氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)熱力學(xué)分析

摘要：為應(yīng)對能源需求缺口和人類對美好環(huán)境的追求，氨燃料以其零碳、能量密度大、生產(chǎn)運輸成本低等因素，被認為是未來最具潛力的燃料之一，但純氨燃燒仍有整體循環(huán)效率不高的問題。結(jié)合氨燃氣輪機排出煙氣的最高溫度以及氨燃氣輪機循環(huán)中最低溫度液氨相變溫度，匹配了再熱式朗肯循環(huán)作為底循環(huán)，提出一種氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)。利用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律對系統(tǒng)熱力學(xué)性能進行分析和評價，開展了氨燃氣輪機進口溫度和壓力對整體循環(huán)性能影響的研究。結(jié)果表明，

在氨燃氣輪機進口溫度不超過1 400 ℃、進口壓力低于0.5 MPa時，聯(lián)合循環(huán)對氨燃氣輪機循環(huán)的效率最高提升了33.38%；聯(lián)合熱力循環(huán)的最高效率為60.13%；聯(lián)合循環(huán)有良好的熱力學(xué)性質(zhì)和能量回收率；在燃氣輪機進口壓力不超過0.5 MPa時，回?zé)嵫h(huán)效率隨氨燃氣輪機進口溫度升高和壓力提升而提高。本研究為提升氨燃料的高效利用和氨燃氣輪機循環(huán)實際使用提出了新的探索角度，為氨燃氣輪機系統(tǒng)的能源利用做出前瞻性探討。

關(guān)鍵詞：氨燃氣輪機；再熱式朗肯循環(huán)；回?zé)嵫h(huán)；聯(lián)合循環(huán)；熱力學(xué)分析

中圖分類號：TK121""" 文獻標(biāo)志碼：A""" 文章編號：1002-4026（2025）01-0064-10

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)志碼（OSID）：

DOI：10.3976/j.issn.1002-4026.20240041【能源與動力】

收稿日期：2024-03-13

基金項目：高效低碳燃氣輪機試驗裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目（2017-000052-73-01-001569）

作者簡介：申芷瑄（1998—），女，碩士研究生，研究方向為超臨界二氧化碳動力循環(huán)。E-mail： shenzhixuan@iet.cn

*通信作者，梁世強，男，副研究員，研究方向為超臨界二氧化碳動力循環(huán)。Tel：13693196177， E-mail： liangsq@iet.cn

Thermodynamic analysis of the regenerative cycle in an ammonia gas turbine

SHEN Zhixuan1，2，LIANG Shiqiang1，2*

（1.Institute of Engineering Thermophysics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2. School of

Engineering Science， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract∶In the pursuit of bridging the energy demand gap and striving for a pristine environment， ammonia fuel has emerged as one of the most promising fuels of the future. Zero carbon emissions， high energy density， and low production and transportation costs make it a promising candidate. However， challenges persist regarding the overall efficiency of pure ammonia combustion. This paper proposes a regenerative cycle in an ammonia gas turbine that matches the reheat Rankine cycle， considering the maximum temperature of the exhaust gas from the turbine and phase transition temperature of liquid ammonia in the turbine cycle. We conducted a thermodynamic analysis and evaluated the system performance based on the first and second laws of thermodynamics and analyzed the influence of the inlet temperature and pressure of the ammonia gas turbine on the overall cycle performance. The results indicate that the combined cycle has improved the efficiency of the ammonia gas turbine by up to 33.38% and the maximum efficiency achieved by the combined thermodynamic cycle is 60.13%，when the inlet temperature of an ammonia gas turbine does not exceed 1 400 ℃ and the inlet pressure remains below 0.5 MPa. Furthermore， the combined cycle exhibits outstanding thermodynamic properties and energy recovery rates. Additionally， the efficiency of the regenerative cycle increases with increasing the inlet temperature and pressure of the ammonia gas turbine， provided that the inlet pressure does not exceed 5 MPa. New perspectives have been proposed to enhance the operational efficiency of ammonia-powered gas turbines and promote the efficient utilization of ammonia as a fuel. This study proposes novel perspectives towards enhancing the efficient utilization of ammonia fuel and the actual efficiency of ammonia gas turbine cycles， providing a forward-looking exploration for the energy utilization of ammonia gas turbine systems.

