混合燃气透平布雷逊循环的火用分析

　　随着常规燃料价格的增长及可用燃料日益减少的趋势,有效利用能源的重要性正得到它早应得到的重视。能量系统中能量未有效利用的程度和部位现在应成为设计系统和分析其性能时需要考虑的首要因素。火用分析方法就是提供这方面情况的一种系统方法。用传统能量分析方法评价系统的损失和效率并不能揭示系统中有效能损失的部位、类型和数量,而火用分析方法可以做到这一点,并为系统的各过程损失提供了一个真实量度。

　　埃里克森(Ericsson)循环及布雷顿(Brayton)循环是最简单的燃气轮机循环,这两种循环的热力学第一定理热平衡分析及火用分析在文献[1,2]中已讨论过,但作为两者混合而成的新型的布雷逊(Braysson)循环,文献[3]不仅提出了这种新型构型,而且对其作了第一定理热平衡分析。本文将在此基础上进一步对此循环作火用分析。

　　1　循环分析

　　图1和图2示出了布雷逊循环的布置及T-s图^[3] 。

　　为了能清楚而简单地表示计算结果,特作如下简化:

　　(1)　在整个循环,因燃料燃烧后被大量空气掺混,故可近似将空气作为唯一工质并认为物性不变。取k=1.4;

　　(2)　忽略工质在流动中的压力损失;

　　(3)　实际排气是在大气中进行的,排出的废气在大气中变化到与压气机进口空气相同的状态,故可认为是一定量工质完成了闭合循环;

　　(4)　将图2中5～6的多级绝热压缩冷却过程简化为定温放热过程且Tmin与Ta之间的差别忽略不计。

　　经过简化后,布雷逊循环的T-s图如图3所示。这样,1 kg工质在每个循环过程的火用损失分别为:

　　该过程的火用损失包括两部分,一部分是由于燃料的不完全燃烧引起的火用损失△Ex1,另一部分是由于化学能转变为热能引起的火用损失△Ex2。它们分别为

　　式中　B。——燃料流量;

　　m。——空气流量;

　　eB——燃料的化学火用。

　　故有

　　式中　π23——单位工质在过程2～3中的火用损失;

　　π′23——单位工质不完全燃烧引起的火用损失;

　　π″23——单位工质在化学能转变为热能时引起的火用损失。

　　根据燃烧室燃烧效率的定义,

　　式中ηM为传动机械效率。

　　(6)　火用效率ηE

　　2　数值算例与分析

　　为了对循环特性有一个直观了解,进行了数值计算。计算中,取ηk=ηT=0.95,ηM=0.985,ηkc=0.9,τ及φ1则按目前技术上大致可用的数值范围来选取。图4给出了τ=3时循环中各种火用损失占总火用损失的百分比随压比φ1的变化关系,图5给出了φ1=3时循环中各种火用损失占总火用损失的百分比随循环温比τ的变化关系。若令π=π12+π23+π34,则图4和图5中的A、B、C及D分别表示π12/π、π′23/π、π′23/π及π34/π。从图中要以看出,燃烧室中的火用损失π23所占比例最大。为了提高循环的火用效率,必须在燃烧过程下功夫,比如改进燃烧室结构,提高燃烧室效率等。