第二章 燃气轮机及其热力循环2012-08.ppt

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1、 燃气轮机装置与运行燃气轮机装置与运行上海理工大学上海理工大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院2012-082012-08 第二章第二章 燃气轮机及其热力循环燃气轮机及其热力循环2-1 概述概述2-2 燃气轮机热力性能指标燃气轮机热力性能指标 热力参数（压比、温比）；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）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燃气轮机的简单循环2-4 燃气轮机热力循环计算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提高燃气轮机热力性能的途径2024/7/2131 循环分析的目的和一般方法循环分

2、析的目的和一般方法 分分析析动动力力循循环环的的目目的的在在于于，评评价价该该循循环环在在热热能能对对机机械械能能的的连连续续转转换换及及能能量量有有效效利利用用方方面面的的工工作作性性能能，并并探探讨讨影响该循环特性的主要因素。影响该循环特性的主要因素。 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法对对实实际际过过程程加加以以抽抽象象和和概概括括，将将实实际际循循环环简简化化为为理理想想的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素。的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素。在在理理想想可可逆逆循循环环基基础础上上再再考考虑虑实实际际循循环环有有哪哪些些不不可可逆逆损失，及其产生的原因、大小和改进

3、的办法。损失，及其产生的原因、大小和改进的办法。 对对于于实实际际循循环环，从从能能量量的的有有效效利利用用考考虑虑，除除需需要要进进行行热热效效率率分分析析外外，一一般般还还应应当当进进行行熵熵产产或或可可用用能能损损失失方方面面的分析，以便合理评估循环的完善性。的分析，以便合理评估循环的完善性。2-1 概述概述2024/7/214 本本课课程程主主要要讨讨论论相相关关热热力力装装置置的的理理论论循循环环，重重点点在在于于分分析析热热力力循循环环的的能能量量转转换换效效应应，必必要要时时也也会会涉涉及及一一些些实实际循环的问题。际循环的问题。 实实际际的的气气体体动动力力循循环环中中，在在循

4、循环环的的不不同同阶阶段段工工质质成成份份不同，有时是空气，有时是燃气。不同，有时是空气，有时是燃气。 燃气的热物性与空气相近燃气的热物性与空气相近理论分析中视工质为理论分析中视工质为类同空气类同空气的某种定比热容理想气体。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对实际气体动力循环所作的理想化处理 实实际际装装置置的的工工作作循循环环是是开开式式的的，每每个个工工作作循循环环后后均均将废气排弃，更换新的工质。将废气排弃，更换新的工质。 理论分析时抽象成理论分析时抽象成闭式闭式循环循环燃烧过程燃烧过程视为对工质的视为对工质的加热过程加热过程排气过程排气过程视为工质的视为工质的

5、放热过程放热过程2-2 2-2 燃气轮机热力性能指标燃气轮机热力性能指标性能指标性能指标衡量一台动力装置好坏的标准。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。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主要用热力学方法分析：反映反映动力性动力性能好坏的指标，能好坏的指标，常用比功和功率；常用比功和功率；反映反映经济性经济性好坏的指标，好坏的指标，常用常用热效率、耗油率和热耗率等。热效率、耗油率和热耗率等。一、热力参数一、热力参数1 1、压比、压比 *说明工质在压气机

6、内受压缩的程度。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。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：用滞止压力（总压）表示：决定循环性能的重要参数决定循环性能的重要参数2 2、温比、温比 *说明工质被加热的程度。说明工质被加热的程度。涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值涡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：用滞止温度（总温）表示：决定循环性质的最重要参数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。但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。二、性能参数二、性能参数

7、1、比功和功率比功比功w单位质量工质所做的功，单位质量工质所做的功，kJ/kg； wC 压气机的比功，压气机的比功， kJ/kg； wT 涡轮比功，涡轮比功， kJ/kg。功率功率N单位时间内工质所做的功，单位时间内工质所做的功，kW。燃气轮机的比功燃气轮机的比功进入压气机内进入压气机内1kg空气完成空气完成 一一个循环后，对外界输出的有效轴功。个循环后，对外界输出的有效轴功。（1 1）循环比功）循环比功wi （又称（又称指示比功、内比功、装置比功指示比功、内比功、装置比功）忽略机械损失忽略机械损失 wi = wT - wC kJ/kg相应的，相应的，指示功率、内比功率指示功率、内比功率 ：

