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1、燃气轮机原理,第三讲 燃气轮机热力循环,一、燃气轮机的理想简单循环,二、理想简单循环效率的影响因素,四、燃气轮机常见其他热力循环,三、燃气轮机的实际简单循环,第一节 燃气轮机的简单循环,思考题一：何为理想循环？,1、理想气体2、稳定流动3、可逆过程,组成：2个可逆绝热过程 2个可逆定压过程 1-2 等熵压缩 2-3 等压加热 3-4 等熵膨胀 4-1 等压放热,二、理想简单循环,思考题二：简单循环的组成？,1、分析热力过程,1-2 压气机中的可逆绝热压缩过程压气机消耗的功用来压缩气体，称为压缩功WC,理想气体定比热,2-3 燃烧室中的等压加热过程 与外界没有功的交换 W2-3=0；,q1,从外
2、界吸收的热量为q1,3-4 涡轮中进行可逆绝热膨胀过程 q3-4=0 工质在涡轮中膨胀做功，称为膨胀功wT,4s-1 大气中的等压放热过程,q1,q2,第二节 理想简单循环效率的影响因素,思考题二：理想简单循环的比功和热效率如何计算？,理想简单循环的比功、效率与压比、温比的关系,思考题三：比功与压比、温比的关系？热效率与压比、温比的关系？,2、理想简单循环的热效率s循环热效率 s=wt/q1,2、理想简单循环的热效率s循环热效率 s=wt/q1,=1-*-m,=f(*),（1）压比一定时，温比越高，则比功Wn越大；（2）温比一定时，随压比从小到大变化，比功Wn呈先增后减的趋势，而且存在一个使比
3、功最大的最佳压比Wmax；（3）温比是影响最佳压比的唯一因素，温比越高，则最佳压比越大。,（1）燃气轮机的循环效率仅取决于压比，而与温比无关；（2）效率随压比增大而增大。,比功与压比、温比的关系：,热效率与压比、温比的关系：,第三节 燃气轮机的实际简单循环,思考题四：比较理想循环与实际循环的差别？,工况条件的差别(1)实际的压缩和膨胀过程均为有损耗的不可逆过程，不是等熵过程；(2)工质实际流动中存在压力损失，燃烧室和进排气道内的吸热和放热过程并非等压；(3)燃烧室中实际上存在不完全燃烧损失和散热损失；,工况条件的差别(4)实际工质的比定压热容和等熵过程指数随温度、压力等变化，并非理想气体；(5
4、)压气机空气流量与透平燃气流量实际上不相等；(6)实际燃气轮机中存在轴承摩擦等机械损失和传动损失。,实线按计算公式计算绘制，表示比功、内效率随循环主要 热力参数变化的变化规律；虚线按最佳压比绘制，表示最佳压比随温比的变化规律。,比功和效率变化趋势的异同(1)理想循环与实际循环的比功Wn随压比和温比的变化趋势一致，但实际循环的比功相对较小；(2)理想循环效率与温比无关，实际循环的效率 与压比和温比都有关；实际循环的效率随温比的增加而增加；温比一定时，随压比从小到大变化，效率呈先增后减的趋势，而且存在一个使效率最高的最佳压比max；(3)实际燃气轮机的使效率最高的最佳压比max通常大于使比功最大的
5、最佳压比Wmax。,发动机压比的选择原则,发动机的重量尺寸是主要矛盾，例如军用机组。应把压比选在wmax 附近，使比功最大，降低空气耗量以及有关机组的重量尺寸。发动机的经济性是主要矛盾，例如民用发电机组。应把压比选在max附近，使机组热效率最大，把耗油率降低到最低限度。一般，有时可能把压比取在wmax 与max之间，使经济性和重量尺寸都得到一定照顾。,在提高燃气温度的同时，必须提高压比。,部件效率C*、T*、B的影响,当C*、T*提高时，比功We和内效率gt都增加；当B提高时，内效率gt增加。压力损失的影响 压力损失由进气道流动阻力、燃烧室流阻和热阻以及排气道的流动阻力引起的。压力损失减小了涡
6、轮膨胀比，使涡轮比功减少，影响了比功和热效率。T*=C*,一般 总压保持系数=0.960.92。,提高燃气轮机热力性能的途径,对于简单循环 提高 减少 采用较高的,各部件效率C*T*B,压力损失,，提高总压保持系数,温比*,压比*,，并按需选择最佳,C*T*燃机发展初期约85%，压比也小；后稳定在88%水平好长时间；目前达到或接近90%92%（压比30）,提高循环性能很有限,（0.920.96）,温比*=T3*/T1*,提高C*T*，主要取决于压气机和燃气轮机叶片间气流通道的设计及加工。,提高温比*=T3*/T1*,从循环特性参数方面来讲，这是提高循环热效率的主要方向。表现在两方面:一方面提高
