第2章 燃气轮机循环理论基础.doc

第2章 燃气轮机循环理论基础2.1 燃气轮机循环概述与汽轮机装置的循环相比，燃气轮机装置的循环颇具多样性和复杂性。下面逐次展开作一个简要的介绍。2.1.1 燃气轮机的理想循环与实际循环单轴燃气轮机简单循环的示意图与温熵图见图2.1理想循环是指构成燃气轮机循环的四个过程都是可逆的，即：压气机的压缩过程是等熵（绝热无损，熵流与熵产都等于零的）压缩过程，燃烧室的燃烧过程是等压（无流动损失，无散热和燃烧损失的）燃烧过程，透平的膨胀过程是等熵（绝热无损，熵流与熵产都等于零的）膨胀过程，排气的放热过程是等压（无流动损失的）放热过程。实际循环是指构成燃气轮机循环的四个过程都是不可逆的实际过程，即：压气机的压缩过程是不等熵（绝热有损，熵流等于零而熵产不等于零的）压缩过程，燃烧室的燃烧过程是不等压（燃烧室有流动损失，流体流经燃烧室时滞止压力有所降低的）燃烧过程，透平的膨胀过程是不等熵（不绝热(对透平的高温部件进行冷却所致)有损，熵流与熵产都不等于零的）膨胀过程，排气的放热过程是不等压（排气管道有流动损失,流体流经排气管道时滞止压力有所降低的）放热过程。对于理想过程各计算点的参数计算，有热力学与流体力学中的公式可以使用。对于实际过程，常常是使用损失模型对理想过程的计算结果加以修正，来获得实际过程各计算点的参数，进而获得实际循环的计算结果。损失模型是通过实验和生产实际中总结出的经验数据与公式得到的，这一点在下面的讲课过程中会处处遇到。而且，在对燃气轮机循环进行定性分析时，使用理想循环的模型会使得分析得以简化。单轴燃气轮机简单理想循环的图和图参见图2.2。在图2.2(a)中，不计压气机进气管道的流动损失，大气压和压气机第一级入口的滞止压力相等，即=，空气在压气机中等熵压缩，压气机出口空气总压为，滞止温度为，之后，空气进入燃烧室与加入燃烧室的燃料进行无燃烧损失和散热损失的定压燃烧，不计燃烧室中的流动损失，则在燃烧室出口，燃气的滞止压力与压气机出口的滞止压力相等，即=，而滞止温度为，然后，燃气进入透平等熵膨胀作功，膨胀到大气压，不计透平排气管道的流动损失，则在透平出口，滞止压力=(=)，滞止温度为，排入大气的燃气在大气压力下，定压放热，温度最终降到(=)。这就是单轴燃气轮机简单理想循环的工作过程。相应的图如图2.2(b)。 单轴燃气轮机简单实际循环的图和图参见图2.3。在单轴燃气轮机简单实际循环中，大气压力为, 温度为（图2.2(a)的点0）；空气流经空气滤清设备和压气机的进口管道，滞止压力由降为，滞止温度保持不变，=（图2.2(a)的点1）；之后，空气在压气机里经过压缩，在压气机出口，压力达到，温度为，因为压气机的实际压缩过程存在损失，有熵产产生，造成熵增，所以(图2.2(a)的点2）；再之后，经过压缩的空气进入燃烧室和加入燃烧室的燃料进行燃烧，在燃烧室的出口燃气的温度为，由于燃烧室中存在流动损失，所以在燃烧室出口，燃气的滞止压力比压气机出口滞止压力有所降低（图2.2(a)的点3）；然后，燃气进入透平膨胀作功，在透平出口，燃气的滞止压力为，滞止温度为（图2.2(a)的点4），因为燃气从透平出口还要流经排气管道才能排入大气，而流经排气管道是有流动损失的，所以略高于，因为透平的实际膨胀过程存在损失，有熵产产生，造成熵增，所以；最后，排入大气的燃气在大气压力下，向大气散热，5点是排气管道出口，=，=。上面所述的实际循环路径在图（图2.2(a)上表示为。在图（图2.2(b)）上相应地也是。要强调的是，在我们通常使用的燃气轮机温熵图上的循环标识是以图2.1(a)的理想循环和与其相应的图2.2(a)的理想循环0为基础的实际循环，是只考虑了压气机损失和透平损失，而没有考虑压气机的空气滤清设备和压气机进气管道的流动损失、燃烧室的流动损失和透平排气管道的流动损失。图2.2(a)上的实际循环是以该图上的准理想循环为基础的实际循环，显然，这个实际循环考虑了压气机的空气滤清设备和压气机进气管道的流动损失、压气机损失和透平损失，而没有考虑燃烧室的流动损失和透平排气管道的流动损失。因此，我们要熟知，考虑了哪些损失，没有考虑哪些损失的燃气轮机循环在图和图上的相应表示方法，并在相应的分析与计算中做相应的处理。2.1.2 燃气轮机的简单循环与复杂循环上面介绍燃气轮机的理想循环与实际循环的概念时,使用的是单轴燃气轮机简单循环。所谓简单循环，就是指燃气轮机只由一个压气机，一个燃烧室和一个透平构成。为了提高和改进燃气轮机的性能（比如提高燃气轮机的效率或增大燃气轮机的比功），常常要对燃气轮机的构成做一些变化，这就形成了燃气轮机的复杂循环。下面对燃气轮机的复杂循环作一个简单的介绍。2.1.2.1 燃气轮机回热循环这是为了提高燃气轮机的效率而采用的一种复杂循环。与简单循环相比较，回热循环多了一个回热换热器(简称回热器)。