第二章燃气轮机及其热力循环

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2011-022011-02 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2-4 燃气轮机简单循环燃气轮机简单循环 性能的热力计

2、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+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

3、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*2121*2121cssscscccwhhtttwhhttt（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消耗燃料放出的热量工质吸热量b*3434tt*3s4s34sttstshhttwtwhhttt 通常通常 b94%99%； b=100%绘制图绘制图1-6。温升温升 tb*= t3*-t2*u0f0*20*3h f)(f)()()f1 (ttcttcttcptpcptb（4）机械效率）机械效

4、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失 pt =

5、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，计算燃烧室温升 tb ；

6、 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；计算循环比功计算

7、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 。1-5 燃气轮机燃气轮机 热力计算举例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。热力特性，或者是为了验证所取参数的合理性。已知条件：已知条件：一般包括环境温度一般包括环境温度ta(或或t1*)和环境压力和环境压力pa(或或p1*)、轴功率轴功率pgt、压比、压比 及燃气初温

8、及燃气初温t3*等。等。选取的参数：选取的参数：压气机的等熵效率压气机的等熵效率 c、透平的等熵效率、透平的等熵效率 t、燃、燃烧室效率烧室效率 b压气机进气道的压损率压气机进气道的压损率 c 、燃烧室的压损率、燃烧室的压损率 b、透平排气道、透平排气道的的 压损率压损率 t等。等。 计算结果：计算结果：系统各处的压力、温度、流量及整机的耗油系统各处的压力、温度、流量及整机的耗油（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pg t= 2 7 0 m w ， 大 气 条 件 为 ta= 2 8 8 k 、 pa=0.10

9、13mpa，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：ktta288*1)( 1 .647172884 . 114 . 1121*kttkakas)( 1 .3592881 .647*12ktttssc)(40888. 01 .359kttcccs)(696408288*12ktttc)/(0 .410408005. 1kgk

10、jtcwcpac(2) 燃烧过程：(3) 膨胀过程：)( 3 .9007 .7221623*34ktttt)/(4 .8357 .722156. 1kgkjtcwtpgt)(7 .72280390. 0kttsttt)(0 .82067.15162333. 1133. 1134*kttkgkgts67.1517)03. 01 ()03. 01 ()02. 01 ()1)(1)(1 (tbct)/(1072)6961623(156. 1*)*(23kgkjttcqpgb)(1623*3kt)(8030 .8201623*34ktttsts燃料空气比燃料空气比)/(55198)/(33.156 .

11、60402536. 0hkgskgfqqmmf)/(6 .4460 .4104 .835)02536. 01 ()1 (kgkjwwfwctnkghqfubb02536. 04312498. 01072)/(6 .6046 .446270000skgwpqngtm)./(2044. 027000055198hkwkgpqbgtmff%84.404084. 04312402536. 06 .446ungtfhw(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

12、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：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

13、循环的p-v图及图及t-s图；图；（2）确定三大件（）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

14、，完全燃烧时所，完全燃烧时所需理论空气量为需理论空气量为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

15、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

16、温燃气初温依赖两种技术的发展。依赖两种技术的发展。第一种技术：加强第一种技术：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，以提高涡轮透平材料的提高涡轮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 。第二种技术：先进的冷却第二种技术：先进的冷却技术的发展。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

17、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。燃气轮机会由于燃气轮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，而终止而终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类无能为力。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，为温度在南极，为-88（185k），常年平均），常年平均-55 。联合循环才能实现。联合循环才能实现。对于简单循环对于简单循环 轻型燃机轻型燃机ge公司公司wm6000pc 热效率最高为热效率最高为43%；

18、 工业型先进燃机热效率在工业型先进燃机热效率在35%以上。以上。 相对来说仍不是很高。相对来说仍不是很高。 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

19、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，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

20、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。 回热循环的特点回热循环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；压缩过程；2-2 在回热器中的预热过程；在回热器中的预热过程；2-3 燃烧加热过程；燃烧加热过程；3-4 膨胀做功过程；膨胀做功过程；4-4 在回热器中的冷却过程；在回热器中

21、的冷却过程；4-1 大气中的放热过程。大气中的放热过程。未考虑压力损失未考虑压力损失q2-2q4-4 具有较高的热效率具有较高的热效率 吸热温度增加、放热温度降低吸热温度增加、放热温度降低 循环比功不变，实际略有减小循环比功不变，实际略有减小 流阻增加，涡轮膨胀功减小流阻增加，涡轮膨胀功减小(5%10%) 极限回热极限回热 t2*=t4*, t4*=t2* 实际回热实际回热t2*t4*, t4*=t2* 面积不可能无限大，存在传热温差面积不可能无限大，存在传热温差 回热不完善回热不完善 温比一定时，提高压比，回热温比一定时，提高压比，回热效果变差。效果变差。 当压比达到当压比达到回热极限压比回

22、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。 压比应小于回热极限压比压比应小于回热极限压比。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

23、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。1)()(*2*4*2*2*2*424*2*222ttttttcttcpp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

24、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。 例如燃气轮机的燃气初温高达例如燃气轮机的燃气初温高达12001500 ，排气温度高达，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。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

25、排烟温度一般只有160200 。组成：组成：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：单轴联合循环；多轴联合循环。单轴联合循环；多轴联合循环。用途：用途：发电或热电联产。发电或热电联产。最高效率：最高效率：发电时的联合循环系统发电时的联合循环系统abbgt26-1为为58.5%举例：双轴联合循环举例：双轴联合循环

26、燃气轮机发出基本功率燃气轮机发出基本功率neg；蒸汽轮机发出附加功率蒸汽轮机发出附加功率nest ； 总功率总功率ne= neg + nest1-2-3-4-1燃气循环燃气循环a-b-c-d-a蒸汽循环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*：蒸发器的蒸发器的温差，称为窄点温度，最温差，称为窄点温度，最适宜的窄点温度适宜的窄点温度20-25； tc*=t4*-tc*：过热器中过热器中的温差，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：)()(*5*4*2iigiigt

27、bcoh*5*4*5*4)()()( 2bcbbccptbcptbctohiittttciittciiiigg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，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

28、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。*11) 1(cmcpccctcl越大则越高lc,*1t1-2 低压压气机中压缩过程；低压压气机中压缩过程；2-1 中冷器中的冷却过程；中冷器中的冷却过程；1-2高高压压气机中压缩过程。压压气机中压缩过程。t-s图上机组的循环比功增大图上机组的循环比功增大对于多级间冷循环，如何分配压比最佳

29、？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。ncnccccn1*21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，器，机组尺寸重量增大，设备系统复杂，