7、燃气初温，即透平前温T3*；一方面降低T1*，即降低环境温度T0。,对于提高燃气初温,依赖两种技术的发展。第一种技术：加强冶金工业耐高温合金技术的发展、加强热处理工艺技术的研究，以提高涡轮透平材料的耐高温特性。t3提高速率目前接近 25/年，MS9001FA已达1288。第二种技术：先进的冷却技术的发展。新冷却技术，如内冷、薄膜冷却、发散冷却等，冷却效果提高且冷却空气量大幅度下降。目前发展的蒸汽冷却技术以及耐高温陶瓷材料的应用，使燃气初温大幅度提高（可达1427），可进一步节约冷却空气量。燃气轮机会在16501700 而终止燃气初温的增长。,强烈热辐射会使冷却无能为力,对于降低环境温度,同一地
8、区人类无能为力。地球上的南北极常年处于低温；人类测出的最低温度在南极，为-88（185K），常年平均-55。联合循环才能实现。对于简单循环 轻型燃机GE公司LM6000PC 热效率最高为43%；工业型先进燃机热效率在35%以上。相对来说仍不是很高。,提高循环热效率的其他途径,温比和压比确定后，进一步提高燃机装置循环热效率必须改进热力循环，提高循环性能。1)采用回热循环 2)燃气-蒸汽联合循环 3)间冷循环（分级压缩中间冷却）4)再热循环（分级膨胀中间再热）5)复杂循环（回热间冷再热）这些措施，无论对燃气轮机装置的实际循环，还是理想循环，都是有效的。,充分利用余热，降低放热量,降低压气机压缩功,
9、增加涡轮膨胀功,回热循环间冷循环再热循环其他多种热力循环组合的联合循环,改善措施,第四节 燃气轮机常见其他热力循环,回热循环,思考题五：什么是回热循环？为什么采用回热循环能提高燃气轮机热效率？为什么现实生活中回热循环应用不多?,回热循环,利用燃气轮机排气温度通常总是高于压气机出口温度，增设回热器，进行内部回热，可达到提高循环平均吸热温度和降低循环平均放热温度的目的，从而提高循环的热效率。,回热循环的特点,由六个热力过程组成：1-2 压缩过程；2-2 在回热器中的预热过程；2-3 燃烧加热过程；3-4 膨胀做功过程；4-4 在回热器中的冷却过程；4-1 大气中的放热过程。,未考虑压力损失,q2-
10、2,q4-4,具有较高的热效率 吸热温度增加、放热温度降低 循环比功不变，实际略有减小 流阻增加，涡轮膨胀功减小(5%10%)极限回热 T2*=T4*,T4*=T2*实际回热T2*T2*面积不可能无限大，存在传热温差 回热不完善 温比一定时，提高压比，回热效果变差。当压比达到回热极限压比时，T4*=T2*回热效果变为乌有。压比应小于回热极限压比。,极限回热,在回热器中，若燃气被冷却到可能的最低温度，压缩空气被预热到可能的最高温度，这种回热称为极限回热。对提高装置的内部效率最为有利，但由于传热必须有温差，因此无法实现。,回热度,回热器中，工质实际接收的废热值与理论上能接受的废热极限值之比代表回热
11、的完善程度，用符号 表示，即一般情况下，回热度=0.80.9。回热度太小，效率不高；回热度过大，则回热器重量、体积及流动阻力均增大，而机组比功因流阻增加而降低，循环效率变差。,回热循环的应用,回热器是一个庞然大物，使整个机组般的笨重、成本增加、运行启动复杂。目前，只在大型基本负荷的燃气轮机机组中采用。对回热循环进行能量分析和计算时，要注意吸热过程、放热过程初、终态的变化。,(1)透平排气温度高于压气机出口工质温度时，才能实现回热循环。(2)回热循环可节省燃料热量，提高热效率。(3)回热循环中使比功最大的最佳压比Wmax与简单循环基本相等或略高一些，而使效率最高的最佳压比max则比后者低很多。(
12、4)回热循环的排气温度已经很低，采用余热锅炉型联合循环的必要性不大。(5)回热循环会使机组尺寸和重量增加许多，因此在工程实际中应用不多。,回热循环的特点,间冷循环,思考题五：什么是间冷循环？为什么采用间冷循环能增大比功？,间冷循环,简单循环中，压气机耗功约占2/3，减少压缩功，提高循环比功。等温压缩耗功最少，但很难实现。采用分段冷却、逐级加压方法气体被压缩后温度升高，将其引出来冷却降温，再对其加压、再冷却由此降低压气机耗功。在低压压气机LC与高压压气机HC之间增加一个中冷器IC实现。,1-2 低压压气机中压缩过程；2-1 中冷器中的冷却过程；1-2高压压气机中压缩过程。T-S图上机组的循环比功
