浅析布雷顿循环 （火用）方法分析

李再刚++邱军

摘 要：本文通过对燃气动力装置的燃气轮机装置各个设备的进行（火用）效率进行分析，通过分析得到燃气轮机装置效率的影响因素，进而提出可用来提高燃气轮机效率的措施。

关键词：燃气轮机；布雷顿循环；（火用）方法分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.050

1 燃气轮机装置介绍及应用范围

燃气轮机装置选用的工质是空气和燃气，该装置在运行过程中将燃气燃烧产生的热能通过膨胀转换为转子的旋转机械能。燃气燃烧过程是定压过程，装置的主要设备包括压气机、燃烧室以及燃气轮机三个部分，由于装置的尾气排向大气，因此该装置是开式的、不可逆的循环。在当前的生产生活中， 燃气轮机装置应用广泛，涉及到诸多领域，具体包括航空器动力装置、机车动力装置、舰船动力装置、电力等。

2 燃气轮机装置运行时遵循的热力学基础

2.1 理想定压加热循环

引用空气标准假设， 本文将燃气轮机三个装置运行过程中的四个工作环节简化成为由四个可逆热力过程组成的理想动力循环。如图1所示，理想热力循环的四个理想过程包括在压气机中进行的绝热压缩过程1-2；在燃烧室中进行的定压加热过程2-3；在燃气轮机中进行的绝热膨胀过程3-4；排气过程由定压放热过程4-1表示。該循环又称为布雷顿循环。

2.2 实际定压加热循环

在实际的生产工艺过程中，由于设备过程存在不可逆的因素，燃气轮机装置各个过程很难达到绝热， 根据热力学知识，由于工质在压气过程中气流流速很高，过程中工质由设备向外散热可以忽略不计，本文将气体在设备压气机中的压缩过程和气体在燃气轮机中的膨胀过程记为熵增过程，即两个过程都是不可逆过程。

3 实际过程燃气（火用）计算及（火用）分析

本文在对燃气轮机循环装置进行（火用）分析时，将实际工作过程的燃气看成是由干空气和理论燃气组成的理想气体混合物。因此在计算过程中工质可运用理想气体的相关性质计算。理论燃气是指1mol燃料和在所需要的理论空气量下完全燃烧所得到的产物，当燃料中只含有C、H、O、N、S时，其产物由CO2、H2O、SO2、和N2′等组成，其中N2′是指空气中除了氧气以外其他气体的合称。

在对该循环进行热力计算和（火用）分析的过程中，通过H和S0来求得（火用） E。

系统认为过程工质的质量流量不变，即为稳定流动开口系统，计算过程中燃料（火用）包括实际燃气（火用）是物理（火用）和化学（火用）两部分。

实际计算中为方便比较，引入参数（火用）效率η，即各个状态点下物流（火用）或功（火用）与燃料（火用）的商。则三个设备燃烧室、燃气轮机、压气机以及过程的机械摩擦、排气带走的（火用）损和（火用）损率可分别表示出来。

4 案例分析

某生产车间燃气轮机装置循环，初参数p1=0.1MPa，t1=0℃， 过程状态点p2=0.1MPa，p3=0.87MPa，t3=650℃，该装置以C8H16为燃料，燃料进入燃烧室时的温度Tc=100℃，燃料具有的发热量=5×106kJ/kmol，燃烧室具有的燃烧效率为97%；叶轮式压气机效率为84%，机械效率99%，燃气轮机工作效率为91%，认为燃烧室保温完好，不对外散热，环境参数为p0=0.1MPa，t0=0℃。

该燃气轮机装置循环过程的（火用）损失和（火用）损率如表1所示。

由以上计算得出，在循环中包括五部分（火用）损，其中燃烧室的（火用）损失或（火用）损率最大，排气所带走的（火用）损失排在第二。该燃气轮机装置循环中燃烧室产生的（火用）损失最大的主要原因：①任何燃烧过程都是不可逆的；②进入燃烧室的空气所具有的温度和燃烧后离开燃烧室的燃气温度都比较低，也就是说能量的品质下降了。而环境温度低则造成排气（火用）损失增大。

5 结论

（1）引入回热装置，这样可以使加热过程得到改善，具体做法是将在燃气轮机装置中膨胀做功后温度很高的工质通过回热管道引入回热器中去加热进入燃烧室的工质，这样工质的初温升高了，同时这样做减少向冷源放热，提高循环效率。

（2）燃烧室采用新型耐高温材料，提高工质在燃烧室中的燃烧效率。

参考文献：

[1]刘大易，张宏鹏.燃气轮机的发展前景及其发电技术[J].应用能源技术，2008（01）.

[2]后超.论燃气轮机机组的应用[J].黑龙江科技信息，2013（06）.

作者简介：李再刚（1972-），男，辽宁阜新人，本科，工程师，研究方向：电厂设备运行。