高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集编号：A-100023基于火用分析的中冷回热布雷顿热电联产装置性能研究杨博陈林根孙丰瑞(海军工程大学研究生院武汉430033)摘要：基于火用分析的观点，用有限时间热力学理论和方法研究了变温热源不可逆中冷回热布雷顿热电联产装置的性能，导出了无量纲火用输出率和火用效率的解析式。讨论了总压比给定和总压比变化两种情形，优化了中间压比，通过数值计算详细分析了各主要设计参数对循环一般性能和最优性能的影响。讨论了火用输出率和火用效率之间的关系，其特性关系为扭叶型。最后发现分别存在最佳的工质与热源热容率匹配和最佳的用户侧温度使得火用输出率和火用效率分别取得双重最大值。关键词：有限时间热力学不可逆中冷回热布雷顿热电联产装置火用分析火用输出率火用效率中图分类号：TK121.前言随着世界能源危机的不断加剧，热电联产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。一些学者用经典热力学方法研究了联产循环。蔡睿贤[1]考虑到在经济上功与热品位的不同，提出了经济火用效率准则，研究了简单燃气轮机热电联产装置的性能，优化了压比，讨论了功热比、热电售价比、循环温比对装置性能的影响；佐藤豪[2]基于开式单轴回热燃气轮机的“总能系统”，以透平热效率、热利用率为目标研究了联产装置的性能，优化了压比，并分析了回热度、余热回收温度对循环性能的影响；Reddy和Butcher[3]以火用效率为目标，研究了以天然气为工质的中冷再热燃气轮机热电联产装置的性能，分析了中冷度、再热度、总压比对装置性能的影响；Khaliq和Choudhary[4]基于中冷回热再热燃气轮机热电联产装置模型，分别从热力学第一定律（热效率）和第二定律（火用效率）两个方面研究了装置的性能，分析了总压比、循环温比、压降损失对装置性能的影响。近年来，热力循环的有限时间热力学分析是国内外学术研究的一个热点[5-12]。一些基金项目:国家自然科学基金(10905093)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-04-1006)；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(200136)．作者简介:杨博(1985-)，男，硕士研究生，从事现代热力学研究．通讯作者:陈林根，武汉430033海军工程大学研究生院;Email:lingenchen@hotmail.com,lgchenna@yahoo.com1学者将有限时间热力学方法应用于分析联产循环，文献[13-17]分别对内可逆、不可逆卡诺热电联产装置模型以不同目标（如经济收益率、火用输出率、火用效率、火用密度等）进行了大量的研究。由于燃气轮机热电联产装置模型更加贴近实际，人们对其进行了更加深入的研究，Yilmaz[18]以火用输出率和火用效率为目标，对内可逆简单布雷顿热电联产装置进行了优化，并研究了循环热源温比、用户侧温度对循环性能的影响；Hao和Zhang[19]基于内可逆简单布雷顿循环构成的热电联产装置模型，以总可用能（输出功与热量的代数和）为目标，优化了压比，并分析了功热比、循环热源温比、用户侧温度对最大可用能和相应热效率的影响；谢平等[20,21]以火用输出率为目标，对内可逆简单和不可逆焦耳—布雷顿热电联产装置进行了优化，得到了最大火用输出率和相应的火用效率，并讨论了等熵温比、循环温比、功热比、用户侧温度和各种不可逆因素对最优性能的影响；Ust等提出了火用性能系数EPC（exergeticperformancecoefficient），并以EPC为目标对不可逆回热式布雷顿热电联产装置[22]、不可逆Dual热电联产装置[23]进行了优化，分析了各联产设计参数对装置性能的影响，并与以火用输出率为目标时的结果作了比较；陈林根等[24-27]提出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输出火用的收益率与热力循环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，在此基础上，陶桂生等[28-32]对恒温热源内可逆和不可逆、简单和回热式燃气轮机热电联产装置的有限时间火用经济性能进行了研究，优化了压比和热导率分配。在前人研究的基础上，本文将建立变温热源不可逆中冷回热布雷顿热电联产装置模型，并以火用输出率和火用效率为目标对其性能进行联产参数的分析和压比的优化。2.循环模型图1、图2所示分别为联产装置示意图和循环过程T-s图。1-2为工质在低压压气机的不可逆绝热压缩过程（压比为π1，也称中间压比）；2-3为工质在中间冷却器的冷却过程；3-4为工质在高压压气机