基于回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的C H P循環(huán)性能建模與優(yōu)化
2019-08-15 02:00:36蘇文斌
裝備制造技術(shù) 2019年6期
蘇文斌，楊 博
（1.91827部隊(duì)，山東 威海 264200；2.91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022）
0 引言
燃?xì)廨啓C(jī)具有啟動(dòng)快、功率大、燃料適用性強(qiáng)、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在艦艇、航空、電力等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。燃?xì)廨啓C(jī)還具有排氣溫度高的特點(diǎn)，將它用于熱電聯(lián)產(chǎn)不僅可以提高能源利用效率，減少環(huán)境污染，還可以解決供暖供熱所需。郝小禮[3]基于經(jīng)典熱力學(xué)建立了簡(jiǎn)單和回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)模型，以可用能率和火用輸出率為目標(biāo)對(duì)循環(huán)性能優(yōu)化了壓比。Costea等[4]根據(jù)回?zé)崞髋c余熱換熱器安放位置的不同（上游、下游和平行分布），應(yīng)用經(jīng)典熱力學(xué)建立了三種開(kāi)式回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)模型，同樣以可用能率和火用輸出率為研究目標(biāo)對(duì)壓比進(jìn)行了優(yōu)化。應(yīng)用有限時(shí)間熱力學(xué)理論[5-7]和有限時(shí)間火用經(jīng)濟(jì)分析法[8]，楊博等[9]建立了考慮壓降的簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)模型，以可用能率、火用輸出率和利潤(rùn)率為研究目標(biāo)，優(yōu)化了壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降和壓比，得到了循環(huán)最優(yōu)性能。在上述工作基礎(chǔ)上，本文將應(yīng)用有限時(shí)間熱力學(xué)理論建立考慮壓降的回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)模型，以可用能率、火用輸出率和利潤(rùn)率為研究目標(biāo)對(duì)循環(huán)性能進(jìn)行優(yōu)化。
1 C H P循環(huán)模型
圖1和圖2所示分別為回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)流程圖和相應(yīng)的溫熵圖（T-s圖），假設(shè)在工質(zhì)行程中滿足以下條件：（1）工質(zhì)是理想氣體（比熱隨成分和溫度變化）。（2）工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)過(guò)程0 R 1的壓降為Dp1=p0-p1。（3）非等熵壓縮過(guò)程1 R 2可視為等熵過(guò)程和節(jié)流過(guò)程的合成，壓縮機(jī)中的壓力損失為Dpc。（4）壓縮后的工質(zhì)進(jìn)入回?zé)崞鞯蜏貍?cè)預(yù)熱過(guò)程2 R 3的壓降為Dpcr，該過(guò)程可視為節(jié)流過(guò)程2 R 2′和等壓過(guò)程2′R 3的合成。（5）經(jīng)預(yù)熱后的工質(zhì)進(jìn)入燃燒室和燃料混合燃燒吸熱過(guò)程3 R4′的壓降為Dpcr，該過(guò)程可視為節(jié)流過(guò)程3 R 3′和等壓過(guò)程3′R 4′的合成，燃燒時(shí)漏向外界的熱流率為Qcf。（6）高溫高壓工質(zhì)進(jìn)入燃?xì)鉁u輪過(guò)程4′R 4的壓降為Dpct。（7）工質(zhì)非等熵膨脹過(guò)程4 R 5可視為等熵過(guò)程4 R 4′s和節(jié)流過(guò)程4′sR 5的合成，在燃?xì)鉁u輪中的壓力損失為Dpt。