透平的排气在回热换热器中加热压气机出口的空气，使空气以高于压气机出口空气温度的温度进入燃烧室，在T3*不变时减少了燃料量，而且提高了吸热过程的平均吸热温度，同时透平的排气在回热换热器中降低了温度，然后以低于透平出口燃气温度的温度在大气中放热，从而降低了放热过程的平均放热温度，这样就使得循环中的吸热与放热这两个换热过程的换热温差都减小了，这些因素使得燃气轮机循环效率得以提高。回热循环的示意图见图2.4。2.1.2.2 燃气轮机间冷循环这首先是为了加大燃气轮机的比功而采用的一种复杂循环。与简单循环相比，间冷循环是把压气机分成两段，在两段压气机之间加装一个冷却器，把第一段压气机出口的空气冷却后再送入第二段压气机继续压缩。对于第二段压气机来讲，有了中间冷却器之后的进口空气温度低于没有中间冷却器时的空气进口温度，所以第二段压气机的耗功减小，从而减小了整个压气机的耗功。压气机进口空气温度降低而导致压气机耗功减少的理论分析式为。在透平功量不变的条件下，由于燃气轮机的做功量等于透平的做功量减去压气机的耗功量，致使燃气轮机的做功量得以加大。进入压气机的每公斤空气在燃气轮机里的做功量，即比功也就加大了。把压气机分成两段加装一个中间冷却器叫做一级间冷，把压气机分成三段加装两个中间冷却器叫做二级间冷，把压气机分成n+1段加装n个中间冷却器叫做n级间冷，理论上可以有无穷多级间冷，但这在技术上无法实现，只有理论分析上的意义。间冷循环的示意图见图2.5。2.1.2.3 燃气轮机再热循环这也首先是为了加大燃气轮机的比功而采用的一种复杂循环。与简单循环相比，再热循环是把透平分成两段，在两段透平之间加装一个再燃室，把第一段透平排出的燃气送入再燃室燃烧升温，然后进入第二段透平继续膨胀做功。对于第二段透平来讲，经过再燃室燃烧升温的燃气温度高于没有再燃室燃烧升温的燃气温度，所以第二段透平的膨胀做功量增大，从而整个透平的做功量加大。透平进气温度升高导致透平做功量加大的理论分析式为。在压气机耗功量不变的条件下，由于燃气轮机的做功量等于透平的做功量减去压气机的耗功量，致使燃气轮机的做功量得以加大。进入压气机的每公斤空气在燃气轮机里的做功量，即比功也就加大了。把透平分成两段加装一个再燃室叫做一级再热，把透平分成三段段加装两个再燃室叫做二级再热，把透平分成n+1段加装n个再燃室叫做n级再热，理论上可以有无穷多级再热，但这在技术上无法实现，只有理论分析上的意义。要注意的是，进入再燃室的燃气中有过量空气时，进行再热燃烧才是可能的。对于多级再热，若进入再燃室的燃气中已无过量空气，则要另做考虑。再热循环的示意图见图2.6。间冷与再热提高燃气轮机循环比功是无疑的，是否能提高燃气轮机循环的效率呢？后面的课程里会讲到。2.1.2.4 燃气轮机复杂循环的组合为了解决低压比的燃气轮机使用间冷循环时，比功得以加大，但效率却要降低的问题，提出了间冷-回热循环的方案(参看图2.7)。为了解决低压比的燃气轮机使用再热循环时，比功得以加大，但效率却要降低的问题，则提出了再热-回热循环的方案(参看图2.8)。也可以有间冷-再热-回热循环(参看图2.9)。由无穷多级间冷（等温）压缩、无穷多级再热（等温）膨胀、燃烧室定压吸热和透平排气定压放热四个热力过程组成的燃气轮机循环就是著名的埃里克森（John.Ericsson）循环。当然，这个循环中的等温压缩和等温膨胀过程，现在在技术上还无法实现，但是，从理论上讲，这个燃气轮机循环的效率在所有的燃气轮机循环中是最高的。关于回热循环、间冷循环和再热循环的一些基本知识点，在下面的课程中再做讲解。2.1.3 多轴式燃气轮机循环 7，8前面介绍的燃气轮机循环的内容只涉及到单轴燃气轮机。所谓单轴燃气轮机，就是指压气机转子和透平转子安装在同一根轴上，在运行过程中，二者具有相同的转速。单轴燃气轮机的优点是机组的结构简单，其不足之处是：1.单轴燃气轮机在变工况性能和启动特性方面往往存在不能令人满意的情况，2.不一定能满足具有特定特性的负荷的运行要求。此外，在燃气轮机采用了复杂循环的时候，在机组的结构布置上，单轴燃气轮机有时也显得缺乏灵活性与适应性。因此发展出多轴式燃气轮机循环。分轴燃气轮机：指的是把透平分成两个透平，一个透平拖动压气机，与压气机共轴同转速，一个透平拖动负载，叫动力透平（Power Turbine）,与负载共轴同转速。二者可以有不同的转速。双轴燃气轮机：指的是把压气机分成高压和低压两个压气机，同时把透平也分成高压和低压两个透平。一个透平拖动一个压气机，这时的组合情况有两种：1. 高压透平与高压压气机共轴同转速，高压透平拖动高压压气机，低压透平与低压压气机共轴同转速，低压透平拖动低压压气机，两个转子可以有不同的转速，叫做平行双轴燃气轮机（Straight Compound Gas Turbine）。2. 低压透平与高压压气机共轴同转速，低压透平拖动高压压气机，高压透平与低压压气机共轴同转速，高压透平拖动低压压气机，两个转子可以有不同的转速，叫做交叉双轴燃气轮机（Cross Compound Gas Turbine）。在双轴燃气轮机中，负载可以与两个转子中的任一个共轴。