8、Ni = Gc wi kWwi和和Ni：反映机组循环本身动力性能的好坏。反映机组循环本身动力性能的好坏。进入压气机的空气流量，进入压气机的空气流量，kg/s。（2）有效比功）有效比功we考虑机械损失，考虑机械损失，设机械效率为设机械效率为 m，则，则 we = wi m= （wT wC） m kJ/kg相应的，相应的，有效功率：有效功率： Ne = Gc we kW we和和Ne：反映整个机组动力性能的好坏。：反映整个机组动力性能的好坏。 二者关系为：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。燃气轮机输出的有用功与其所

9、耗燃料的热量的比值。（1）内效率）内效率 i 内比功与热量的比值（装置热效率）内比功与热量的比值（装置热效率）（2）有效效率）有效效率 e有效比功与热量的比值有效比功与热量的比值燃料的低位发燃料的低位发热值，热值，kJ/kg e = i m燃料消耗量燃料消耗量，kg/h燃料流量，燃料流量，kg/s 3、耗油率和热耗率（1）耗油率）耗油率 ge产生单位有效功率时的燃料消耗量，产生单位有效功率时的燃料消耗量，kg/（kW h）耗油率耗油率 ge与有效效率与有效效率 e成反比关系。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。燃机效率越高，同功率下所耗燃料量愈少，经济性愈好。（2）

10、热耗率）热耗率 qe产生单位有效功率所耗的燃料热量，产生单位有效功率所耗的燃料热量，kJ/（kW h）热耗率热耗率 qe与有效效率与有效效率 e成反比关系。成反比关系。 4、有用功系数燃气轮机比功燃气轮机比功wi与涡轮比功与涡轮比功wT的比值，即的比值，即该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。大时，时，（1 1）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些；）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些；（2 2）wC/wT比例小，则压气机对机组性能的影响小。比例小，则压气机对机组性能的影响小。愈大，装置性能愈好。复习复习稳定流动、稳定流动能量方程式滞

11、止现象、滞止参数滞止现象、滞止参数 复习内容复习内容1、什么是稳定流动？其条件是什么？、什么是稳定流动？其条件是什么？ 所谓稳定流动，就是热力系统在任何截面上，工所谓稳定流动，就是热力系统在任何截面上，工质的一切参数都不随时间而变。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？、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滞止现象：当流动工质受到阻碍而使工质流速降工质流速降为零时为零时所发生的现象。所发生的现象。 滞止参数：

12、滞止参数： 通过通过可逆绝热压缩过程可逆绝热压缩过程使工质流速降为零时所得使工质流速降为零时所得到的参数到的参数。 滞止焓或总焓滞止焓或总焓 i* 滞止温度或滞止温度或 总温总温 T* 滞止压力或总压滞止压力或总压 p* 静参数静参数滞止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忽略燃气轮机进出口的位能差引入滞止焓引入滞止焓对于燃气轮机中的各热力过程都是适用的。对于燃气轮机中的各热力过程都是适用的。 工质吸收工质吸收的热量的热量焓差焓差动能差动能差位能差位能差理论轴功理论轴功稳定流动稳定流动所有工质所有工质2-3 燃气轮机的简单循环燃气轮机的简单循环 在工质流动的主要要流程中，只

13、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。燃烧室燃燃气气轮轮机机循循环环进气压气机泵排气 涡轮燃料1234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 简单循环简单循环理想简单

14、循环实际简单循环讨论影响循环动力性和经济性的因素讨论影响循环动力性和经济性的因素 利用利用热力学中的力学中的p-v图和和T-s图研究循研究循环二、理想简单循环假设条件：假设条件： 工质为理想气体；工质为理想气体； 热力过程均是可逆的，无能量损耗；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。工质的比热容和流量不变。组成：组成：2 2个可逆绝热过程个可逆绝热过程 2 2个可逆定压过程个可逆定压过程 1-2s 等等熵压缩 2s-3s 等等压加加热 3s-4s 等等熵膨膨胀 4s- 1 等等压放放热1、分析热力过程、分析热力过程 1-2s 压气机中的可逆绝热压缩过程压气机中的可逆绝热压缩

