燃气轮机与其热力循环

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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 2012-08,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,2018/11/21,3,1 循环分析的目的和一般方法,分析动力循环的目的在于，评价该循环在热能对机械能的连续转换及能量有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主要因素。, 分析动力循环的一般方法,对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循环，分析其热功转换效果及影响

2、因素。,在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及其产生的原因、大小和改进的办法。,对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分析外，一般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理评估循环的完善性。,2-1 概述,2018/11/21,4,本课程主要讨论相关热力装置的理论循环，重点在于分析热力循环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题。,实际的气体动力循环中，在循环的不同阶段工质成份不同，有时是空气，有时是燃气。,燃气的热物性与空气相近,理论分析中视工质为类同空气的某种定比热容理想气体。, 对实际气体动力循环所作的理想化处理,实际装置的工作循环是开式的，每个

3、工作循环后均将废气排弃，更换新的工质。,理论分析时抽象成闭式循环,燃烧过程视为对工质的加热过程,排气过程视为工质的放热过程,2-2 燃气轮机热力性能指标,性能指标 衡量一台动力装置好坏的标准。 有很多，例如经济性、动力性、可靠性、变工况特性以及排放性能等，需用不同的方法来分析。 主要用热力学方法分析： 反映动力性能好坏的指标，常用比功和功率； 反映经济性好坏的指标，常用热效率、耗油率和热耗率等。,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、温比 *,说明工质被加热的程度。 涡

4、轮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、性能参数,1、比功和功率 比功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wi （又称指示比功、内比功、装置比功）,忽略机械损失 wi = wT - wC kJ/kg 相应的，指示功率、内比功率 ： Ni = Gc wi kW wi和Ni：反映机组循环

5、本身动力性能的好坏。,进入压气机的空气流量，kg/s。,（2）有效比功we,考虑机械损失， 设机械效率为m，则 we = wi m= （wT wC）m kJ/kg 相应的，有效功率： Ne = Gc we kW we和Ne：反映整个机组动力性能的好坏。 二者关系为： Ne = Ni m 比功可表征机组的重量和大小。,2、热效率,燃气轮机输出的有用功与其所耗燃料的热量的比值。 （1）内效率i 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,3、耗油率和热耗率,（1）耗油率 ge 产生单

6、位有效功率时的燃料消耗量，kg/（kWh） 耗油率 ge与有效效率e成反比关系。 燃机效率越高，同功率下所耗燃料量愈少，经济性愈好。,（2）热耗率 qe,产生单位有效功率所耗的燃料热量，kJ/（kWh） 热耗率 qe与有效效率e成反比关系。,4、有用功系数,燃气轮机比功wi与涡轮比功wT的比值，即 该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。 大时， （1）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些； （2）wC/wT比例小，则压气机对机组性能的影响小。 愈大，装置性能愈好。,复习,稳定流动、稳定流动能量方程式 滞止现象、滞止参数,复习内容,1、什么是稳定流动？其条件是什么？ 所谓稳定流动，就是

7、热力系统在任何截面上，工质的一切参数都不随时间而变。 稳定流动的条件： （1）进出口工质的热力状态不随时间而变； （2）进出口工质的流量相等且不随时间而变； （3）系统与外界交换的一切能量不随时间而变。,2、什么是滞止现象？滞止参数？ 滞止现象：当流动工质受到阻碍而使工质流速降为零时所发生的现象。 滞止参数： 通过可逆绝热压缩过程使工质流速降为零时所得到的参数。 滞止焓或总焓 i* 滞止温度或 总温 T*,滞止压力或总压 p*,静参数,滞止参数,稳定流动能量方程式,忽略燃气轮机进出口的位能差 引入滞止焓 对于燃气轮机中的各热力过程都是适用的。,工质吸收的热量,焓差,动能差,位能差,理论轴功,稳

8、定流动 所有工质,2-3 燃气轮机的简单循环,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 一、稳定流动能量方程式在燃气轮机中的应用 任何热机必须依靠工质经过一系列热力过程完成一个循环，才能连续不断地对外做功。 在燃气轮机中，工质要完成压缩、加热、膨胀以及放热等热力过程，必需连续不断地流进和流出设备。 进行热力学分析时，视稳定工作时工质的流动为稳定流动，各能量间相互转化关系服从稳定流动能量方程式。,燃烧室,燃气轮机循环,进气,压气机,泵,排气,涡轮,燃料,1,2,3,4,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

