提高熱機效率的研究和實踐

魏司琪　姜成果　王寶玉

摘 要：眾所周知，熱機效率都很低，早期的蒸汽機的熱效率只有1%～2%，當代的各種動力裝置及熱電廠的熱效率也只有20%～60%，40%～80%的熱量都去哪了？巨大的浪費迫使人們思考如何回收利用散失的熱量，提高熱機的效率。通過對熱機的熱力學過程進行分析，找到了熱機效率低的原因，給出了提高熱機效率的方向和措施。

關鍵詞：熱能 機械能 熱機 效率

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0103-04

熱能是由一次能源轉換來的最主要形式，而后再由熱能轉換成其他形式的能量而被利用，這個轉換裝置就是熱機[1]。據統計，經熱能這一環節而被利用的能量在世界上占85%以上，我國占90%以上。然而，熱能的利用率卻較低。汽油機的熱效率為20%～30%，柴油機的熱效率為37%～42%，燃氣輪機單機循環熱效率為32%～40%，雙機聯合循環熱力機組的熱效率為52%～60%，程氏循環的熱效率為53%左右，國產20萬kW汽輪機熱效率為44%左右。熱機的效率如此低，迫使人們思考40%～80%的熱量都去哪了？巨大的浪費導致瘋狂的開采，使我國有些方面的能量資源瀕臨枯竭[2-3]。我國一次能源消費結構是：煤炭占75%，儲采比約70年；石油占17%，我國石油僅可開采10年；天然氣占2%，大約還可用50年；一次電力（水電、核電及新能源發電）占6%，水能實際上來自太陽，江河川流不息，水力不會枯竭，但是東北的冬天流動的水就很少了，由此喚醒人們要珍惜能量資源，提高熱機的效率已刻不容緩[4]。

1 熱機（以燃氣輪機為例）的構成和工作流程

燃氣輪機是以空氣和燃氣為工質的熱動力設備。它由壓氣機、燃燒室和燃氣輪機3個部分構成。簡化流程見圖1。

空氣首先進入壓氣機中，壓縮到一定壓力后送入燃燒室。同時由電動機帶動燃油泵將燃油經射油器噴入燃燒室中與壓縮空氣混合燃燒，產生的燃氣溫度通常可達到1 800～2 300 K，這時二次冷卻空氣（約占總空氣量的）經通道壁面滲入與高溫燃氣混合，使混合氣體溫度降低到適當的溫度進入燃氣輪機，才能保證燃氣輪機的葉片不受熱傷害。混合氣形成高速氣流推動葉片，使轉子轉動而輸出機械功[5]。

2 熱機的理想循環

引用空氣標準假設，燃氣輪機裝置工作循環是由4個可逆過程組成的理想循環，如圖2所示。其中，1—2是絕熱壓縮過程；2—3是定壓加熱過程；3—4是絕熱膨脹過程；4—1是定壓放熱過程。這個循環稱為定壓加熱的理想循環，又稱布雷頓循環[6]。

下面分析布雷頓循環的熱效率。

式（2）表明，定壓加熱理想循環的熱效率取決于壓氣機中絕熱壓縮的初態溫度和終態溫度，或者說主要取決于循環增壓比π，且隨π值的增大而提高，此外也和工質的絕熱系數k的數值有關，而與循環增溫比τ無關。

對于熱能動力裝置，除了要求熱效率高，希望單位質量的工質在循環中所做的凈功ωnet越大越好。

在定壓加熱理想循環中循環增溫比τ一定時，隨著循環增壓比π提高，單位質量的工質在循環中輸出的凈功ωnet并不是越來越大，而是存在一個最佳增壓比，使循環的凈功輸出為最大。這個最佳增壓比可由下述方法確定。

3 熱機的實際循環

燃氣輪機裝置實際循環的各個過程都存在不可逆因素，這里主要考慮壓縮過程和膨脹過程的不可逆性。因為流經葉輪式壓氣機和燃氣輪機的工質通常在很高的流速下實現能量之間的轉換，這時流體之間、流體與流道之間的摩擦不能再忽略不計。因此，工質流經壓氣機和燃氣輪機時向外散熱可忽略不計，其壓縮過程和膨脹過程都是不可逆的絕熱過程。

某大型陸上燃氣輪機裝置定壓加熱循環（如圖3）輸出凈功率為100 MW，循環的最高溫度為1 600 K，最低溫度為300 K，循環最低壓力為100，壓氣機的壓比14。壓氣機絕熱效率為0.85，燃氣輪機的相對內效率為0.88，空氣比熱容取定值。那么，壓氣機消耗的功率、循環空氣的流量和循環的熱效率等參數分別為：

