燃气轮机4

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1、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,分析第一条： B=0.940.99,燃机发展初期C T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,（0.900.96）, 温比 = T3*/T1* 主要途径,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T3* ； 一方面降低T1*，即降低环境

2、温度Ta。,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1500 ） ，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,同一地区人类无能为力。 地球上的南北极常年处于低

3、温；人类测出的最低温度在南极，为-88（185K），常年平均-55 。 依靠联合循环才能实现。 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）复杂循环 间冷循环（分级压缩中间冷却） 再热循环（分级膨胀中间再热） 4）新的热力循环 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,增加透平膨胀功,2-3

4、燃气轮机的回热循环,在简单循环三大件基础上增加一个回热器R，利用燃气轮机的高温排气来加热压气机出口的空气，提高进入燃烧室的温度。这样的循环称为回热循环。,回热循环燃气轮机,回热循环的组成,由六个热力过程组成 ： 1-2 压缩过程； 2-2a 在回热器中的预热过程； 2a-3 燃烧加热过程； 3-4 膨胀做功过程； 4-4a 在回热器中的冷却过程； 4a-1 大气中的放热过程。,理想回热,实际回热,一、理想回热循环,特点： 压比不变时，温比愈高，效率tR愈高。 T4*-T2*愈大，回收热量多。 温比一定时，提高压比 ，回热效果变差。 当达到临界压比 1/2m时，T4*=T2*回热效果变为乌有。应

5、小于临界压比。 循环比功不变。,（1）加装回热器R后，不引起压力损失； （2）回热极为有效，传热没有温差，即 T2a*=T4*, T4a*=T2*,二、实际回热循环,特点： 循环比功减小。流阻增加约4% 8%，透平膨胀功减小(5%10%) ，但随压比和温比的变化情况仍与简单循环相似。 效率随增加而提高，出现了max。 但回热循环的max大为下降，趋近于wmax。 其次仍有临界压比。数值低于相同下简单循环的max。 可见回热循环燃气轮机宜取较低的压比。,（1）引起压力损失，加大了p2和p4 ； （2）有限回热 T2a*T4*, T4a*=T2*。,回热度 表示回热的有效程度：,实线=0.75 虚

6、线 =0,回热度对效率的影响,e随回热度增大而提高，max有所下降。 不同的e变化曲线，随着增大而最终相汇合在一起，该汇合处的压比即临界压比。 一般回热度为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。,t3*=1040,回热循环的应用,目前在电站、输气管线等实际应用并不很多。 首先是回热器的体积和尺寸较大，运行中回热器常需清洗使维护费用增加。 其次是简单循环燃气轮机发展迅速，机组效率已达到3642.9的高水平。 第三是联合循环的迅速发展，使能源利用率达到更高水平。 分布式供电中，采用回热循环的微型燃气轮机（数十k

7、W至数百kW以下的）已占一定比例； 非轨道车辆（汽车和战车等）燃气轮机须用回热循环，提高效率，与内燃机（柴油机）竞争。,车辆燃气轮机,轨道车辆：主要是机车（未成功） 非轨道车辆：汽车和战车等 回热循环的燃气轮机必须应用紧凑高效的回热器 板式回热器：一般均采用 再生式回热器：漏气量大，使用少,战车用（坦克）,AGT1500 回热循环3/L型,回热，分轴2/L型,2-5 燃气轮机的复杂循环,间冷循环（分级压缩中间冷却） 再热循环（分级膨胀中间再热） 回热间冷再热循环,一、间冷循环,简单循环中，压气机耗功约占2/3 减少压缩功， 以提高循环比功。 等温压缩耗功最少，但很难实现。 采用分段冷却、逐级加

8、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。,1-21 低压压气机中压缩过程； 21-11 中冷器中的冷却过程； 11-2高压压气机中压缩过程。 T-s 图上机组的循环比功增大,T11*= T1* 无压力损失,T11* T1* 存在压力损失,理想间冷循环，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。,一次间冷：理想,一次间冷：实际,p2*,实际间冷循环性能,比功增加较多，且wmax亦高了一些； 效率随压比的变化曲

9、线要平坦些，max高很多，在高的压比范围效率高于简单循环的。 可见，间冷循环宜选取较高压比。,间冷循环的特点,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 。 实用中一般只用一次间冷，仅个别用两次。,二、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； 4-5 再热燃烧室的再热过程； 5-6 低压涡轮中膨胀

