带冷凝除湿的湿空气透平热电联产系统凌志光1，邱慧芳2，曹卫杰1，姜小敏1（1.上海工程技术大学能源与环境工程研究所，上海201620；2.施耐德电气（中国）有限公司能源服务部，上海200062）统的发电和能源利用效率，实现燃料和热源的多样性，降低主机投资和装置回收周期。利用直接式除湿器进一步回收潜热和改善系统。基于节点能量平衡的热力性能分析方法，揭示了关键参数对系统性能影响的特性规律。分析表明：借助联合应用加湿和除湿过程，系统主机的优化压缩比可以低选，发电和热电效率相应提高，有利于实用、经济、环保地实现分布式热电联产节能工程。
现在已普遍认识到通过热电联产（CHP）供热又供电是提高燃料能源利用率并同时改善环境的重要手段之。实践证明，以电站汽轮机为主机的大容量CHP装置，向区域所需的工艺和取暖供热可获得很好的节能、环保和经济效益。随着全球气候变暖的趋势，在低、中纬度城市地区，各种用途的供冷需求日益增加，冷热电联产进步得到了发展和重视。高能效的热电和冷热电联产在工业区和建筑小区或者各种工厂和建筑物上的应用更为迫切。因而研究、发展经济、高效的分布式热电联产和冷热电联产系统和装置，目前在城市地区具有更加现实的意义。
从已有的部分实践看，城市热电联产系统和装置要得到更好和更快的发展还面临多方面的难题：其一是发电并网问题，有可能通过智能电网技术的发展加以解决；其二是高效率的燃气轮机造价或购置费昂贵，现有简单循环工业燃气轮机发电效率尚不够理想；其三是燃料价格不断提升和运行成本趋于高昂。
这些都延长了投资回收周期，影响了推广使用。出路之一在于对联产系统本身进行更完善和创新的设计，通过改进热力循环和系统方案，进一步改善联产系统每千瓦小时电力的发电成本和能量利用效率。
本文基于对加湿燃气轮机循环发展成就的分析，结合实际应用条件以及对水气除湿系统和低温余热制冷系统的研究结果，提出了一种带冷凝除湿过程的湿空气透平热电和冷热电联产的热力系统方案。其*主要的特点是在燃气主机之外，也可以利用各种中、高温余热和各种燃料的外燃式加热，以加湿又除湿的空气作为工质，可以优化实现较低压比的循环参数和采用不昂贵的动力机组，实现冷凝除湿以充分利用排气余能和节水，从而使排气温度更接近大气温度。所建议的系统着重于热水供热和热喷射制冷（需供工艺蒸汽的情况亦可考虑），可实现既提高热电效率又同时降低投资成本，缩短投资回收周期，促进热电联产的发展。
1系统的热力过程与特点本文提出了一种空气‘’加湿+除湿“的水-空气混合循环系统。它避免了湿空气透平（HAT）的燃气轮机循环需高压比、系统装置较为复杂（两级压缩中间冷却等）和价格昂贵的问题，采用了低压比（级压缩）后冷的形式。这样，可利用比较简单的工业燃气轮机，适合于分布式应用。系统仍使用饱和器加湿空气工质，但本系统新提出在回热器后加用一个直接接触式除湿器。、为带冷凝除湿的新型湿空气透平热电联产和冷热电联产的流程系统图，为热电联产系统简化的T-s图。（限于篇幅仅介绍热电联产系统的分析结果）。
带冷凝除湿的湿空气透平冷热电联产系统流程图热电联产系统的主要过程为：1一2空气压缩过程；23空气冷却过程，压缩机排出的升压并升温的空气进入后冷器（气一水热交换器）降温；空气从饱和器的下部进入饱和器，而被加温的热水从饱和器上部引入，水滴通过传热传质在空气中蒸发，未蒸发的热水从饱和器的底部回到储水器；45湿空气回热过程，从饱和器出来的湿空气进入回热器加热，吸收部分透平排气的余热；5?6湿空气加热过程，湿空气离开回热器后进入高温热交换器（中、高温余热利用时）、燃烧室或加热炉（用燃料时）加热到透平进气温度；67湿空气膨胀过程，高温高压的湿空气经透平膨胀作功带动发电机发电；78排气回热过程，通过回热器加热从饱和器来的湿空气，回收一部分热量；89冷凝除湿过程，离开回热器后湿空气*后进入直接接触式除湿器，空气除湿和温度下降后排入大气或循环利用，其中的含湿蒸汽大部分冷凝并释放出汽化潜热加热热水。除湿器排出热水同时作循环和供暖应用。冷热电联产系统的特点为采用排气余热作热喷射制冷。
