燃气燃烧过程效率的热力学分析
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燃气燃烧过程效率的热力学分析
天津大学管理学院（３０００７２）项凌
１引言
燃气和液体、固体燃料相比，具有使用方便、便
于控制、效率较高等优点，燃气作为能源在各个方面
均得到广泛应用。尤其是天然气的性质更为优越，而
且在城市燃气的构成中，其比例越来越大，因此，本
文主要对天然气作为能源利用燃烧过程的效率进行
了计算与分析。由于各种过程的差别较大，数据来源
的基准不一，错误之处，敬请指正。
２天然气燃烧利用的过程
２．１天然气发电
天然气发电包括蒸汽透平发电、燃气轮机发电
以及天然气－蒸汽联合循环发电。天然气蒸汽透平
发电是以天然气锅炉产生的水蒸气作为工作介质，通过兰肯循环将热能转化为机械能发电的过程。随
着高参数蒸汽（蒸汽压力２４．１ＭＰａ，温度５３８℃￣５６６℃）发电装置以及大容量机组的开发，燃天然气
的蒸汽发电机组的热效率已达４０％以上。燃气轮机发电是采用空气和燃烧气体为工作介
质的布雷敦循环，其特点是可以实现较高温度的热
能利用，燃气轮机入口气体温度达１３００℃。其缺点
是排气温度较高，达５００℃￣６００℃，热利用率低，１１００℃级的燃气轮机发电热效率约２９％，１３００℃
级的热效率约３３％，１５００℃级的热效率约３８％。天然气联合循环发电是将朗肯循环与布雷敦循
环结合起来，利用天然气燃烧过程高温能量通过燃气轮机发电和利用低度区能量发生蒸气通过蒸汽轮
机发电的组合，使蒸汽发电高温化的制约被减轻，燃
气轮机排气的能耗减少。联合循环发电的主要优点
是整体循环有用能效率高、环境污染少、占地少、投
资低。２．２天然气供热
天然气供热包括天然气锅炉直接供热、天然气
热电或热电冷联产供热以及天然气热泵制热。天然
气锅炉直接供热是指将天然气燃烧热量单纯供蒸汽
锅炉或热水锅炉，以生产蒸汽或热水进行区域供热
的过程。燃气锅炉有火管式锅炉与水管式锅炉之分。火管式锅炉中烟气通过锅炉的管程，水走管外锅炉
的壳程。水管式锅炉则反之。中小型燃气锅炉多采用
火管式锅炉，当锅炉蒸发量大于２０ｔ／ｈ和工作压力
较高时，多采用火管式锅炉。天然气单元壁挂式热水
锅炉也属于天然气锅炉直接供热的范畴，只是天然
气壁挂式热水锅炉的功率较小，主要用于单户采暖。其形式有容积式锅炉和快速式锅炉之分。主要特点
是用户可自主调节，便于收费。天然气热电联产的发电过程利用天然气燃烧过
程温度较高的一部分热能。在实际生产和供热过程
中，需要大量温度较低的热能。天然气热电联产就是
利用天然气燃烧高温部分热能发电与利用天然气燃
烧低温部分热能供热相结合的过程。根据天然气发
电过程的不同，也有相应的天然气热电联产过程。天
然气热电联产基本上可分为３种过程：蒸汽透平发
电加蒸汽透平凝汽式供热过程；蒸汽透平发电加蒸
汽透平抽汽式供热过程；燃气透平发电加燃气透平摘要概述了天然气燃烧利用的过程，介绍了不同燃烧过程热效率和有用能效率的计算结果，并就天然气燃烧利用
过程的效率问题进行了探讨。关键词天然气燃烧过程热效率有用能效率燃气技术
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排气余热锅炉供热过程。近年来，为了提高能源供应的安全性和进行天
然气能量的梯级利用，由热电联产开始发展为分布
式天然气热、电、冷联产。对于一个区域或一个建筑
物，传统方法是用天然气发电、天然气锅炉供热、电
动压缩制冷。采用热电冷联产，基本方案是利用天然
气通过燃气轮机、内燃机、微燃机发电，燃气机的排
气通过余热锅炉产生蒸汽或热水进行供热，利用吸
收式制冷机供冷，或者通过直燃机供热与供冷。为调
节制冷制热的能力，常采用补燃的方式。２．３天然气热泵制冷制热过程
热泵制冷制热的原理是利用工质进行逆向卡诺
循环的过程。它包括工质压缩为高温高压气态工质
的过程、高温高压气态工质在冷凝换热器中冷凝为
液态工质并向热媒放出热量的过程、经节流减压后
的液态工质在蒸发换热器中吸收冷媒的热量而蒸发
为气态工质的过程。工质连续进行着上述循环。如果
利用冷凝放热器中放出的热量，则为供热过程；如果
利用蒸发器吸收冷量的过程为制冷过程。天然气直燃型溴化锂吸收式制冷过程是以天然
气直接燃烧产生的热能为动力，以水为制冷剂，溴化
锂溶液为吸收剂，制取高于５℃￣７℃的冷量，可用作
空调或生产工艺过程的冷源。吸收式制冷过程的特
点是：以热能为动力，耗电较少；以溴化锂溶液为工
质，环境保护效果好；调节范围宽，可在１０％－１００％范围内进行无级调节。吸收式制冷过程的基本组成
和工作原理基本上同电动机压缩式热泵制冷制热过
程相同。其区别在于电动压缩机的压缩过程是由发
生器、吸收器和溶液泵来代替。溴化锂吸收式制冷过
程以溴化锂溶液和水组成二元溶液的工质对。在低
压下蒸发器中的水蒸发吸热而制冷，蒸发后的水蒸
