燃气轮机原理概述及热力循环

第一章概述第一节燃气轮机简介第二节国外燃气轮机的发展和应用概况第三节我国燃气轮机的简况第一节燃气轮机简介一、燃气轮机的定义及组成1、定义：燃气轮机（GasTurbine，GT）是以连续流动的燃气作为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的化学能转变为有用功的内燃式动力机械。2、组成：三大基本机械组成部分+辅助传动装备压气机：Compressor--C燃烧室：CombustionChamber--CC涡轮：Turbine--TGasTurbineEngineBraytonCycleCOMPRESSORAIRCOMBUSTIONCHAMBEREXHAUSTWORKFUELTURBINE典型航空发动机示意图单晶二、燃气轮机的工作原理及过程1、工作原理：压气机从外部吸入空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行燃烧，生成的高温、高压烟气进入透平（涡轮）膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而使得转子旋转做功。转子做功的大部分（现时情况下约2/3左右）用于驱动压气机，另约1/3的功被输出用来驱动机械设备，如发电机、泵、压缩机等等。透平出来的烟气温度很高，可再利用（如利用余热锅炉进行余热回收利用）或直接排入大气（如航空发动机）。2、工作过程：布雷登循环（BraytonCycle）吸气压缩燃烧加热膨胀做功排气放热比较：蒸汽轮机：朗肯循环（RankineCycle）柴油机：狄塞尔循环（DiselCycle）朗肯循环：——最简单的蒸汽动力循环，由给水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。1-2过程：等熵膨胀2-3过程：定压（定温）放热3-4过程：等熵压缩程4-1过程：定压吸热狄塞尔循环：——为描述内燃机工质的热力学过程建立的循环。狄塞尔循环由绝热压缩、定压加热、绝热膨胀和定容放热过程组成的气体可逆循环。柴油机按这种模式工作。三、燃气轮机的主要特点优点：1）重量较轻，体积小；2）装置经济性较高；3）启动快，维修方便，运行可靠，自动化程度高，造价低等；4）不用水或少用水；5）可燃用多种燃料，污染排放低等。缺点：1）单机功率较小；2）运行寿命较短（有所延长，可达20年）；3）对燃料种类有较高的要求（液体和气体燃料为主）。第二节国外燃气轮机的发展及应用概况一、发展简史1、雏形：中国南宋高宗时的走马灯；15世纪末，意大利的L.达·芬奇设计出的烟气转动装置。2、1791年，英国J.巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；3、1872年，德国F.施托尔策设计了一台燃气轮机。4、1872年，德国F.施托尔策设计了一台燃气轮机。5、1920年，德国H.霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机。6、1936年，瑞士制成第一台能量回收装置。它是利用生产中排放的气体在透平中膨胀作功的装置。7、1939年，瑞士制成了效率达18％的4兆瓦发电用燃气轮机(简单循环)；德国生产装有涡轮喷气发动机的第一架飞机试飞。8、1941年，瑞士BBC制造的第一辆燃气轮机车通过了交货试验。9、1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水。10、1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后燃气轮机的功率不断增大，应用逐渐广泛，与此同时，也出现了燃气轮机与其它热机相结合的复合装置。二、应用概况1、航空领域2、发电用燃气轮机3、工业用燃气轮机4、船用燃气轮机5、机车用燃气轮机（法国、加拿大）6、车辆用燃气轮机坦克的动力装置（军事）；汽车发动机：研制中航空用发电用工业用舰船用火车机车用汽车用军事用三、发展趋势与前景1、不断向高参数、高性能、大型化方向发展；2、重视系统集成与总能系统广泛应用；3、积极采用新技术、新材料、新工艺；四大集成技术：高温合金冷却技术气动热力设计燃烧技术4、燃料能源多元化和燃煤联合循环商业化；5、积极开拓新型热力循环与总能系统。第一代：时间：20世纪40年代-80年代初期；性能参数：燃气初温1000℃、压比4～10、单机功率100MW、简单循环效率30%。第二代：时间：20世纪80年代-90年代末期；性能参数：燃气初温1350℃、单缸压比15-30、单机功率100-250MW、简单循环效率40%，联合循环效率60%。四、世界工业燃气轮机及联合循环技术的发展阶段第三代：时间：2000年及其后若干年；性能参数：燃气初温1400-1600℃、单机功率250-350MW、简单循环效率≥40%，联合循环效率≥60%。典型代表：GE“H”型机组第四代：燃气轮机处在或接近于理论燃烧空气量条件下工作，燃气初温1600～1800℃，冷却系统可能被取消，采用新的高温材料-密度更小、高温性能更好（如陶瓷材料）——基于革命性新材料的构思中的更新一代的燃气轮机。微型燃气轮机（Microturbine或Micro一turbines）一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW。基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构特别是电力系统的放松控制（Deregulation）以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视，特别是在美、欧等国发展迅猛，大有与大中型燃气轮机共占市场的势头。先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃气轮机的技术特点及其优越性，微型燃气轮机将在我国得到广泛的重视与应用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输（混合动力汽车）以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也非常重要。