Key words∶ammonia gas turbine; reheat Rankine cycle; regenerative cycle; combined cycle; thermodynamic analysis

當(dāng)前，全球經(jīng)濟體量的迅速發(fā)展，能源需求側(cè)與供給側(cè)存在發(fā)展不平衡的問題，同時人類對美好環(huán)境的追求與能源轉(zhuǎn)化過程污染防控的能力顯現(xiàn)一定差距［1］，因此亟需尋求一種可再生綠色能源。在綠色能源中，液氨具有能量密度高、易液化和運輸?shù)奶攸c，相較于碳基燃料可再生甲醇、乙醇或是生物質(zhì)氣等，液氨的燃燒過程可以實現(xiàn)零碳排放［2］。此外，氨燃料也是從空氣和水中制取的可再生能源中，從生產(chǎn)到運輸成本最低的綠色能源［3］。

然而根據(jù)現(xiàn)有研究情況，氨燃料的轉(zhuǎn)化和利用效率一直不高，理論上，氨燃氣進口工質(zhì)狀態(tài)為20 MPa、1 426 ℃時，壓縮機和透平等熵效率為85%的條件下，氨燃氣輪機循環(huán)的凈發(fā)電效率僅為36.1%［4］。在實際工程中，2020年，三菱電力宣布開發(fā)了一臺40 MW的純氨燃氣輪機，該燃氣輪機機組在天然氣燃氣輪機的基礎(chǔ)上增大燃燒室結(jié)構(gòu)改進而成［5］。2023年，通用電氣燃氣動力公司與IHI公司合作宣布了，發(fā)展具有商業(yè)競爭力的純氨重型燃氣輪機作為未來計劃部署［6］?；鹆Πl(fā)電領(lǐng)域，日本、韓國和英國等國家也相繼開展氨燃料為主的燃氣輪機或是鍋爐的實驗研發(fā)［7］。在實際應(yīng)用工程層面，氨燃氣輪機循環(huán)的應(yīng)用正逐步開展，對于氨燃氣輪機循環(huán)效率提高的道路仍有長足發(fā)展空間，正需要有力的理論指導(dǎo)。為提高氨燃氣輪機循環(huán)效率，需要分析循環(huán)中能量的損失情況，氨燃氣輪機循環(huán)中能量損失的原因主要有：排放廢氣余溫較高，在廢氣中氨燃燒主要產(chǎn)物水的潛熱回收難度大；另外，有相當(dāng)一部分煙氣熱能用于氨燃氣輪機進口前燃氣的狀態(tài)制備，未能做功。

目前，針對以上氨燃氣輪機能量損失情況，可采取以下措施：一方面為改善氨燃氣輪機循環(huán)效率提高氨燃氣利用率，科研人員采用了加濕［8］、煙氣回?zé)幔?］和化學(xué)回?zé)幔?，10-11］等方法回收燃氣余熱并促進氨燃料燃燒。通過這些方式，廢氣中余熱得到了一定程度的回收，但煙氣溫度仍遠高于煙氣露點溫度，煙氣余熱仍有較大利用空間。其中BOO等［9］通過改進進氣參數(shù)值（即壓氣機、燃燒室、渦輪和冷卻）提高氨燃氣輪機循環(huán)，可以獲得理論上的超高效氨/氫循環(huán)，理論最大循環(huán)效率可達43.4%，因此也說明以氨燃料為主的燃氣輪機循環(huán)與基于化石燃料的系統(tǒng)具有高度競爭力，對氨燃料的利用有著較大的挖掘空間。另一方面為改善氨燃氣輪機循環(huán)效率，可以深度挖掘氨燃氣輪機進口燃料預(yù)處理的方法。

