胡繼宗,楊 博
(1.武警部隊項目管理中心,北京 100161;2.91388部隊,廣東 湛江 524022)
燃氣輪機是一種高效的能量轉(zhuǎn)換動力機械,具有啟動快捷、易于維護保養(yǎng)、燃料適用種類多、輸出功率變化范圍大(幾兆瓦至幾百兆瓦)等特點,在電力、航空、艦船、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1-3]。近年來熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heating and power,CHP)和熱電冷聯(lián)產(chǎn) (combined cooling,heating and power,CCHP)能源供應系統(tǒng)[4-7]在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展,與常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)相比,聯(lián)產(chǎn)根據(jù)用戶對能量需求溫度或品位的不同,實現(xiàn)能源的梯級利用,提高了能量利用效率,同時減少了能量在轉(zhuǎn)化過程中的火用損失。燃氣輪機排氣溫度高,將其作為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的動力子系統(tǒng)是一個好的選擇。Yilmaz[8]建立了簡單燃氣輪機CHP循環(huán)模型,以火用輸出率和火用效率為目標研究了循環(huán)的性能,優(yōu)化了壓比,分析了工質(zhì)溫比和供熱溫度對循環(huán)火用性能的影響。陶桂生等[9]以利潤率為目標,應用有限時間火用經(jīng)濟分析法[10]研究了回熱燃氣輪機CHP循環(huán)的性能,優(yōu)化了壓比和換熱器熱導率分配,分析了供熱溫度、價格比和壓力損失系數(shù)等設計參數(shù)對有限時間火用經(jīng)濟最優(yōu)性能的影響。馮輝君等[11]和陳林根等[12]建立了簡單燃氣輪機CCHP循環(huán)模型,以利潤率[11]、火用輸出率和火用效率[12]為目標研究了循環(huán)的性能,優(yōu)化了壓比和換熱器熱導率分配,并比較了不同指標下的最優(yōu)性能。在上述工作基礎(chǔ)上,本文將建立回熱燃氣輪機CCHP循環(huán)模型,以可用能率、第一定律效率、火用輸出率、火用效率和利潤率為目標分析和優(yōu)化循環(huán)的性能并討論各設計參數(shù)對最優(yōu)性能指標的影響。
圖1和圖2所示分別為變溫熱源回熱燃氣輪機CCHP循環(huán)流程圖和相應的溫熵(T-s)圖。設工質(zhì)為理想氣體,熱容率為Cwf,經(jīng)歷的各個狀態(tài)點依次為1-2-3-4-5-6-7-8-1,經(jīng)歷的設備依次為壓氣機、回熱器低溫側(cè)、高溫側(cè)換熱器、燃氣透平、回熱器高溫側(cè)、吸收式制冷機發(fā)生器、熱用戶換熱器、低溫側(cè)換熱器。高、低溫熱源和熱用戶熱容率分別為CH、CL和CK,入口和出口溫度分別為 THin、THout、TLin、TLout、TKin和TKout,高、低溫側(cè)和熱用戶換熱器、回熱器熱導率分別為 UH、UL、UK和 UR。
圖1 回熱燃氣輪機CHP循環(huán)流程圖
圖2 回熱燃氣輪機CHP循環(huán)T-s圖
圖3 所示為有限熱容四熱源吸收式制冷循環(huán)模型[13],發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器的熱導率分別為Ug、Uc、Ue和Ua,相應的熱源入口和出口溫度分別為 T6、T7、Tcin、Tcout、Tein、Teont、Tain和 Taout,相應的工質(zhì)溫度分別為Tg′、Tc′、Te′和Ta′,冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器熱源的熱容率分別為Cc、Ce和Ca。從環(huán)境到制冷空間存在熱漏流率Qi,熱漏系數(shù)為Ci。除熱阻和熱漏外,系統(tǒng)中還存在其它不可逆性,如絕熱節(jié)流、內(nèi)部耗散等,引進因子I表示循環(huán)內(nèi)部的不可逆程度[14]。
圖3 不可逆四熱源吸收式制冷機模型
根據(jù)熱源性質(zhì)、工質(zhì)性質(zhì)和換熱器理論得到高、低溫側(cè)換熱器、回熱器、熱用戶換熱器、制冷機發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器的熱流率以及環(huán)境到制冷空間的熱漏流率分別為:
式中Ej(j=H,L,K)分別為高、低溫側(cè)換熱器和熱用戶換熱器的有效度,ER、Eg、Ec、Ee和 Ea分別為回熱器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器的有效度:
式中Cjmin和Cjmax為Cj和Cwf中的較小和較大者;Nj是基于最小熱容率定義的傳熱單元數(shù),NR、Ng、Nc、Ne和Na分別為回熱器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器的傳熱單元數(shù),即:
