趙雄飛，陳賢沖，賈小權

(1.海軍駐703 所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 524005；2.海軍92337 部隊，遼寧 大連 116023)

經(jīng)典熱力學在研究各類簡單和復雜燃氣輪機循環(huán)性能中得到了廣泛的應用，重點用于研究循環(huán)的功率和熱效率特性，得到了大量具有理論意義和實際應用價值的結論。佐藤豪[1]采用熱力學第一定律性能分析方法，以熱效率和功率為目標，分析了各種燃氣輪機基本循環(huán)的熱力性質，并把這些知識加以匯總，歸入一些通用式中，形成了燃氣輪機循環(huán)的經(jīng)典熱力學基礎理論體系，然后在此基礎上對各種實際復雜循環(huán)的熱力性能進行了分析，并提出了許多能提高能量利用率的新循環(huán)。陳大燮[2]先以熱效率為目標，對燃氣輪機循環(huán)進行了熱力學第一定律性能分析，重點研究了回熱、中冷和再熱對循環(huán)性能的影響，然后對具有回熱、中冷和再熱的實際循環(huán)進行了熱力學第二定律性能分析和討論。文獻[3~4]以壓氣機總耗功最小為目標，采用熱力學第一定律性能分析方法，分別研究了含單級中冷和多級中冷的燃氣輪機循環(huán)實際壓縮過程的最佳壓比分配問題。Hernandez 等[5]根據(jù)經(jīng)典的熱平衡理論導出了燃氣輪機功率與熱效率的一般關系式，分析表明，回熱能提高循環(huán)的熱效率，而對功率沒有影響。

自70年代以來，世界范圍能源危機的出現(xiàn)促使了節(jié)能研究的深入，此時，人們提出了很多新型的燃氣輪機裝置，以滿足節(jié)能減排的要求。熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)[6]是從同一能源同時生產(chǎn)電能（或機械能）和有用熱能，是能源的一種“梯級利用”，能夠大大地提高能源利用效率。蔡睿賢[7]考慮到在經(jīng)濟上功與熱品位的不同，引入熱電售價比，提出了一個考慮售能總收入最高的優(yōu)化準則——經(jīng)濟火用效率，研究了簡單燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的性能。Vecchiarelli 等[8]提出了一種等溫修正布雷頓循環(huán)，即把通常的等壓加熱過程分為等壓加熱過程和等溫加熱過程的組合。研究表明，由于循環(huán)最高溫度的降低，相比于傳統(tǒng)的布雷頓循環(huán)，該循環(huán)NOX 排放量減少50%，環(huán)境污染少，且其熱效率至少提高了4%。Naser[9]對不可逆等溫修正布雷頓循環(huán)進行了火用分析，導出了循環(huán)的火用效率解析式，并分析了壓比、環(huán)境溫度和渦輪進口溫度對火用損失率和效率的影響。Frutschi 等[10]研究了STIG循環(huán)，即將回收廢氣中的熱量而產(chǎn)生的蒸汽回注到渦輪機入口，研究表明該循環(huán)的熱效率和比功都得到了很大的提高。Frutschi 等還研究了EGT 循環(huán)，即將汽化水直接注入壓縮機出口，然后汽化水與空氣的混合氣體在回熱器中加熱后再進入燃燒室，該循環(huán)的熱效率到了很大的提高，且使熱效率最優(yōu)時的壓氣機壓比仍然很低。蔡睿賢等[11]采用熱力學第一定律性能分析方法，導出了STIG 簡單循環(huán)熱效率的近似解析式。Horlock[12]認為過高的渦輪機入口溫度一方面增加了對渦輪機材料的要求，另一方面增加了NOX 等有害氣體的排放量，因此提出了帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)火用分析，并對其進行了第一定律分析。

本文將在文獻[12]的基礎上，對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)進行火用分析，以火用效率為目標對聯(lián)合循環(huán)的性能進行優(yōu)化，得出聯(lián)合循環(huán)的火用效率特性和火用損失特性，確定損失最大的位置，為對系統(tǒng)的改進提供依據(jù)。

1 循環(huán)描述

圖1 為帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)模型系統(tǒng)圖，由一個壓氣機、一個燃燒室、一個渦輪機、一個換熱器組成。其特點是：工質經(jīng)壓氣機壓縮后，一部分進入燃燒室加熱，另一部分直接與加熱后的工質混合，以降低工質進入渦輪機進口的溫度。

圖2 為該循環(huán)的T-s 圖。1-2 為氣體在壓氣機1中的不可逆絕熱壓縮過程；2-3 為一部分工質在燃燒室等壓吸熱過程；2-4 為另一部分工質與加熱后的一部分工質的混合過程；4-5 為工質在渦輪機中的不可逆絕熱膨脹過程；5-6 為工質在換熱器中的放熱過程；6-0 為廢氣排放過程。