（8）膨脹做功后工質(zhì)進(jìn)入回?zé)崞鞲邷貍?cè)放熱過(guò)程5 R 6的壓降為Dptr，該過(guò)程可視為節(jié)流過(guò)程5 R 5′和等壓過(guò)程5′R 6的合成。（9）工質(zhì)進(jìn)入供熱側(cè)換熱器放熱過(guò)程6 R 7的壓降Dprk，該過(guò)程可視為節(jié)流過(guò)程6 R 6′和等壓過(guò)程6′R 7的合成，定義供熱側(cè)換熱器有效度EK=（T6′-T7）/（T6′-TK），式中TK為供熱溫度。（10）尾氣排入外部環(huán)境放熱過(guò)程7 R 0的壓降為Dp0，該過(guò)程可視為節(jié)流過(guò)程7 R 7′和等壓過(guò)程7′R 0的合成。
圖1 回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)C H P循環(huán)流程圖
圖2 回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)C H P循環(huán)T-s圖
2 熱力過(guò)程描述
工質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中存在流阻（或壓降），這些阻力控制著工質(zhì)質(zhì)量流率m及各個(gè)流通部件的熱流率，首先壓氣機(jī)進(jìn)口處壓降為[10]：
式中K1為空氣在壓氣機(jī)進(jìn)口截面A1處的壓力損失系數(shù)，ρ0為空氣在A1處的密度，V1為空氣通過(guò)A1的平均速率。以下各公式中A、K、ρ和V的含義與之類(lèi)似。由流體力學(xué)可知通過(guò)截面A1的空氣質(zhì)量流率為 m=A1ρ0V1，結(jié)合式（1）可寫(xiě)為：
式中ψ1為壓氣機(jī)進(jìn)口處相對(duì)壓降，ψ1=△p1/p0。
設(shè)壓氣機(jī)壓比為π＝p2/p0，其有效壓比為πc＝p2/p1=π/（1-ψ1），與等熵溫比有關(guān)，式中γa=（cp/cv）a為空氣比熱比，空氣平均溫度為T(mén)ma=T0（1+θcs）/2，T0為環(huán)境溫度，γa與Tma的關(guān)系為[11]：
設(shè)壓氣機(jī)等熵效率為ηc，其消耗比功為wc=h2-h1=（h2s-h1）/ηc=γaRgT0（θcs-1）/[（γa-1）ηc]，其相對(duì)壓力損失為ψc=△pc/p2，由h2s′＝h2（h為焓）和θc＝T2/T1=1+（θcs-1）/ηc得ψc=（θc-θcs）γa/（γa-1）-1。壓氣機(jī)消耗功率為Pc=mwc：
壓縮空氣進(jìn)入回?zé)崞鞯蜏貍?cè)，壓降為△pcr＝由質(zhì)量守恒 m=AρV=AρV，得相對(duì)101222壓降為：
回?zé)崞鞯蜏貍?cè)熱流率為：
式中 γa′由式（3）確定，此時(shí)空氣平均溫度為 Tma′＝（T3- θcT0）/2。
預(yù)熱后的壓縮空氣進(jìn)入燃燒室，壓降為△prc=由質(zhì)量守恒得相對(duì)壓降為：
從燃燒室到外界環(huán)境的熱損失由燃燒效率表示：ηcf=Q/Qf。燃?xì)獾玫降臒崃髀蕿镼=ηcf/Qf=式中qf為燃料低發(fā)熱值，mf和mg分別為燃料和燃?xì)赓|(zhì)量流率，mg=m+mf=mf（λL0+1），λ和L0分別為過(guò)量空氣系數(shù)和單位燃料燃燒所需理論空氣量，根據(jù)以上內(nèi)容推導(dǎo)，有以下關(guān)系成立：
式中τ＝T4/T0，燃料采用燃油C8H16，得到L0＝14.46（kg空氣）/（kg燃料），qf=43 100 kJ/（kg燃料）[11]。燃燒室中燃?xì)獾谋葻岜仁呛腿細(xì)馄骄鶞囟萒mg=（T3+ τT0）/2 的函數(shù)[12]：
式中λ可通過(guò)式（8）和（9）迭代計(jì)算得到。
燃料燃燒熱流率為：
高溫高壓燃?xì)饬鞒鋈紵疫M(jìn)入透平，壓降△pct=，由質(zhì)量守恒得相對(duì)壓降為：