三轴燃气轮机：压气机分成高压和低压两个压气机，透平分成高压、中压和低压三个透平，用其中的任一个透平作为动力透平，拖动负载，与负载共轴同转速。其他的两个透平与两个压气机可组合成平行双轴或交叉双轴的结构。这样，燃气轮机有三根轴，称为三轴燃气轮机，也就是分轴与双轴共构的燃气轮机。串流式燃气轮机(Straight-flow Gas Turbine)：这是指分开的透平在燃气流动方向上串联排列。并联式燃气轮机(Paraller-flow Gas Turbine)：这是指分开的透平在燃气流动方向上并联排列。为了学习和研究工作的方便，用符号来把种类繁多的多轴式燃气轮机循环表示出来是十分必要的。下面介绍一种常用的表示方法9。图2.10是各种多轴式燃气轮机布置图。49首先说明符号的表示法：符号分成三段，每段用斜杠分开。第一段：第一个数字表示压气机轴的根数，即把压气机分成了几个；其后用代码SC和CC分别表示平行双轴式和交叉双轴式。第二段：在串联式场合，分别用代码HP、IP和LP表示驱动负载的是高压透平、中压透平和低压透平，如果驱动负载的透平与压气机共轴，则在代码前加一个字母C；在并联式场合，则在代码前加一个字母P；如果动力透平和整个压气机透平流程并联，则用代码PX表示。第三段：在采用回热、间冷和再热等措施时，分别用E(Exhaust-heated cycle)、I(Intercooling)和R(Reheat)表示。图中，在典型性小图的右侧给出文字说明，右侧没有文字说明的小图，可以参照有文字说明的小图。每个小图的下面有该小图的符号。括弧里的符号是按照参考文献8的符号表示法给出的。参考文献8的符号表示法规定：符号用斜杠分成三段。第一段的数字表示燃气轮机的轴数；第二段：由一个或两个字母组成，字母P表示透平是并联式，字母H代表高压压气机或高压透平，字母L代表低压压气机或低压透平，字母M代表中压透平；第三段：在采用回热、间冷和再热等措施时，分别用R、I和H表示。当只有一个不是P的字母时，表示动力透平不与压气机共轴，字母本身表明动力透平是高压的、中压的还是低压的；当只有一个字母P时，表示动力透平与整个压气机透平流程并联；当有两个字母时，如果第一个字母是P，则表示透平是并联式的，第二个字母则表明哪个透平是动力透平，且该透平不与压气机共轴；如果第一个字母不是P时，则第一个字母代表压气机，第二个字母代表透平，由两个字母的组合可以分辨出是平行双轴还是交叉双轴，且由这两个字母组合表示的压气机-透平轴是功率输出轴，即由该轴来拖动负载；如果第一个字母不是P，而第二个字母是P时，则第一个字母表示是由哪个透平来拖动负载，而字母P则表示透平是串联式。第三段：在采用回热、间冷和再热等措施时，分别用R（Regenerative heating）、 I(Intercooling)和H(Reheat)表示。仔细分析上面两种多轴式燃气轮机的符号表示法，就可以发现，两种表示法都有各自的优点与缺点，同时都有其局限性或不完备性，读者可以认真地思考，作为一个参考。如果把回热、间冷和再热这些构成复杂循环的因素加入到多轴式燃气轮机之中，再考虑透平的串联与并联，就得到组合种类异常繁多的燃气轮机循环。要说明的是，到目前为止，压气机只是分成高压和低压两个压气机，并且空气是串联地流过低压压气机和高压压气机的。2.1.4燃气轮机复合循环为了提高能源的利用率，可以把燃气轮机与其他的热能动力装置，或热力系统，或热力循环组合在一起，互相取长补短，形成新的热能动力系统或多联产系统。这就是燃气轮机复合循环的概念。2.1.4.1 燃气-蒸汽联合循环装置 第一章所讲的燃气-蒸汽联合循环电站就是一种燃 气轮机的复合循环。2.1.4.2 燃气轮机与内燃机的复合循环1. 涡轮增压发动机（图2.11）： 是由内燃机和废气涡轮增压器组成的发动机。废气涡轮增压器实际上是一台没有燃烧室的燃气轮机，它由同轴的一个透平和一个压气机构成。内燃机排出的废气进入增压器的透平做功，拖动压气机把空气增压后再进入内燃机。由于空气的压力得以提高，所以进入内燃机的空气密度加大，因而进入内燃机的空气质量流量得以较多的增加，这样就使得内燃机的功率成倍地增加,并且效率也得以提高,是一种燃气轮机的复合循环。2. 涡轮复合发动机：上面所说的涡轮增压发动机中，废气涡轮增压器的透平只拖动压气机。如果废气涡轮增压器的透平不仅拖动压气机，而且也对外输出功率，与内燃机一起来拖动负载，就构成了涡轮复合发动机。通常用减速齿轮传动把增压器的高速转动轴与发动机转速较低的曲轴联系在一起，使增压器的对外输出功率与发动机各汽缸的功率一起从曲轴的连轴器端输出（图2.12(a)）。其缺点是增压器的转速与曲轴的转速一致，不能有自己独立的转速，恶化了发动机在变工况下工作时的增压器压气机的工作性能，容易发生喘振。为解决这个问题，将增压器的透平分成两个，一个来拖动增压器的压气机，另一个作为动力透平来对外输出功率（图2.12(b),(c)）。图中的C和T构成涡轮增压器。