不可逆闭式布雷顿热电联产装置火用经济性能优化

　　引　言

　　自有限时间热力学理论产生以来,它在物理和工程领域的应用已取得了很大的进展[1~4]。热电联产装置由于具有提高能源利用效率,减少污染物排放等优点,越来越受到更多的关注,一些学者将有限时间热力学方法应用于分析联产循环,以确定联产装置的优化设计参数。Bojic建立了利用余热供热的内可逆Carnot热电联产装置模型[5],进行了热经济优化,Sahin等人建立了抽汽供热的内可逆Carnot热电联产装置模型[6],并对其进行了火用优化,Erdil等人对不可逆Carnot联合循环热电联产装置进行了火用优化[7],Yilmaz与Hao等人对内可逆Brayton热电联产装置进行了火用优化[8~9]。Ust等人提出了火用性能系数EPC(exergetic performance coefficient),并以EPC为目标对不可逆回热式Brayton热电联产装置、不可逆Dual热电联产装置进行了优化[10~11]。20世纪90年代陈林根等人提出了将有限时间热力学与热经济学相结合,建立了有限时间火用经济分析法,定义利润率为热力循环的输出火用的收益率与热力循环的输入火用的成本率之差,导出了内可逆Carnot热机、制冷机、热泵的有限时间火用经济性能界限、优化关系和参数优化准则[12~15]。此外,一些学者还将火用经济分析法推广到量子热机、广义不可逆热机、普适热机、三热源制冷机、热泵的有限时间热力学性能的研究中。但以利润率为目标,对热电联产装置进行有限时间火用经济分析与优化,目前仍是空白,为此本文将把有限时间火用经济性能分析法引入到热电联产装置的研究中去。

　　1　循环模型

　　图1为由不可逆闭式布雷顿循环构成的热电联产装置模型。其中,TH和TL分别为高温热源和低温热源的温度,TK为用户侧的用热温度,3个换热器的热导率(传热系数与传热面积之积)分别为UH、UL和UK,工质的热容率(质量流率与定压比热之积)为Cwf。过程1~2和过程3~4分别为工质在压气机和透平内不可逆绝热压缩和不可逆膨胀过程,过程2~3和5~1分别为工质从高温热源等压吸热和向低温热源等压排热过程,过程4~5为工质在热回收装置中等压供热过程。1~2s与3~4s为1~2与3~4相应的可逆绝热压缩和膨胀过程。

　　当时ηc=ηt=1,式(12)与式(14)转化成内可逆布雷顿热电联产装置的利润率与火用效率目标,由于热量火用计算方法不同,又不同于以前的火用效率目标[8~9]。

　　4　结　论

　　应用有限时间火用经济性能优化方法,对恒温热源条件下的不可逆闭式布雷顿热电联产装置进行利润率优化。研究表明,对于给定的总热导率,在高温、低温和用户侧换热器之间,存在唯一的最佳热导率分配比,同时存在唯一的最佳压比,使得装置的无因次利润率取得最大值。而且,高温侧热导率分配比始终接近于0.5,低温、用户侧热导率分配比随用户侧温度、总热导率、压气机与透平效率、价格比变化而变化。此外,还对最优的无因次利润率与火用效率特性,各种因素对最大利润率与火用经济性能界限的影响,对最大火用效率和相应利润率的影响进行了分析。对热量火用的计算方法进行了探讨,提出不同以往热量火用的计算方法,发现存在最佳用户温度的新规律。本文的优化变量是3个换热器的热导率与压比,用户侧温度只是用来分析对联产优化性能的影响。此外,用户侧温度虽然取决于用户的需求,但是用户的需求是在一定变化范围内,也是多种多样的,本文的结论对寻求用户的需求和联产装置的最优匹配是有一定意义的。