燃气轮机基础知识普及

第一章燃气轮机及其热力循环1-1概述燃气轮机简介；特点及应用；1-2燃气轮机热力性能指标1-3燃气轮机的简单循环1-4/5燃气轮机热力循环计算1-6提高燃气轮机热力性能的途径1-6提高燃气轮机热力性能的途径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=0.94~0.99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（0.90~0.96）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。燃气轮机会在1650~1700℃而终止燃气初温的增长。强烈热辐射会使冷却无能为力对于降低环境温度——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LM6000PC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’q4-4’①具有较高的热效率吸热温度增加、放热温度降低②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%)③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④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=0.5~0.85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。1)()(*2*4*2*2*2*424*2*222TTTTTTCTTCpp回热循环的应用回热器是一个庞然大物，使整个机组变得笨重、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1200~1500℃，排气温度高达300~500℃。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160~200℃。用途：发电或热电联产。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。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+Nest1-2-3-4-1燃气循环a-b-c-d-a蒸汽循环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20~25℃；Tc*=T4*-Tc*：过热器中温差，一般小于50℃两个循环的热力参数间的约束条件应满足热平衡方程式：)()(*5*4**2iiGiiGTbcOH*********5*4***5*4)]()[()(2bcbbCcpTbcpTbcTOHiiTTTTciiTTciiiiGG蒸汽吸热量＝排气放热量燃气－蒸汽联合循环优点：１显著降低机组耗油率２显著提高机组功率缺点：增加了蒸汽回路，使机组大为复杂。应用：只适用于地面动力装置。20%-30%三、间冷循环简单循环中，压气机耗功约占2/3，减少压缩功，提高循环比功。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——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……由此降低压气机耗功。——在低压压气机LC与高压压气机HC之间增加一个中冷器IC实现。***11)1(CmCpCcCTcL越大则越高Lc,*1T1-2’低压压气机中压缩过程；2’-1’中冷器中的冷却过程；1’-2高压压气机中压缩过程。T-S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？在相同的压气机效率C*和进气温度T1*的前提下，最佳压比分配规律：即各级压比相等，压缩总耗功最少。nCnCcccn1*****21间冷循环的特点—采用间冷循环后，可使循环比功Li增大，但压缩终了温度T2*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。缺点—采用中冷器，机组尺寸重量增大，设备系统复杂，并需大量冷却水。应用—偶见大型机组，应用并不广泛。四、再热循环增大膨胀功LT，来提高循环比功。燃气初温受金属材料性能的限制采用中间再热方法——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T3*，再去做功，由此增加涡轮膨胀功。——在高压涡轮HT与低压涡轮LT之间增设一个再热燃烧室RB实现。***3)1(TmTpTTTTcL越大则涡轮膨胀功越高燃气初温T*3L,T3-4’高压涡轮中膨胀过程；4’-3’再热燃烧室的再热过程；3’-4低压涡轮中膨胀过程。T-S图上机组的循环比功增大对于多级再热循环，如何分配涡轮膨胀比最佳？最佳膨胀比分配规律：即各级膨胀比相等，机组比功最大。nTnTTTTn1*****21再热循环的特点—使循环比功Li增大。—燃料销量增加，循环吸热量q1增大，使循环热效率变化不大。—采用再热燃烧室，使机组复杂，但比间冷循环的中冷器小得多，且不需冷却水。应用—实际应用较多，但未广泛应用。原因：RB调节控制复杂和低压涡轮LT高温下工作困难。五、复杂循环——回热、间冷、再热——优点①可显著提高循环比功；②可增加循环热效率；③可降低油耗率等。——缺点结构复杂，各种损失大，实际应用的比功和效率没有理论上那么高；操作复杂，实际上没采用过，仅有个别试验机组。五、复杂循环