2.1.4.3 使用燃气轮机的动力回收系统8动力回收系统的概念与构成：当一个生产流程需要用压气机供给压缩气体，而该生产流程最终又排放出有一定压力和温度的气体的时候，就可以让排放的气体进入透平膨胀做功，来拖动压气机向生产过程供应所需的压缩气体，这就是动力回收系统的概念。在动力回收系统中，生产流程充当着燃气轮机燃烧室的角色。动力回收系统的概念系统图是图2.13。图中的G/M代表发电机/电动机，是一个既可以作为发电机使用又可以作为电动机使用的设备。要明确的是，生产流程是主，动力回收是辅，动力回收的目的是减小生产流程的能耗。当动力回收系统的透平做功NT大于压气机的耗功N C时，剩余的功率通过G/M输给电网，而当NTNC时，由电网向系统补充不足的功率。当生产流程的任何时候都是NTN C时，G/M则应该使用发电机，而当生产过程的任何时候都是NTN C 时，则G/M应该使用电动机或汽轮机。下面举几个动力回收系统的例子：1 FCC(Fluid Catalytic Cracking,流化催化裂化)动力回收装置(图2.14)在反应器中，使用颗粒状的催化剂促进重分子烃裂解是增加轻油产率的一种有效的工艺流程。但在这个过程中，催化剂颗粒的表面会积炭而失去活性，需将失去活性的催化剂颗粒送入再生器将炭氧化烧掉，使其恢复活性，再送回反应器继续使用。这就需要用压气机向再生器供入空气，烧掉催化剂表面的炭，燃烧产生的高温再生烟气经过分离器净化，进入透平膨胀做功，来拖动压气机。这就是FCC动力回收装置。系统中的汽轮机是为了装置的启动需要而设置的。启动时，先用汽轮机把装置带到额定转速的75%，之后投入电动机，二者一同把装置带到额定转速。此外，在正常运行时，若工厂有富裕蒸汽，可以送入汽轮机做功，以免蒸汽排空的损失。2硝酸生产用动力回收装置(图2.15)将氨与空气中的氧经催化氧化（燃烧）的方法制取硝酸的生产流程，要求气体有一定的压力，而氧化反应产生大量的热，这就为使用动力回收装置创造了条件。图中，由压气机C1把空气压缩到0.20.5Mpa，去氨氧化器里与氨进行氧化生成高温的亚硝酸气，高温亚硝酸气经过余热锅炉，降到较低的温度，而后在亚硝酸气压气机C2中被加压到0.71.5Mpa，之后进入吸收塔和脱气塔制成硝酸。吸收塔排出的尾气经换热器加热后温度升至200510，流入尾气透平T做功，最后排入大气。由于尾气透平的功率始终小于压气机的消耗功率，所以装置总是需要补充功率，可以用汽轮机ST来补充功率，所用蒸汽则来自亚硝酸气的余热锅炉。3. 使用透平膨胀机的制冷系统(图2.16)为了获得较低的温度环境，可以把气体压缩至高压下进行冷却，再进入透平进行膨胀，因为透平进口处的气体处于高压低温的状态，所以气体经过透平的膨胀，在透平的出口，气体的温度降到低温而达到制冷的目的。透平所做的功可以用来拖动一台压气机，从而减少压缩气体时对外界功率的需求量。在这里，透平兼有两个作用：一是作为膨胀制冷的一个工艺环节，二是作为回收气体压力能的动力回收装置。由于透平膨胀机制冷可以达到-100以下的制冷效果，得到了广泛的应用。例如为了制取氧气，就是把空气经过压缩、冷却和膨胀制冷变为液态空气，然后利用氧气和氮气的沸点不同，使用分馏蒸发的方法和设备，把氧与氮分开来制取氧气。虽然透平在这里有动力回收的作用，我们还是以其所起的工艺作用为主，将其称为透平膨胀机。4. 回收天然气中轻烃的装置(图2.17)在回收天然气中轻烃装置中使用的透平也是兼有膨胀制冷的工艺作用和动力回收作用的膨胀透平机。油田生产的伴生气中含有轻烃，由于轻烃价格贵，若将含有轻烃的伴生气供给工业和民用作为燃料的一般天然气来使用，则轻烃的经济价值就失去了。所以需要利用伴生气中甲烷和轻烃的液化温度不同的性质，把轻烃从伴生气中分离出来，把分离了轻烃的伴生气（即天然气）供给工业和民用作为燃料使用，而分离出来的轻烃有更高的经济使用价值。视伴生气压力高低的不同，回收轻烃的系统也有所不同，图2.17(a)是回收低压伴生气中轻烃的系统。伴生气来气压力是0.2Mpa，在压气机C1中压缩至1.4Mpa，经冷却器EC1冷却后在透平膨胀机拖动的压气机C中继续压缩到2.2Mpa，再经过一个冷却器EC2，一部分轻烃变为液态，进入分离器被分离，从分离器的底部排出，气态物质则由分离器进入干燥器去处水分，以避免在下游的流程中出现冰霜。经干燥的气体经过换热器EH，被冷却至-10，接着进入膨胀透平T膨胀做功，在膨胀透平出口，工质压力为0.4Mpa，温度为-50，液化了的轻烃在随后的分离器里被分离出来，分离了轻烃的伴生气从分离器出来进入换热器EH被加热，成为0.25Mpa，2025的天然气。我国的一个油田的伴生气回收轻烃用的装置就是用的上述的流程。不同的是，拖动压气机C1的动力不是电动机，而是燃气轮机。每10000NM3的伴生气，可回收轻烃2.5t的轻烃。当伴生气是高压时，可用图2.17(b)所示的系统来回收轻烃。不同的是，高压的伴生气先进入膨胀透平膨胀制冷，分离完轻烃后，再在压缩机中升压至来气时的压力以向外供气。2.1.4.4 燃气轮机多联供系统多联供系统是指同时输出功(发电或动力拖动）、热或其他形式能量的系统，以满足生产和生活的需要。