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1、电厂燃气轮机概论,第2章 燃气轮机的热力过程,1,北京市高等教育精品教材立项项目,第2章 热力过程（燃机）,2,燃气轮机简单循环 燃气轮机的复杂循环 航空燃气轮机循环 注蒸汽的燃气轮机循环 燃机热力循环计算方法,3,一、燃气轮机简单循环,压比 温比 比功 单机功率 热效率,燃烧室,进气口,排气,涡轮（透平）,燃料,1,2,4,压气机,燃气轮机发电装置示意图,发电机,电,3,1800-2300K,5,热力系统示意图,6,1-2 等熵压缩（压气机内） 2-3 定压吸热（燃烧室内） 3-4 等熵膨胀（透平内） 4-1 定压放热（排气）,约定： 压气机进口处空气的状态参数，以下标“1”表示； 压气机出
2、口（燃烧室进口）状态，以下标“2”表示； 透平进口（燃烧室出口）状态，以下标“3”表示； 透平的排气状态，以下标“4”表示。,7,压气机出口 = 燃烧室进口 ？ 透平进口 = 燃烧室出口 ？,8,电站燃气轮机循环的主要性能指标 压比 温比 比功 单机功率 热效率,9,1、压比 压气机出口的气体压力P2与进口的气体压力P1之比值，反映工质被压缩的程度。,10,2、温比 温比是指循环最高温度t3*（燃气初温）与最低温度t1*之比值。,11,燃气初温： 在第一级喷嘴后缘平面处的燃气的平均滞止温度,3、比功 比功是指相应于进入燃气轮机的每lkg空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的功。,12,
3、比功反映燃机哪方面信息？ WGT 与 WT 和 WC 的关系？,4、单机功率 燃气轮发电机组的输出电功率PGTG，为主要的性能指标。 标准额定功率 合同额定功率 现场额定功率 尖峰功率,13,单机功率,标准额定功率 是指在IS0工况下，即环境温度15、海平面高度、相对湿度为60、以及燃用天然气的工况下连续运行，发电机出线端的最大持续功率。,14,单机功率,合同额定功率 指在事先确定的运行工况下连续运行，发电机能够保证的出力。,15,单机功率,现场额定功率 指在燃气轮机发电厂所处的当前环境的条件下，诸如大气压、大气温度、压力损失等条件下的最大持续功率。,16,单机功率,尖峰功率 在规定的运行条件
4、下，保持一个约定的短时间内，燃气轮机以高于连续额定功率安全运行的最大功率。,17,5、热效率 当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量转化成为机械功或电功的百分数。 有三种计算方法：,18,19,q : 每1kg空气，加给机组的热量； f : 每1kg空气，加入的燃料量； Hu ：燃料的低热值； Gf ：每秒钟加给机组的燃料量； PGTG：单机输出电功率,20,燃料的热值是指单位燃料在量热计中燃烧后测得的热量数值。由于燃料燃烧产物中的H2O在冷凝的过程中会放出潜热包括在量热计所测的数值中，所以测出的数值称为高热值。这部分潜热在发动机中是无法利用的，因此要将这部分热量从高热值中减去。燃料在气缸中
5、燃烧后发出的有效热量称为低热值。,什么是燃料的低热值？燃料的高热值？,热耗率 机组每输出产生l kWh的功需要多少焦耳的热量。,21,油耗 每产生lkWh的功所消耗的标准燃油（是指发热量为43124kJ/kg的燃油）的克数。,燃气轮机理想简单循环性能分析,22,理想简单循环比功,23,3,2,4,1,T,s,p,p,压气机耗功的计算：,燃气轮机作功量的计算：,此式说明，当温度T3和T1一定时，循环净功决定于增压比。为找出循环净功随增压比变化的关系，通过求wGT的一阶及二阶导数，可以求得最大WGT增压比.,可得： WGT,由：,在循环最高温度T3和最低温度T1一定的情况下，循环增压比对比功的影响
6、,理想简单循环热效率,28,随压比的提高，循环效率可以一直提高的接近1吗？,3,2,4,1,T,s,燃气轮机装置循环的计算内容,吸热量,放热量,压气机耗功,燃气轮机作功,循环净功,循环热效率,得,3,2,4,1,T,s,p,p,由,为循环增压比.,因,定义,则,显然，定压加热燃气轮机循环的热效率完全取决于循环增压比，并随着的增大而增加。,32,实际简单循环性能分析,33,34,压气机和涡轮的效率,对比功的影响，谁更大一些？,目前，压气机和涡轮的效率范围,35,燃烧室的损失主要表现在那两个方面，目前的情况怎样？,不完全燃烧；散热损失,36,37,如何提高燃机的比功和效率？,一般来说，T3每提高1