15、过程压气机消耗的功用来压缩气体，称为压缩功wcsq1-2s= 0理想气体理想气体定比热定比热 2s-3s 燃烧室中的等压加热过程燃烧室中的等压加热过程 与外界没有功的交与外界没有功的交换 w2s-3s= 0 ；q q1 1从外界吸收的从外界吸收的热量量为q q1 1 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 与外界没有功的交与外界没有功的交换 w4s-1= 0 ；向外界放出的外界放出的热量量为q q2 2 q q1 1q q2 2讨论循环的比功和热效率。讨论循环的比功和热效率。 2、理想简单循环的比功、理

16、想简单循环的比功ws循环比功循环比功 ws = wTs-wCs= q1- q2 = qs 讨论影响循环比功的因素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* * 3、理想简单循环的热效率、理想简单循环的热效率 s循环热效率循环热效率 s = ws/ q1 = qs/ q1 =1- q2 / q1 = 1- *-m= f( *)q q1 1q q2 2 4、理想简单循环的有用功系数、理想简单循环的有用功系数 , = 1- *m/*= f(*，*)三

17、、实际简单循环 特点：特点： 热力过程中有各种能量损耗，是不可逆的；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。工质的热力性质和数量因燃烧而变。假定条件（假定条件（为便于与理想循环比较为便于与理想循环比较）：）： 具有相同具有相同的压比的压比 C*和初始温度和初始温度T1* ； 涡轮前燃气初温相同，涡轮前燃气初温相同， T3* = T3s* ； 环境参数均为环境参数均为p0、T0， 即即p1* = p0 、T1* = T0 。 压缩压缩膨胀膨胀燃烧燃烧加热加热放热放热1、实际与理想简单循环的区别分析热力过程：分析热力过程：（1）进气过程）进气过程1-1(进气道、空滤

18、器）进气道、空滤器） 流动阻力流动阻力, ,压力降低但总温不变压力降低但总温不变（2）压缩过程）压缩过程1-2 绝热但存在能损，熵增加绝热但存在能损，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，相同压比下，理想压缩过程与实际压缩过程所耗功的比值， 即为即为（3）燃烧过程）燃烧过程2-3 存在摩擦和热阻力，总压有所降低存在摩擦和热阻力，总压有所降低 燃烧不完全，燃烧效率燃烧不完全，燃烧效率B1.0 (0.901.0) 实际吸热量降低实际吸热量降低 q1=q1sB （4）膨胀过程）膨胀过程3-4 绝热但存在能损，熵增加绝热但存在能损，熵增加 膨胀终了的压力大于环境压力膨

19、胀终了的压力大于环境压力，即，即燃气绝热指数绝热膨胀效率：绝热膨胀效率：相同的膨胀比下，相同的膨胀比下，实际膨胀过程与理想膨胀过程所实际膨胀过程与理想膨胀过程所作功的比值。作功的比值。涡轮的实际膨胀比涡轮的实际膨胀比 T*（5）排气过程）排气过程4-1（6）工质流量变化）工质流量变化（燃烧燃烧） 1、实际与理想简单循环的区别综合分析结果：综合分析结果： 由于各种不可逆因素的存在，机组性能变差。由于各种不可逆因素的存在，机组性能变差。（1）压气机耗功）压气机耗功wC增大增大 、涡轮膨胀功、涡轮膨胀功wT减少减少 ，从而使机组比功，从而使机组比功wi降低，即：降低，即： wC =wCs/C* wT