例如，很多工厂不仅需要拖动动力，还需要大量的蒸汽来供应生产过程。又如，不少城市的电厂，在发电的同时，还要供热。一般来说，工业生产中的工艺流程用热的温度水平不太高，城市生活用热的温度水平比起工业生产的工艺用热水平还要低不少。于是就提供了这样一种可能，即让高温工质先在热机中做功对外输出动力，在工质的温度降到适合工业生产的工艺用热的温度水平或温度降到适合城市生活用热的温度水平时，再将其作为热源进行供热。对外的动力供应基本上是以电力的形式进行的，因此同时供应电力和供热的系统称之为热电联供系统。随着人们对生活环境和生产环境要求的提高，又要求在供应电力和供热的同时，还要供冷，这就是冷热电联供系统。简而言之，多联供系统的本质是能量的梯级利用，或是称之为“全能量”系统。下面仅列举一些燃气轮机多联供的例子，目的只是使学习者有一个概括的了解。至于他们的系统构思与设计原则、方法，在本书的有关篇章里会涉及到很少的一部分，在读者有应用需求的时候，可以阅读有关的文献与资料。1. 燃气轮机的热电联供8图2.18是一个燃气-蒸汽联合循环热电站的例子。用两台25500kW三轴燃气轮机GT、两台余热锅炉HRSG和一台26000kW抽汽凝汽式汽轮机ST组成(图中只画了一台燃气轮机和一台余热锅炉), 用余热锅炉的排气和汽轮机的抽汽在换热器E中加热供暖用水,用于区域供暖。汽轮机抽汽回收。在大气温度为0时，若不供热而净发电，发电功率为77.28MW, 效率44%；若全供热和发电，电功率为69.59MW, 供热60MW ，热利用率73%；当机组在最大发电功率和最大供热时，发电功率75MW，供热80MW，热利用率86%。在热电联供时，与当地的热电分供相比，节约天然气8000NM3/h.。夏季不需要供暖时，余热锅炉排气道上的换热器E干运行和汽轮机停止抽汽。当只用余热锅炉排气道上的换热器E供热时，可供热19.43MW，在冬季，投入汽轮机抽汽，两个换热器E一起供热时，达到最大供热工况。2. 用于醋酸(CH3COOH)生产的燃气轮机联供系统8图2.19是一个药厂用来年产75000t醋酸的联供系统。一共使用两套燃气轮机压缩机组，各自配有能干运行的余热锅炉，图中所示是一套机组的情况。燃气轮机是单轴的，负载是空气压缩机Ca，被压缩的空气从燃气轮机的压气机C出口分流，分流量是压气机流量的15%。分流的空气在燃气轮机拖动的压缩机Ca中继续增压到5.3Mpa后去参加氧化反应。分流空气压缩机Ca采用了间冷，以减小耗功，压缩机Ca出口的高压空气经过换热器，使其具有参加氧化反应所应该具备的温度。燃气轮机的排气进入余热锅炉，产生1.85Mpa的饱和蒸汽供给醋酸生产的需要。对该方案的技术经济分析表明，与用电动机拖动空气压缩机Ca和用工业锅炉生产蒸汽的系统相比，运行费用可降低25%。投产运行后证明使用效果良好，后来药厂扩建时，又安装了两套完全相同的联供系统。 3. 合成氨厂中燃气轮机与转化炉的联合系统8图2.20是用于年产30万吨合成氨的联供系统。该系统由一台10MW分轴燃气轮机GT拖动高压空气压缩机C1，来把空气压缩成合成氨所需要的高压空气。燃气轮机的排气引致一段转化炉作为燃烧空气使用，以减少加入一段转化炉的燃料量。在一般的30万吨合成氨厂中，高压空气压缩机由汽轮机拖动，汽轮机使用的蒸汽由工厂的辅助锅炉提供。使用燃气轮机后，需要由辅助锅炉提供的蒸汽量大大减少，相应地，辅助锅炉的燃料用量减少。与不使用燃气轮机的情况相比，使用燃气轮机后，辅助锅炉与一段转化炉使用的燃料量之和降低20%左右。 4. 用于原油稳定处理的燃气轮机联供系统8图2.21是用于原油稳定处理的燃气轮机联供系统，用以分离出原油中含有的伴生气和轻烃，从而大大减少原油贮运过程中的挥发损失。该系统使用两台3.7MW的分轴燃气轮机GT，分别拖动压缩机组C1和压缩机组C2。燃气轮机的排气在加热器中加热来油，以使原油中所含有的伴生气有效地分离出来。送入的原油压力为2.8Mpa，经加热和减压后进入压力为0.3Mpa的分离罐，分离出的气体经过压缩机组C1压缩到3.6Mpa。分离后的原油流入压力为大气压的沉淀罐，在其中进一步析出气体后，原油变成“稳定”的，就可以经冷却后送入贮运系统。在沉淀罐中析出的气体经过压缩机组C2压缩到3.6Mpa，与由压缩机组C1所压缩的气体合流，然后送到分馏系统，分馏出气体中的轻烃，以有效地提高经济效益。分馏后剩下的气体的主要成分是甲烷(CH4), 即人们常说的天然气。从分离罐（或沉淀罐）分离出来的气体有一定的湿度，经冷却后进入分离器进行气液分离，以来保证压缩机的安全运行，二来可以减小压缩机的耗功。两个压缩机组的低压压缩机下游，又各有一组冷却器和分离器，有同样的作用。分离器分离出来的液体含有轻烃。 5有燃气轮机的冷热电联供系统8图2.22是一家豪华大旅社的冷热电联供系统。该旅社夏季每天平均所需电力为1300kW，中午尖峰用电需求为1550kW，深夜则降至88kW。冬季的日电负荷需求分布与夏季相似，只是需求量减少一半。