气在吸收器中被溴化锂水溶液吸收，吸收器中生成
的溶液用溶液泵送到发生器中被低温热能加热而将
溶液中的水又蒸发出来，如此循环进行冷凝、节流、蒸发过程。天然气发动机驱动热泵制冷制热。目前，供生活
热水和冬季供暖多采用热水锅炉或蒸汽锅炉。燃气
锅炉供热和供热水是比较清洁和污染较小的方式，但其有用能效率低，而且不利于燃气的季节调峰。采
用电动热泵可以制冷、制热，但增加用电负荷，而且扩
大电的峰谷差，造成供电紧张。分别建设制冷、制热和供热水的装置，总的投资和运行费用均较高。为解
决这些问题，可采用燃气发动机直接驱动压缩式制
冷、制热及供热水的方案。该方案包括发动机冷却
水热交换器、发动机及补热燃烧烟气热交换器、补热
燃烧器和由燃气发动机、压缩机、空气－工质热交换
器、节流元件、冷（热）媒－工质热交换器等构成的燃
气热泵。燃气进入燃气发动机产生机械能，经靠背轮
带动压缩机将工质压力提高后，工质进入冷凝器，靠
空气或水将工质冷凝放出的热量带走，冷凝后的工
质经节流元件减压，再进入蒸发器，工质靠吸收冷媒
的热量进行蒸发，同时使冷媒降低温度，送至空调系
统。蒸发后的气态工质又进入压缩机被压缩，如此循
环进行压缩、冷凝、节流、蒸发。制热工况时，则由冷
凝器提供热量。２．４天然气工业窑炉
天然气是工业窑炉（如化铁炉、陶瓷焙烧炉、玻
璃熔化炉、锻件加热炉、退火炉等）的优质燃料。由于
工业窑炉的目的是加热，排烟温度高，多数达８００℃～９００℃，如不回收烟气余热，其热效率仅为３０％～４０％。
２天然气燃烧过程的热效率和有用能
效率
评价天然气燃烧过程是否优化的重要因素是天
然气燃烧过程的效率。对此，工程上通常采用热效率
与有用能效率两种方法。热效率是以热力学第一定
律为基础，将天然气燃烧利用过程目的产品拥有的
热量与天然气在燃烧过程加入的热量之比定义为过
程的热效率。有用能效率是以热力学第二定律为基
础，将天然气燃烧利用过程产品拥有的有用能值与
在燃烧过程中天然气加入的有用能值之比定义为有
用能效率。一种产品具有的能量中理论上能转化为
有用功那部分能量就是该能量的有用能。天然气燃
烧利用过程很复杂，为方便比较，仅以最终的产品进
行比较，而不究其具体的过程。热效率的计算采用常
规方法。有用能效率的计算较复杂，热量有用能、冷
量有用能、物理有用能、电能、机械能以及燃烧有用
能可用下式计算。（１）热量有用能
Ｅ＝Ｑ（１－Ｔ０／Ｔ），
式中：Ｅ－有用能，ｋＪ；Ｑ－热量，ｋＪ；Ｔ０－环境温度，
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Ｋ；Ｔ－系统温度，Ｋ。（２）冷量有用能
Ｅ＝Ｑ（１－Ｔ／Ｔ０）
式中：Ｅ－有用能，ｋＪ；Ｑ－热量，ｋＪ；Ｔ０－环境温度，Ｋ；Ｔ－系统温度，Ｋ。（３）物理有用能
Ｅ＝（Ｈ－Ｈ０）－Ｔ０（Ｓ－Ｓ０），
式中：Ｅ－有用能，ｋＪ；Ｈ－系统焓，ｋＪ；Ｈ０－环境焓，ｋＪ；Ｔ０－环境温度，Ｋ；Ｓ－系统熵，ｋＪ／Ｋ；Ｓ０－环境条件下
的熵，ｋＪ／Ｋ。（４）电能、机械能有用能：等于电能或机械能。（５）天然气燃烧有用能：等于低位发热量。天然气各种燃烧利用过程的热效率见表１。表１中各种天然气燃烧利用过程的热效率取自
有关文献，有用能效率采用上述方法计算。其中环境
温度：一般按２０℃计，供冷时按３５℃计，供热时按－５℃计。冷媒与热媒温度按供回平均温度计。工业
炉与民用灶烟气温度按工艺要求温度计。
３天然气燃烧过程效率的分析
表１为计算得到的天然气燃烧过程热效率与有
用能效率。由表１数据可以得出以下几点：（１）各种天然气燃烧过程的热效率与有用能效率
相差很大，评价结果也不一样，如天然气壁挂式热水
锅炉的热效率比较高，但其有用能效率却最低；燃
气－蒸汽联合循环发电的热效率不算高，但其有用能
效率却最高。热电联产与天然气锅炉单纯供热相比，热效率相差不多，但是有用能效率约高５０％。主要原
因是两种效率评价的出发点不一样，热效率单从能
量的数量角度，有用能效率是从能量的品质角度出
发。燃烧过程主要是热能的利用，温度越高，热能的
有用能值越高。如果将高温热能直接在低温下使用，过程的不可逆性大，有用能损失也大。提高天然气燃
烧过程的效率应着重于有用能效率的提高，尽量采
用温度对口，梯级利用。（２）尽管各种天然气燃烧过程的热效率与有用能
效率有差别，并不意味着天然气要全部用于有用能
效率高的过程，也不能断定有用能效率低的过程不
能实施。这主要取决于工艺过程对能量品质与规模
的要求。例如中国式家庭烹饪灶一般要求热负荷为１００００ｋＪ／ｈ，温度６００℃以上，只能采用天然气直火
加热的方式。又如一户２００ｍ２￣３００ｍ２的独立小区住
宅的热负荷和冷负荷不大，如采用热电联产的方案，效率不会很高，采用天然气壁挂式热水锅炉供热和
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