汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞鞯模ɑ鸱e）耗散和（火積）效率

摘 要：基于（火積）和（火積）耗散理論的傳熱優(yōu)化被證明是一種行之有效的新方法，本文應(yīng)用該理論相關(guān)知識，建立了汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞鳎ɑ鸱e）耗散量和傳（火積）效率的計算方法，根據(jù)傳熱過程的（火積）耗散量和熱交換量，可得到加熱器的平均換熱溫差。當(dāng)加熱器的進(jìn)、出口參數(shù)（壓力、溫度、流量）已知時，可通過積分的方法對其進(jìn)行求解計算。以某600MW汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)為例，驗證了該方法的有效性。本文提出的計算方法對汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的性能分析和能耗診斷具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞?；（火積）耗散；（火積）效率；平均換熱溫差

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.031

0 前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源危機(jī)與環(huán)境污染等問題日益突出，提高能源利用效率、減少污染物排放、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前形勢下的必然選擇，作為能源消耗與污染物排放大戶的火電廠面臨著艱巨的節(jié)能降耗壓力[1]。對于火力發(fā)電過程，熱量傳遞是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換非常重要的一個環(huán)節(jié)，傳熱性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到最終轉(zhuǎn)換效率的高低。但是，當(dāng)前的傳熱學(xué)理論體系還不夠完善，只有以提高傳遞速率為目的的傳熱強(qiáng)化，而沒有以提高利用效率為目的的傳熱優(yōu)化[2]。傳熱強(qiáng)化一般以增加泵功或換熱面積為代價，并不一定具有節(jié)能的效果[3]。同時，還缺乏一個類似內(nèi)效率的因子對傳熱過程的優(yōu)劣進(jìn)行評價。

鑒于此，過增元院士通過導(dǎo)熱與導(dǎo)電的比擬，創(chuàng)造性地提出了（火積）的概念，并從物理意義上給出了熱傳遞效率的定義[4-6]。（火積）代表了物體或系統(tǒng)傳遞熱量的能力，（火積）在傳遞過程中是不斷消耗的，（火積）耗散代表了該過程的不可逆程度，通過（火積）耗散極值原理可以對傳熱過程進(jìn)行優(yōu)化、提高傳熱性能。相比于以熵產(chǎn)最小為目標(biāo)的傳熱優(yōu)化，（火積）耗散極值原理在理論上能取得更好的效果[7]。針對體點散熱問題，程新廣等人[8]比較了熵產(chǎn)最小和（火積）耗散最小兩種優(yōu)化方法，結(jié)果顯示基于（火積）耗散最小得到的優(yōu)化結(jié)果能更有效的提高熱量傳遞的效率，而熵產(chǎn)最小實際上是減少可用能損失。陳群等人[9]對兩種邊界條件下的對流換熱問題進(jìn)行了分析，指出對于以提高換熱能力為優(yōu)化目標(biāo)的對流換熱問題應(yīng)采用（火積）耗散極值原理。柳雄斌等人[10]關(guān)于換熱器參數(shù)優(yōu)化的研究表明：對參與熱功轉(zhuǎn)換的換熱器，換熱器的熱力學(xué)優(yōu)化準(zhǔn)則取為熵產(chǎn)極值較好；對只參與熱量傳遞的換熱器，換熱器參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則取為（火積）耗散極值更合適。

（火積）和（火積）耗散理論的提出為傳熱優(yōu)化開辟了新的方向，解決了以傳統(tǒng)的熱阻和熵產(chǎn)評價傳熱性能優(yōu)劣的局限性和不準(zhǔn)確性[7]，但在當(dāng)前的研究中，還很少有該理論應(yīng)用于火電廠熱力系統(tǒng)傳熱效率分析的論文發(fā)表。本文將以汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞鳛檠芯繉ο?，建立其（火積）耗散量和傳（火積）效率的計算方法，并以某600MW汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)為例來檢驗該方法的有效性，為進(jìn)一步優(yōu)化傳熱性能提供借鑒和參考。

1 數(shù)學(xué)計算方法

1.1 對流換熱器的（火積）耗散分析

以圖1所示的表面式換熱器為研究對象，忽略流動中耗散作用，忽略流向上的傳熱以及向周圍環(huán)境的散熱，該穩(wěn)態(tài)傳熱過程可以分解為：（1）溫度為的熱流體將熱量Q以對流的方式傳遞給換熱器；（2）熱量Q以導(dǎo)熱的方式在換熱器內(nèi)部傳遞；（3）換熱器將熱量Q以對流的方式傳遞給溫度為冷流體。此三個過程的（火積）耗散分別為[11，12]：

2 實例計算

下面以某600MW汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)為例（系統(tǒng)簡圖如圖2所示），利用國際公式化委員會1997年工業(yè)用IAPWS水和水蒸汽狀態(tài)方程和Microsoft Visual Basic編制的程序，分別計算各級加熱器的（火積）耗散量和傳（火積）效率。該汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)置八段抽汽，分別對應(yīng)三臺高加、一臺除氧器和四臺低加，計算結(jié)果分別如表1、表2、表3、表4所示。

3 計算結(jié)果分析

將各級加熱器的（火積）耗散量、（火積）效率和平均換熱溫差分別列入同一圖表（見圖3、圖4），可以發(fā)現(xiàn)，二者與平均換熱溫差之間有著明顯的對應(yīng)關(guān)系：平均換熱溫差大則（火積）耗散量大、傳（火積）效率低，平均換熱溫差小則（火積）耗散量小、傳（火積）效率高。一般認(rèn)為，換熱過程的不可逆損失由換熱溫差引起，換熱溫差越大則不可逆損失越大，換熱過程的效率就越低，本文的計算結(jié)果很好地支持了這一結(jié)論。熱量在傳遞過程中保持恒定，但熱量的勢——（火積）在傳遞過程中是不斷耗散的，（火積）耗散作為傳熱過程不可逆程度的度量，具有明確的物理意義。

4 結(jié)論

本文建立了汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞鳎ɑ鸱e）耗散量和傳（火積）效率的計算方法，將該方法應(yīng)用于某600MW汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，得到了（火積）耗散量、傳（火積）效率與換熱溫差的對應(yīng)關(guān)系。計算結(jié)果表明，加熱器的平均換熱溫差越大，則（火積）耗散量越大、傳（火積）效率越低。（火積）耗散作為傳熱過程不可逆的度量具有明確的物理意義，比熵增更具先進(jìn)性。

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作者簡介：吳晟（1985- ），男，湖北紅安人，博士，工程師，研究方向：汽輪機(jī)節(jié)能技術(shù)。endprint