联供系统中使用一台480kW的单轴燃气轮机，其发电功率和其排气在余热锅炉中产生的蒸汽只能满足一部分需求，不足的电力由电网供给，不足的蒸汽由工业锅炉提供。蒸汽除能供暖和供应热水外，还用于吸收式制冷机，与电动压缩式制冷机一起对旅社进行供冷。电动式压缩制冷机是该旅社的重要电负荷。系统中的燃气轮机每日启动运行一次来带高峰电负荷，深夜则停机。燃气轮机运行时，工业锅炉和电动式制冷压缩机的耗能减少。几年的运行数据表明，机组每天平均运行12小时以上，使旅社的总能源消耗节约27%。以上5个包括有燃气轮机的多联供系统中，例2，例3和例4的共同特点是：燃气轮机与整个生产流程紧密结合，成为生产设备中有机组成的一部分，因此在方案选择和系统设计时，必须与生产流程紧密地联系在一起来考虑。总而言之，多联供的构思和技术，在动力、化工、钢铁、冶金等工业领域和局部区域环境方面有着广阔的应用场所，这项技术的广泛推广与应用将极大地促进我们国家的节能降耗工作，极大地提高我们国家国民经济的总体效益。2.1.4.5 多联产能源系统5在煤的气化技术日趋成熟与完善的今天，世界上正在发展和大力实施以煤的气化为核心的“合成气园”多联产能源系统的概念和工程。其概念是：用煤的气化设备(气化炉)，将煤制备成煤气(即合成煤气(Syngas)，简称合成气)，合成气的主要成分是CO和H2 ，还有N2、CO2、CH4、H2S、COS、H2O、SO2等气体。利用合成气来进行跨行业，跨部门的联合生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料(甲醇、F-T合成燃料、二甲醚) 、城市煤气和氢气，以及用于工业生产的工艺用和民用的热能和电能，这就是多联产系统。多联产是从整个系统的高度出发，结合各种生产技术路线的优越性，使多种生产过程耦合到一起，彼此取长补短，从而达到能源的最高利用率、最低的能耗、最低的投资和运行成本、最高的经济收益，以及最少的全生命周期的污染物排放。常将多联产系统称为以“合成气园”为核心的多联产能源系统。图2.23是多联产工程中资源-能源-环境一体化系统的示意图。煤的气化：以煤、石油焦或高硫重渣油为原料，用氧气和水蒸气做气化剂，把原料制备成粗煤气。用氧气做气化剂时，要使用空气分离装置，把空气在高压下冷却液化，然后利用氧和氮的沸点不同，经过分馏得到氧气和氮气。热能动力应用：粗煤气经过除尘和脱硫变为以含CO和H2为主的清洁煤气，作为燃气-蒸汽联合循环电站的燃料，进行电力生产或热电联供或冷热电联供。这就是被认为是世界上目前以矿物质燃料来发电的最清洁、效率最高的电力生产系统之一。叫做IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle,整体煤气化联合循环)。化工生产应用：粗煤气经过除尘和脱硫处理后，可以对清洁煤气进行CO变换反应：CO+H2OCO2+H2 （-9833.3kJ/kmol,放热反应）,进而脱除CO2获得H2, 使用膜处理技术使H2净化, 然后用H2和N2进行合成得到合成氨NH3, NH3则可以和CO2一起来制造尿素CO(NH2)2, 也可以用NH3来制造硝酸氨NH4NO3、磷酸氨(NH4)3PO4和硝酸硫酸氨等。还可以把经过除尘和脱硫处理后的清洁煤气进行部分CO变换反应，得到 (H2+CO2)/(CO+CO2)=2.12.3的CO2+CO+H2气体，用其来制造甲醇CH3OH 。甲醇则可以和O2一起来制造甲醛HCHO，和CO一起来制造醋酸CH3COOH，甲醇也可以用做交通用燃料，用来制作甲基特丁基醚。甲醛可以用来制作尿素甲醇树脂、酚醛树脂之用，或用做医用消毒与农业拌种消毒等。H2也可以直接用于大规模的发电、冷热电联供，或用于燃料电池。CO2则可以用来制作干冰、藻类生长、强化石油和煤层气开采。也可以将CO2埋存以减少温室气体的排放。电厂的电力、热量和冷量可以供给化工生产对于冷热电的需求，以及向其他行业部门与民用进行供应。图2.24是意大利ISAB工程中多联产的流程图。这个工程采用两台压力为7.0Mpa的激冷式Texaco气化炉，经过除灰脱硫的清洁煤气，一部分被送入制氢装置，在其中经过一氧化碳的变换反应(CO+H2OH2+CO2),将CO变换为H2，再把变换生成的CO2脱除，得到纯净的H2，供石化工厂中化工流程生产化学产品之用；剩余的清洁煤气先在膨胀透平中膨胀作功，回收10MW的电能，然后作为燃料以合适的膨胀后压力送入两台V94.3型燃气轮机，两台燃气轮机各自带有一台余热锅炉和一台汽轮机，组成燃气-蒸汽联合循环，两套联合循环的总发电功率为512MW。两台气化炉则选用工厂把原油炼制成轻质燃料油的过程中产生的沥青作为燃料，来生产煤气。化工流程要求的压力较高(7.0Mpa)，而燃气轮机要求的燃料气压力相对较低(约3.2Mpa左右)，所以使用膨胀透平进行动力回收，回收了10MW的电能。2.1.4.6 与核电系统组合的燃气-蒸汽联合循环5为了改善核电站的循环效率, 必须想办法提高蒸汽循环系统的蒸汽参数水平。