantovsky等人讨论的，2004），以及第二种包括再生式热交换器。从这些图可以观察到热效率的增长（基于气体燃料甲烷的低发热量）趋势，效率极值点与高温透平T-PR（见图6-4）最佳操作条件一致。还可从图3-3和图3-4中看到由于透平冷却造成的“惩罚”。ZEITMOP循环在接近最大压力P_max＝9MPa和透平进口温度（TIT）＝1400～1430℃时可获得较好的性能。

图6-4 循环效率随温度的变化（没有热交换器HE3）

应当提及的是，实际数据相对于以前获得的结果不容乐观。本案例与之前的采用类似的假设，表6-2和表6-3显示了最终计算的一些结果。

已找到在所有分析条件下较高热能输出和净透平输出的情况，但表6-2及表6-3列出的数据仅提到了循环主要状态参数（1200℃，9MPa）的低限值。很容易看到，在这种情况下（1200℃，9MPa）引入热交换器HE3到再循环的CO₂流中，使得进入燃烧室的CO₂＋O₂流的温度增加接近167℃，从而在燃烧室中带来可观的节能效果。由此导致的循环效率（见图6-5）比在图6-4中提出的循环高约58％，燃料消耗约降低了18％。这种关系使得进一步的测试和更详细的分析具有非常实际的意义。这是一个对所有系统部件以及整个循环进行分析的起点。

图6-5 加入HE3后引起循环效率的增加

基于这些最终的结果获得一个重要结论——得到的循环热效率存在一个可重现的变化趋势，但是，与没有热交换器HE3的基本情况相比，热效率提高5％～8％，消耗的燃料减少了20％。此外，贫氧空气在透平S-AIR膨胀后的最终状态参数应更接近于正常的大气条件。从技术角度来看，在示范电厂中，安排ZEITMOP循环是有可能的。在微型热电联产系统方面的进展足以发展示范性的100～200kW的动力单元。

表6-2 ZEITMOP透平和压缩机负荷

注：源自于Yantovsky，Eetal．，2004。

表6-3 ZEITMOP物流数据（1200℃/9MPa）

（续）