13、增大,对于多级间冷循环，如何分配压比最佳？,在相同的压气机效率C*和进气温度T1*的前提下，最佳压比分配规律：即各级压比相等，压缩总耗功最少。,(1)温比一定时，间冷循环可使比功增大，wmax增大，效率随比简单循环平坦，max增大。适当选择较高压比，不仅可以增加比功，也可以提高效率。(2)间冷循环压气机的总压比在分级串联压气机之间按几何平均分配，可获得最大比功。n级间冷压气机的最佳间冷压比为：(3)分级压气机之间须增加间冷器，会增加机组的尺寸和重量，并需大量冷却水。,间冷循环的特点,再热循环,思考题五：什么是再热循环？为什么采用再热循环能增大比功？,再热循环,增大膨胀功WT，来提高循环比功。燃
14、气初温受金属材料性能的限制采用中间再热方法气体膨胀后温度降低，将其抽出来进行补燃加热，使温度升高到T3*，再去做功，由此增加涡轮膨胀功。在高压涡轮 HT与低压涡轮LT之间增设一个再热燃烧室RB实现。,3-4 高压涡轮中膨胀过程；4-3 再热燃烧室的再热过程；3-4 低压涡轮中膨胀过程。T-S图上机组的循环比功增大,对于多级再热循环，如何分配涡轮膨胀比最佳？,最佳膨胀比分配规律：即各级膨胀比相等，机组比功最大。,(1)温比一定时，再热循环可使比功增大；wmax增大，效率随比简单循环平坦，max增大。适当选择较高压比，不仅可以增加比功，也可以提高效率。(2)再热循环的透平总压比在分级串联透平之间按
15、几何平均分配，可获得最大比功。两级串联透平的压比最佳分配为：n级串联透平之间燃气再热，则各透平的压比最佳分配为：(3)再热循环的排气温度较高，需采用回热器来提高热效率，因此适合在余热锅炉型联合循环中使用。(4)分级透平之间空间狭小，再热器布置困难。,再热循环的特点,其他多种热力循环组合的联合循环,必要性：单独的一种热力循环各有优缺点，而几种热力循环结合使用则可扬长避短，达到理想效果。多种热力循环组合的联合循环方式：,间冷再热循环间冷回热循环再热回热循环间冷再热回热循环燃气-蒸汽联合循环,复杂循环,回热、间冷、再热特点 可显著提高循环比功；可增加循环热效率；可降低油耗率等。缺点 结构复杂，各种损
16、失大，实际应用比功和效率没有理论上那么高；操作复杂，实际没采用过，仅有个别试验机组。,燃气蒸汽联合循环原理,利用燃气轮机排气余热在余热锅炉中将水加热变为中温中压的过热蒸汽，将此蒸汽引入汽轮机膨胀作功，这就相当于一台在 很高而 很低热源之间工作的热机，其循环效率必定较高。燃气和蒸汽的组合方式不同,联合循环可分为:余热锅炉型、排气补燃型、增压燃烧锅炉型和加热锅炉给水型,思路：利用燃机循环平均吸热温度高和蒸汽动力循环平均放热温度低的特点。例如燃气轮机的燃气初温高达12001500，排气温度高达300500。先进的蒸汽轮机，排汽温度只有几十度，锅炉的排烟温度一般只有160200。组成：燃气轮机及发电机
17、与余热锅炉、蒸汽轮机共同组成的循环系统，它利用余热锅炉回收燃机排气的部分热能，产生蒸汽以推动蒸汽轮机发电，或将部分发电作功后的乏气再用于供热。形式：单轴联合循环；多轴联合循环。用途：发电或热电联产。最高效率：发电时的联合循环系统ABBGT26-1为58.5%,余热锅炉型燃气蒸汽联合循环的热力过程,余热锅炉型燃气蒸汽联合循环的热力过程,余热锅炉型联合循环将燃气轮机布莱敦（Braylon）循环和汽轮机朗肯（Rankine）循环组合在一起，燃气轮机循环称为顶部循环或前置循环，把朗肯循环称为底部循环或后置循环。燃气轮机排放给大气的热量可用面积14sS4S1表示。当采用燃气蒸汽联合循环后，燃气轮机排放给
18、大气的热量就减少了相当于汽轮机热力过程所包围的那一块面积abcdea所表示的热量。毫无疑问，联合循环的效率将显著提高。联合循环中汽轮机输出功率约为燃气轮机功率的3050；联合循环的效率要比其中的燃气轮机效率高3050。朗肯循环的最高温度即蒸汽初温TS（图中d点）取决于燃气轮机的排气温度，两者的温差为TS。图中是余热锅炉排烟的温度。,余热锅炉型燃气蒸汽联合循环的主要性能指标,燃气蒸汽联合循环的热力参数除了原有的燃气轮机的温比、压比和汽轮机的蒸汽温度、压力、冷却水温或凝汽器真空度之外，还有如下一些常用的参数。1.燃气蒸汽联合循环的功率 联合循环由燃气轮机循环与朗肯循环所组成，故联合循环功率Pcc为燃气、蒸汽两部分净功率之和。式中扣除了燃气、蒸汽部分所有辅机所耗功率Paux。2.燃气蒸汽联合循环的比功3.燃气蒸汽联合循环的效率,燃气蒸汽联合循环,优点：显著降低机组耗油率显著提高机组功率缺点：增加了蒸汽回路，使机组大为复杂。应用：只适用于地面动力装置。,20%-30%,