20、 =wTsT* wi = wT-wC ws 动力性能变差动力性能变差 （2）工质吸热量）工质吸热量q1减少、放热量减少、放热量q2增大，从而使机组热效率增大，从而使机组热效率 i降降低，即：低，即： q1 =q1sB q2 = cp(T4*- T1*) i = 1-wi/q1 =1- q2/q1 经济性能恶化经济性能恶化 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： ( (一一) )相当于加热的多变过程相当于加热的多变过程 用多变指数用多变指数n的大小衡量过程的不可逆程度；的大小衡量过程的不可逆程度； 只要确定只要确定n值，则值，则wT和

21、和wC容易求得。容易求得。 ( (二二) )引入比较直观的参数引入比较直观的参数 压气机绝热压缩效率压气机绝热压缩效率 C*； 涡轮绝热膨胀效率涡轮绝热膨胀效率 T* 。 实际采用较多实际采用较多较少采用较少采用燃气轮机比功燃气轮机比功wi： wi = wT-wC （工质热力性质）（工质热力性质）3、实际简单循环的热效率i 简化处理简化处理不考虑压力损失、物性变化：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。下面定性分

22、析各种因素对循环性能的影响。1.1. 温比温比 * *、压比、压比 * *为了简化而又使结论不失其一般意义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：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：由简化后的公式可知：当压比当压比 * *=1=1时，比功时，比功w wi i=0=0、内效率、内效率 i i=0=0；当压比当压比 * *提高时提高时，比功，比功w wi i 和和内效率内效率 i i都增大；都增大；但当压比但当压比提高到所谓提高到所谓极限压比极限压比时，压气机耗功等于时，压气机耗功等于涡轮膨胀功，涡轮膨胀功，比功比功w wi i=0=0、内效率、内效率 i

23、 i=0=0。 最佳压比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和使热效率达到极大值的最佳压比 * imax 。可对简化公式的可对简化公式的 *m求一阶偏导数，并令其等于零求得。求一阶偏导数，并令其等于零求得。实线实线按计算公式计算绘制，表示比功、内效率随循环主要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；热力参数变化的变化规律；虚线虚线按最佳压比绘制，表示最佳压比随温比的变化规律。按最佳压比绘制，表示最佳压比随温比的变化规律。 温比温比 * *和和压比

24、压比 * *的的影响规律影响规律 发动机压比的选择原则发动机压比的选择原则发动机的重量尺寸是主要矛盾，发动机的重量尺寸是主要矛盾，例如军用机组。例如军用机组。 应把压比选在应把压比选在 *wimax 附近，使比功最大附近，使比功最大，降低空气，降低空气耗量以及有关机组的重量尺寸。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，发动机的经济性是主要矛盾，例如民用发电机组。例如民用发电机组。 应把压比选在应把压比选在 * imax附近，使机组热效率最大附近，使机组热效率最大，把，把耗油率降低到最低限度。耗油率降低到最低限度。一般可把压比取在一般可把压比取在 *wimax与与 * imax之间

25、，之间， 使经济性和重量尺寸都得到一定照顾。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。在提高燃气温度的同时，必须提高压比。 即即 T3* * ，必须必须 *2 2、部件效率、部件效率 C C* *、 T T* *、 B B的影响的影响 当当 C C* *、 T T* *提高时提高时，比功，比功w wi i 和和内效率内效率 i i都增加；都增加； 当当 B B提高时提高时，内效率，内效率 i i增加。增加。3 3、压力损失的影响、压力损失的影响 压力损失由进气道流动阻力、燃烧室流阻和热阻压力损失由进气道流动阻力、燃烧室流阻和热阻以及排气道的流动阻力引起的。以及排气

26、道的流动阻力引起的。 压力损失减小了涡轮膨胀比，使涡轮比功减少，压力损失减小了涡轮膨胀比，使涡轮比功减少，影响了比功和热效率。影响了比功和热效率。 T*= C* ,一般一般 = 0.960.90。2-4 燃气轮机简单循环燃气轮机简单循环 性能的热力计算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热力循环计算的主要步骤一、参数的选取1流量GT和燃料空气比f 二者随燃气轮机工况而变化二者随燃气轮机工况而变化。 GT = GC+

27、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，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）压气机效率 C*一般轴流式压气机一般轴流式压气机 C*=0.830.92 离心式压气机离心式压气机 C*=0.750.85（2）燃烧室效率燃烧室效率 B（3）涡轮效率）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 通常通常 B94%99%； B=100%绘制图绘制图1-6。温升温升 TB*= T3*-T2*（4）机

