第3章燃气轮机热力循环4

1、第3章 燃气轮机热力循环燃气轮机热力循环 3.13.1燃气轮机热力循环主要技术指标燃气轮机热力循环主要技术指标 3.23.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析 3.33.3燃气轮机理想复杂循环分析燃气轮机理想复杂循环分析 3.43.4现代燃气轮机的主要参数及性能现代燃气轮机的主要参数及性能 3.53.5燃气燃气蒸汽联合循环蒸汽联合循环3.13.1燃气轮机热力循环主要技术指标燃气轮机热力循环主要技术指标 3.1.13.1.1燃气轮机热力循环燃气轮机热力循环 3.1.23.1.2燃气轮机热力循环的性能参数燃气轮机热力循环的性能参数 3.1.33.1.3燃气轮机热力循环的热力参数燃气轮

2、机热力循环的热力参数 开式循环燃气轮机从大气连续地吸取空气作工质，经过压缩、加热、膨胀作功后排回大气放热而不断地循环工作。膨胀过程所作的功，要扣除压缩过程耗功及其它损耗所需的耗功之后才是装置的输出功。开式循环燃气轮机通常采用内燃方式加热，把燃料直接喷入空气工质中燃烧。3.1.13.1.1燃气轮机热力循环燃气轮机热力循环开式循环燃气轮机 闭式循环可以采用热力性质较好的非空气工质气体，例如氦气，它的压缩、加热，膨胀作功和放热过程都在封闭的装置系统中周而复始地进行。闭式循环采用外燃方式即将热量通过管壁来加热工质。半闭式循环中工质空气的主要部分在装置中循环，但放出一部分燃烧后的废气至大气，同时也吸入一

3、部分新鲜空气来补充氧气，而且吸入的新鲜空气量正好与放出的废气量相等。3.1.13.1.1燃气轮机热力循环燃气轮机热力循环闭式循环过程示意图 燃气轮机在发展初期曾采用过等容的爆燃方式加热，但后来都采用了比较简单而更适宜于续流式透平机械的等压不间断的加热方式，即理论上的等压等熵循环，这是燃气轮机最简单的理想循环。实际上，由于各种损耗的存在，上述的等压，等熵过程都是不能实现的，而只能是尽量接近它。另外由于等温的压缩过程及膨胀过程在热力循环中较等熵过程更有利，可使压缩过程少耗功而膨胀过程多作功，因此也可采用压缩过程中的问冷和膨胀过程中的再热来趋近等温过程。 3.1.13.1.1燃气轮机热力循环燃气轮机

4、热力循环3.1.1燃气轮机热力循环 50年代采用复杂循环的燃气轮机相当多。到60年代高温材料及冷却技术的进展，趋向于提高燃气初温而简化机组，大都采用简单循环。70年代由于能源紧张，又在考虑采用回热等热能综合利用的循环。80年代，燃气蒸汽联合循环等高效率的机组得到了很大的发展。 3.1.1燃气轮机热力循环 燃气轮机排气温度较高，可达500左右，因此还可利用其热量来加热压缩后的空气，从而在燃烧室加热时就可节省一部分燃料，故能较多地提高装置效率，这种循环称为回热循环。燃气轮机还能采用把间冷、回热和再热组合起来的复杂循环以提高性能。也可同其它工作循环结合起来提高综合经济性能，例如涡轮增压柴油机循环、燃

5、气蒸汽联合循环和化工流程燃气轮机循环等。比功就是单位流量工质所发出（或所需）的功率，压气机的比功也称为能量头或压头。Wn = WT - WC（一）装置比功（一）装置比功3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数燃气轮机热力循环的性能参数（二）热效率（二）热效率 热效率热效率的含义是指：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能，转化成为机械功（或电功）的百分数。 3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数燃气轮机热力循环的性能参数 式中Hu燃料的净比能，单位为kJ/kg； b燃料消耗率，即单位输出功的燃料消耗量，单位为kg/(kWh); 3600系数，单位为kJ/(kWh)。其中 燃料空气比f是燃料流量q

6、f与空气流量q之比，f = qf / quununbHfHWHqqWf3600输入输出3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数燃气轮机热力循环的性能参数（三）单机功率（三）单机功率 由于地面电站燃气轮机对机组重量没有严格要求，因此对比功并不作出特别的限制，而将燃气轮发电机组的输出电功率PGTG作为主要的性能指标。 由于当地的大气压力及大气温度对已选定的燃气轮机性能有一定的影响，因此，燃气轮机就有了标准额定功率、合同额定功率、现场额定功率和尖峰功率等几个概念。 3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数燃气轮机热力循环的性能参数 (1)标准额定功率 (2)合同额定功率 (3)现场额定功率 (4)尖峰功率

