帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環?分析

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)

經典熱力學在研究各類簡單和復雜燃氣輪機循環性能中得到了廣泛的應用，重點用于研究循環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的經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。陳大燮[2]先以熱效率為目標，對燃氣輪機循環進行了熱力學第一定律性能分析，重點研究了回熱、中冷和再熱對循環性能的影響，然后對具有回熱、中冷和再熱的實際循環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實際壓縮過程的最佳壓比分配問題。Hernandez 等[5]根據經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促使了節能研究的深入，此時，人們提出了很多新型的燃氣輪機裝置，以滿足節能減排的要求。熱電聯產循環[6]是從同一能源同時生產電能（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化準則——經濟火用效率，研究了簡單燃氣輪機熱電聯產裝置的性能。Vecchiarelli 等[8]提出了一種等溫修正布雷頓循環，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，由于循環最高溫度的降低，相比于傳統的布雷頓循環，該循環NOX 排放量減少50%，環境污染少，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進行了火用分析，導出了循環的火用效率解析式，并分析了壓比、環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，即將回收廢氣中的熱量而產生的蒸汽回注到渦輪機入口，研究表明該循環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，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，該循環的熱效率到了很大的提高，且使熱效率最優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進行火用分析，以火用效率為目標對聯合循環的性能進行優化，得出聯合循環的火用效率特性和火用損失特性，確定損失最大的位置，為對系統的改進提供依據。

1 循環描述

圖1 為帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環模型系統圖，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系統圖

圖2 帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環T-s 圖

2 性能分析

在分析時，以單位質量流率考慮，對系統各部件建立火用平衡方程。聯合循環中的各參數分別為：各狀態點壓力為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：

由于循環總的壓增和總的壓降是相等的（φc=φt），故有：

聯合循環的比功和火用效率為：

3 數值算例

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

圖3 τ 對ηE- φc 和w- φc 關系的影響

圖3 給出了循環溫比τ 對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環ηE- φc及w- φc關系的影響。對于循環火用效率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；對于循環比功w，其隨著τ 的增大而增大。這與簡單燃氣輪機循環的特性是相同的。

圖4 給出了循環質量流率比μ 對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環ηE- φc及w- φc關系的影響。對于循環火用效率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整個系統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的性能。

4 結束語

本文對帶渦輪進氣冷卻的燃氣輪機循環進行了第二定律性能分析，導出了循環火用效率和循環輸出比功的表達式。通過數值計算，對于循環火用效率，其隨著循環溫比的增大而增大，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。對于循環比功，其隨著循環溫比的增大而增大，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。從系統部件火用損失分配圖中可以看出，系統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的性能。

[1]佐藤豪. 燃氣輪機循環理論[M]. 北京: 機械工業出版社，1983.

[2]陳大燮.動力循環分析[M].上海:上海科學出版社，1983.

[3]崔濟亞.實際中冷壓縮耗功最佳壓比解析解[J].工程熱物理學報，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.

[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.注蒸汽燃氣輪機實際循環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.