燃?xì)廨啓C(jī)CCHP循環(huán)建模與性能分析

胡繼宗，楊 博

（1.武警部隊(duì)項(xiàng)目管理中心，北京 100161；2.91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高效的能量轉(zhuǎn)換動(dòng)力機(jī)械，具有啟動(dòng)快捷、易于維護(hù)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(diǎn)，在電力、航空、艦船、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(yīng)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(duì)能量需求溫度或品位的不同，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提高了能量利用效率，同時(shí)減少了能量在轉(zhuǎn)化過程中的火用損失。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度高，將其作為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力子系統(tǒng)是一個(gè)好的選擇。Yilmaz[8]建立了簡單燃?xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)模型，以火用輸出率和火用效率為目標(biāo)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(duì)循環(huán)火用性能的影響。陶桂生等[9]以利潤率為目標(biāo)，應(yīng)用有限時(shí)間火用經(jīng)濟(jì)分析法[10]研究了回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)的性能，優(yōu)化了壓比和換熱器熱導(dǎo)率分配，分析了供熱溫度、價(jià)格比和壓力損失系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)有限時(shí)間火用經(jīng)濟(jì)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?xì)廨啓C(jī)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(biāo)研究了循環(huán)的性能，優(yōu)化了壓比和換熱器熱導(dǎo)率分配，并比較了不同指標(biāo)下的最優(yōu)性能。在上述工作基礎(chǔ)上，本文將建立回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)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(biāo)分析和優(yōu)化循環(huán)的性能并討論各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)最優(yōu)性能指標(biāo)的影響。

1 CCHP循環(huán)物理模型

圖1和圖2所示分別為變溫?zé)嵩椿責(zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CCHP循環(huán)流程圖和相應(yīng)的溫熵（T-s）圖。設(shè)工質(zhì)為理想氣體，熱容率為Cwf，經(jīng)歷的各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)依次為1-2-3-4-5-6-7-8-1，經(jīng)歷的設(shè)備依次為壓氣機(jī)、回?zé)崞鞯蜏貍?cè)、高溫側(cè)換熱器、燃?xì)馔钙?、回?zé)崞鞲邷貍?cè)、吸收式制冷機(jī)發(fā)生器、熱用戶換熱器、低溫側(cè)換熱器。高、低溫?zé)嵩春蜔嵊脩魺崛萋史謩e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?zé)崞鳠釋?dǎo)率分別為 UH、UL、UK和 UR。

圖1 回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CHP循環(huán)流程圖

圖2 回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)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(dǎo)率分別為Ug、Uc、Ue和Ua，相應(yīng)的熱源入口和出口溫度分別為 T6、T7、Tcin、Tcout、Tein、Teont、Tain和 Taout，相應(yīng)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(jìn)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(jī)模型

2 CCHP循環(huán)熱力分析

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?zé)崞?、熱用戶換熱器、制冷機(jī)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?zé)崞?、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?zé)崞鳌l(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(jī)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(fù)系數(shù)D1和D2來表示：

設(shè)壓氣機(jī)壓比（p2/p1）為π，等熵溫比為y，由工程熱力學(xué)知識(shí)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(duì)于吸收式制冷循環(huán)，由熱力學(xué)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(shè)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(dǎo)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(shè)火用輸入率的價(jià)格為φin，輸出功率價(jià)格為φP，熱量火用輸出率價(jià)格為φK，冷量火用輸出率價(jià)格為φe，得到循環(huán)無量綱利潤率為：

3 數(shù)值仿真

通過Matlab數(shù)值計(jì)算研究各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(jià)格比：a= φP/φin，b= φK/φin，c= φe/φin。無特殊說明，計(jì)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(jìn)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(yīng)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(dǎo)率，能夠提高循環(huán)輸出性能，但同時(shí)對(duì)循環(huán)壓比的要求也很高，意味著設(shè)計(jì)成本會(huì)大幅提高。從圖上還可看出不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)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(duì)較小，說明采用回?zé)岵粌H能夠提高聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的熱力學(xué)第一定律和第二定律性能以及有限時(shí)間火用經(jīng)濟(jì)性能，還能降低設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中要盡量減小管路壓力損失以降低設(shè)計(jì)壓比，從而降低設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中要根據(jù)研究目標(biāo)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(xué)第一定律性能，但會(huì)降低熱力學(xué)第二定律性能和有限時(shí)間火用經(jīng)濟(jì)性能，主要是因?yàn)樘岣吖├錅囟仍龃罅酥评渎?，同時(shí)降低了冷量火用輸出率。

計(jì)算還表明，制冷機(jī)熱漏Ci和熱用戶換熱器熱導(dǎo)率 UK對(duì)五個(gè)性能指標(biāo)影響較??；隨 τH、ηc= ηt、Ug、Uc、Ue和Ua的增大，五個(gè)性能指標(biāo)均增大；隨I的增大，5個(gè)性能指標(biāo)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

4 結(jié)論

本文建立了回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)CCHP循環(huán)熱力學(xué)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(biāo)對(duì)循環(huán)性能進(jìn)行了分析，通過數(shù)值計(jì)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?zé)崮軌蛟龃笪鍌€(gè)性能指標(biāo)，同時(shí)能降低設(shè)計(jì)壓比；分別存在最佳的供熱溫度使得五個(gè)最優(yōu)性能指標(biāo)進(jìn)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(huì)降低火用輸出率、火用效率和利潤率。在實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)CCHP聯(lián)產(chǎn)循環(huán)設(shè)計(jì)中需要結(jié)合建設(shè)成本綜合考慮比較這幾種性能指標(biāo)，以取得最佳折衷設(shè)計(jì)方案。