五、当前世界上发电用工业型燃气轮机技术派系--四大体系公司国家世界排名备注GE美国1（53.5%）1、各燃机公司燃机产量占全世界总产量的百分比（1989-1992统计数据）；2、20世纪90年代后期，ABB公司的燃气轮机部分并入Alsthom公司；WH公司燃气轮机部分并入Siemens公司。WH/MHI美国/日本2（19.2%）ABB瑞士3（14.4%）Siemens德国4（9%）目前，世界上只有美、英、俄、法、德、日本等几个少数发达国家具备独立研制燃气轮机的能力，其核心技术一直被这些国家所垄断。第三节我国燃气轮机的简况建国前：空白建国后：（1）先后研制过的燃气轮机型号多达数十种，积累实际使用的经验；（2）地面用燃气轮机轻型燃气轮机：航改机组重型燃气轮机：自行设计、测绘仿制或国际合作生产。目前概况（1）燃气轮机占发电设备的比例将逐渐增大；（2）以燃机为核心的总能系统将成为我国新世纪火电动力的主要发展方向，中国将成为世界最大的燃机潜在市场。第二章燃气轮机热力循环第一节燃气轮机热力循环基础原理1.1热力循环的概念和功能热力循环：热力系统（工质）经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部热力过程，简称循环。功能：热能机械能热力循环正向（p-v图上顺时针）热能机械能逆向（p-v图上逆时针）热能机械能动力循环(汽轮机、燃气轮机)输入外功(冰箱、空调等）热力循环p-v图主要热力参数–(1)压比π–(2)温比τ——压气机出口气流滞止压力p*2与进口气流滞止压力p*1之比。(反应工质在压气机内被压缩的程度。)*1*2pp——透平进口气流的滞止温度T*3与压气机进口气流的滞止温度T*1之比。(反应工质被加热的程度。)*1*3TT1.2燃气轮机装置循环的热力性能指标流体等熵减速到静止时的压力即为滞止压力，相应的温度为滞止温度。主要性能参数–(1)燃气轮机的比功Wn–(2)燃气轮机的热效率η——压气机吸入单位质量空气时燃气轮机输出的净功。忽略机械损失时，燃气轮机比功Wn近似等于透平比功与压气机比功之差，即：Wn=WT-Wc（反应同样工质流量和装置尺寸下燃气轮机的功率。）——装置输出功与输入的燃料能量之比，即：η=Wn/qb=Wn/(f×Hu)式中：f—燃料空气比；Hu—每千克燃料的低热值。（反应将燃料能量转化为机械功的热经济性。）按照工质流动与组织方式分类–(1)开式循环（OpenCycle）–(2)闭式循环（ClosedCycle）–(3)半闭式循环（SemiclosedCycle）1.3热力循环的分类特点–工质由大气进入燃机，再排入大气；–结构最简单，紧凑轻巧、启动快；–少用或不用冷却水。应用：航空燃机(1)开式循环（OpenCycle）特点–工质在封闭系统中循环工作(与大气无关)；–以特殊气体为工质时多采用闭式循环。应用：高温气冷堆核电站中的燃气轮机–工质为氦气，其化学稳定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热安全带出，安全性能好。(2)闭式循环（ClosedCycle）特点–工质从大气环境进入系统；–一部分工质经历热力循环后又排出到大气环境（开式）；–另外一部分再循环（闭式特点）。应用：双轴燃气轮机压气机燃烧室预冷器负荷MM压气机透平透平(3)半闭式循环（SemiclosedCycle）按照工质所经历的热力过程及其组合分类–(1)简单循环（SimpleCycle）–(2)回热循环（RegenerativeCycle）–(3)再热循环（ReheatingCycle）–(4)中间冷却循环（IntercooledCycle）–(5)联合循环（CombinedCycle）——依次由压缩、燃烧和膨胀过程组成的热力循环。(1)简单循环（SimpleCycle）——利用排气余热对压气机出口的工质进行预热的热力循环。压缩回热加热燃烧膨胀回热放热工质经历的热力过程(2)回热循环（RegenerativeCycle）回热循环（开式）——在相继的膨胀段之间对工质进行再次加热的热力循环。(3)再热循环（ReheatingCycle）——在相继的压缩段之间对工质进行冷却的热力循环。(4)中间冷却循环（IntercooledCycle）燃气轮机间冷循环示意图燃烧室负荷MM透平间冷器低压压气机冷却水HP——将具有不同工作温度区间的热机循环联合起来，互为补充。余热锅炉型联合循环系统(1)余热锅炉(HRSG)：HeatRecoverySteamGenerator狭义：燃气-蒸汽联合循环。广义：各种形式热机联合。(5)联合循环（CombinedCycle）余热锅炉型联合循环系统（2）燃气轮机多种热力循环的组合哪几种热力循环？间冷循环回热循环再热循环余热锅炉型联合循环模拟系统（2）理想余热锅炉型联合循环系统的特点：燃气轮机—高温区、高品位热量，平均吸热温度高；蒸汽轮机—低温区、低地品位热量，平均放热温度低；热量梯级利用，循环效率较高。理想余热锅炉型联合循环系统图和温熵图•最低供电效率约53%；•除KA13E2型机组，其他机组供电效率56%。燃气蒸汽联合循环电站外景第二节燃气轮机的理想简单循环简单循环–1873年，美国人布雷登（Brayton）–简单循环：由压气机、燃烧室和透平三个基本部分组成的燃气轮机循环。2.1简单循环及理想循环的假定条件燃气轮机的简单循环理想循环的假定条件–工质视为理想气体，即比定压热容cp和等熵过程指数k不随气体的成分、温度和压力而改变；–工质在压气机中的压缩过程和在透平中的膨胀过程均为等熵过程；–忽略燃烧室和燃气轮机进排气道的压力损失；–忽略燃气流量与空气流量之差；–忽略燃料的不完全燃烧损失和燃烧室的散热损失；–忽略机械摩擦与传动损失。（布雷登循环）2.2比功、效率与压比、温比的关系理想简单循环的比功计算公式1*11111kkntcpkk理想简单循环的效率计算公式111nkbkWq理想简单循环的比功、