氨燃料一般以低溫液態(tài)的形式運輸和儲存，在液態(tài)燃料進入燃氣輪機之前，需要將液氨汽化并加熱到預(yù)熱溫度，以達到氨燃料充分燃燒，提高燃燒溫度的目的［10］。然而，壓力在0.1 MPa時液氨汽化溫度為-33 ℃，其汽化潛熱在工業(yè)上很難直接大量利用，更多的選擇直接釋放到空氣中，或是為可控汽化速率增加汽化設(shè)備，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度。因此，如何合理利用液氨汽化過程所釋放的冷能是一個研究難點，也是氨燃料綜合利用提升的改進點。

綜上所述，氨燃氣循環(huán)應(yīng)用工程正在起步階段，正需要大量的理論指導(dǎo)，更是缺乏能夠同時滿足回?zé)釤煔庥酂崤c液氨汽化潛熱的研究以提升氨燃氣輪機效率。采用聯(lián)合循環(huán)回收煙氣余熱和液氨汽化潛熱的方法以求提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是一個全新的方向。本系統(tǒng)提出氨燃氣輪機循環(huán)為頂循環(huán)，采用氨燃料汽化所釋放相變潛熱作為朗肯循環(huán)冷源，并以氨燃氣輪機出口煙氣作為朗肯循環(huán)高溫?zé)嵩矗罱ㄒ运疄楣べ|(zhì)的再熱式朗肯循環(huán)為底循環(huán)，綜合匹配能源品質(zhì)，構(gòu)建氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)。利用Aspen plus仿真軟件建立了本研究設(shè)計方案，對系統(tǒng)的熱力學(xué)性能進行了理論分析及評價并展開循環(huán)整體性能的研究，為純氨燃氣輪機循環(huán)提高循環(huán)效率提供更多可能性。

1" 系統(tǒng)描述

1.1" 能源高效利用的思想

氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)是由氨燃氣輪機循環(huán)與再熱式朗肯聯(lián)合熱力循環(huán)構(gòu)成。該循環(huán)基于能量高效利用的思想，通過流股溫度匹配的方式體現(xiàn)，具體有以下兩個方面：一方面以排煙的溫度區(qū)間分級利用為著眼點，燃氣輪機出口煙氣首先為朗肯循環(huán)的取熱器以及再熱器提供熱源，其后為燃氣輪機進口空氣預(yù)熱并為氨氣熱分解提供熱能，為氨燃料穩(wěn)定燃燒作溫度準(zhǔn)備，同時煙氣溫度得到進一步降低；另一方面，著重于回收液氨汽化時釋放的冷能，即回收氨燃料運輸前液化所消耗的能量，同時，借用液氨潛熱大的特點使得水蒸氣快速降溫，保證了氨燃料在換熱器中完全相變，穩(wěn)定燃燒壓力，燃燒室中的燃燒不受汽化潛熱影響。

如表1所示，液氨燃料在加壓后溫度仍在-34 ℃附近，汽化溫度隨著壓力升高而升高，在壓力1 MPa時氨汽化溫度升至24.90 ℃，但是氨燃機輪機簡單回?zé)嵫h(huán)或是氨燃氣輪機化學(xué)回?zé)嵫h(huán)的煙氣完成回?zé)岷笥鄿厝栽?00 ℃以上，直接采用煙氣余溫或是引入其他低溫?zé)嵩磁c液氨燃料換熱均易出現(xiàn)較大的損失，氨燃料汽化潛熱也不能有效利用。

因此，本系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出了將氨燃料汽化過程與朗肯循環(huán)冷卻過程結(jié)合結(jié)合起來，兩個過

程之間進行能量交換，具體交換方法是：液氨原料加壓至1 MPa以下時在24.90 ℃以下發(fā)生汽

化現(xiàn)象，該汽化溫度與朗肯循環(huán)中完成回?zé)嵝枰M一步冷卻的48 ℃低溫工質(zhì)水溫差相距不大

且需求互補。

1.2" 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)原理

本文提出的氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由兩部分組成，頂循環(huán)氨燃氣輪機循環(huán)和底循環(huán)再熱式朗肯循環(huán)。氨燃氣輪機循環(huán)，包括空氣壓縮機、空氣預(yù)熱器、液氨泵、氨汽化器、氨氣預(yù)熱器、燃燒室、氨燃氣輪機以及其他煙氣換熱部件；再熱式朗肯循環(huán)，包括取熱器、再熱器、高壓汽輪機、中壓汽輪機、第一低壓汽輪機、第二低壓汽輪機、冷凝泵、低壓換熱器、除氧換熱器、鍋爐給水泵、高壓換熱器和冷卻器。

氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的工作原理及過程如下：

氨燃氣輪機循環(huán)模塊：液氨經(jīng)液氨泵加壓后，在氨汽化器中換熱，-34 ℃左右的液氨汽化釋放了大量冷，與朗肯循環(huán)中泵前冷卻工質(zhì)到液態(tài)的需求相適配。氨燃料經(jīng)氨汽化器升溫后進一步經(jīng)氨氣預(yù)熱器加熱至氨氣可燃燒溫度，同時空氣經(jīng)空氣壓縮機壓縮，空氣預(yù)熱器加熱與氨氣溫度一致后，抽取適量空氣作為氧化劑與氨氣混合在燃燒室中燃燒釋放出大量的熱，一部分空氣在進入氨氣透平前混入煙氣調(diào)節(jié)燃氣溫度，這也是提高氨氣輪機循環(huán)部分凈效率的有效方式，剩余少量的空氣作為燃氣輪機葉片冷卻氣。煙氣經(jīng)氨氣透平膨脹做功向外輸出電能，煙氣第一級降溫在取熱器和再熱器中向高壓蒸汽放熱，煙氣第二級降溫用于空氣預(yù)熱器和氨氣預(yù)熱器中向空氣和氨氣放熱，煙氣經(jīng)兩次換熱后，煙氣溫度將至200 ℃左右，有效轉(zhuǎn)化了煙氣中所含能量。

再熱式朗肯循環(huán)：再熱式朗肯循環(huán)，適合回收中低溫?zé)嵩?，循環(huán)熱效率高，損失小。按照循環(huán)中水的增壓增溫做功流向，水從鍋爐給水泵加壓后，依次經(jīng)過高壓回?zé)崞骱腿崞魃郎氐?38 ℃，全部進入高壓氣輪機做功，大部分做功后的蒸汽進入再熱器再次增溫并在中壓汽輪機中做功，少部分蒸汽在高壓汽輪機和中壓汽輪機做功后進入高壓換熱器放熱后成為過熱蒸汽進入除氧換熱器。中壓汽輪機出口蒸汽中大部分蒸汽分別進入第一低壓汽輪機和第二低壓汽輪機做功進一步降壓，第二低壓汽輪機出口壓力略低于第一低壓汽輪機出口壓力，第一低壓汽輪機出口蒸汽作為低壓換熱器熱源降溫冷卻。而第二低壓汽輪機出口蒸汽與降溫冷卻后的第一低壓汽輪機出口蒸汽匯合依次至氨汽化器和冷卻器冷卻、冷凝泵中增壓至0.1 MPa、低壓換熱器升溫至124 ℃。該流股與小部分中壓汽輪機出口蒸汽、進入高壓換熱器放熱后的過熱蒸汽一同進入除氧換熱器，得到165 ℃的高溫水，高溫水進入鍋爐給水泵，循環(huán)閉合。該底循環(huán)的構(gòu)建參考了加拿大南蒂科克燃煤電廠的運行［12］。

2" 系統(tǒng)建模及模型驗證

2.1nbsp; 系統(tǒng)性能評價體系

本部分所用符號及定義如下表2所示。其中下標(biāo)net表示凈值；f表示燃料；NH3表示氨或是氨燃氣輪機循環(huán)；cycle表示聯(lián)合循環(huán)；water表示再熱式朗肯循環(huán)；A-T、HP-T、IP-T、LP-T1、LP-T2、AIR-C、A-P、B-P和P分別表示氨燃氣輪機、高壓汽輪機、中壓汽輪機、第一低壓汽輪機、第二低壓汽輪機、空氣壓縮機、液氨泵、冷凝泵和鍋爐給水泵；heater和reheater分別表示取熱器和再熱器；m、q、W和lost分別表示質(zhì)量流量、熱值、功率和損失；in和out分別代表流入和流出；ph和ch分別代表物理和化學(xué)；i代表第i個。