10、过程。 T-s图上机组的循环比功增大,实际 T5*= 或T3* 压力损失 不完全燃烧,理想 T5*=T3* 完全燃烧 无压力损失,对于理想再热循环，如何分配透平膨胀比最佳？,最佳膨胀比分配规律： 一次再热 多次再热 即各级膨胀比相等，机组比功最大。,理论上，再热次数无穷多时，膨胀过程变为等温膨胀，膨胀功达到最大，循环比功增加最多。,其中， n为膨胀段数， n-1再热次数。,实际再热循环的性能,为使比功增加多且效率较高， 相同温比下，再热循环宜选取较高的压比。,再热循环的特点,循环比功wn增加更多，但燃料耗量增加，循环吸热量q1增大，使循环热效率稍有增加，但变化不大。 采用再热燃烧室，使机组复杂

11、，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LT高温下工作困难。 实用时只用一次再热，一般取T5*=T3*。 但在T3*很高时，可取T5* T3*。,三、间冷再热循环,比功不仅增加更多， wmax提高也多些 在高压比范围，效率提高可能也要多些，且max高得更多。,间冷再热循环图 间冷再热循环的双轴燃气轮机,四、回热的复杂循环,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。,间冷回

12、热ICR循环,三轴燃气轮机，3/L型 功率25240kW，效率43% 50%负荷时效率为41.3%(ISO条件),几种循环的效率比较,多次间冷再热循环,2-5 闭式气轮机循环,当工质与外界隔绝而被循环使用，就形成闭式循环。 工质气体经压气机压缩后，不能用燃烧室来直接加热，而是进入气体锅炉或加热器来间接加热，然后进入透平做功，经透平中胀做功后的排气还需用冷却器冷却后重新回到压气机。 为了提高循环的效率，闭式循环往往采用回热。,优点：四点（自学） 缺点：气体锅炉庞大昂贵 应用：至今应用很少，发展处于停滞状态。,图2-31 闭式循环燃气轮机,应用核能的燃气轮机,2-7 燃气-蒸汽联合循环,联合循环

13、由不同工质的热力循环组成的联合工作系统，且在这些循环之间存在着能量交换，以谋求更优的性能，是总能系统的一种常见形式。 按具体需要由燃气轮机、换热器、蒸汽发生器、锅炉、汽轮机或其它热机、化工设备等组成。 燃气-蒸汽联合循环： 由燃气轮机与汽轮机结合而成，简称联合循环。,一、燃气-蒸汽联合循环的基本类型,五种型式： 1余热锅炉型 2排气补燃型 3增压燃烧锅炉型 4加热锅炉给水型 5并联锅炉型等 特点及应用：自学,烟道补燃器 排气助燃器,1,2,3,4,5,广泛应用,三、燃气-蒸汽联合循环的热力性能,（a）余热锅炉型 （b）排气补燃型,蒸汽初温Td取决于排气温度T4* Td不受T4*限制,增压燃烧锅

14、炉型与加热锅炉给水型： Td由朗肯循环自身取定，与燃机排气温度无关。 循环与图2-39b相似，只是无T4a*这一工况点。,热力性能指标：,联合循环功率：燃气-蒸汽两部分输出净功率之和 联合循环比功：以燃气轮机压气机进口的单位空气流量q为基准折算的总功率 联合循环热效率：,三、注蒸汽的联合循环,把蒸汽注入燃气轮机中，与燃气混合后在燃气透平中做功所形成的。 又称双工质（或双流体）循环、程（大猷）氏循环、接触式燃气-蒸汽联合循环等。 没有汽轮机 特点用余热锅炉产生蒸汽来注汽，使功率和效率都明显地提高。 优缺点：自学,2-8 新的热力循环,1、卡林那（Kalina)循环 以非共沸的氨/水混合物作工质，

15、其蒸发过程是升温过程，冷凝过程为降温过程。 热效率可比一般朗肯循环高25左右。,2湿空气透平（HAT）循环,用燃气与水汽的混合工质在透平中做功的循环。 用饱和器来形成混合工质 HAT循环尚处于理论研究和方案分析阶段。,3化学回热燃气轮机（CRGT）循环,利用燃气轮机排气热量，使加入的燃料发生化学反应生成另外组分的次生燃料，再进入燃烧室中燃用。,效率达60，效果很好。,4燃料电池联合循环,用大功率范围的电池有三种： 磷酸燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） PAFC较为成熟，已投运的PAFC电站中功率最大的是11MW，这也是迄今世界上最大的燃料电池电站。,SOFC组成的联合循环方案 发电效率可达到70,