第二章燃氣輪機及其熱力循環(huán)

第二章燃氣輪機及其熱力循環(huán)第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四第二章燃氣輪機及其熱力循環(huán)2-1概述2-2燃氣輪機熱力性能指標

熱力參數(shù)（壓比、溫比）；性能參數(shù)（比功和功率、熱效率、耗油率和熱耗率等）2-3燃氣輪機的簡單循環(huán)2-4燃氣輪機熱力循環(huán)計算2-5提高燃氣輪機熱力性能的途徑第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四2-4燃氣輪機簡單循環(huán)

性能的熱力計算首先：根據(jù)給定的燃氣輪機工作過程參數(shù)和各部件效率，計算燃氣輪機各截面的氣體參數(shù)和性能參數(shù)；然后：根據(jù)所要達到的燃氣輪機功率來確定空氣流量，或者根據(jù)給定的空氣流量來計算燃氣輪機的功率。第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四熱力循環(huán)計算的主要步驟一、參數(shù)的選取1．流量GT和燃料空氣比f

二者隨燃氣輪機工況而變化。

GT=GC+Gf-G=GC(1+f-G/GC)kg/s式中f=Gf/GC，一般為0.007~0.02；G─氣封漏氣和冷卻用空氣量，kg/s；G/GC≈0.02~0.05。第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四2．各部件效率（1）壓氣機效率C*一般軸流式壓氣機C*=0.83~0.92離心式壓氣機C*=0.75~0.85第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四（2）燃燒室效率B（3）渦輪效率T*

一般，軸流式渦輪T*=0.85~0.93徑流向心式渦輪T*=0.70~0.88

通常B≈94%~99%；B=100%繪制圖1-6。溫升TB*=

T3*-T2*第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四（4）機械效率m

燃氣輪機軸承摩擦等機械損失及驅(qū)動附屬設(shè)備所消耗的功率，用機械效率來考慮。

3．比熱容Cp和絕熱指數(shù)kT隨燃料的品種、燃料空氣比和燃燒工況等不同而變化比熱容隨溫度和工質(zhì)成分變化—變比熱容[復(fù)雜精確]粗算時—可取平均溫度下的值或取為定值一般m≈0.97~0.99第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四一般進氣系統(tǒng)的壓力損失

PC=P0-P1*≈0.01~0.03bar排氣系統(tǒng)的壓力損失PT=P4*-P0≈0.02~0.08bar

燃燒室內(nèi)的壓力損失

PB=P2*-P3*=（0.02~0.08）P2*

4．壓力損失P第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四二、循環(huán)的計算給定的必要條件：

大氣條件、機組功率或空氣流量、燃氣初溫、燃料熱值、耗油率等。1．壓縮過程計算

選取壓比C*、進氣道壓損PC、壓氣機效率

C*

；計算壓氣機進出口參數(shù)（溫度、壓力）；計算空氣的比熱容cpc；計算壓氣機實際比功wC。第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四2．燃燒過程

選取燃氣初溫T3*

，計算燃燒室溫升TB

；

查取理論燃料空氣比f’（查圖1-6）；選取燃燒效率

B，計算實際燃料空氣比f；選取燃燒室壓力損失PB。第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四3．渦輪膨脹過程計算

選取排氣道壓損PT、渦輪效率

T*

；計算渦輪出口壓力、排氣溫度；計算渦輪膨脹比T*；計算燃氣的比熱容cpT、絕熱指數(shù)kT；計算渦輪實際比功wT。第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四4．循環(huán)性能指標的計算計算燃氣流量GT、燃料消耗量B；選取機械效率

m；計算循環(huán)比功wi

、內(nèi)功率Ni

；計算燃氣輪機有效功率Ne

；計算機組耗油率ge

、熱耗率qe

；計算機組的內(nèi)效率i

、有效功率e

。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四1-5燃氣輪機熱力計算舉例循環(huán)計算的目的通常是為了了解機器各處的熱力參數(shù)及總體熱力特性，或者是為了驗證所取參數(shù)的合理性。已知條件：一般包括環(huán)境溫度Ta(或T1*)和環(huán)境壓力pa(或p1*)、軸功率Pgt、壓比及燃氣初溫T3*等。選取的參數(shù)：壓氣機的等熵效率c、透平的等熵效率T、燃燒室效率B壓氣機進氣道的壓損率c、燃燒室的壓損率B、透平排氣道的壓損率T等。