4 提高熱機循環熱效率的方向與措施

通過前面的分析研究可以看到，實際燃氣輪機的熱效率并不高，只有38.6%，那么61.4%的熱量都去哪了？一部分是壓氣機壓縮空氣消耗了；一部分是因過程不可逆耗散了；一部分是強制冷卻系統散失了；一部分是通過尾氣釋放到大氣中去了。巨大的浪費，導致我國很多方面的能量資源瀕臨枯竭。現代社會人類需要的能源形式主要有機械能、熱能和電能3種，而一次能源中可被人們直接利用的熱能和機械能卻為數不多，絕大多數一次能源都須首先轉換為熱能才可利用。機械能和電能80%以上是由熱能通過熱機轉換得到的，這就迫使人們思考如何把浪費的熱量回收和高效轉換，提高熱機效率。

4.1 提高增溫比來提高實際循環的熱效率

循環增溫比越大，實際循環的熱效率越高。因為溫度決定于大氣環境，故只能借助提高循環最高溫度以增大。但是受限于金屬材料的耐熱性，故有研究用陶瓷材料部分甚至全部代替金屬材料，以達到更大的增溫比。

4.2 選擇合適的增壓比提高循環的熱效率

保持循環增溫比、壓氣機絕熱效率和燃氣輪機的相對內效率一定，隨循環增壓比提高循環內部熱效率有一極大值。當增溫比增大時，和內部熱效率的極大值相對應的增壓比的值也提高，因而可進一步提高內部熱效率。

4.3 改變冷卻方式，提高循環凈功

前述實際燃氣輪機壓縮空氣耗功占燃氣輪機輸出功的53.3%。改用水或水蒸汽冷卻方式，可以大大提高燃氣輪機的循環凈功。這時壓氣機只為燃料燃燒提供供氧，水泵所需功率僅占蒸汽所做功的2%左右，這樣減少了壓氣機的自耗功，提高了循環凈功[7，8]。

4.4 增加循環過程的可逆性，提高燃氣輪機的熱效率

實際燃氣輪機壓縮過程和膨脹過程都是不可逆的。減小壓氣機中壓縮過程和燃氣輪機中膨脹過程的不可逆性，內部熱效率隨之提高，從而提高了燃氣輪機的熱效率。

4.5 回收強制冷卻的熱量，提高燃氣輪機熱效率

（1）實際燃氣輪機的燃燒室溫度（1 600 K）還很高，向環境散失的熱量很多。設計一個冷卻水套回收這些散失的熱量，使水變成蒸汽，參與循環做功可以提高燃氣輪機的熱效率[6，9]。

（2）在燃氣輪機燃燒室中進行蒸汽再熱，可以降低燃燒室的溫度，減少向環境的散熱。因燃燒室可以比鍋爐裝得更接近機組，所以減短抽汽用的高溫管道，不僅節省大量高級金屬，而且減少了向環境的散熱，提高了熱效率。

4.6 回收利用尾氣散失的熱量，提高熱能轉換效率

實際燃氣輪機排氣溫度（854.5 K）還相當高，直接向冷源放熱造成很大的熱損失。若進行回收利用，可以大大提高熱能轉換效率[10]。

（1）在裝置中增添一個回熱器，利用燃氣輪機排氣的熱量加熱壓縮后的空氣，可以提高循環熱效率。

（2）燃氣輪機排氣預熱鍋爐給水，提高熱能利用率。

（3）燃氣輪機排氣預熱鍋爐空氣，提高熱能利用率。

（4）燃氣輪機排氣作為鍋爐燃燒空氣，可以大大提高熱量利用率。

5 結語

綜上所述，熱能是品質較低的能量，然而，在人類所需的能量中，有90%以上是的由熱能通過熱機轉換而得到的。熱機的效率很低，只有20%～60%，40%～80%的熱量都浪費了，巨大的浪費使我國很多方面的能量資源匱乏。由此喚醒人們對浪費的熱量回收和高效轉換，提高熱機制效率。文中給出了很多提高熱機效率的方法，每一種方法都能提高熱機制效率。倘若熱機的效率提高1%的話，就能為人類創造億萬財富。

參考文獻

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[2] 姜成果，王寶玉，王濤，等.工質對熱機效率影響探略[J].通化師范學院學報，2008，29（2）：25-27.

[3] 姜成果，田貴才，王寶玉，等.雙工質聯合循環透平機可行性研究[J].實驗室研究與探索，2008，27（12）：50-53.

[4] 翁史烈.熱能與動力工程基礎[M].北京：高等教育出版社，2004：5-7.

[5] 姜成果，王寶玉，姜立月，等.變工質透平機的設計與實現[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：67-70.

[6] 沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2010：300-302.

[7] 華自強，張忠進.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2008：51-52，256-258.

[8] 姜成果，王寶玉，姜立月，等.微型雙工質透平機的設計與實現[J].實驗室科學，2013，16（3）：181-183，189.

[9] 姜成果，王寶玉，姜立月，等.提高燃氣輪機輸出功率的設計與實現[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：42-44，60.

[10] 劉萬琨，魏毓璞，趙萍，等.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環[M].北京：化學工業出版社，2006：166-169.