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1、燃气轮机装置与运行,上海理工大学能源与动力工程学院2011-02,第二章 燃气轮机及其热力循环,2-1 概述2-2 燃气轮机热力性能指标 热力参数（压比、温比）；性能参数（比功和功率、热效率、耗油率和热耗率等）2-3 燃气轮机的简单循环2-4 燃气轮机热力循环计算2-5 提高燃气轮机热力性能的途径,2-4 燃气轮机简单循环 性能的热力计算,首先：根据给定的燃气轮机工作过程参数和各部件效率，计算燃气轮机各截面的气体参数和性能参数；然后：根据所要达到的燃气轮机功率来确定空气流量，或者根据给定的空气流量来计算燃气轮机的功率。,热力循环计算的主要步骤,一、参数的选取1流量GT和燃料空气比f 二者随燃气
2、轮机工况而变化。GT=GC+Gf-G=GC(1+f-G/GC)kg/s 式中 f=Gf/GC，一般为0.0070.02；G 气封漏气和冷却用空气量，kg/s；G/GC 0.020.05。,2各部件效率,（1）压气机效率C*一般轴流式压气机 C*=0.830.92 离心式压气机 C*=0.750.85,（2）燃烧室效率B,（3）涡轮效率T*一般，轴流式涡轮 T*=0.850.93 径流向心式涡轮 T*=0.700.88,通常B94%99%；B=100%绘制图1-6。温升TB*=T3*-T2*,（4）机械效率m,燃气轮机轴承摩擦等机械损失及驱动附属设备所消耗的功率，用机械效率来考虑。3比热容Cp和
3、绝热指数kT随燃料的品种、燃料空气比和燃烧工况等不同而变化比热容随温度和工质成分变化变比热容 复杂精确粗算时可取平均温度下的值或取为定值,一般 m0.970.99,一般 进气系统的压力损失 PC=P0-P1*0.010.03 bar 排气系统的压力损失 PT=P4*-P0 0.020.08 bar 燃烧室内的压力损失 PB=P2*-P3*=（0.02 0.08）P2*,4压力损失P,二、循环的计算,给定的必要条件：大气条件、机组功率或空气流量、燃气初温、燃料热值、耗油率等。1压缩过程计算 选取压比C*、进气道压损PC、压气机效率 C*；计算压气机进出口参数（温度、压力）；计算空气的比热容cpc
4、；计算压气机实际比功wC。,2燃烧过程,选取燃气初温T3*，计算燃烧室温升TB；查取理论燃料空气比f（查图1-6）；选取燃烧效率 B，计算实际燃料空气比f；选取燃烧室压力损失PB。,3涡轮膨胀过程计算,选取排气道压损PT、涡轮效率 T*；计算涡轮出口压力、排气温度；计算涡轮膨胀比T*；计算燃气的比热容cpT、绝热指数kT；计算涡轮实际比功wT。,4循环性能指标的计算,计算燃气流量GT、燃料消耗量B；选取机械效率 m；计算循环比功wi、内功率Ni；计算燃气轮机有效功率Ne；计算机组耗油率ge、热耗率qe；计算机组的内效率i、有效功率e。,1-5 燃气轮机 热力计算举例,循环计算的目的通常是为了了
5、解机器各处的热力参数及总体热力特性，或者是为了验证所取参数的合理性。已知条件：一般包括环境温度Ta(或T1*)和环境压力pa(或p1*)、轴功率Pgt、压比及燃气初温T3*等。选取的参数：压气机的等熵效率c、透平的等熵效率T、燃烧室效率B压气机进气道的压损率c、燃烧室的压损率B、透平排气道的 压损率T等。计算结果：系统各处的压力、温度、流量及整机的耗油（气）率、耗油（气）量、循环热效率等。,例 现拟定按简单燃气轮机循环方案，其轴功率Pgt=270MW，大气条件为Ta=288K、pa=0.1013MPa，试进行循环计算。计算时取c=0.88，T=0.90，B=0.98，c=0.02，B=0.03
6、，T=0.03，=17，T3*=1623K，燃料热值Hu=43124kJ/kg。解 取 cpa=1.005kJ/(kg.K)，ka=1.4 cpg=1.156kJ/(kg.K)，kg=1.33(1)压缩过程：,(2)燃烧过程：,(3)膨胀过程：,燃料空气比,(燃料)/kg(空气),比功(不考虑抽汽冷却时),空气流量,耗油量,比耗油率,热效率,(4)整体性能：,作 业 习 题,1压力为1bar、温度为15的空气，以200 m/s的速度流动。试求：当空气完全滞止时的焓、温度和压力。（已知cp=1.005 kJ/(kg.K)k=1.4）,2已知某燃气轮机装置的参数如下：用滞止参数计算 p1*=1.0
7、5bar t1*=27 t3*=900 压力保持参数C=B=T=0.98 c*=0.85 T*=0.90 B=0.98 m=0.98 cpc=1.005kJ/(kg.K)cpT=1.147kJ/(kg.K)kc=1.4 kT=1.33 c=9 GCGT=40kg/s Hu=43100kJ/kg试求（1）画出燃气轮机装置的流程图和其实际循环的p-v图及T-s图；（2）确定三大件（C、B、T）进出口的参数（压力、温度）；（3）求燃料空气比f和每小时的耗油量B；（4）有效功率Ne、有效效率e、耗油率ge及热耗率qe。,3某一燃气轮机装置，已知Ne=21000kW，GC=116kg/s，热耗率qe=1
