塔式太阳能热发电燃气轮机循环功率优化

黄德中 方栋华 许沧粟

(1.绍兴文理学院 工学院，浙江 绍兴312000; 2.浙江大学 能源系,浙江 杭州310027)

文献[1]对中冷回热再热三级不可逆闭式燃气轮机循环进行了功率与效率分析.本文在文献[1]的基础上，提出了中冷回热再热三级燃气轮机循环模型，在推导出实际闭式中冷回热再热燃气轮机循环功率解析式的基础上，对其输出功率进行了优化.

1 塔式太阳能变温热源燃气轮机循环分析

不可逆中冷回热再热燃气轮机循环热力学T-S图见文献[1]，文献[1]建立了其热力学方程.高压与低压换热器的压力损失分别以压力恢复系数D1与D2来表示，即有[2-3]

(1)

式中p8,p6,p1和p13表示工质在状态8,6,1和13处的压力.

在不可逆闭式中冷回热再热三级燃气轮机循环中，设高压压气机和低压压气机的效率相同，定义压气机内损失用内效率ηc表示，涡轮机的内损失用内效率ηT来表示，即有[4-5]：

(2)

由热力学第二定律可得到：

T2ST4ST6ST9ST11ST13S=T1T3T5T8T10T12.

(3)

式中Ti(i=1,2,3,…)分别为循环中各状态点的温度.设高低温侧换热器、回热器和中冷器均为逆流式，其热导率(传热系数与传热面积之比)分别为λH，λL，λR和λI.由工质性质和换热器理论可得循环的吸、放热率、回热流率和中冷换热流率分别为：

Q1=Cwf(T8-T7)=CHminEH1(THin-T7)，

(4)

Q2=Cwf(T10-T9)=CHinEH1(THin-T9)，

(5)

Q3=Cwf(T12-T11)=CHinEH1(THin-T11)，

(6)

QL=Q4=Cwf(T14-T1)=CLminEL1(T14-TLin)，

(7)

QR=Cwf(T13-T14)=Cwf(T7-T6)=CwfER(T13-T6)，

(8)

Q6=Cwf(T2-T3)=C1minEI1(T2-T1in)，

(9)

Q7=Cwf(T4-T5)=C1minEI1(T4-T1in).

(10)

式中：Cwf为理想气体工质的热容率；CH为热源加热流体的热容率，CL为冷源冷却流体的热容率，CI为中间冷却流体的热容率，THin和THout分别为进出口温度.设Ei1(i=H，L，I)分别为两侧流体均为变温时高、低温侧换热器和中冷器之有效度；ER为回热器之有效度，且有

(11)

ER=NR/(NR+1).

(12)

式中Cimin和Cimax是Ci(i=H，L，I)和CWf中较小和较大者，Ni1(i=H，L，I)为基于最小热容率定义的传热单元数，NR是回热器传热单元数，即

(13)

(14)

式中λi(i=H，L，I，R)分别为高低温侧换热器、中冷器和回热器侧之热导率.

定义低压压气机的等熵温比为x，压气机总等熵温比为y，则

(15)

式中，m=(k-1)/k，k为绝热指数.

根据总压恢复系数的定义式(1)可以得出涡轮机的等熵温比为：

(16)

循环输出功率为：

P=Q1+Q2+Q3-Q4-Q6-Q7.

(17)

由式(1)至式(16)可解得T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10,T11,T12和T14，并由此可得循环的量纲-功率

(18)

其中:a=a1EH1-1，b=a2EL1-1，c=1-ER，e=a3EL1-1，f=1+ηc-1(x-1),

2 功率优化数值计算

图2为在τ1=5,λT=5,Cwf=1,ηc=ηT=0.85,D1=D2=0.96时，中间压比π1和各换热器热导率分配λi与总压比π的关系.当高低温侧换热器、回热器和中冷器的总热导率为定值时，设热导率分配为：

λh=λH/λT,

λl=λL/λT,

λ1=λI/λ1，

λr=1-λh-λl-λ1，

有

λR=1-λh-λl-λi.

(19)

由图可知，λ1随总压比的增加而增加，而λh和λl随总压比的增加而减小.

图3为在λT=5,Cwf=1,ηc=ηT=0.85,D1=D2=0.96时，双重最大功率及相应效率与循环温比的关系.由图可知，双重最大功率随循环温比的增加而增加.

图4给出了在λT=5,Cwf=1,ηc=ηT=0.85,D1=D2=0.96时，双重最大功率时的总压比与循环温比的关系.由图可知，双重最大功率时的总压比与循环温比基本成正比关系.

图6给出了τ1=5，Cwf= 1，ηc=ηT=0.85,D1=D2=0.96时，总压比πout与总热导率λT的关系.由图6可以发现，πout随着λT的增加而增大.

3 结论

参考文献：

[1] 黄德中.塔式太阳能燃气轮机循环热发电技术研究[J].绍兴文理学院学报，2011,31(7):38-41.

[2] Forsberg Charles W,Peterson Per F,Zhao Haihua.High-Temperature Liquid-Fluoride-Salt Closed-Brayton-Cycle Solar Power Towers[J].Journal of Solar Energy Engineering,2007，129(5)：141-146.

[3] 王文华，陈林根，孙丰瑞.恒温热源不可逆闭式中冷回热燃气轮机循环的功率和效率[J].太阳能学报,2004，25(1)：111-116.

[4] 王文华，陈林根，孙丰瑞.实际闭式中冷回热燃气轮机循环的效率优化[J].中国电机工程学报,2006,26(1):12-15.

[5] 王文华,陈林根,孙丰瑞.实际闭式中冷回热燃气轮机循环功率优化[J].机械工程学报，2005,41(4):55-58.