2.1.1" 熱力學(xué)第一定律分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，選擇循環(huán)熱效率作為本文的評價指標(biāo)。循環(huán)效率是循環(huán)凈輸出功與投入循環(huán)的燃料總能量。本系統(tǒng)中以液氨作為燃料，故燃料總能量應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)所測得的氨燃料低溫?zé)嶂迪舻粢喊鞭D(zhuǎn)化為氣態(tài)所吸收的能量，qNH3表示氨燃料從0.1 MPa、-34 ℃汽化到25 ℃所需的熱值，系統(tǒng)中燃料能量的總投入為：

Wnet，f=mf·（LHVf－qNH3）。（1）

定義整體循環(huán)效率：

ηcycle=WnetWnet，f=Wnetmf·（LHVf－qNH3）。（2）

聯(lián)合循環(huán)的輸出功為［13］：

Wnet=WA-T+WHP-T+WIP-T+WLP-T1+WLP-T2－WAIR-C－WA-P－WB-P－WP。（3）

除整體效率以外，也從兩個子循環(huán)分別模擬計算，對比聯(lián)合循環(huán)對氨燃氣輪機循環(huán)的提升。定義氨燃氣輪機子循環(huán)效率：

ηNH3=Wnet，NH3mf·（LHVf－qNH3）=WA-T－WAIR-C－WA-Pmf·（LHVf－qNH3）。（4）

朗肯循環(huán)中，能量輸入來源于取熱器和再熱器換熱量，故該部分循環(huán)效率為：

ηwater=Wnet，waterqheater+qreheater=WHP-T+WIP-T+WLP-T1+WLP-T2－WA-P－WB-Pqheater+qreheater。（5）

2.1.2" 熱力學(xué)第二定律分析

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量有品質(zhì)差異，能量數(shù)量一致但做功能力有不同，其在轉(zhuǎn)化和傳遞過程也具有方向性，因此本文在考察第一定律效率（能量轉(zhuǎn)化效率）的同時，分析系統(tǒng)效率，從能量轉(zhuǎn)化和平衡兩個方面來評價不同方案的系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

系統(tǒng)守恒原則，為流入系統(tǒng)的總與流出系統(tǒng)的總［14］：

Em，in+Eq，in+EW，in=Em，out+Eq，out+EW，out+Elost，（6）

本系統(tǒng)不考慮在運行過程中流股發(fā)生的動能和勢能的變化，故而，物流Em可簡化為流股物理和化學(xué)之和［15］：

Em=Em，ph+Em，ch，（7）

物理可由Aspen plus軟件直接輸出，而化學(xué)則需要進一步計算，化學(xué)計算公式如下：

Em，ch=mmEm，ch，（8）

Em，ch=∑xiEm，ch，i+Rt0xiln xi，（9）

式中，Em，ch，i是組分i在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)，本文中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（t0=25 ℃、p0=101 325 Pa），理想氣體常數(shù)R取8.314 5；當(dāng)流股為純物質(zhì)時可省略公式中的第二項。本系統(tǒng)中使用到的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)，計算結(jié)果見表3。

2.1.3" 氨燃氣輪機循環(huán)驗證

常規(guī)的氨燃燒回?zé)崛細廨啓C有汽化器、空氣和氨氣預(yù)熱器、燃燒室，如圖2所示。足夠量的空氣進入壓縮機并在空氣預(yù)熱器中為燃燒提供合適的燃燒氣氛，液氨在液氨泵中加壓，汽化器中液氨汽化，并通過煙氣余熱進一步升溫，在燃燒室中與壓縮升溫的空氣一同燃燒，氨充分燃燒時燃燒室內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放熱量。使用Aspen plus仿真軟件對不帶回?zé)岬陌比細廨啓C系統(tǒng)模擬并與現(xiàn)有模擬數(shù)據(jù)對比，如圖3展示了不帶回?zé)岚比細廨啓C循環(huán)的效率對照情況。本文采用的燃燒器模型燃燒效果略高于參考數(shù)據(jù)，因此，在透平進口溫度一致時，模擬所得效率略高于參考數(shù)據(jù)，總的變化趨勢一致，在圖3（c）中體現(xiàn)了兩者的對比，誤差在可接受范圍之內(nèi)［8］。