28、械效率）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。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比热容随温度和工质成分变化变比热容变比热容 复杂精确复杂精确粗算时粗算时可取平均温度下的值或取为定值可取平均温度下的值或取为定值一般一般 m0.970.99一般一般 进气系统的压力损失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排气系统的压力损

29、失 PT = P4*-P0 0.020.08 bar 燃烧室内的压力损失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 选取压比选取压比C* 、进气道压损、进气道压损 PC、压气机效率、压气机效率 C* ； 计算压气机进出口参数（温度、压力）；计算压气机进出口参数（温度、压力）； 计算空气的比热容计算空气的比热容cpc ； 计算压气机实际比功计算压气机实际比功wC。2燃烧过程 选取选取燃气初温燃气初温T T3 3* ，计算燃烧室温升，计算燃烧室

30、温升 TB ； 查取查取理论理论燃料空气比燃料空气比f f（查图（查图1-6）； 选取燃烧效率选取燃烧效率 B，计算计算实际实际燃料空气比燃料空气比f f； 选取燃烧室压力损失选取燃烧室压力损失 PB。3涡轮膨胀过程计算 选取排气道压损选取排气道压损 PT、涡轮效率、涡轮效率 T* ； 计算涡轮出口压力、排气温度；计算涡轮出口压力、排气温度； 计算涡轮膨胀比计算涡轮膨胀比T* ； 计算燃气的比热容计算燃气的比热容cpT、绝热指数、绝热指数kT ； 计算涡轮实际比功计算涡轮实际比功wT。 4循环性能指标的计算计算燃气流量计算燃气流量GT、燃料消耗量、燃料消耗量B；选取机械效率选取机械效率 m；计

31、算循环比功计算循环比功wi 、内功率、内功率Ni ；计算燃气轮机有效功率计算燃气轮机有效功率Ne ；计算机组耗油率计算机组耗油率ge 、热耗率、热耗率qe ；计算机组的内效率计算机组的内效率 i 、有效功率、有效功率 e 。2-5 燃气轮机燃气轮机 热力计算举例热力计算举例循循环环计计算算的的目目的的通通常常是是为为了了了了解解机机器器各各处处的的热热力力参参数数及及总总体体热力特性，或者是为了验证所取参数的合理性。热力特性，或者是为了验证所取参数的合理性。已已知知条条件件：一一般般包包括括环环境境温温度度Ta(或或T1*)和和环环境境压压力力pa(或或p1*)、轴功率轴功率Pgt、压比、压比

32、 及燃气初温及燃气初温T3*等。等。选选取取的的参参数数：压压气气机机的的等等熵熵效效率率 c、透透平平的的等等熵熵效效率率 T、燃燃烧室效率烧室效率 B压压气气机机进进气气道道的的压压损损率率 c 、燃燃烧烧室室的的压压损损率率 B、透透平平排排气气道道的的 压损率压损率 T等。等。 计计算算结结果果：系系统统各各处处的的压压力力、温温度度、流流量量及及整整机机的的耗耗油油（气）率、（气）率、 耗油（气）量、循环热效率等。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。

33、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：作作 业业 习习 题题1压力为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

34、.005 kJ/(kg.K) k=1.4）2已知某燃气轮机装置的参数如下：已知某燃气轮机装置的参数如下： 用滞止参数计算用滞止参数计算 p1*=1.05bar t1*=27 t3*=900 压力保持参数压力保持参数 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（试求（1）画出燃气轮机装置的流程图和其实际循环的）画出燃气轮机装置的流程图和其实际循环的p-v图及图及T-s图；图；（2）确定三