于是就使人们萌发了使燃气-蒸汽联合循环与核电系统结合起来，以达到上述要求的构想。下面举例做简要说明。美国西屋公司1970年最先提出把燃气轮机循环与轻水堆结合起来的构想，利用燃气轮机的排气在余热锅炉中加热来自反应堆的蒸汽，提高蒸汽的参数，以达到提高全电站的热效率。但是这种方案需要余热锅炉的换热面积增加很多。例如，对于热功率3500MW的标准轻水反应堆来讲，换热面积要高达10000m2,从技术经济的角度来看，是不合算的，所以没有实用。此后，美国太平洋西北实验室贝特尔研究所的乔治Tsiklauri和布鲁斯Durst提出了TD循环5(图2.25)，该循环的核心是：让余热锅炉中的高压高温高焓蒸汽在一个高压混合器(HPM)中，与来自反应堆的温度较低的饱和蒸汽直接混合，以再生出过热蒸汽，送入蒸汽轮机的高压缸(HPT)膨胀作功。高压缸排汽进入汽水分离再热器(SERH)，经分离去湿和再热后，进入低压混合器(LPM)与余热锅炉低压过热器送来的低压过热蒸汽直接混合，随后将升温的低压蒸汽送入蒸汽轮机的低压缸(LPT)膨胀作功。如果燃气轮机的容量不够大，其排气不足以产生足量的过热蒸汽的话，则可以在余热锅炉中进行补燃以满足要求。对于1GW1.3GW的核电站，采用TD循环进行改造，约应选择300MW600MW的燃气轮机容量。这种混合过热工艺方案可以使汽轮机的内效率提高3%5%，并能减少转子和隔板的水蚀损坏。图2.26是另一个用于高温气冷堆的氦气轮机余热锅炉型核电系统的燃气轮机复合循环方案。高温气冷堆采用氦气作为循环工质时，氦气在核反应堆（HER）里吸收热量，可以使氦气透平(HeT)进口的氦气温度达到750900。氦气在氦气透平(HeT)里做功后，透平排出的氦气在回热器（RG）里对来自高压氦气压缩机(HHeC)的氦气进行回热，然后进入余热锅炉生产水蒸气，水蒸气送入汽轮机膨胀做功，这样能够使核电联合循环的供电效率提高至45%50%左右。氦气循环是一条封闭的中间介质回路。该图的问题是没有交代余热锅炉低压汽包产生的低压饱和蒸汽的去处。2.1.4.7 与燃料电池组合的燃气-蒸汽联合循环5在高温燃料电池（熔融碳酸盐型燃料电池） MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell,)系统中, 或者在固体氧化物型燃料电池SOFC (Solid Oxide Fuel Cell,)系统中, 也可以与燃气轮机组成联合循环,以求提高供电效率。图2.27是美国GE公司设计的675MW燃煤的MCFC中心电站联合循环的系统图。在这个系统中, 利用煤制气作为燃料电池的燃料，进而通过燃气-蒸汽联合循环组成一个整体的发电系统。实际上是IGCC与燃料电池的进一步组合，使整个发电系统的供电效率提高到50%60%。这个系统的生产流程简介如下：燃气轮机压气机的排气分成三路，一路去燃料电池，另一路去催化燃烧室，第三路去制氧设备。制氧设备出来的氧气用氧气压缩机(OC)升压后供入气化炉。氧气压缩机由清洁煤气做工质的膨胀透平(T)驱动。燃料电池有两个出口。出口1的一部分排气送入燃气轮机的透平做功，生产125MW的电力，该透平的排气进入余热锅炉（HRSG）加热汽轮机循环的给水，图中标识的HRSG实际上是汽轮机循环的给水加热器。出口1的另一部分排气送入高中压蒸汽发生器（图中未作标识）。 图中未作标识的高中压蒸汽发生器和图中标识着HRSG的蒸汽循环的给水加热器共同构成了这个系统的余热锅炉，余热锅炉的中压蒸汽发生器实际上是再热器，余热锅炉生产的高压水蒸气供入汽轮机的高压缸，高压缸的排汽经过再热供入汽轮机的中压缸。图中标识的煤气冷却器(SGC)是位于标识着HRSG的蒸汽循环的给水加热器和未作标识的高中压蒸汽发生器之间的又一个给水加热环节。出口2的排气分为两路，一路供入催化燃烧器，另一路经过升压，然后与清洁煤气膨胀透平(T)的排气一起供入燃料电池。燃料电池有两个进口。一个进口的进气由两部分组成：膨胀透平(T)出来的清洁煤气与一部分来自燃料电池出口2的经过升压的气体。另一个进口的进气由三部分组成：燃气轮机压气机的部分排气、催化燃烧室的排气、燃料电池出口1的那部分在高中压蒸汽发生器里生产高中压蒸汽后经过增压的排气。催化燃烧室有两个进口，一个是来自燃料电池出口2的部分排气，另一个是来自燃气轮机压气机的部分排气。催化燃烧器有1个出口，送出的是催化燃烧器里在催化燃烧过程中所生成的气体。燃料电池产生440MW的电力。气化炉生成的粗煤气先在煤气冷却器(SGC)中被来自标识有HRSG的给水冷却，继而在粗煤气-清洁煤气冷却器(HE)中被清洁煤气进一步冷却，然后进入煤气净化与硫的回收装置被净化成清洁煤气，并且进行硫的回收。有关燃料电池的相关内容请阅读相关的文献与教科书。习题与思考题 1. 在有流动损失的流动过程中，流体的压力总是降低的。这个结论是否正确？ 2. 构设燃气轮机复杂循环是为着解决什么问题？ 3. 构设多轴燃气轮机是为着解决什么问题？ 4. 