提高热机效率的研究和实践

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摘 要：众所周知，热机效率都很低，早期的蒸汽机的热效率只有1%～2%，当代的各种动力装置及热电厂的热效率也只有20%～60%，40%～80%的热量都去哪了？巨大的浪费迫使人们思考如何回收利用散失的热量，提高热机的效率。通过对热机的热力学过程进行分析，找到了热机效率低的原因，给出了提高热机效率的方向和措施。
关键词：热能 机械能 热机 效率
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0103-04
热能是由一次能源转换来的最主要形式，而后再由热能转换成其他形式的能量而被利用，这个转换装置就是热机[1]。据统计，经热能这一环节而被利用的能量在世界上占85%以上，我国占90%以上。然而，热能的利用率却较低。汽油机的热效率为20%～30%，柴油机的热效率为37%～42%，燃气轮机单机循环热效率为32%～40%，双机联合循环热力机组的热效率为52%～60%，程氏循环的热效率为53%左右，国产20万kW汽轮机热效率为44%左右。热机的效率如此低，迫使人们思考40%～80%的热量都去哪了？巨大的浪费导致疯狂的开采，使我国有些方面的能量资源濒临枯竭[2-3]。我国一次能源消费结构是：煤炭占75%，储采比约70年；石油占17%，我国石油仅可开采10年；天然气占2%，大约还可用50年；一次电力（水电、核电及新能源发电）占6%，水能实际上来自太阳，江河川流不息，水力不会枯竭，但是东北的冬天流动的水就很少了，由此唤醒人们要珍惜能量资源，提高热机的效率已刻不容缓[4]。
1 热机（以燃气轮机为例）的构成和工作流程
燃气轮机是以空气和燃气为工质的热动力设备。它由压气机、燃烧室和燃气轮机3个部分构成。简化流程见图1。
空气首先进入压气机中，压缩到一定压力后送入燃烧室。同时由电动机带动燃油泵将燃油经射油器喷入燃烧室中与压缩空气混合燃烧，产生的燃气温度通常可达到1 800～2 300 K，这时二次冷却空气（约占总空气量的）经通道壁面渗入与高温燃气混合，使混合气体温度降低到适当的温度进入燃气轮机，才能保证燃气轮机的叶片不受热伤害。混合气形成高速气流推动葉片，使转子转动而输出机械功[5]。
2 热机的理想循环
引用空气标准假设，燃气轮机装置工作循环是由4个可逆过程组成的理想循环，如图2所示。其中，1—2是绝热压缩过程；2—3是定压加热过程；3—4是绝热膨胀过程；4—1是定压放热过程。这个循环称为定压加热的理想循环，又称布雷顿循环[6]。
下面分析布雷顿循环的热效率。
式（2）表明，定压加热理想循环的热效率取决于压气机中绝热压缩的初态温度和终态温度，或者说主要取决于循环增压比π，且随π值的增大而提高，此外也和工质的绝热系数k的数值有关，而与循环增温比τ无关。
对于热能动力装置，除了要求热效率高，希望单位质量的工质在循环中所做的净功ωnet越大越好。
在定压加热理想循环中循环增温比τ一定时，随着循环增压比π提高，单位质量的工质在循环中输出的净功ωnet并不是越来越大，而是存在一个最佳增压比，使循环的净功输出为最大。这个最佳增压比可由下述方法确定。
3 热机的实际循环
燃气轮机装置实际循环的各个过程都存在不可逆因素，这里主要考虑压缩过程和膨胀过程的不可逆性。因为流经叶轮式压气机和燃气轮机的工质通常在很高的流速下实现能量之间的转换，这时流体之间、流体与流道之间的摩擦不能再忽略不计。因此，工质流经压气机和燃气轮机时向外散热可忽略不计，其压缩过程和膨胀过程都是不可逆的绝热过程。
某大型陆上燃气轮机装置定压加热循环（如图3）输出净功率为100 MW，循环的最高温度为1 600 K，最低温度为300 K，循环最低压力为100，压气机的压比14。压气机绝热效率为0.85，燃气轮机的相对内效率为0.88，空气比热容取定值。那么，压气机消耗的功率、循环空气的流量和循环的热效率等参数分别为：
4 提高热机循环热效率的方向与措施
通过前面的分析研究可以看到，实际燃气轮机的热效率并不高，只有38.6%，那么61.4%的热量都去哪了？一部分是压气机压缩空气消耗了；一部分是因过程不可逆耗散了；一部分是强制冷却系统散失了；一部分是通过尾气释放到大气中去了。巨大的浪费，导致我国很多方面的能量资源濒临枯竭。现代社会人类需要的能源形式主要有机械能、热能和电能3种，而一次能源中可被人们直接利用的热能和机械能却为数不多，绝大多数一次能源都须首先转换为热能才可利用。机械能和电能80%以上是由热能通过热机转换得到的，这就迫使人们思考如何把浪费的热量回收和高效转换，提高热机效率。