35、大件（）确定三大件（C、B、T）进出口的参数（压力、温度）；）进出口的参数（压力、温度）；（3）求燃料空气比）求燃料空气比f和每小时的耗油量和每小时的耗油量B；（4）有效功率）有效功率Ne、有效效率、有效效率 e、耗油率、耗油率ge及热耗率及热耗率qe。 3某一燃气轮机装置，已知某一燃气轮机装置，已知Ne=21000kW，GC=116kg/s，热耗率，热耗率qe=13450kJ/(kWh)，燃油热值为，燃油热值为Hu=43100kJ/kg。现改烧天然气，其热值为。现改烧天然气，其热值为8000kcaw/Nm3、比重为、比重为rg=0.73kg/Nm3，完全燃烧时所，完全燃烧时所需理论空气量为需

36、理论空气量为G0 =16kg/kg（天然气）。（天然气）。 试求：机组的耗气量试求：机组的耗气量B（Nm3/h）、）、 耗气率耗气率ge（Nm3/ /(kWh) ）、）、 有效效率有效效率 e、过量空气系数、过量空气系数 。2-6 提高燃气轮机装置热力性能的途径对于简单循环对于简单循环 提高提高 减少减少 采用较高的采用较高的 各部件效率各部件效率 C* T* B 压力损失压力损失 ，提高总压保持系数，提高总压保持系数温比*压比*，并按需选择最佳压比，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%

37、92%（压比30）提高循环性能很有限提高循环性能很有限（0.900.96） 温比 * = T3*/T1* 提高提高C* T*，主要取决于压气机和燃气轮机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。叶片间气流通道的设计及加工。提高温比提高温比 * = T3*/T1*从循环特性参数方面来讲，这是提高循环热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。效率的主要方向。表现在两方面表现在两方面: 一方面提高燃气初温一方面提高燃气初温，即透平前温即透平前温T3*； 一方面降低一方面降低T1*，即降低，即降低环境温度T0。对于提高对于提高燃气初温燃气初温依赖两种技术的发展。依赖两种技术的

38、发展。第一种技第一种技术：加：加强强冶金工业耐高温合金技术的发展、加强热处理工艺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，以技术的研究，以提高提高涡轮透平材料的透平材料的耐高温特性。耐高温特性。 t3提高速率目前接近提高速率目前接近 25 /年，年，MS9001FA已达已达1288 。第二种技第二种技术：先：先进的冷却的冷却技术的发展。技术的发展。 新冷却技术，如内冷、薄膜冷却、发散冷却等，冷却新冷却技术，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。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

39、1427 ） ，可进一步节约冷却空气量。燃气燃气轮机会由于机会由于强烈热辐射会使冷却无能为力，强烈热辐射会使冷却无能为力，而而终止止燃燃气初温的增长。气初温的增长。对于降低环境温度对于降低环境温度同一地区人同一地区人类无能无能为力。力。地球上的南北极常年地球上的南北极常年处于低温；人于低温；人类测出的最低温出的最低温度在南极，度在南极，为-88（185K），常年平均），常年平均-55 。联合循合循环才能才能实现。对于于简单循循环 轻型燃机型燃机GE公司公司wM6000PC 热效率最高效率最高为43%； 工工业型先型先进燃机燃机热效率在效率在35%以上。以上。 相相对来来说仍不是很高。仍不是很高

40、。 提高循环热效率的其他途径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温比和压比确定后，进一步提高燃机装置循环热效率必必须改进热力循环须改进热力循环，提高循环性能。，提高循环性能。 1)1)采用回热循环采用回热循环 2)2)燃气燃气- -蒸汽联合循环蒸汽联合循环 3)3)间冷循环（分级压缩中间冷却）间冷循环（分级压缩中间冷却） 4)4)再热循环（分级膨胀中间再热）再热循环（分级膨胀中间再热） 5)5)复杂循环（回热间冷再热）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。循环

41、，都是有效的。 充分利用余热，降低放热量充分利用余热，降低放热量降低压气机压缩功降低压气机压缩功增加涡轮膨胀功增加涡轮膨胀功一、回热循环一、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。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度。循环加热和放热过程的温度变化范围有交叉。化范围有交叉。 利用这个温