3" 結(jié)果與討論

3.1" 基本場景性能

3.1.1" 參數(shù)介紹

氨燃氣輪機循環(huán)模塊的具體參數(shù)，見表4；再熱式朗肯循環(huán)模塊的具體參數(shù)，見表5；氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)整體的性能參數(shù)，見表6。在氨燃氣輪機入口參數(shù)為0.5 MPa，1 000 ℃時，每消耗氨燃料80 kg/s，氨燃氣輪機輸出功878.9 MW，汽輪機總的輸出功為273.9 MW。在表中提供基本數(shù)據(jù)中，可以計算氨燃氣輪機系統(tǒng)部分效率為35.48%，底循環(huán)系統(tǒng)部分效率為45.93%，整體系統(tǒng)的能源效率高達55.15%。達到該效果的原因是，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對氨燃料各階段較好的綜合利用。

3.1.2" 流動

圖4展示了氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的流程圖。在整體循環(huán)中，由燃燒過程引發(fā)的損失占所有損失的79.32%，其次是氨燃氣輪機中損失占比14.94%，在其他部件中產(chǎn)生的損失之和占損失總額僅為5.74%，相較與氨燃氣輪機循環(huán)底循環(huán)的能量使用情況更好，底循環(huán)適用于本循環(huán)；從氨燃氣輪機中排出的煙氣所攜帶的72.51%得到了回收利用；系統(tǒng)效率為19.52%。

3.2" 聯(lián)合循環(huán)特性研究

本小節(jié)開展對聯(lián)合循環(huán)整體特性的研究，優(yōu)化整體能源轉(zhuǎn)換過程，最大限度地減少能量損失或效率低下，定義了煙氣余熱綜合利用效率：

γ=qrecoveryqout=qheater+qreheater+qair-pre+qa-preHturout－Hexhaustgas，（10）

其中，qrecovery代表回收煙氣的熱值；qout代表氨燃氣輪機排煙釋放的熱值；qair-pre代表空氣預(yù)熱器換熱值；qa-pre氨氣預(yù)熱器換熱值；Hturout代表氨燃氣輪機排煙釋放的焓流量；Hexhaustgas代表廢氣排出至室外，壓力為0.1 MPa且降溫至25 ℃時的焓流量。

圖5（a）表示氨燃氣輪機進口壓力在0.3、0.4、0.5 MPa，進口溫度分別在1 400、1 300、1 200和1 100 ℃時，聯(lián)合循環(huán)、氨燃氣輪機循環(huán)和朗肯循環(huán)效率的對比。氨燃氣輪機與再熱朗肯循環(huán)聯(lián)合的布置形式有效地提高了氨燃氣輪機循環(huán)的循環(huán)效率，從圖中得出，提升最高的是氨燃氣輪機進口條件為0.3 MPa，1 400 ℃時，氨燃氣輪機循環(huán)的效率為24.52%，回?zé)嵫h(huán)效率為57.90%，提升了33.38%。此外，在氨燃氣輪機進口工質(zhì)狀態(tài)0.5 MPa、1 400 ℃時，氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的效率最高，為60.13%。