計算結(jié)果：系統(tǒng)各處的壓力、溫度、流量及整機的耗油（氣）率、耗油（氣）量、循環(huán)熱效率等。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四[例]現(xiàn)擬定按簡單燃氣輪機循環(huán)方案，其軸功率Pgt=270MW，大氣條件為Ta=288K、pa=0.1013MPa，試進行循環(huán)計算。計算時取c=0.88，T=0.90，B=0.98，c=0.02，B=0.03，T=0.03，=17，T3*=1623K，燃料熱值Hu=43124kJ/kg。解取cpa=1.005kJ/(kg.K)，ka=1.4cpg=1.156kJ/(kg.K)，kg=1.33(1)壓縮過程：第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四(2)燃燒過程：(3)膨脹過程：第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四燃料空氣比(燃料)/kg(空氣)比功(不考慮抽汽冷卻時)空氣流量耗油量比耗油率熱效率(4)整體性能：第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四作業(yè)習題1．壓力為1bar、溫度為15℃的空氣，以200m/s的速度流動。試求：當空氣完全滯止時的焓、溫度和壓力。（已知cp=1.005kJ/(kg.K)k=1.4）第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四

2．已知某燃氣輪機裝置的參數(shù)如下：[用滯止參數(shù)計算]p1*=1.05bart1*=27℃t3*=900℃壓力保持參數(shù)C=B=T=0.98c*=0.85T*=0.90B=0.98m=0.98cpc=1.005kJ/(kg.K)cpT=1.147kJ/(kg.K)kc=1.4kT=1.33c=9GC≈GT=40kg/sHu=43100kJ/kg試求（1）畫出燃氣輪機裝置的流程圖和其實際循環(huán)的p-v圖及T-s圖；（2）確定三大件（C、B、T）進出口的參數(shù)（壓力、溫度）；（3）求燃料空氣比f和每小時的耗油量B；（4）有效功率Ne、有效效率e、耗油率ge及熱耗率qe。第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四3．某一燃氣輪機裝置，已知Ne=21000kW，GC=116kg/s，熱耗率qe=13450kJ/(kW?h)，燃油熱值為Hu=43100kJ/kg。現(xiàn)改燒天然氣，其熱值為8000kcaw/Nm3、比重為rg=0.73kg/Nm3，完全燃燒時所需理論空氣量為G0=16kg/kg（天然氣）。試求：機組的耗氣量B（Nm3/h）、耗氣率ge（Nm3//(kW?h)）、有效效率

e、過量空氣系數(shù)。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四2-6提高燃氣輪機裝置熱力性能的途徑對于簡單循環(huán)

提高

減少

采用較高的

各部件效率C*

T*

B壓力損失，提高總壓保持系數(shù)溫比*壓比*，并按需選擇最佳壓比分析第一條：B=0.94~0.99C*

T*燃機發(fā)展初期約85%，壓比也??；后穩(wěn)定在88%水平好長時間；目前達到或接近90%~92%（壓比30）提高循環(huán)性能很有限（0.90~0.96）

溫比*=T3*/T1*提高C*

T*，主要取決于壓氣機和燃氣輪機葉片間氣流通道的設(shè)計及加工。第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四提高溫比*=T3*/T1*——從循環(huán)特性參數(shù)方面來講，這是提高循環(huán)熱效率的主要方向?！憩F(xiàn)在兩方面:

一方面提高燃氣初溫，即透平前溫T3*；一方面降低T1*，即降低環(huán)境溫度T0。第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四對于提高燃氣初溫依賴兩種技術(shù)的發(fā)展。第一種技術(shù)：加強冶金工業(yè)耐高溫合金技術(shù)的發(fā)展、加強熱處理工藝技術(shù)的研究，以提高渦輪透平材料的耐高溫特性。t3提高速率目前接近25℃/年，MS9001FA已達1288℃。第二種技術(shù)：先進的冷卻技術(shù)的發(fā)展。

新冷卻技術(shù)，如內(nèi)冷、薄膜冷卻、發(fā)散冷卻等，冷卻效果提高且冷卻空氣量大幅度下降。目前發(fā)展的蒸汽冷卻技術(shù)以及耐高溫陶瓷材料的應(yīng)用，使燃氣初溫大幅度提高（可達1427℃），可進一步節(jié)約冷卻空氣量。燃氣輪機會由于強烈熱輻射會使冷卻無能為力，而終止燃氣初溫的增長。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四對于降低環(huán)境溫度——同一地區(qū)人類無能為力?！厍蛏系哪媳睒O常年處于低溫；人類測出的最低溫度在南極，為-88℃（185K），常年平均-55℃?！?lián)合循環(huán)才能實現(xiàn)。對于簡單循環(huán)輕型燃機GE公司wM6000PC熱效率最高為43%；工業(yè)型先進燃機熱效率在35%以上。相對來說仍不是很高。

第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四提高循環(huán)熱效率的其他途徑溫比和壓比確定后，進一步提高燃機裝置循環(huán)熱效率必須改進熱力循環(huán)，提高循環(huán)性能。1)采用回熱循環(huán)2)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)3)間冷循環(huán)（分級壓縮中間冷卻）4)再熱循環(huán)（分級膨脹中間再熱）5)復(fù)雜循環(huán)（回熱間冷再熱）

這些措施，無論對燃氣輪機裝置的實際循環(huán)，還是理想循環(huán)，都是有效的。充分利用余熱，降低放熱量降低壓氣機壓縮功增加渦輪膨脹功第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四一、回熱循環(huán)

在簡單循環(huán)三大件基礎(chǔ)上增加一個熱交換器（即回熱器），利用渦輪的排氣來加熱進入燃燒室的空氣，這樣的循環(huán)稱為回熱循環(huán)。分析實際循環(huán)，注意到燃氣輪機排氣溫度通?？偸歉哂趬簹鈾C出口溫度。循環(huán)加熱和放熱過程的溫度變化范圍有交叉。利用這個溫度交叉，增設(shè)回熱器，進行內(nèi)部回熱，可達到提高循環(huán)平均吸熱溫度和降低循環(huán)平均放熱溫度的目的，從而提高循環(huán)的熱效率。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四回熱循環(huán)的特點由六個熱力過程組成：1-2壓縮過程；2-2’在回熱器中的預(yù)熱過程；2’-3燃燒加熱過程；3-4膨脹做功過程；4-4’在回熱器中的冷卻過程；4’-1大氣中的放熱過程。未考慮壓力損失q2-2’q4-4’

①具有較高的熱效率

吸熱溫度增加、放熱溫度降低

②循環(huán)比功不變，實際略有減小

流阻增加，渦輪膨脹功減小(5%~10%)

③極限回熱

T2’*=T4*,T4’*=T2*

實際回熱T2’*<T4*,T4’*=T2*

面積不可能無限大，存在傳熱溫差回熱不完善④溫比一定時，提高壓比，回熱效果變差。

當壓比達到回熱極限壓比時，T4*=T2*回熱效果變?yōu)闉跤小?/p>

壓比應(yīng)小于回熱極限壓比。第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四極限回熱—在回熱器中，若燃氣被冷卻到可能的最低溫度，壓縮空氣被預(yù)熱到可能的最高溫度，這種回熱稱為極限回熱?！獙μ岣哐b置的內(nèi)部效率最為有利，但由于傳熱必須有溫差，因此無法實現(xiàn)。第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四回熱度─回熱器中，工質(zhì)實際接收的廢熱值與理論上能接受的廢熱極限值之比—代表回熱的完善程度，用符號表示，即—一般情況下，回熱度=0.5~0.85最合適。