7、00，机组比功大约增加2040，热效率增加25,大气温度Ta每降低10，机组比功大约增加410，热效率增加12,38,工质流量的差别,为什么涡轮进口燃气的流量比压气机中的空气流量小？,为什么wT不能和wC直接作减法运算？,为什么T3*提高通常会造成效率下降？,回热循环 间冷循环 再热循环,39,二、燃气轮机复杂循环,1、回热循环,40,回热器（R）：Regenerator,41,理想,42,回热循环： 优点：提高热效率 缺点：1、尺寸大，增加维护费用 2、不适用高压比燃机,43,中间冷却器（IC）：Intercooler,2、间冷循环,44,间冷循环： 优点：提高比功 缺点： 1、增加了冷却器
8、设备 2、间冷循环宜选取较高的压比 3、一般只能用一次,3、再热循环,45,46,再热循环： 优点：提高比功 缺点： 1、增加了再热燃烧室设备 2、再热循环宜选取较高的压比 3、一般只能用一次,间冷再热回热循环,21:12:38,47,涡轮喷气发动机循环 涡轮风扇发动机循环 涡轮螺旋桨发动机循环 涡轮轴发动机循环,48,三、航空燃气轮机循环,49,涡轮喷气发动机的飞机,50,涡轮风扇发动机的飞机,51,涡轮螺旋桨发动机的飞机,52,涡喷发动机,53,涡喷发动机,涡喷发动机的工作原理 涡喷发动机的进口与地面燃机的进口： 气流流动有何不同？ 涡喷发动机的热力循环 涡喷发动机可采用何种复杂循环？,5
9、4,55,涡扇发动机,56,涡扇发动机,涡扇与涡喷发动机工作原理的区别 涡扇发动机推进效率高的原因是什么？ 涡扇发动机的热力循环,57,涡桨发动机,涡桨与涡喷、涡扇发动机的主要区别 涡桨发动机的热力循环,58,涡轮轴式,59,涡轮轴式,60,定义 基本情况 热力性能 注蒸汽的燃气轮机,61,四、注蒸汽的燃气轮机循环,将余热锅炉产生的蒸汽回注至燃气轮机中，与燃气混合后进入透平膨胀作功，增大了透平中的工质流量而提高了出力，形成注蒸汽循环，或称双工质循环、程氏（大猷）循环。,62,1、定义：,注蒸汽的位置,63,注蒸汽位置,燃烧室中,压气机出口处,透平中间级,双压余热锅炉,2、注蒸汽循环基本情况,6
10、4,注蒸汽循环机组的排气流量中增加了蒸汽流量，余热锅炉中可回收的热量增加，能产生更多的蒸汽，同时在燃烧室中注入蒸汽后，保持T3不变时燃料量要增加，故机组的功率可增加得更多。计算表明，对图26所示机组，功率比原燃气轮机可增加75左右，高于余热锅炉型联合循环的增加量。至于效率的提高，则与余热锅炉型联合循环的相近，可能达到相对提高4050。,注蒸汽对燃机的影响,目的,降低燃烧过程中产生的NOx量,提高出力（航空增大推力）,典型注蒸汽循环系统示意图,65,余热锅炉注蒸汽循环，不仅使燃气轮机功率显著增加，还由于余热锅炉回收来排气热量，使效率也增加，不同于简单注水或蒸汽的情况。 注蒸汽的燃气轮机，余热锅炉
11、中产生的蒸汽在作功后成为排气的一部分排入大气，难以回收，因而余热锅炉的给水耗量大，使运行费用增加。,66,67,3、注蒸汽循环热力性能,第一种是尽可能地按dmax来确定注汽量，以更多地提高效率和增大功率，因而在调整通流部分以增加面积的同时，一般要提高转子的强度，改动的工作量较大。 第二种是在原有机组的强度允许范围内注入适量的蒸汽，这时只需适当增大透平通流部分的面积。按这种原则改型时，转子部分的结构可保持原状，改型方便，周期较短。当然，改型后机组效率和功率的提高将低于上面一种。 注蒸汽时保持机组功率不变，使燃气初温显著降低，延长机组工作寿命，并可能提高机组效率。,68,4、注蒸汽的燃气轮机,改型
12、的两种考虑原则,考虑因素,透平通流部分的面积,转子的强度,举例：,69,用LM5000三轴燃气轮机改型得到的机组，注蒸汽分为高压和低压两个部分（由双压余热锅炉供给），注汽率分别为7和4.3（注入蒸汽流量与压气机出口空气流量之比），高压蒸汽注入压气机出口和燃烧室中，低压蒸汽注入低压透平中。注蒸汽后机组功率由33210kw增至51520kw，增加55，机组效率由36.4提高到43.2，相对提高18.7。,该LM5000注蒸汽的燃气轮机，在去掉低压蒸汽注入而保留高压蒸汽注入时，功率变为46890kw，效率变为41.7，均低于同时注入低压蒸汽时之值。,缺点： 注入的蒸汽随排气排至大气，现还未解决回收问题，故水耗量大，增加了运行成本； 为防止注入蒸汽所含杂质在高温下对透平叶片的腐蚀，对给水处理的要求很高，实践表明，即使在达到严格要求的条件下，透平叶片的寿命也要缩短，燃气轮机高温燃气通道检修的间隔时间将缩短很多。,70,71,五、燃机热力循环计算方法,72,End,73,
