【摘 要】
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燃气轮机是海上石油平台的主要能耗设备,排放大量高温烟气,余热回收潜力巨大,但平台的空间和载重都有限。热管具有优良的传热性能、体积小、重量轻等特点。本论文通过制作钢-水热管,对冷凝段管外水的沸腾过程进行可视化实验研究,同时利用Aspen Plus软件建立燃气轮机及余热回收模型展开模拟研究,根据实际情况对热管蒸汽发生器余热回收装置进行设计,实际应用于工程实践。制作并使用了不同尺度的钢-水热管,进行可视
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燃气轮机是海上石油平台的主要能耗设备,排放大量高温烟气,余热回收潜力巨大,但平台的空间和载重都有限。热管具有优良的传热性能、体积小、重量轻等特点。本论文通过制作钢-水热管,对冷凝段管外水的沸腾过程进行可视化实验研究,同时利用Aspen Plus软件建立燃气轮机及余热回收模型展开模拟研究,根据实际情况对热管蒸汽发生器余热回收装置进行设计,实际应用于工程实践。制作并使用了不同尺度的钢-水热管,进行可视化实验,研究了热管在不同工况下的传热性能。结果表明,在启动过程中,随着能量的积累,冷凝段外壁气泡在受热面上产生并随着热量的不断传递而变大,后从壁面上脱落上升,在上升过程中发生融合、分裂,加强液体的扰动,水逐渐沸腾,停止加热后短时间内沸腾继续进行,随着温度的降低气泡逐渐变小,从下而上消失,沸腾停止。加热功率不同,热管表现出不同的传热性能。在本文实验范围内,随着加热功率的增加,热管加热段与冷凝段温差增大,当量导热系数增大。100W时最小,为566.51W/m·oC,220W时最大,为1234.92W/m·oC。随着加热段加热温度的升高,热管传热量增加,温度为400oC时传热量为113.44W,600oC时传热量达261.83W。输入热量的增加使热管加热段温度升高速度加快,蒸发段工质迅速汽化到达冷凝段进行放热,蒸汽对冷凝段液膜的冲刷使运行阻力减小,传热性能增强。加热功率一定时,随着加热段长度的增加,热管传热性能增强,当冷凝段长度过短时,工质蒸汽难以在冷凝段及时冷凝回流,导致热管传热性能变差,本论文所涉及的工况中,加热段和冷凝段长度比为11:1的热管具有较好的传热性能。6m超长热管在2000W的功率下上下温差仅为13oC,当量导热系数达534203.83W/m·oC,具有优良的等温性和导热性。基于Aspen Plus软件对某海上平台燃气轮机烟气余热回收搭建模型展开模拟研究,得出燃气轮机输出功量随空气入口温度的增加而降低,与实验值相符。在ISO工况下,若将燃气轮机烟气温度下降为150oC排放,可获得180oC饱和蒸汽量为20t/h以上。若空气入口温度在-30oC-45oC范围内变化时,可产生蒸汽量17.8t/h-23.6t/h。由于燃气比例小,改变燃气温度带来的变化比较小,但随着燃气温度的增加,排烟温度也相应增加,回收热量也略有增加。随着空气湿度的增大,空气流量也在增大,燃气轮机的净输出功量、产生的饱和蒸汽量和排烟温度均有所降低,变化也较小。当发电负荷产生变化时,由于烟气量的变化,造成饱和蒸汽产量也会随之改变,当在满负荷情况下,烟气排放温度为338.64oC,但在40%负荷情况下,烟气的最终排放温度为109.51oC,与满负荷情况相比下降了67.66%。根据某海上石油平台的现场条件及热需求,将实验研究的超长热管用于热管蒸汽发生器,在海上平台上得以成功应用。为了进一步回收烟气余热,将燃气轮机烟气温度高低和用热需求分为三级,对燃气轮机烟气余热进行梯级利用模拟研究,第一级为热管导热油炉,温度需求较高,达250oC,用于生产加热;第二级为热管蒸汽发生器,生产水蒸汽,为180 oC,用于替换电脱加热器;第三级为热管热水器,温度为75 oC,用于加热回注水。使得烟气余热充分利用,最终排放温度可接近100 oC。本论文研究为海上油田燃气轮机烟气余热回收提供了从实验研究到工程应用实践,对燃气轮机烟气高效梯级利用有一定的参考价值。
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