构设燃气轮机复合循环是为着解决什么问题?2.2 单轴燃气轮机简单循环热力学分析这一节对单轴燃气轮机简单循环进行基本的热力学分析。引出关于燃气轮机的一些重要的基本概念。打好有关燃气轮机的一些基本的理论基础。2.2.1 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析参看图2.1, 单轴燃气轮机简单理想循环的路径是12S34S1。即：不考虑压气机进气管道流动损失与空气过滤装置所引起的空气滞止压力的降低，压气机进口导叶后(即压气机第1级动叶轮前)的滞止压力等于大气压，压气机是等熵压缩(绝热无损)过程，燃烧室是理想等压燃烧(无流动损失, 滞止压力保持不变的 =，无燃烧损失和散热损失)过程, 透平是等熵膨胀(绝热无损)过程, 不考虑透平排气管道的流动损失, 透平出口排气压力等于大气压。分析以进入压气机的1kg空气为基础来进行。 1. 循环效率的计算压气机耗功与透平做功分别为: 式中：燃气轮机的压比。 比热比,这里把空气与燃气的比热比视为相同，是一个近似假定。 分别是压缩过程中的空气平均定压比热和膨胀过程中的燃气平均定压比热。因空气与燃气的气体常数不同，所以二者的定压比热仍是不同的，这里作了区别。 。 压气机进口的空气滞止温度。等熵压缩时压气机出口的空气滞止温度。透平进口的燃气滞止温度。等熵膨胀时透平出口的燃气滞止温度。 燃气与空气的质量流量之比， , 是燃气轮机的燃空比, ,和分别是燃气，空气和燃料的质量流量。循环的吸热量是： = - 式中，和分别是燃气在T3* 温度时的定压比热和空气在T2s*温度时的定压比热。循环效率是: (2.2-1)式中： 是燃气轮机的温比。 =，显然，推导中，假定了从式（2.2-1）可以看出，对于单轴简单理想循环来说： 循环效率只是压比的函数，与燃气的初温无关。 随着压比的增加，效率是单值地增大。 效率与工质的热物性有关，工质的比热比值越大，由= 可知，的值越大，在压比相同的条件下，使用值大的工质的燃气轮机循环，其循环效率较高。对于空气，=1.4，对于氦气，=1.660，所以，选用氦气做工质时，相同压比的条件下，循环效率比用空气做工质的循环效率要高。 效率与x和y这两个参数无关，也就是说，在推导式（2.2-1）时，不论是否考虑x和y的影响，推导出的效率表达式都是式（2.2-1）。 2. 比功的计算比功是指对于1kg的压气机进气来说，燃气轮机的作功量。用小写的英文字母表示。比功等于透平的做功与压气机耗功的差值，即： (2.2-2)使用高等数学求极值的方法，可以求得获得最大比功时的压比，即： 从上式可以得到，在 (2.2-3)时获得最大比功。这个压比叫做使比功最大的最佳压比，记为 。比功的值大，表明对于一定功率的机组来说，机组的结构尺寸会比较小和紧凑。 3. 有效功系数的计算有效功系数的定义和计算由下式表达: (2.2-4)可见，有效功系数随着压比的增加而降低，随着温比的增加而增大，随着和值的增大而增加。有效功系数的物理意义是：燃气轮机的比功与1kg压气机进气对应的透平做功量的比值。循环效率，比功，有效功系数的上角标C是英文单词Cycle的字头。借以表示由循环的热力参数决定的循环效率，比功和有效功系数，也可称为循环的内效率，内比功和内有效功系数，“内”与“循环热力参数”的内涵相同。考虑机组的机械损失和发电机电枢损失后的循环效率、比功和有效功系数，用上角标E(Electric的字头)表示，称为循环的发电效率、发电比功和发电有效功系数。再考虑厂用电后，按照送入电网的电量来计量的循环效率、比功和有效功系数，用上角标G(Grid的字头)表示，称为供电效率，供电比功和供电有效功系数。2.2.2 单轴燃气轮机简单实际循环不考虑流动损失时的热力学分析参看图2.1, 单轴燃气轮机不考虑流动损失的简单实际循环的路径是12341。即：不考虑压气机进气管道流动损失与空气过滤装置所引起的滞止压力的降低，压气机进口导叶前的滞止压力等于大气压，压气机是实际压缩(绝热有损)过程，燃烧室是等压燃烧(考虑燃烧损失, 无流动损失, 滞止压力保持不变的 =)过程, 透平是实际膨胀(绝热有损)过程, 不考虑透平排气管道的流动损失, 透平出口排气压力等于大气压。实际上，这是只考虑压气机的实际压缩过程和透平的实际膨胀过程，而不考虑其他流动损失的燃气轮机循环。分析以进入压气机的1kg空气为基础来进行。1. 循环效率的计算压气机耗功，透平作功和循环吸热量分别是：式中:，和分别是压气机，透平的效率和燃烧室的燃烧效率。循环效率是： (2.2-5)在上式的推导过程中使用的符号、简化和假定，与“2.2.1 单轴燃气轮机简单理想循环的热力学分析”的公式推导时是相同的。要说明的是，推导中，把/做了如下的变化： 。 2比功的计算 (2.2-6) 3. 有效功系数的计算 (2.2-7)式（2.2-5）、（2.2-6）和(2.2-7)左端项的上角标 * 表示只考虑压气机压缩过程和透平膨胀过程的流动损失这样一个物理内涵.分析:因为式(2.2-5)中,