淺析布雷頓循環 （火用）方法分析

李再剛++邱軍

摘 要：本文通過對燃氣動力裝置的燃氣輪機裝置各個設備的進行（火用）效率進行分析，通過分析得到燃氣輪機裝置效率的影響因素，進而提出可用來提高燃氣輪機效率的措施。

關鍵詞：燃氣輪機；布雷頓循環；（火用）方法分析

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

1 燃氣輪機裝置介紹及應用范圍

燃氣輪機裝置選用的工質是空氣和燃氣，該裝置在運行過程中將燃氣燃燒產生的熱能通過膨脹轉換為轉子的旋轉機械能。燃氣燃燒過程是定壓過程，裝置的主要設備包括壓氣機、燃燒室以及燃氣輪機三個部分，由于裝置的尾氣排向大氣，因此該裝置是開式的、不可逆的循環。在當前的生產生活中， 燃氣輪機裝置應用廣泛，涉及到諸多領域，具體包括航空器動力裝置、機車動力裝置、艦船動力裝置、電力等。

2 燃氣輪機裝置運行時遵循的熱力學基礎

2.1 理想定壓加熱循環

引用空氣標準假設， 本文將燃氣輪機三個裝置運行過程中的四個工作環節簡化成為由四個可逆熱力過程組成的理想動力循環。如圖1所示，理想熱力循環的四個理想過程包括在壓氣機中進行的絕熱壓縮過程1-2；在燃燒室中進行的定壓加熱過程2-3；在燃氣輪機中進行的絕熱膨脹過程3-4；排氣過程由定壓放熱過程4-1表示。該循環又稱為布雷頓循環。

2.2 實際定壓加熱循環

在實際的生產工藝過程中，由于設備過程存在不可逆的因素，燃氣輪機裝置各個過程很難達到絕熱， 根據熱力學知識，由于工質在壓氣過程中氣流流速很高，過程中工質由設備向外散熱可以忽略不計，本文將氣體在設備壓氣機中的壓縮過程和氣體在燃氣輪機中的膨脹過程記為熵增過程，即兩個過程都是不可逆過程。

3 實際過程燃氣（火用）計算及（火用）分析

本文在對燃氣輪機循環裝置進行（火用）分析時，將實際工作過程的燃氣看成是由干空氣和理論燃氣組成的理想氣體混合物。因此在計算過程中工質可運用理想氣體的相關性質計算。理論燃氣是指1mol燃料和在所需要的理論空氣量下完全燃燒所得到的產物，當燃料中只含有C、H、O、N、S時，其產物由CO2、H2O、SO2、和N2′等組成，其中N2′是指空氣中除了氧氣以外其他氣體的合稱。

在對該循環進行熱力計算和（火用）分析的過程中，通過H和S0來求得（火用） E。

系統認為過程工質的質量流量不變，即為穩定流動開口系統，計算過程中燃料（火用）包括實際燃氣（火用）是物理（火用）和化學（火用）兩部分。

實際計算中為方便比較，引入參數（火用）效率η，即各個狀態點下物流（火用）或功（火用）與燃料（火用）的商。則三個設備燃燒室、燃氣輪機、壓氣機以及過程的機械摩擦、排氣帶走的（火用）損和（火用）損率可分別表示出來。

4 案例分析

某生產車間燃氣輪機裝置循環，初參數p1=0.1MPa，t1=0℃， 過程狀態點p2=0.1MPa，p3=0.87MPa，t3=650℃，該裝置以C8H16為燃料，燃料進入燃燒室時的溫度Tc=100℃，燃料具有的發熱量=5×106kJ/kmol，燃燒室具有的燃燒效率為97%；葉輪式壓氣機效率為84%，機械效率99%，燃氣輪機工作效率為91%，認為燃燒室保溫完好，不對外散熱，環境參數為p0=0.1MPa，t0=0℃。

該燃氣輪機裝置循環過程的（火用）損失和（火用）損率如表1所示。

由以上計算得出，在循環中包括五部分（火用）損，其中燃燒室的（火用）損失或（火用）損率最大，排氣所帶走的（火用）損失排在第二。該燃氣輪機裝置循環中燃燒室產生的（火用）損失最大的主要原因：①任何燃燒過程都是不可逆的；②進入燃燒室的空氣所具有的溫度和燃燒后離開燃燒室的燃氣溫度都比較低，也就是說能量的品質下降了。而環境溫度低則造成排氣（火用）損失增大。

5 結論

（1）引入回熱裝置，這樣可以使加熱過程得到改善，具體做法是將在燃氣輪機裝置中膨脹做功后溫度很高的工質通過回熱管道引入回熱器中去加熱進入燃燒室的工質，這樣工質的初溫升高了，同時這樣做減少向冷源放熱，提高循環效率。

（2）燃燒室采用新型耐高溫材料，提高工質在燃燒室中的燃燒效率。

參考文獻：

[1]劉大易，張宏鵬.燃氣輪機的發展前景及其發電技術[J].應用能源技術，2008（01）.

[2]后超.論燃氣輪機機組的應用[J].黑龍江科技信息，2013（06）.

作者簡介：李再剛（1972-），男，遼寧阜新人，本科，工程師，研究方向：電廠設備運行。