4.1 提高增温比来提高实际循环的热效率
循环增温比越大，实际循环的热效率越高。因为温度决定于大气环境，故只能借助提高循环最高温度以增大。但是受限于金属材料的耐热性，故有研究用陶瓷材料部分甚至全部代替金属材料，以达到更大的增温比。
4.2 选择合适的增压比提高循环的热效率
保持循环增温比、压气机绝热效率和燃气轮机的相对内效率一定，随循环增压比提高循环内部热效率有一极大值。当增温比增大时，和内部热效率的极大值相对应的增压比的值也提高，因而可进一步提高内部热效率。
4.3 改变冷却方式，提高循环净功
前述实际燃气轮机压缩空气耗功占燃气轮机输出功的53.3%。改用水或水蒸汽冷却方式，可以大大提高燃气轮机的循环净功。这时压气机只为燃料燃烧提供供氧，水泵所需功率仅占蒸汽所做功的2%左右，这样减少了压气机的自耗功，提高了循环净功[7，8]。
4.4 增加循环过程的可逆性，提高燃气轮机的热效率
实际燃气轮机压缩过程和膨胀过程都是不可逆的。减小压气机中压缩过程和燃气轮机中膨胀过程的不可逆性，内部热效率随之提高，从而提高了燃气轮机的热效率。
4.5 回收强制冷却的热量，提高燃气轮机热效率
（1）实际燃气轮机的燃烧室温度（1 600 K）还很高，向环境散失的热量很多。设计一个冷却水套回收这些散失的热量，使水变成蒸汽，参与循环做功可以提高燃气轮机的热效率[6，9]。
（2）在燃气轮机燃烧室中进行蒸汽再热，可以降低燃烧室的温度，减少向环境的散热。因燃烧室可以比锅炉装得更接近机组，所以减短抽汽用的高温管道，不仅节省大量高级金属，而且减少了向环境的散热，提高了热效率。
4.6 回收利用尾气散失的热量，提高热能转换效率
实际燃气轮机排气温度（854.5 K）还相当高，直接向冷源放热造成很大的热损失。若进行回收利用，可以大大提高热能转换效率[10]。
（1）在装置中增添一个回热器，利用燃气轮机排气的热量加热压缩后的空气，可以提高循环热效率。
（2）燃气轮机排气预热锅炉给水，提高热能利用率。
（3）燃气轮机排气预热锅炉空气，提高热能利用率。
（4）燃气轮机排气作为锅炉燃烧空气，可以大大提高热量利用率。
5 结语
综上所述，热能是品质较低的能量，然而，在人类所需的能量中，有90%以上是的由热能通过热机转换而得到的。热机的效率很低，只有20%～60%，40%～80%的热量都浪费了，巨大的浪费使我国很多方面的能量资源匮乏。由此唤醒人们对浪费的热量回收和高效转换，提高热机制效率。文中给出了很多提高热机效率的方法，每一种方法都能提高热机制效率。倘若热机的效率提高1%的话，就能为人类创造亿万财富。
参考文献
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[3]姜成果，田贵才，王宝玉，等.双工质联合循环透平机可行性研究[J].实验室研究与探索，2008，27（12）：50-53.
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[5]姜成果，王宝玉，姜立月，等.變工质透平机的设计与实现[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：67-70.
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[7]华自强，张忠进.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2008：51-52，256-258.
[8]姜成果，王宝玉，姜立月，等.微型双工质透平机的设计与实现[J].实验室科学，2013，16（3）：181-183，189.
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[10]刘万琨，魏毓璞，赵萍，等.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环[M].北京：化学工业出版社，2006：166-169.