8、3450kJ/(kWh)，燃油热值为Hu=43100kJ/kg。现改烧天然气，其热值为8000kcaw/Nm3、比重为rg=0.73kg/Nm3，完全燃烧时所需理论空气量为G0=16kg/kg（天然气）。试求：机组的耗气量B（Nm3/h）、耗气率ge（Nm3/(kWh)）、有效效率 e、过量空气系数。,2-6 提高燃气轮机装置热力性能的途径,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*,，并按需选择最佳压比,分析第一条：B=0.940.99,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%
9、（压比30）,提高循环性能很有限,（0.900.96）,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
10、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。燃气轮机会由于强烈热辐射会使冷却无能为力，而终止燃气初温的增长。,对于降低环境温度,同一地区人类无能为力。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wM6000PC 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
11、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,增加涡轮膨胀功,一、回热循环,在简单循环三大件基础上增加一个热交换器（即回热器），利用涡轮的排气来加热进入燃烧室的空气，这样的循环称为回热循环。,分析实际循环，注意到燃气轮机排气温度通常总是高于压气机出口温度。循环加热和放热过程的温度变化范围有交叉。利用这个温度交叉，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
12、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,q2-2,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*T4*,T4*=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
13、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的完善程度，用符号表示，即一般情况下，回热度=0.50.85最合适。太小，效率不高；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
14、变化。,二、燃气-蒸汽联合循环,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%,举例：双轴联合循环,燃气轮机发出基本功率Neg；蒸汽轮机发出附加功率Nest
15、；总功率Ne=Neg+Nest,1-2-3-4-1燃气循环a-b-c-d-a蒸汽循环,余热锅炉中存在传热温差：Tb*=T5*-Tb*：蒸发器的温差，称为窄点温度，最适宜的窄点温度20-25；Tc*=T4*-Tc*：过热器中的温差，一般小于50。,两个循环的热力参数间的约束条件应满足热平衡方程式：,蒸汽吸热量排气放热量,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%,三、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
16、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wC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。,间冷循环的特点,采用间冷循环后，可使循环比功wi增大，但压缩终了温度T2*会降低，对循环热效率不利。只有机组压比较高时，间冷循环的热效率才得益。缺点采用中冷器，机组尺寸重量增大，设备系统复杂，并需大量冷却水。应用
17、偶见大型机组，应用并不广泛。,四、再热循环,增大膨胀功wT，来提高循环比功。燃气初温受金属材料 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wT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。,再热循环的特点,使循环比功wi增大燃料消量增加，循环吸热量q1增大，使循环热效率变化不大。采用再热燃烧室，使机组复杂，但比间冷循环的中冷器小得多，且不需冷却水。应用实际应用较多，但未广泛应用。原因：RB调节控制 复杂和低压涡轮wT高温下工作困难。,五、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。,Discussion,