42、度交叉，增设回热器，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。度的目的，从而提高循环的热效率。 回回热循循环的特点的特点由六个热力过程组成由六个热力过程组成 ：1-2 压缩过程；程；2-2 在回在回热器中的器中的预热过程；程；2-3 燃燃烧加加热过程；程；3-4 膨膨胀做功做功过程；程；4-4 在回在回热器中的冷却器中的冷却过程；程；4-1 大气中的放大气中的放热过程。程。未考虑压力损失未考虑压力损失q2-2q4-4 具有具有较高的高的热效率效率 吸吸热温

43、度增加、放温度增加、放热温度降低温度降低 循循环比功不比功不变，实际略有减小略有减小 流阻增加，流阻增加，涡轮膨膨胀功减小功减小(5%10%) 极限回极限回热 T2*=T4*, T4*=T2* 实际回回热T2*T4*, T4*=T2* 面面积不可能无限大，存在不可能无限大，存在传热温差温差 回回热不完善不完善 温比一定时，提高压比，回热效温比一定时，提高压比，回热效果变差。果变差。 当压比达到当压比达到回热极限压比回热极限压比时，时，T4*=T2*回热效果变为乌有。回热效果变为乌有。 压比比应小于回小于回热极限极限压比比。极限回热极限回热在回热器中，若燃气被冷却到可能的最低在回热器中，若燃气被

44、冷却到可能的最低温度，压缩空气被预热到可能的最高温度，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。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。传热必须有温差，因此无法实现。回热度回热度回热器中，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热极限值之比代表回热的完善程度，用符号代表回热的完善程度，用符号 表示，即表示，即一般情况下，回热度一般情况下，回热度 =0.50.85最合适。最合适。 太小，效率不高；太小，效率不高； 过大，则回热器重量、体积

45、及流动阻力过大，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。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循环的应用 回热器是一个庞然大物，使整个机组般的笨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。重、成本增加、运行启动复杂。 目前，只在目前，只在大型基本负荷的燃气轮机机组大型基本负荷的燃气轮机机组中中采用。采用。 对回热循环进行能量分析和计算时，要注意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、终态的变化。吸热过程、放热过程初、终态的变化。二、燃气二、燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环思路：思路：利用

46、燃机循环平均吸热温度高和蒸汽动力循环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。平均放热温度低的特点。 例如燃气例如燃气轮机的燃气初温高达机的燃气初温高达12001500 ，排气温度高达，排气温度高达300500 。先。先进的蒸汽的蒸汽轮机，排汽温度只有几十度，机，排汽温度只有几十度，锅炉的炉的排烟温度一般只有排烟温度一般只有160200 。组成：成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机共同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，或将部部分热能，产生蒸

47、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。分发电作功后的乏气再用于供热。形式：形式：单轴联合循合循环；多；多轴联合循合循环。用途：用途：发电或或热电联产。最高效率：最高效率：发电时的的联合循合循环系系统ABBGT26-1为58.5%举例：双轴联合循环举例：双轴联合循环燃气轮机发出基本功率燃气轮机发出基本功率Neg；蒸；蒸汽汽轮机机发出附加功率出附加功率Nest ； 总功率功率Ne= Neg + Nest1-2-3-4-1燃气循燃气循环a-b-c-d-a蒸汽循蒸汽循环余热锅炉中存在传热温差：余热锅炉中存在传热温差： Tb*=T5*-Tb*：蒸蒸发器的器的温差，称温差，称为窄点温度

48、，最窄点温度，最适宜的窄点温度适宜的窄点温度20-25； Tc*=T4*-Tc*：过热器中器中的温差，一般小于的温差，一般小于50 。两个循环的热力参数间的约束条件两个循环的热力参数间的约束条件应满足热平衡方程式：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燃气蒸汽联合循环优点：优点：显著降低机组耗油率显著降低机组耗油率显著提高机组功率显著提高机组功率缺点：缺点：增加了蒸汽回路，使机组大为复杂。增加了蒸汽回路，使机组大为复杂。应用：应用：只适用于地面动力装置。只适用于地面动力装置。20%-30% 三、间冷循环三、间冷循环 简单循环中，压气机耗功约占简单循环中，压气机耗功约占2/3，

