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1、燃气轮机机热电联产产系统火用用性能分析析湖南科技技大学 郝郝小礼 王王海桥湖南大学学 张张国强摘要：应应用有限限时间热热力学方方法，对对燃气轮轮机热电电联产系统统的火用输出出率与火用效率率特性进进行了分分析，导导出了该该系统的的无因次次总火用用输出率及及火用效率率公式。数数值计算算表明，分别存存在最优优的压比比参数，使使得联产产循环的的总火用用输出率及火用效率率达到最最大。关键词：热力学学；联产产装置；火用分析析热电联产产由于具具有提高高能源利利用效率率、减少少污染排排放、节节约能源源资源和和保护环环境等诸诸多优点点，因此此得到了了越来越越多的关关注和应应用11。然而，为为了充分分发挥联联产装
2、置置在节能能、环保保方面的的潜力，提提高联产产的经济济性，确确定优化化的联产产设计参参数是必必要的。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，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
3、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. 联联产循环环模型图1 不不可逆燃燃气轮机机联产循循环T-s图考虑如图图1所示示的不可可逆燃气气轮机联联产循环环，该联联产循环环工作在在三个恒恒温热源源之间，即即高温热热源，低低温热源源和联产产热用户户之间。该循环环在向外外输出机机械功的的同时，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
4、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，定义两个等熵效率和为： （11） （22）假设工质质为理想想气体，且且其定压压比热保保持恒定定，其热热容率为为（工质质的质量量流量和和定压比比热的乘乘积）；根据传传热学和和热交换换器理论论可知，工工质从高高温热源源吸热的的吸热率率和向低低
5、温热源源放热的的放热率率，以及及热回收收装置的的回收热热流率分分别可表表示为： (33) (4) (5)式中，、和分别为为工质与与高、低温温热源之之间的换换热有效效度以及及用户侧侧热交换换器（热热回收装装置）的的换热有有效度。联产装置置包括两两种有用用的输出出：有用用功输出出和有用用热输出出。根据据热力学学第一定定律，联联产装置置的输出出功率为为： (6)因为机械械功是高高品位能能，因此此，其火火用输出率与与功率相相等，即即： (7)假设环境境温度为为，则伴随随有用热热能的火火用输出率为为： (8)因此，联联产装置置的总火火用输出率为为： (99)另外，根根据热力力学第二二定律有有： (100
6、)用对进行行无因次次化（），并并联立式式（1）（5）、（99）和（110），可可以求解解得联产产循环的无无因次总总火用输出率为为： (111)式中， 其中：，为工质质的绝热热指数，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。联产火用用效率定定义为： (112)式中，为为联产装装置的火用输入率率，用下下式计算算： (13)将式（99）和（113）代代入式（112），并并化简得得： (144)联产装置置的电（功）热比定定义为： (115)2. 结结果与讨讨论式（111）和（114）表表明，不不可逆布布雷顿联联产循环环无因次次总火用输出率和火用效率与、和等参数数
7、有关，然然而，利利用式（111）和和（144）很难难通过解解析的方方法直接接分析出出这些因因素对总总火用输出率和和火用效率的的影响，因因此，采采用数值值计算的的方法进进行分析析。为了计计算方便便，在所所有的算算例中，取环境温比，也就是低温热源的温度等于环境温度。2.1 最优压比比参数图2和33分别显显示了无无因次总总火用输出率和火用效率随循循环压比比参数的的变化规规律，图图中的计计算条件件为，。图2和和3表明明，和随都呈类类似抛物物线变化化规律，也也就是说说，分别别存在一一个最优优的压比比参数和和，使得得联产循循环的总总火用输出率和和火用效率达到到最大值值和，即图图中抛物物线的最最高点。图2