圖5（b）表示氨燃氣輪機進口壓力在0.3、0.4、0.5 MPa，進口溫度分別在1 400、1 300、1 200和1 100 ℃時，氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)煙氣余熱綜合利用效率的比較?？梢钥闯?，煙氣余熱綜合利用效率均在60%以上，回收了煙氣中大部分的熱量。在氨燃氣輪機不同進口壓力下，煙氣余熱綜合利用效率基本上隨著進口溫度的增加而階梯式增加。氨燃汽輪機進口溫度的增加帶來的是，煙氣余溫增加，高溫的余熱更有利于熱回收。在相同氨燃氣輪機進口溫度下，氨燃氣輪機進口壓力越高，煙氣熱回收難度越大，這是由于最后一次煙氣余溫回收發(fā)生在空氣預(yù)熱器和氨氣預(yù)熱器中，受升壓影響，空氣被壓縮后溫度升高，空氣預(yù)熱器冷空氣的溫度升高，與煙氣換熱的低溫?zé)嵩礈囟壬?，空氣預(yù)熱器換熱能力減弱。

綜上，該聯(lián)合循環(huán)有良好的熱力學(xué)性質(zhì)和能量回收率，本小節(jié)將繼續(xù)分析氨燃氣輪機進口溫度和壓力對聯(lián)合循環(huán)效率的影響。

圖5（c）中分別顯示了渦輪進口壓力為0.3、0.4和0.5 MPa時，渦輪進口溫度對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)和氨燃氣輪機循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。與傳統(tǒng)燃氣輪機循環(huán)不同的是，本文中的氨燃料是由液態(tài)形式加入循環(huán)之中，使用液氨泵替代了氨氣壓縮機，燃燒室前空氣壓縮機的耗功是聯(lián)合循環(huán)與氨燃氣輪機循環(huán)耗散功最多的部件。隨著溫度的增加，由壓比升高而引起的渦輪輸出功率的增加逐漸小于空氣壓縮機功率消耗的增加，導(dǎo)致氨燃氣輪機循環(huán)效率隨溫度升高而逐漸降低。氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)在底循環(huán)對高溫?zé)煔獾幕厥兆饔妹黠@，使得循環(huán)整體呈現(xiàn)隨著溫度的增加而逐漸升高的趨勢。

4" 結(jié)論

本文結(jié)合氨燃氣輪機排出煙氣的最高溫度以及氨燃氣輪機循環(huán)中最低溫度液氨相變溫度，匹配了再熱式朗肯循環(huán)，提出一種氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)。充分利用了液氨中冷能和煙氣余熱的方式實現(xiàn)了提高氨燃氣輪機循環(huán)效率，系統(tǒng)整體高效，無碳排放。主要結(jié)論如下：

（1）在基本場景下，氨燃氣輪機系統(tǒng)部分效率為35.48%，底循環(huán)系統(tǒng)部分效率為45.93%，氨燃氣輪機中排出的煙氣所攜帶的72.51%得到了回收利用，系統(tǒng)效率為19.52%。

（2）氨燃氣輪機進口條件為0.3 MPa、1 400 ℃時，氨燃氣輪機循環(huán)的效率為24.52%，回?zé)嵫h(huán)效率為57.90%，效率最高提升了33.38%；在氨燃氣輪機進口工質(zhì)狀態(tài)0.5 MPa、1 400 ℃時，氨燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的效率最高為60.13%。聯(lián)合循環(huán)有良好的熱力學(xué)性質(zhì)和能量回收率；在燃氣輪機進口壓力不超過0.5 MPa時，回?zé)嵫h(huán)效率隨氨燃氣輪機進口溫度升高和壓力提升而效率提高。

以本文主要結(jié)論為基礎(chǔ)，氨燃氣輪機采用匹配底循環(huán)的方式回?zé)釤煔庥酂岷突厥瞻毕嘧兝淠芫哂幸欢ㄏ冗M性；但是在氨汽化器中，低溫?zé)嵩雌ヅ浒逼杂休^大的損失，在本文的基礎(chǔ)上還可以選擇以二氧化碳為工質(zhì)的跨臨界朗肯循環(huán)冷卻部分作為低溫?zé)嵩?，以減少損失；本文廢氣出口溫度已降至200 ℃附近，仍可以通過選擇更合適的底循環(huán)或是改變底循環(huán)結(jié)構(gòu)降低排氣溫度，從而進一步提升循環(huán)效率。

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