太小，效率不高；過大，則回熱器重量、體積及流動阻力均增大，而機組比功因流阻增加而降低，循環(huán)效率變差。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四回熱循環(huán)的應(yīng)用回熱器是一個龐然大物，使整個機組般的笨重、成本增加、運行啟動復(fù)雜。目前，只在大型基本負荷的燃氣輪機機組中采用。對回熱循環(huán)進行能量分析和計算時，要注意吸熱過程、放熱過程初、終態(tài)的變化。第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四二、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)思路：利用燃機循環(huán)平均吸熱溫度高和蒸汽動力循環(huán)平均放熱溫度低的特點。

例如燃氣輪機的燃氣初溫高達1200~1500℃，排氣溫度高達300~500℃。先進的蒸汽輪機，排汽溫度只有幾十度，鍋爐的排煙溫度一般只有160~200℃。組成：燃氣輪機及發(fā)電機與余熱鍋爐、蒸汽輪機共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它利用余熱鍋爐回收燃機排氣的部分熱能，產(chǎn)生蒸汽以推動蒸汽輪機發(fā)電，或?qū)⒉糠职l(fā)電作功后的乏氣再用于供熱。形式：單軸聯(lián)合循環(huán)；多軸聯(lián)合循環(huán)。用途：發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)。最高效率：發(fā)電時的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)ABBGT26-1為58.5%第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四舉例：雙軸聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)出基本功率Neg；蒸汽輪機發(fā)出附加功率Nest；總功率Ne=Neg+Nest1-2-3-4-1燃氣循環(huán)a-b-c-d-a蒸汽循環(huán)余熱鍋爐中存在傳熱溫差：Tb*=T5*-Tb*：蒸發(fā)器的溫差，稱為窄點溫度，最適宜的窄點溫度20-25℃；Tc*=T4*-Tc*：過熱器中的溫差，一般小于50℃。兩個循環(huán)的熱力參數(shù)間的約束條件應(yīng)滿足熱平衡方程式：蒸汽吸熱量＝排氣放熱量第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)優(yōu)點：１顯著降低機組耗油率２顯著提高機組功率缺點：增加了蒸汽回路，使機組大為復(fù)雜。應(yīng)用：只適用于地面動力裝置。

20%-30%第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四三、間冷循環(huán)簡單循環(huán)中，壓氣機耗功約占2/3，減少壓縮功，提高循環(huán)比功。

等溫壓縮耗功最少，但很難實現(xiàn)。采用分段冷卻、逐級加壓方法——氣體被壓縮后溫度升高，將其引出來冷卻降溫，再對其加壓、再冷卻……由此降低壓氣機耗功?！诘蛪簤簹鈾CwC與高壓壓氣機HC之間增加一個中冷器IC實現(xiàn)。1-2’

低壓壓氣機中壓縮過程；2’-1’

中冷器中的冷卻過程；1’-2高壓壓氣機中壓縮過程。T-S圖上機組的循環(huán)比功增大第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四對于多級間冷循環(huán)，如何分配壓比最佳？在相同的壓氣機效率C*和進氣溫度T1*的前提下，最佳壓比分配規(guī)律：

即各級壓比相等，壓縮總耗功最少。第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期四間冷循環(huán)的特點—采用間冷循環(huán)后，可使循環(huán)比功wi增大，但壓縮終了溫度T2*會降低，對循環(huán)熱效率不利?！挥袡C組壓比較高時，間冷循環(huán)的熱效率才得益。缺點—采用中冷器，機組尺寸重量增大，設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，并需大量冷卻水。應(yīng)用—偶見大型機組，應(yīng)用并不廣泛。第三十五頁，共四十四頁，編