第二章 燃气轮机及其热力循环2012-08

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,2018/6/28,3,1 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,2018/6/28,4,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 kWwi和Ni：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，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*,*,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）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*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增加。3、压力损失的影响 压力损失由进气道流动阻力、燃烧室流阻和热阻以及排气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，影响了比功和热效率。 T*= C* ,一般 = 0.960.90。,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GT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 。,2-5 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；（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：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1427 ） ，可进一步节约冷却空气量。燃气轮机会由于强烈热辐射会使冷却无能为力，而终止燃气初温的增长。,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温；人类测出的最低温度在南极，为-88（185K），常年平均-55 。联合循环才能实现。对于简单循环 轻型燃机GE公司wM6000PC 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)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，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。,回热循环的特点,由六个热力过程组成 ：1-2 压缩过程；2-2 在回热器中的预热过程；2-3 燃烧加热过程；3-4 膨胀做功过程；4-4 在回热器中的冷却过程；4-1 大气中的放热过程。,未考虑压力损失,q2-2,q4-4,具有较高的热效率 吸热温度增加、放热温度降低 循环比功不变，实际略有减小 流阻增加，涡轮膨胀功减小(5%10%) 极限回热 T2*=T4*, T4*=T2* 实际回热T2*T4*, T4*=T2* 面积不可能无限大，存在传热温差 回热不完善 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。 压比应小于回热极限压比。,极限回热,在回热器中，若燃气被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，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。 例如燃气轮机的燃气初温高达12001500 ，排气温度高达300500 。先进的蒸汽轮机，排汽温度只有几十度，锅炉的排烟温度一般只有160200 。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：单轴联合循环；多轴联合循环。用途：发电或热电联产。最高效率：发电时的联合循环系统ABBGT26-1为58.5%,举例：双轴联合循环,燃气轮机发出基本功率Neg；蒸汽轮机发出附加功率Nest ； 总功率Ne= Neg + Nest,1-2-3-4-1燃气循环a-b-c-d-a蒸汽循环,余热锅炉中存在传热温差：Tb*=T5*-Tb*：蒸发器的温差，称为窄点温度，最适宜的窄点温度20-2