帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)?分析

趙雄飛，陳賢沖，賈小權(quán)

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

經(jīng)典熱力學(xué)在研究各類(lèi)簡(jiǎn)單和復(fù)雜燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)性能中得到了廣泛的應(yīng)用，重點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。佐藤豪[1]采用熱力學(xué)第一定律性能分析方法，以熱效率和功率為目標(biāo)，分析了各種燃?xì)廨啓C(jī)基本循環(huán)的熱力性質(zhì)，并把這些知識(shí)加以匯總，歸入一些通用式中，形成了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的經(jīng)典熱力學(xué)基礎(chǔ)理論體系，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)各種實(shí)際復(fù)雜循環(huán)的熱力性能進(jìn)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(biāo)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)第一定律性能分析，重點(diǎn)研究了回?zé)?、中冷和再熱?duì)循環(huán)性能的影響，然后對(duì)具有回?zé)?、中冷和再熱的?shí)際循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)第二定律性能分析和討論。文獻(xiàn)[3~4]以壓氣機(jī)總耗功最小為目標(biāo)，采用熱力學(xué)第一定律性能分析方法，分別研究了含單級(jí)中冷和多級(jí)中冷的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)實(shí)際壓縮過(guò)程的最佳壓比分配問(wèn)題。Hernandez 等[5]根據(jù)經(jīng)典的熱平衡理論導(dǎo)出了燃?xì)廨啓C(jī)功率與熱效率的一般關(guān)系式，分析表明，回?zé)崮芴岣哐h(huán)的熱效率，而對(duì)功率沒(méi)有影響。

自70年代以來(lái)，世界范圍能源危機(jī)的出現(xiàn)促使了節(jié)能研究的深入，此時(shí)，人們提出了很多新型的燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)生產(chǎn)電能（或機(jī)械能）和有用熱能，是能源的一種“梯級(jí)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(jì)上功與熱品位的不同，引入熱電售價(jià)比，提出了一個(gè)考慮售能總收入最高的優(yōu)化準(zhǔn)則——經(jīng)濟(jì)火用效率，研究了簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)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(guò)程分為等壓加熱過(guò)程和等溫加熱過(guò)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(duì)不可逆等溫修正布雷頓循環(huán)進(jìn)行了火用分析，導(dǎo)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(jìn)口溫度對(duì)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(jī)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(jī)出口，然后汽化水與空氣的混合氣體在回?zé)崞髦屑訜岷笤龠M(jìn)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(shí)的壓氣機(jī)壓比仍然很低。蔡睿賢等[11]采用熱力學(xué)第一定律性能分析方法，導(dǎo)出了STIG 簡(jiǎn)單循環(huán)熱效率的近似解析式。Horlock[12]認(rèn)為過(guò)高的渦輪機(jī)入口溫度一方面增加了對(duì)渦輪機(jī)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(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)火用分析，并對(duì)其進(jìn)行了第一定律分析。

本文將在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，對(duì)帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)進(jìn)行火用分析，以火用效率為目標(biāo)對(duì)聯(lián)合循環(huán)的性能進(jìn)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(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 循環(huán)描述

圖1 為帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)模型系統(tǒng)圖，由一個(gè)壓氣機(jī)、一個(gè)燃燒室、一個(gè)渦輪機(jī)、一個(gè)換熱器組成。其特點(diǎn)是：工質(zhì)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后，一部分進(jìn)入燃燒室加熱，另一部分直接與加熱后的工質(zhì)混合，以降低工質(zhì)進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)口的溫度。

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

圖1 帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)圖

圖2 帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)T-s 圖

2 性能分析

在分析時(shí)，以單位質(zhì)量流率考慮，對(duì)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(diǎn)壓力為Pi（i=1,2，……6，下同），溫度為T(mén)i，火用值為ei；空氣比熱比為k=Cp/ Cν；循環(huán)的工質(zhì)溫比為τ（τ=T3/T1）；壓氣機(jī)的壓比和內(nèi)效率分別為φc、ηc；渦輪機(jī)的膨脹比和內(nèi)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(zhì)質(zhì)量流率比為μ（μ =未經(jīng)燃燒室加熱的工質(zhì)流率/整個(gè)工質(zhì)質(zhì)量流率，0燮μ 燮1）。