設(shè)燃?xì)馔钙降褥匦蕿棣莟，其有效壓比為πt=p4/p5，與等熵溫比其中比熱比 γg′由式（9）確定，此時(shí)燃?xì)馄骄鶞囟葹棣覶（01+1/θt）s/2。透平輸出比 功 為wt=h4-h5=τηtRgT0γg′（1-1/θt）s（/γg′-1），相對(duì)壓力損失為 ψt=△pt/p5，由h4s′＝h5和有ψt=（θts-θt）γg′/（γg′-1）-1，透平輸出功率為：
回?zé)崞鞲邷貍?cè)熱流率為：
式中 γg″由式（9）確定，此時(shí)燃?xì)馄骄鶞囟葹門(mén)ma″＝（τT0/θt+T6）/2。
設(shè)回?zé)崞饔行Ф葹镋R，根據(jù)回?zé)徇^(guò)程能量守恒及有效度定義有：
式中γg″′由式（9）確定，此時(shí)燃?xì)馄骄鶞囟葹?/p>
高溫燃?xì)庠诨責(zé)崞髦蟹艧岷筮M(jìn)一步向熱用戶(hù)換熱器供熱，壓降為由質(zhì)量守恒mg=得相對(duì)壓降為：
燃?xì)庠跓嵊脩?hù)換熱器中的放熱流率為：
式中 γg″″由式（9）確定，τK＝ TK/T0為熱用戶(hù)溫度與環(huán)境溫度之比，此時(shí)燃?xì)馄骄鶞囟葹門(mén)mg″″＝（T6+
燃?xì)饬鞒鰺嵊脩?hù)換熱器進(jìn)入外界環(huán)境，壓降為
燃?xì)庠诃h(huán)境中放熱流率為：
由熱力學(xué)第一定律，聯(lián)產(chǎn)循環(huán)凈輸出功率為：
提供給熱用戶(hù)的熱量火用輸出率為：
聯(lián)產(chǎn)循環(huán)總的無(wú)量綱可用能率為凈輸出功率與提供給熱用戶(hù)的熱流率之和：
總的無(wú)量綱火用輸出率為凈輸出功率與熱量火用輸出率之和：
設(shè)輸出功率、熱量火用輸出率和燃料火用輸入率的價(jià)格分別為 φP、φK和 φin。根據(jù)有限時(shí)間火用經(jīng)濟(jì)分析法[8]，聯(lián)產(chǎn)循環(huán)無(wú)量綱利潤(rùn)率為：
3 性能優(yōu)化
無(wú)特殊說(shuō)明，相關(guān)參數(shù)的取值分別為[3，9，10，13-15]：p0=1.01 325 × 105Pa，T0=300 K，π ＝ 15，τ＝ 5.0，τK＝ TK/T0=1.2，ηc=0.85，ηt=0.89，ηcf=0.85，ηef=1.03，ψ1＝0.2，ER＝0.9，Rg＝287.05 J/（kg·K），EK=
3.1 壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降優(yōu)化
圖3 三個(gè)性能指標(biāo)與壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降的關(guān)系
3.2 壓比優(yōu)化
圖4 最優(yōu)火用輸出率及相應(yīng)參數(shù)與壓比的關(guān)系
圖5 最優(yōu)利潤(rùn)率及相應(yīng)參數(shù)與壓比的關(guān)系
3.3 回?zé)岫群凸釡囟鹊挠绊?/h3>
圖6 最大火用輸出率及相應(yīng)參數(shù)與回?zé)岫鹊年P(guān)系
圖7 最大利潤(rùn)率及相應(yīng)參數(shù)與回?zé)岫鹊年P(guān)系
圖8 最大火用輸出率及相應(yīng)參數(shù)與供熱溫度的關(guān)系
圖9 最大利潤(rùn)率及相應(yīng)參數(shù)與供熱溫度的關(guān)系
4結(jié)論
本文應(yīng)用有限時(shí)間熱力學(xué)理論建立了回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)模型，分別以總可用能率、火用輸出率和利潤(rùn)率為研究目標(biāo)對(duì)循環(huán)性能進(jìn)行了多重優(yōu)化并得到了最佳的壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降、燃料熱流率、壓比等設(shè)計(jì)參數(shù)。上述三種性能指標(biāo)分別從數(shù)量層面和質(zhì)量層面反映了輸入能量的利用情況，在實(shí)際聯(lián)產(chǎn)循環(huán)設(shè)計(jì)中需要綜合考慮比較這幾種指標(biāo)及其相應(yīng)參數(shù)的要求。本文的研究對(duì)實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。