9、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,简单循环,理想简单循环 实际简单循环,讨论影响循环动力性和经济性的因素,利用热力学中的p-v图 和T-s图研究循环,二、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,1、分析热力过程,1-2s 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wcs,q1-2s= 0,理想气体 定比热,2s-3s 燃烧室中的等压加热过程 与外

10、界没有功的交换 w2s-3s= 0 ；,q1,从外界吸收的热量为q1,3s-4s 涡轮中进行可逆绝热膨胀过程 q3s-4s= 0 工质在涡轮中膨胀做功，称为膨胀功wTs,4s-1 大气中的等压放热过程 与外界没有功的交换 w4s-1= 0 ；向外界放出的热量为q2,q1,q2,讨论循环的比功和热效率。,2、理想简单循环的比功ws 循环比功 ws = wTs-wCs= q1- q2 = qs 讨论影响循环比功的因素,= cpT1*(1- *-m)-( *m-1),= f( * , *),影响理想简单循环 循环比功ws的重要因素：压比*和温比* 影响 规律：,w1*,w4*,1*,2*,3*,4*

11、,*,3、理想简单循环的热效率s 循环热效率 s = ws/ q1 = qs/ q1 =1- q2 / q1,= 1- *-m,= f(*),q1,q2,4、理想简单循环的有用功系数 ,= 1- *m/*,= f(*，*),三、实际简单循环,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、T0， 即p1* = p0 、T1* = T0 。,压缩,膨胀,燃烧 加热,放热,1、实际与理想简单循环的区别,分析热力过程： （1）

12、进气过程1-1(进气道、空滤器） 流动阻力,压力降低但总温不变,（2）压缩过程1-2 绝热但存在能损，熵增加,空气 绝热指数,相同压比下，理想压缩过程与实际压缩过程所耗功的比值， 即为,（3）燃烧过程2-3 存在摩擦和热阻力，总压有所降低 燃烧不完全，燃烧效率B1.0 (0.901.0) 实际吸热量降低 q1=q1sB ,（4）膨胀过程3-4 绝热但存在能损，熵增加 膨胀终了的压力大于环境压力，即,燃气 绝热指数,绝热膨胀效率：相同的膨胀比下，实际膨胀过程与理想膨胀过程所作功的比值。,涡轮的实际膨胀比T*,（5）排气过程4-1 （6）工质流量变化（燃烧）,1、实际与理想简单循环的区别 综合分析

13、结果： 由于各种不可逆因素的存在，机组性能变差。 （1）压气机耗功wC增大 、涡轮膨胀功wT减少 ，从而使机组比功wi降低，即： wC =wCs/C* wT =wTsT* wi = wT-wC ws 动力性能变差 （2）工质吸热量q1减少、放热量q2增大，从而使机组热效率i降低，即： q1 =q1sB q2 = cp(T4*- T1*) i = 1-wi/q1 =1- q2/q1 经济性能恶化,2、实际简单循环的比功wi 实际简单循环存在各种能损，偏离了理想循环。 可用两种方法表示这两种能损： (一)相当于加热的多变过程 用多变指数n的大小衡量过程的不可逆程度； 只要确定n值，则wT和wC容易

14、求得。 (二)引入比较直观的参数 压气机绝热压缩效率C*； 涡轮绝热膨胀效率T* 。,实际采用较多,较少采用,燃气轮机比功wi： wi = wT-wC,（工质热力性质）,3、实际简单循环的热效率i,简化处理,不考虑压力损失、物性变化：,4、实际简单循环的有用功系数, = f (*，*，C*，T*),四、影响实际简单循环性能的主要因素 温比*、压比* 、部件效率C* T* B 、压力损失,下面定性分析各种因素对循环性能的影响。,1. 温比*、压比*,为了简化而又使结论不失其一般意义 先不考虑压力损失、物性变化：,简化公式,由简化后的公式可知：,当压比*=1时，比功wi=0、内效率i=0； 当压比

15、*提高时，比功wi 和内效率i都增大； 但当压比提高到所谓极限压比时，压气机耗功等于涡轮膨胀功，比功wi=0、内效率i=0。,最佳压比,两种极端情况之间，必存在使比功达到极大值的最佳压比*wimax 和使热效率达到极大值的最佳压比*imax 。 可对简化公式的*m求一阶偏导数，并令其等于零求得。,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。,温比*和压比*的影响规律, 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*wimax 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*imax附近，使机组热效率最大，把耗油率降低到最低限度。 一般可把压比取在*wimax与*imax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。 即T3* * ，必须*,2、部件效率C*、T*、B的影响,当C*、T*提高时，比功wi 和内效率i都增加； 当B提高时，内效率i