對(duì)壓氣機(jī)建立火用平衡方程有：

式中，

wc為壓氣機(jī)消耗的比功。

eD.c為壓氣機(jī)的火用損失，

即有:

式中，ψc=φmc - 1，m=（k- 1）/k，φc=P2/P1。

對(duì)燃燒室建立火用平衡方程有：

式中，

ef為化學(xué)火用；

eDf為燃燒室的火用損失。

即有：

式中，τ=T3/T1。

對(duì)渦輪機(jī)建立火用平衡方程有：

式中，

wt為渦輪機(jī)的輸出功；

eDt為渦輪機(jī)的火用損失。即有：

對(duì)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(duì)外換熱量為：

對(duì)廢氣排放過(guò)程建立火用平衡方程有：

式中，eex為廢氣排放過(guò)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(shè)工質(zhì)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(jī)和渦輪機(jī)內(nèi)效率分別為ηc= 0.9 和ηt= 0.85；大氣參數(shù)為T(mén)1=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(duì)ηE- φc 和w- φc 關(guān)系的影響

圖3 給出了循環(huán)溫比τ 對(duì)帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)ηE- φc及w- φc關(guān)系的影響。對(duì)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(jī)壓比φclopt，使火用效率達(dá)到最大值ηEmax；對(duì)于循環(huán)比功w，其隨著τ 的增大而增大。這與簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的特性是相同的。

圖4 給出了循環(huán)質(zhì)量流率比μ 對(duì)帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)ηE- φc及w- φc關(guān)系的影響。對(duì)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(jī)1 壓比φclopt使火用效率達(dá)到最大值ηEmax；對(duì)于循環(huán)比功w，其隨著μ 的增大而減小。故帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)適合功率輸出較小且對(duì)排放要求較高的燃?xì)廨啓C(jī)裝置。

圖4 μ 對(duì)ηE- φc 和w- φc關(guān)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(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)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(gè)系統(tǒng)的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)進(jìn)行了第二定律性能分析，導(dǎo)出了循環(huán)火用效率和循環(huán)輸出比功的表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)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(zhì)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(jī)壓比，使火用效率達(dá)到最大值。對(duì)于循環(huán)比功，其隨著循環(huán)溫比的增大而增大，隨著質(zhì)量流量比的增大而減小，故帶渦輪進(jìn)氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)適合功率輸出較小且對(duì)排放要求較高的燃?xì)廨啓C(jī)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(gè)系統(tǒng)的性能。

[1]佐藤豪. 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)理論[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

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

[3]崔濟(jì)亞.實(shí)際中冷壓縮耗功最佳壓比解析解[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1989，10(2):123-126.

[4]Vadasz P, Weiner D. The optimal intercooling of compressor by a finite number of intercoolers [J]Trans. ASME J. Energy Res.Tech.,1992,114(2):255-260.

[5]Hernandez A C, Medina A, Roco J M M. Power and efficiency in regenerative gas turbine[J].J.Phys.D:Appl.Phys.,1995,28(20):2020-2023.

[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(píng)價(jià)準(zhǔn)則及燃?xì)廨啓C(jī)功熱并供基本分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，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.

[9]Naser M J. Exergy analysis and second law efficiency of a regenerative Brayton cycle with isothermal heat addition [J]. Entropy,2005,7(3):172-187.

[10]Frutschi H U,Plancherel A A. Comparison of combined cycles with steam injection and evaporation cycles[C]. ASME COGEN-TURBO II.,ASME COGEN-TURBO II.,1988.

[11]蔡睿賢，張世錚，逮根壽，等.注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率的近似簡(jiǎn)明熱力學(xué)關(guān)系[J].科學(xué)通報(bào)，1986，(6):477.

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