工質(zhì)在壓氣機和透平中的壓縮和膨脹損失以及在高、低壓管路中的壓力損失分別用效率ηc和ηt、壓力恢復系數(shù)D1和D2來表示:
設壓氣機壓比(p2/p1)為π,等熵溫比為y,由工程熱力學知識有:
式中 D=(D1D2)(k-1)/k,k 為比熱比。
定義聯(lián)產(chǎn)循環(huán)輸出有用熱流率與功率之比(熱電比)為:
對于吸收式制冷循環(huán),由熱力學第二定律,其內(nèi)部不可逆因子I可表示為:
定義吸收器和冷凝器之間的熱流率分配為:
循環(huán)制冷率為:
根據(jù)能量守恒有:
由式(6)-(9)和(15)-(18)得發(fā)生器吸熱流率 Qg與制冷率Ra之間的關(guān)系為:
循環(huán)輸出功率為:
設環(huán)境溫度為T0,循環(huán)凈火用輸入率為:
循環(huán)熱量火用輸出率為:
循環(huán)冷量火用輸出率為:
由上述推導得到聯(lián)產(chǎn)循環(huán)無量綱可用能率為:
第一定律效率為:
無量綱火用輸出率為:
設火用輸入率的價格為φin,輸出功率價格為φP,熱量火用輸出率價格為φK,冷量火用輸出率價格為φe,得到循環(huán)無量綱利潤率為:
通過Matlab數(shù)值計算研究各個設計參數(shù)對聯(lián)產(chǎn)循環(huán)可用能率、火用輸出率、利潤率、第一定律效率和火用效率性能的影響。定義溫比:τH=THin/T0,τL=TLin/T0,τK=TKin/T0,τe=Tein/T0;價格比:a= φP/φin,b= φK/φin,c= φe/φin。無特殊說明,計算中各參數(shù)的值分別為:k=1.4,Cwf=1.0 kW/K,CH= CL=CK=5.0 kW/K,τH=5.0,τL=1,τK=1.2,UH=2 kW/K,I=1.02,UL=2 kW/K,UR=2 kW/K,UK=2 kW/K,Ug=2 kW/K,Uc=2 kW/K,Ue=2 kW/K,Ua=2 kW/K,Tcin=300 K,Tein=280 K,Tain=300 K,T0=300 K,ω =0.4,n=1,Ci=0.02 kW/K,ηc= ηt=0.85,D1=D2=0.95,a=10,b=4,c=8。
圖 4 、ηex和與 π 的關(guān)系
圖5 -10進一步分別給出了最優(yōu)可用能率、火用輸出率、第一定律效率、火用效率和利潤率及其相應的壓比與 UH=UL、UR、ηc= ηt、D1=D2、ω、τK、τe和 n 的關(guān)系。
由圖5可知隨UH=UL的增大,(η1)opt、(ηe)xopt、和均增大,說明增大高低溫側(cè)換熱器熱導率,能夠提高循環(huán)輸出性能,但同時對循環(huán)壓比的要求也很高,意味著設計成本會大幅提高。從圖上還可看出不同指標對應的最佳壓比之間的關(guān)系為
pt。
圖5 opt、(eou)topt、(η1)opt、(ηe)xopt、、和 與UH=UL的關(guān)系
由圖6可知隨UR的增大(η1)opt、(ηex)opt和增大,和pt減小,其中變化幅度相對較小,說明采用回熱不僅能夠提高聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的熱力學第一定律和第二定律性能以及有限時間火用經(jīng)濟性能,還能降低設計壓比。由圖7可知(η1)opt、(ηe)xopt和隨D1=D2的增大而增大t和隨D1=D2的增大而減小,說明在設計中要盡量減小管路壓力損失以降低設計壓比,從而降低設計成本。
值,隨 τK的增大,π(eˉu)opt增大減小,π(η1)opt則是先減小后增大,說明在設計中要根據(jù)研究目標的不同選擇合適的熱用戶以使得循環(huán)輸出性能最大。
由圖10可知隨τe的增大減小,并且變化幅度都比較小,說明提高冷用戶入口溫度能提高循環(huán)的熱力學第一定律性能,但會降低熱力學第二定律性能和有限時間火用經(jīng)濟性能,主要是因為提高供冷溫度增大了制冷率,同時降低了冷量火用輸出率。
計算還表明,制冷機熱漏Ci和熱用戶換熱器熱導率 UK對五個性能指標影響較??;隨 τH、ηc= ηt、Ug、Uc、Ue和Ua的增大,五個性能指標均增大;隨I的增大,5個性能指標均減小。
圖6 、(eou)topt、(η1)opt、(ηe)xopt、、和 π∏ˉopt與UR的關(guān)系
圖7 opt、(η1)opt、(ηe)xopt和 與D1=D2的關(guān)系
圖8 、(ηe)xopt、和與ω的關(guān)系
圖9 pt、(η)1opt、(ηe)xopt、和與的關(guān)系
圖10 和與τe的關(guān)系
本文建立了回熱燃氣輪機CCHP循環(huán)熱力學模型,分別以可用能率、第一定律效率、火用輸出率、火用效率和利潤率為目標對循環(huán)性能進行了分析,通過數(shù)值計算優(yōu)化了壓比,得到了循環(huán)最優(yōu)輸出性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)回熱能夠增大五個性能指標,同時能降低設計壓比;分別存在最佳的供熱溫度使得五個最優(yōu)性能指標進一步取得最大值;提高冷用戶需求溫度能夠增大可用能率和第一定律效率,但會降低火用輸出率、火用效率和利潤率。在實際燃氣輪機CCHP聯(lián)產(chǎn)循環(huán)設計中需要結(jié)合建設成本綜合考慮比較這幾種性能指標,以取得最佳折衷設計方案。