8、无无因次总总火用输出率随压比比参数的的变化（a） 循环温比比的影响响；（bb）用户户温比的的影响图3 火火用效率随压比比参数的的变化（a）循循环温比比的影响响；（bb）用户户温比的的影响图2和33还显示示，随循循环温比比的增加加和用户户温比的的降低，循循环的总总火用输出出率和火用效率总总是增加加的，优优化总火火用输出率和优化化火用效率也是是增加的的。相同同条件下下，最大大火用输出率时时的压比比参数总总是小于于最大火火用效率时时的压比比参数。研研究表明明，随的增加加和的降降低而线线性增加加，随的增加加而线性性增大，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
9、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与图2和3相同。图4火用用输出率最大时的的压比参参数随和的变化化规律2.2 火用输出率和和火用效率关关系图6显示示了不可可逆布雷雷顿联产产循环无无因次总总火用输出率与火用效率之间间的变化化关系，图图中的计计算条件件为：，。与不不可逆布布雷顿动动力循环环功率与与效率特特性稍有有不同22，不可可逆布雷雷顿联产产循环-关系曲曲线虽然然也呈扭叶叶线型，但但却不是是一条完完整的扭扭叶线。在在每一条条-曲线上上，都可可以确定定出四个个重要的的参数，即即：最大大无因次次总火用输出率与最大大总火用输出率条条件
10、下的的火用效率、最最大火用效率与最最大火用效率条条件下的的总火用输出率。由这这四个重重要的参参数，可可以确定定出实际际布雷顿顿联产循循环的优优化设计计区域，在在该区域域内，既既可获得得较大的的火用输出率，同同时又能能实现较较高的火火用效率。通通常，更更大的无无因次火火用输出率，意意味着实实现同样样的火用输出时时所需要要的设备备体积更更小，也也就是更更低的设设备成本本；而更更高的火火用效率，意意味着获获得同样样多火用输出时时所消耗耗的燃料更更少，也也就是更更低的运运行费用用。因此此，为兼兼顾这两两个方面面，在实实际中，应应使联产产装置的的设计参参数落在在该优化化设计区区域内。图6还表表明，相相同
11、条件件下，随随着压气气机效率率和透平平效率的的增加，联联产循环环无因次次总火用输出率和火用效率率都是增增加的。当当和都趋近近于1时时（这时时，不可可逆布雷雷顿联产产循环蜕蜕变成内内可逆布布雷顿联联产循环环），和和达到最最大。也也就说，相相同条件件下，不不可逆布布雷顿联联产循环环的性能能总是低低于内可可逆布雷雷顿联产产循环。从从图6还还可以看看出，不不可逆布布雷顿联联产循的的-曲线与与内可逆逆时的情情况完全全不同，不不可逆时时，-曲线呈呈扭叶线线形，而而内可逆逆时，-曲线则则呈抛物物线形，这这时，火火用效率没有有最大值值，这一一点与文文献88的结结果是不不同的。图5火用用效率最大时的的压比参参数
12、随和的变化化规律图6 无无因次总总火用输出率与火用效率之间间的变化化关系3. 结结束语本文应用用有限时时间热力力学方法法，对恒恒温热源源条件下下的不可可逆布雷雷顿联产产循环进行行了火用分析。研研究表明明，分别别存在最最优的压压比参数数和，使得得联产循循环的总总火用输出率和和火用效率达达到最大大值。火火用输出率最最大时的的压比参参数总是是小于火火用效率最最大时的的压比参参数，且随循循环温比比的增加加，最优优的压比比参数和和呈线性增增加。不不可逆布布雷顿联联产循环环与之间呈呈扭叶线线变化规规律，而而在内可可逆时，与之间呈抛物线变化规律。本文的研究结果可为燃气轮机联产装置设计提供指导。在进一步的研究
13、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。参考文献献：1 WU DW, WAANG RZ. Commbinned cooolinng, heaatinng aand powwer: A revvieww JJ. Proogreess in Eneergyy annd CCombbusttionn Scciennce, 20006, 322: 44594955.2 SAHHIN B, KODDAL A, YILLMAZZ T, YAAVUZZ H. Maaximmum powwer dennsitty aanallysiis oof aan iirre
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