(建筑电气工程)燃气轮机热电联产系统火用性能分析精编

（建筑电气工程）燃气轮机热电联产系统火用性能分

析

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和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]，可是，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，本文进壹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，联产循环的火用率和火用效率特性。通过最大化联产装置的无因次火用输出率和火用效率，确定最优的循环压比参数，分析火用输出率和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，定义俩个等熵效率和为：

（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，、和分别为工质和高、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。

联产装置包括俩种有用的输出：有用功输出和有用热输出。根据热力学第壹定律，联产装置的输出功率为：

(6) 因为机械功是高品位能，因此，其火用输出率和功率相等，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（），且联立式（1）~（5）、（9）和（10），能够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），且化简得：

(14)

联产装置的电（功）热比定义为：

(15)

2.结果和讨论

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和、、、、、、、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，分别存在壹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，即图中抛物线的最高点。

11 1.52

2.53

3.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1

2

34

0.2

0.250.3

0.350.40.450.50.550.60.650.7(a)

(b)

0.6 2

.1 U 0.5 2.1U 0.4 2

. U 0.5 2.1U 0.5 4.1 U 0.5 6.1 U 0

.5 8

.1 U

*

ef *

ef

*

max *

max

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仍显示，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，随的变化规律和和的大小有关，壹般和较大时，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，图中的其它计算条件和图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