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1、燃气轮机热电联产系统火用性能分析湖南科技大学 郝小礼 王海桥湖南大学 张国强摘要：应用有限时间热力学方法，对燃气轮机热电联产系统的火用输出率与火用效率特性进行了分析，导出了该系统的无因次总火用输出率及火用效率公式。数值计算表明，分别存在最优的压比参数，使得联产循环的总火用输出率及火用效率达到最大。关键词：热力学；联产装置；火用分析热电联产由于具有提高能源利用效率、减少污染排放、节约能源资源和保护环境等诸多优点，因此得到了越来越多的关注和应用1。然而，为了充分发挥联产装置在节能、环保方面的潜力，提高联产的经济性，确定优化的联产设计参数是必要的。燃气轮机具有功率大、体积小、启动快、可靠性高、易于实
2、现自动控制等优点，在工业生产、交通运输以及能源动力等领域得到了广泛应用。同时，由于燃气轮机具有高温吸热和高温放热的特点，因此，很适合于热电联产用途。然而，尽管许多学者对各种燃气轮机动力循环进行了大量的分析和研究2-7，但是，对燃气轮机联产循环进行研究的却很少。最近，文献8对内可逆燃气轮机联产装置进行了火用分析，获得了内可逆条件下联产循环火用输出率和火用效率最优时的压比参数。在文献8的基础上，本文进一步对不可逆燃气轮机联产循环进行研究，考虑同时存在由于有限传热温差而引起的外部不可逆性和由于非等熵压缩和膨胀而引起的内部不可逆性时，联产循环的火用率与火用效率特性。通过最大化联产装置的无因次火用输出率
3、和火用效率，确定最优的循环压比参数，分析火用输出率与火用效率之间的关系。1. 联产循环模型图1 不可逆燃气轮机联产循环T-s图考虑如图1所示的不可逆燃气轮机联产循环，该联产循环工作在三个恒温热源之间，即高温热源，低温热源和联产热用户之间。该循环在向外输出机械功的同时，为热用户输出有用热能，实现热功（或热电）联产。图中，过程1-2为工质在压气机内不可逆绝热压缩过程；过程3-4为工质在透平内不可逆绝热膨胀过程；过程2-3为工质从高温热源等压吸热过程；过程5-1为工质向低温热源等压排热过程；过程4-5为工质在热回收装置中向热用户等压放热过程；而过程1-2s和过程3-4s则分别表示相应的可逆绝热压缩和
4、膨胀过程。因此，循环1-2-3-4-5-1为不可逆布雷顿联产循环；循环1-2s-3-4s-5-1为内可逆布雷顿联产循环。为了表征压气机和透平内的不可逆损失，定义两个等熵效率和为： （1） （2）假设工质为理想气体，且其定压比热保持恒定，其热容率为（工质的质量流量和定压比热的乘积）；根据传热学和热交换器理论可知，工质从高温热源吸热的吸热率和向低温热源放热的放热率，以及热回收装置的回收热流率分别可表示为： (3) (4) (5)式中，、和分别为工质与高、低温热源之间的换热有效度以及用户侧热交换器（热回收装置）的换热有效度。联产装置包括两种有用的输出：有用功输出和有用热输出。根据热力学第一定律，联产
5、装置的输出功率为： (6)因为机械功是高品位能，因此，其火用输出率与功率相等，即： (7)假设环境温度为，则伴随有用热能的火用输出率为： (8)因此，联产装置的总火用输出率为： (9)另外，根据热力学第二定律有： (10)用对进行无因次化（），并联立式（1）（5）、（9）和（10），可以求解得联产循环的无因次总火用输出率为： (11)式中， 其中：，为工质的绝热指数，是循环的压比，称为循环的压比参数；，称为循环温比；，称为用户温比；，称为环境温比。联产火用效率定义为： (12)式中，为联产装置的火用输入率，用下式计算： (13)将式（9）和（13）代入式（12），并化简得： (14)联产装置的
6、电（功）热比定义为： (15)2. 结果与讨论式（11）和（14）表明，不可逆布雷顿联产循环无因次总火用输出率和火用效率与、和等参数有关，然而，利用式（11）和（14）很难通过解析的方法直接分析出这些因素对总火用输出率和火用效率的影响，因此，采用数值计算的方法进行分析。为了计算方便，在所有的算例中，取环境温比，也就是低温热源的温度等于环境温度。2.1 最优压比参数图2和3分别显示了无因次总火用输出率和火用效率随循环压比参数的变化规律，图中的计算条件为，。图2和3表明，和随都呈类似抛物线变化规律，也就是说，分别存在一个最优的压比参数和，使得联产循环的总火用输出率和火用效率达到最大值和，即图中抛物
7、线的最高点。图2 无因次总火用输出率随压比参数的变化（a） 循环温比的影响；（b）用户温比的影响图3 火用效率随压比参数的变化（a）循环温比的影响；（b）用户温比的影响图2和3还显示，随循环温比的增加和用户温比的降低，循环的总火用输出率和火用效率总是增加的，优化总火用输出率和优化火用效率也是增加的。相同条件下，最大火用输出率时的压比参数总是小于最大火用效率时的压比参数。研究表明，随的增加和的降低而线性增加，随的增加而线性增大，随的变化规律与和的大小有关，一般和较大时，随的增大而增大，相反，当和较小时，随的增大反而减小。不过总体来讲，对的影响较小。图4和图5更加清晰地显示了和对和的影响规律，图中
