二燃气轮机及其热力循环

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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G

2、T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

3、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 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

4、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（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

5、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

6、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 ： 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

7、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*=1.05bar 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； （

8、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=13450kJ/(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

9、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%（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

10、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 。 第二种技术术：先进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。 燃气轮轮机会由于强烈热辐射会使冷却无能为力，而终终止燃 气初温的增长。 对于降低环境温度 同一地区人类类无能为为力

11、。 地球上的南北极常年处处于低温；人类测类测 出的最低 温度在南极，为为-88（185K），常年平均-55 。 联联合循环环才能实现实现 。 对对于简单简单 循环环 轻轻型燃机GE公司wM6000PC 热热效率最高为为43%； 工业业型先进进燃机热热效率在35%以上。 相对对来说说仍不是很高。 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，

12、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，从而提高循环的热效率 。 回热热循环环的特点 由六个热力过程组成 ： 1-2 压缩过压缩过 程； 2-2 在回热热器中的预热过预热过 程； 2-3 燃烧烧加热过热过 程； 3

13、-4 膨胀胀做功过过程； 4-4 在回热热器中的冷却过过程； 4-1 大气中的放热过热过 程。 未考虑压力损失 q2-2 q4-4 具有较较高的热热效率 吸热热温度增加、放热热温度降低 循环环比功不变变，实际实际 略有减小 流阻增加，涡轮涡轮 膨胀胀功减小(5%10%) 极限回热热 T2*=T4*, T4*=T2* 实际实际 回热热T2*T4*, T4*=T2* 面积积不可能无限大，存在传热传热 温差 回热热不完善 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。 压压比应应小于回热热极限压压比。 极限回热 在回热器中，若燃气被冷却到可能的最

14、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、终态的变

15、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。 例如燃气轮轮机的燃气初温高达12001500 ，排气温度高达 300500 。先进进的蒸汽轮轮机，排汽温度只有几十度，锅锅炉 的排烟温度一般只有160200 。 组组成：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：单轴联单轴联 合循环环；多轴联轴联 合循环环。 用途：发电发电 或热电联产热电联产 。 最高效率：发电时发电时 的联联合循环环系统统ABBGT26-1为为58.5% 举例：双轴联合循环 燃气轮机发出基本功率Neg； 蒸汽轮轮机发发出附加功率Nest ； 总总功率Ne= Neg + Nest 1-2-3-4-1燃气循环环 a-b-c-d-a蒸汽循环环 余热锅炉中存在传热温差 ： Tb*=T5*-Tb*：蒸发发器的 温差，称为为窄点温度，最 适宜的窄点温度20-25； Tc*=T4*-Tc*：过热过热 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