已有的HAT燃气轮机循环的热力分析M表明：循环的热力性能，即热电效率随初温和压比的增高而提高，所允许加湿量也随之提高。燃气轮机在允许的1 300C高温下，简单循环时优化压比均在20~30，加湿量也可达20% ~40%.虽然HAT循环节能效果明显，但这无疑增加了中、小型动力机组的技术难度和复杂性。加湿量大也增加了饱和器的工作难度。作为小型分布式应用，我们的改进思路是希望降低压比并设法尽量降低排气温度和冷凝除湿以回收利用所含湿汽的汽化潜热。现在通过研发，已有条件解决除湿器的难点。热力分析证明，在实用的发电和热电效率范围内，虽降低了加湿与除湿量，但优化的压比可以降低。提高循环初温有利于发电效率的提高。
2过程模型与系统模拟典型实例根据上述各过程，我们采用特征节点的能量平衡式联立求解。分别用（a）-（f）表示所取各个节点。
a和w及v分别表示空气、水与蒸汽。
回热器：加热炉或高温换热器：混合器（储水器）：除湿器及供热系统：率，Tc为供热回水温度为1kg空气的供热水量。
现联立求解上述各关系式。
由，发电效率取=28%（不加湿下简单循环燃气轮机为17.86%），热电效率nEQ=75.1%，联产系统热电比Q/E=1.68.当取压比为8时=0.08（kg/kg空3联产系统特性规律在对系统与过程模型进行模拟分析的基础上，对系统的各个关键参数影响系统性能关系进行数值计算和优化比较分析。模拟分析中，关键影响参数（或设计变量）主要选：压比、透平入口温度、加湿度和回热器温差以及供热水温度等。联产系统性能主要选：发电效率和热电效率以及热电比、比功等。计算中各部件效率假设基本不变。以下所示图例中回热器温差为20K，供热水温度T）w取为323K，计算也显示：温度Kw的变化对系统参数优化趋势影响较小。
为不同压气机压比和透平入口温度T6对发电效率的影响关系。当透平入口温度T6为定值的情况下，发电效率在压比n大约为3 ~6之间出现了峰值。峰值压比随T6的升高而增加。在峰值点后发电效率随压比n的增大而减小。发电效率随T6的增大而增加。
为压比与透平入口温度T6对热电效率的影响关系。图中热电效率nEQ随压比的增大而增大。各种温度下，压比4 ~6以后对热电效率影响趋缓。热电效率随升高而有所减小。
为热电联产的重要参数热电比Q/E的变化规律。图中热电比Q/E随压比的增大而近乎线性增大。热电比又随7；升高而减小。此外，计算结果也显示：热电比Q/E会随回热器温差的增大而有所增大，但7；低时，随压比的增加量减少，含湿量的变化与循环初温7；的关系甚微。
和分别为系统比功w（k/kg）和含湿量；X、冷却水量；Xs随压比和透平进气温度的变化关系。比功就是系统单位质量工质实际的输出功。它是透平作功减去压气机耗功和水泵耗功的值。比功w，含湿量；x和冷却水量；Xs都随压比n的增大而增大。0表示了在=873K下，回热器三个温度：乙、和T4随压比的关联关系。它不但影响回热器的工作情况，而且还影响系统的各项参数。此外：发电效率如随A林汝谋，方刚，蔡睿贤，等。HAT循环性能分析研究。工程热赵洪滨，金红光，蔡睿贤。新型外燃式湿空气燃气轮机循环性能研究。工程热物理学会第十届年会工程热力学与能源利用学术会用论文011109，1994.凌志光。混合循环能源设备：中国，ZL032308183.2005.焦树建，段志鹏。HAT循环热力学参数的优化分析。燃气轮凌志光。上海地区小型热电联产的应用探讨。上海工程技术大学学报，2000，14（4）孙晓红。HAT循环机组主要部件性能和总体性能的研究。
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