49、减少压缩功，提高循环比功。减少压缩功，提高循环比功。 等温压缩耗功最少，但很难实现。等温压缩耗功最少，但很难实现。采用分段冷却、逐级加压方法采用分段冷却、逐级加压方法气体被压缩后温度升高，将其引出气体被压缩后温度升高，将其引出来冷却降温，再对其加压、再冷却来冷却降温，再对其加压、再冷却由此降低压气机耗功。由此降低压气机耗功。在低压压气机在低压压气机wC与高压压气机与高压压气机HC之间增加一个中冷器之间增加一个中冷器IC实现。实现。1-2 低低压压气机中气机中压缩过程；程；2-1 中冷器中的冷却中冷器中的冷却过程；程；1-2高高压压气机中气机中压缩过程。程。T-S图上机上机组的循的循环比功增大比

50、功增大对于多级间冷循环，如何分配压比最佳？对于多级间冷循环，如何分配压比最佳？ 在相同的压气机效率在相同的压气机效率 C*和进气温度和进气温度T1*的前提下，的前提下，最佳压比分配规律最佳压比分配规律： 即各级压比相等，压缩总耗功最少。即各级压比相等，压缩总耗功最少。间冷循环的特点间冷循环的特点采用间冷循环后，可使循环比功采用间冷循环后，可使循环比功wi增大，但压缩增大，但压缩终了温度终了温度T2*会降低，对循环热效率不利。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。只有机组压比较高时，间冷循环的热效率才得益。缺点缺点采用中冷采用中冷器，机组尺寸重量增大，设备系统复杂

51、，器，机组尺寸重量增大，设备系统复杂，并需大量冷却水。并需大量冷却水。应用应用偶见大型机组，应用并不广泛偶见大型机组，应用并不广泛 。 四、再热循环四、再热循环 增大膨胀功增大膨胀功wT，来提高循环比功。，来提高循环比功。 燃气初温受金属材料燃气初温受金属材料 性能的限制性能的限制采用中间再热方法采用中间再热方法气体膨胀后温度降低，将其抽出来进气体膨胀后温度降低，将其抽出来进行补燃加热，使温度升高到行补燃加热，使温度升高到T3* ，再去，再去做功，由此增加涡轮膨胀功。做功，由此增加涡轮膨胀功。在高压涡轮在高压涡轮 HT与低压涡轮与低压涡轮wT之间之间增设一个再热燃烧室增设一个再热燃烧室RB实现

52、。实现。3-4 高高压涡轮中膨中膨胀过程；程；4-3 再再热燃燃烧室的再室的再热过程；程；3-4 低低压涡轮中膨中膨胀过程。程。T-S图上机上机组的循的循环比功增大比功增大对于多级再热循环，如何分配涡轮膨胀比最佳？对于多级再热循环，如何分配涡轮膨胀比最佳？ 最佳膨胀比分配规律最佳膨胀比分配规律： 即各级膨胀比相等，机组比功最大。即各级膨胀比相等，机组比功最大。再热循环的特点再热循环的特点使循环比功使循环比功wi增大增大燃料销量增加，循环吸热量燃料销量增加，循环吸热量q1增大，使循环热效率增大，使循环热效率变化不大。变化不大。采用再热燃烧室采用再热燃烧室，使机组复杂，但比间冷循环的中，使机组复杂

53、，但比间冷循环的中冷器小得多，且不需冷却水。冷器小得多，且不需冷却水。应用应用实际应用较多，但未广泛应用。实际应用较多，但未广泛应用。 原因：原因：RB调节控制调节控制 复杂和低压涡轮复杂和低压涡轮wT高温下工作困难。高温下工作困难。五、复杂循环五、复杂循环回热、间冷、再热回热、间冷、再热特点特点 可显著提高循环比功；可显著提高循环比功； 可增加循环热效率；可增加循环热效率； 可降低油耗率等。可降低油耗率等。缺点缺点 结构复杂，各种损失大，结构复杂，各种损失大， 实际应用比功和效率没有理论上实际应用比功和效率没有理论上那么高；操作复杂，实际没采用那么高；操作复杂，实际没采用过，仅有个别试验机组。过，仅有个别试验机组。Discussion