圖1 帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)系統(tǒng)圖

圖2 帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)T-s 圖

2 性能分析

在分析時，以單位質量流率考慮，對系統(tǒng)各部件建立火用平衡方程。聯(lián)合循環(huán)中的各參數(shù)分別為：各狀態(tài)點壓力為Pi（i=1,2，……6，下同），溫度為Ti，火用值為ei；空氣比熱比為k=Cp/ Cν；循環(huán)的工質溫比為τ（τ=T3/T1）；壓氣機的壓比和內效率分別為φc、ηc；渦輪機的膨脹比和內效率分別為φt、ηt；燃燒室火用效率為ηb，換熱器有效度為ε，工質質量流率比為μ（μ =未經(jīng)燃燒室加熱的工質流率/整個工質質量流率，0燮μ 燮1）。

對壓氣機建立火用平衡方程有：

式中，

wc為壓氣機消耗的比功。

eD.c為壓氣機的火用損失，

即有:

式中，ψc=φmc - 1，m=（k- 1）/k，φc=P2/P1。

對燃燒室建立火用平衡方程有：

式中，

ef為化學火用；

eDf為燃燒室的火用損失。

即有：

式中，τ=T3/T1。

對渦輪機建立火用平衡方程有：

式中，

wt為渦輪機的輸出功；

eDt為渦輪機的火用損失。即有：

對換熱器建立火用平衡方程有：

式中，

eHE為換熱器火用損失。即有：

式中，ε=（T5- T6）/（T5- T0）。

熱交換器對外換熱量為：

對廢氣排放過程建立火用平衡方程有：

式中，eex為廢氣排放過程的火用損失，即有：

由于循環(huán)總的壓增和總的壓降是相等的（φc=φt），故有：

聯(lián)合循環(huán)的比功和火用效率為：

3 數(shù)值算例

設工質的比熱為常數(shù)，比熱比k=Cp/ Cν=1.4，換熱器有效度為ε=0.95；循環(huán)壓氣機和渦輪機內效率分別為ηc= 0.9 和ηt= 0.85；大氣參數(shù)為T1=288.15 K，P1=0.101 3 MPa；循環(huán)溫度比為τ=5；循環(huán)的排氣壓力為P6=0.104 MPa。

圖3 τ 對ηE- φc 和w- φc 關系的影響

圖3 給出了循環(huán)溫比τ 對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)ηE- φc及w- φc關系的影響。對于循環(huán)火用效率ηE，其隨著τ 的增大而增大，且存在最佳壓氣機壓比φclopt，使火用效率達到最大值ηEmax；對于循環(huán)比功w，其隨著τ 的增大而增大。這與簡單燃氣輪機循環(huán)的特性是相同的。

圖4 給出了循環(huán)質量流率比μ 對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)ηE- φc及w- φc關系的影響。對于循環(huán)火用效率ηE，其隨著μ 的增大而減小，但減小的幅度不大；存在最佳壓氣機1 壓比φclopt使火用效率達到最大值ηEmax；對于循環(huán)比功w，其隨著μ 的增大而減小。故帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)適合功率輸出較小且對排放要求較高的燃氣輪機裝置。

圖4 μ 對ηE- φc 和w- φc關系的影響

圖5 系統(tǒng)各部件的損失分配

圖5 給出了帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)整個系統(tǒng)各個部件的火用損失分配的影響。綜合這些火用損失分配情況。從圖5 中可以看出，系統(tǒng)中燃燒室處的火用損失是最大的，其次就是換熱器處的火用損失了。因此，改善燃燒室和換熱器的性能可以提高整個系統(tǒng)的性能。

4 結束語

本文對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)進行了第二定律性能分析，導出了循環(huán)火用效率和循環(huán)輸出比功的表達式。通過數(shù)值計算，對于循環(huán)火用效率，其隨著循環(huán)溫比的增大而增大，隨著質量流率比的增大而減小，但減小的幅度不大，且存在最佳壓氣機壓比，使火用效率達到最大值。對于循環(huán)比功，其隨著循環(huán)溫比的增大而增大，隨著質量流量比的增大而減小，故帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環(huán)適合功率輸出較小且對排放要求較高的燃氣輪機裝置。從系統(tǒng)部件火用損失分配圖中可以看出，系統(tǒng)中燃燒室處的火用損失是最大的，其次就是換熱器處的火用損失了。因此，改善燃燒室和換熱器的性能可以提高整個系統(tǒng)的性能。

[1]佐藤豪. 燃氣輪機循環(huán)理論[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，1983.

[2]陳大燮.動力循環(huán)分析[M].上海:上?？茖W出版社，1983.

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[6]Habib M A. Thermodynamic analysis of the performance of cogeneration plants[J].Energy,1992,17(5):485-491.

[7]蔡睿賢.功熱并供評價準則及燃氣輪機功熱并供基本分析[J].工程熱物理學報，1987，8(3):201-205.

[8]Vecchiarelli J, Kawall J G, Wallace J S. Analysis of a concept for increasing the efficiency of a Brayton cycle via isothermal heat addition[J].Int.J.Energy Res.,1997,21(2):113-127.

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[11]蔡睿賢，張世錚，逮根壽，等.注蒸汽燃氣輪機實際循環(huán)熱效率的近似簡明熱力學關系[J].科學通報，1986，(6):477.

[12]Horlock J H.Advanced Gas Turbine Cycles[M].Oxford:Elsevier Science,2003.