《燃气轮机及联合循环》第二章燃气轮机的热力循环ppt课件.ppt

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1、2-1 主要参数和性能指标 热力参数（压比、温比） 性能参数（比功和热效率）2-2 理想简单循环的特性2-3 实际简单循环的特性2-4 联合循环燃气轮机的设计压比2-5 复杂循环简介2-6 循环计算,一、热力参数,1、压比 说明工质在压气机内受压缩的程度。压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。 用滞止压力（总压）表示：,决定循环性能的重要参数,2-1 主要参数和性能指标,2、温比 ,说明工质被加热的程度。透平前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值 用滞止温度（总温）表示：,决定循环性质的最重要参数,愈高，性能愈好，但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。,二、性能指标,1、比功和功率比功

2、w单位质量工质所做的功，kJ/kg； wc压气机的比功， kJ/kg； wt 涡轮比功， kJ/kg。功率N单位时间内工质所做的功，kW。燃气轮机的比功进入压气机内1kg空气完成 一个循环后，对外界输出的有效轴功。,（1）循环比功wn（又称比输出、指示比功、内比功、装置比功）,忽略机械损失 wn = wt - wc kJ/kg相应的，指示功率、内比功率 ： Nn = Gc wn kW*比功可表征机组的重量和大小。比功大，说明在同样的燃气轮机尺寸和工质流量情况下，燃机功率大。比功大，说明在同样的功率输出下，燃机功尺寸小，工质流量小。,进入压气机的空气流量，kg/s。,2、热效率,燃气轮机输出的有

3、用功与其所耗燃料的热量的比值。（1）内效率gt 内比功与热量的比值（装置热效率）（2）有效效率e有效比功与热量的比值,燃料的低位发热值，kJ/kg,e = i m,燃料消耗量，kg/h,燃料流量，kg/s,在工质流动的主要流程中，只有压气机、燃烧室和涡轮三大件组成简单循环,2-2 理想简单循环的特性,定压加热理想循环,1-2 等熵压缩（压气机内）,2-3 定压吸热（燃烧室内）,3-4 等熵膨胀（燃气透平内）,4-1 定压放热（排气，假想换热器）,循环增压比,循环增温比,一、理想简单循环,假设条件： 工质为理想气体； 热力过程均是可逆的，无能量损耗； 工质的比热容和流量不变。组成：2个可逆绝热过

4、程 2个可逆定压过程 1-2s 等熵压缩 2s-3s 等压加热 3s-4s 等熵膨胀 4s- 1 等压放热,二、性能参数与压比和温比的关系,1、比功与温比压比的关系,w1*,w4*,1*,2*,3*,4*,*,2、热效率s与温比压比的关系循环热效率 gt = wn/ q1 = qb/ q1 =1- q2 / q1,= 1- *-m,= f(*),2-3 实际简单循环的特性,特点： 热力过程中有各种能量损耗，是不可逆的； 工质的热力性质和数量因燃烧而变。假定条件（为便于与理想循环比较）： 具有相同的压比C*和初始温度T1* ； 涡轮前燃气初温相同， T3* = T3s* ； 环境参数均为p0、T

5、0， 即p1* = p0 、T1* = T0 。,一、实际循环与理想循环的差别,（1）压缩过程和膨胀过程是有损耗，不可逆的,压气机等熵效率：0.8-0.92,透平等熵效率：0.87-0.94,一、实际循环与理想循环的差别,（2）工质流动过程是有压力损失的,压气机进气道压损率：0.01-0.015,燃烧室压损率：0.03-0.06,排气道压损率：0.025-0.07,透平压比与各部分压比及压气机压比关系：,（3）燃烧过程有不完全燃烧损失 燃烧不完全，燃烧效率b1.0 (0.960.99) 实际吸热量降低（4）比热容是随温度变化的，空气和燃气的 等熵指数是不一样的。,（5）压气机进口流量与透平燃气

6、流量是不一样的 燃料有一定的流量 燃气轮机部件需要冷却 轴承密封,一般取0.02-0.03,一般取0.02-0.10,（6）轴承有摩擦产生机械损失,二、实际简单循环性能参数与压比和温比的关系,二、实际简单循环性能参数与压比和温比的关系,二、实际简单循环性能参数与压比和温比的关系,2-4 联合循环燃气轮机的设计压比,一、燃气轮机最佳压比选择 1.航空、机车及调峰燃机，选使比功最大的 2.承担基本负荷的燃气轮机，选使效率最大的二、联合循环中燃机最佳压比选择 1. 和 都要降低 2.温比影响大于压比影响,初温1300左右的燃机，压比选择17左右，两种压比都达到最大,2-4 联合循环燃气轮机的设计压比

7、,2-5 复杂循环简介,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,温比*,压比*,，并按需选择最佳压比,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,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

8、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

9、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,增加涡轮膨胀功,一、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。

10、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,再热循环的特点,若压比温比不变，使循环比功wi增大，循环热效率有所下降。若增加压比，使循环比功wi增大，循环热效率可以提高。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：调节控制 复杂和低压涡轮wT高温下工作困难。,二、中间冷却循环,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

11、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,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。应用偶见大型机组，应用并不广泛 。,三、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

12、，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。T4大于T2 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，从而提高循环的热效率。,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。,q2-2,q4-4,回热循环的特点具有较高的热效率 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

13、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。,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。,四、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。,2-6 循环计算,首先：

14、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、已知条件1环境温度、环境压力、2、轴功率、压比、燃气初温,热力循环计算的主要步骤,二、选取的参数1流量GT和燃料空气比f 二者随燃气轮机工况而变化。 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

15、机 C*=0.830.92 离心式压气机 C*=0.750.85,（2）燃烧室效率b,（3）透平效率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%；,（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,进气系统的压力损失 排气系统的压力损失 燃烧室内的压力损失,4压力损失,5冷却空气流量,二、循环的计算,给定的必要条件：

16、 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 ； 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； 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； 计算吸热量qb。,3透平膨胀过程计算,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T4 * ； 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

17、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 。,燃气轮机 热力计算举例,循环计算的目的通常是为了了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（

18、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， 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：,(不考虑抽汽冷却时),(考虑抽汽冷却时),(不考虑抽汽冷却时),(考虑抽汽冷却时),燃料

19、空气比,(燃料)/kg(空气),比功,空气流量,耗油量,比耗油率,热效率,(4) 整体性能(不考虑抽汽冷却时) ：,考虑抽汽冷却时整体性能会下降,已知某燃气轮机装置的参数如下： 用滞止参数计算 p1*=1.05bar 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。,