8、的其它计算条件与图2和3相同。图4 火用输出率最大时的压比参数随和的变化规律2.2 火用输出率和火用效率关系图6显示了不可逆布雷顿联产循环无因次总火用输出率与火用效率之间的变化关系，图中的计算条件为：，。与不可逆布雷顿动力循环功率与效率特性稍有不同22，不可逆布雷顿联产循环-关系曲线虽然也呈扭叶线型，但却不是一条完整的扭叶线。在每一条-曲线上，都可以确定出四个重要的参数，即：最大无因次总火用输出率与最大总火用输出率条件下的火用效率、最大火用效率与最大火用效率条件下的总火用输出率。由这四个重要的参数，可以确定出实际布雷顿联产循环的优化设计区域，在该区域内，既可获得较大的火用输出率，同时又能实现较
9、高的火用效率。通常，更大的无因次火用输出率，意味着实现同样的火用输出时所需要的设备体积更小，也就是更低的设备成本；而更高的火用效率，意味着获得同样多火用输出时所消耗的燃料更少，也就是更低的运行费用。因此，为兼顾这两个方面，在实际中，应使联产装置的设计参数落在该优化设计区域内。图6还表明，相同条件下，随着压气机效率和透平效率的增加，联产循环无因次总火用输出率和火用效率都是增加的。当和都趋近于1时（这时，不可逆布雷顿联产循环蜕变成内可逆布雷顿联产循环），和达到最大。也就说，相同条件下，不可逆布雷顿联产循环的性能总是低于内可逆布雷顿联产循环。从图6还可以看出，不可逆布雷顿联产循的-曲线与内可逆时的情
10、况完全不同，不可逆时，-曲线呈扭叶线形，而内可逆时，-曲线则呈抛物线形，这时，火用效率没有最大值，这一点与文献8的结果是不同的。图5 火用效率最大时的压比参数随和的变化规律图6 无因次总火用输出率与火用效率之间的变化关系3. 结束语本文应用有限时间热力学方法，对恒温热源条件下的不可逆布雷顿联产循环进行了火用分析。研究表明，分别存在最优的压比参数和，使得联产循环的总火用输出率和火用效率达到最大值。火用输出率最大时的压比参数总是小于火用效率最大时的压比参数，且随循环温比的增加，最优的压比参数和呈线性增加。不可逆布雷顿联产循环与之间呈扭叶线变化规律，而在内可逆时，与之间呈抛物线变化规律。本文的研究结
11、果可为燃气轮机联产装置设计提供指导。在进一步的研究中，可以考虑存在热漏和变温热源时，联产装置的火用性能，使研究结果更进一步接近工程实际。参考文献：1 WU DW, WANG RZ. Combined cooling, heating and power: A review J. Progress in Energy and Combustion Science, 2006, 32: 459495.2 SAHIN B, KODAL A, YILMAZ T, YAVUZ H. Maximum power density analysis of an irreversible Joule-Brayt
12、on engine J. J. Phys. D: Appl. Phys. 1996; 29(5): 1162-1167.3 CHENG CY, CHEN CK. Ecological optimization of an irreversible Brayton heat engine J. J. Phys. D: Appl. Phys., 1999, 32(3): 350-357.4 ROCO J M M, VELEASCO S, MEDINA A, CALVO HERNAUDEZ A. Optimum performance of a regenerative Brayton therma
13、l cycle J. J. Appl. Phys., 1997, 82(6): 2735-2741.5 KAUSHIK S C, TYAGI S K, SINGHAL M K. Parametric study of an irreversible regenerative closed cycle Brayton heat engine with isothermal heat addition J. Energy Convers. Mgnt., 2003, 44(12): 2013-2025.6 WANG W, CHEN L, SUN F, WU C. Power optimization
14、 of an irreversible closed intercooled regenerated Brayton cycle coupled to variable-temperature heat reservoirs J. Appl. Thermal Eng. 2005; 25(8): 1097-1113.7 WANG W, CHEN L, SUN F, WU C. Optimal heat conductance distribution and optimal intercooling pressure ratio for power optimization of an irreversible closed intercooled regenerated Brayton cycle J. J. of Energy Institute 2006; 79(2): 116-119.8 YILMAZ T. Performance optimization of a gas turbine-based cogeneration system J. J. Phys. D: Appl. Phys 2006; 39(11): 24542458.7