7、通常将前三项统称为基本负荷。 ANSI B1336“额定值及性能”将基本负荷定义为：每年运行8000h和每次启动运行800h。而将尖峰负荷定义为：每年运行1250h和每次启动运行5h。3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数燃气轮机热力循环的性能参数3.1.3燃气轮机热力循环的热力参数燃气轮机热力循环的热力参数 （一）温比（一）温比 = T3*/ T1*温比是循环最高全温T3*与最低全温T1*之比值。 3.1.3燃气轮机热力循环的热力参数燃气轮机热力循环的热力参数 图3-1 燃气初温的定义方法 燃气初温是一个重要的参数，它是指循环中所达到的最高温度。目前定义燃气初温有三种方法，在图3-1说明了这些

8、不同的温度是如何被定义的：燃烧室的出口温度TA；燃气透平第一级喷嘴环(静叶栅)后的燃气温度TB；以进入燃气透平的所有空气流量计算的平均温度TC。 3.1.3燃气轮机热力循环的热力参数燃气轮机热力循环的热力参数 =P2*/ P1* 压比是压气机出口气体全压P2*与进口气体全压P1* 之比值。 （二）压比（二）压比3.23.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析 3.2.13.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环 3.2.23.2.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析 3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环所谓理想简单热力循环是指循环中的工质假所谓理

9、想简单热力循环是指循环中的工质假定为满足气体状态方程的理想气体，并认为在定为满足气体状态方程的理想气体，并认为在理想热力循环中所进行的各热力过程，除了有理想热力循环中所进行的各热力过程，除了有不可避免的给冷源的放热损失外，和外部介质不可避免的给冷源的放热损失外，和外部介质既不发生热量的交换，也不存在摩擦损失。既不发生热量的交换，也不存在摩擦损失。 3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想开式简单循环由以下四个过程燃气轮机理想开式简单循环由以下四个过程组成：即压气机中的理想绝热压缩过程、燃烧室组成：即压气机中的理想绝热压缩过程、燃烧室中的定压加热过程、透平中的理想绝热膨胀过

10、程中的定压加热过程、透平中的理想绝热膨胀过程和排气系统中的定压放热过程。我们把压气机进和排气系统中的定压放热过程。我们把压气机进口处空气的状态参数以下标口处空气的状态参数以下标“1”表示，压气机出表示，压气机出口即燃烧室进口状态以下标口即燃烧室进口状态以下标“2”表示，燃烧室出表示，燃烧室出口即透平进口状态以下标口即透平进口状态以下标“3”表示，而透平的排表示，而透平的排气状态用下标气状态用下标“4”表示，将该循环表示在表示，将该循环表示在p-v图图和和T-s图上。图上。 3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环图3-2 燃气轮机理想简单循环 (1)在理想绝热的压缩过程中，空气的状态

11、参数应按pvK=常数这个规律进行变化。压缩过程的效果是使空气的压力p增高而比容v缩小。(2)在等压燃烧过程中，空气的压力是恒定不变的，因而，在p-v图上燃烧过程线23是一条与v轴平行的直线。3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环v3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环(3)在理想绝热的膨胀过程中，燃气的状态参数应按pvK=常数这个规律进行变化。(4)在等压放热过程中，燃气的压力也是恒定不变的，即P4=Pl，因而，在p-v图上放热过程线41也是一条与v轴平行的直线。3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环(5)从p-v图中不难看清：面积34123=面积34ab3

12、面积12ba1。因而，当lkg空气在燃气轮机中完成一个循环后能够对界输出的理想循环功可以用面积34123来表示。 3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环(6)从T-s图上不难看清：由于QlQ2=面积23412，就是lkg空气在燃气轮机中完成一个循环后，能够对外界输出的理想循环功。当然，这个面积越大，意味着循环的比功越大。 3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环(7)在T-s图上，面积23412与面积23dc2。的比值就是机组的循环效率。显然，当面积23dc2一定时，假如面积23412越大，就意味着机组的热效率越高。 因而，利用T-s图，很容易定性地分析出各种因素对机组热

13、效率和比功这两个指标的影响关系。 3.2.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析理想的等压燃气轮机简单循环中，由热力学第一定律即外界加给气体的热量等于气体的对外作功与气体的比始增之和，即q = w + cpT* 3.2.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析循环四个过程中的功和热的变化如下；12压气机中等熵压缩 q12 = 0，wc = cp (T2* - T1*) = cp T1* (m - 1 )23燃烧室中等压加热 q23 = cp (T3* - T2*) ，w23 = 034透平中等熵膨胀 q34 = 0，wt = cp (T3* - T4*) = cp T3*

14、 ( 1 -m )41大气中等压放热 q41 = - cp (T4* - T1*)，w41 = 0其中 m = ( k - 1 ) / k3.2.2燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环分析分析图3-3 理想简单性能曲线 (一一)理想简单循环比功理想简单循环比功 wGT = wt - wc把 wt和wc的算式代入可得wGT = cp T1* ( 1 -m ) - cp T1* (m - 1 )上式表明，wGT只与温比和压比有关。将上式绘成曲线如图3-3(a)所示，该图表明：一定时，越大，即T3*越高或T1*越低，则wGT越大；(1) (2) 对于每一个值都有一个最佳的与之相配合，才能得到最大

15、比功。3.2.2燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环分析分析3.2.1燃气轮机理想简单循环燃气轮机理想简单循环(二二)理想简单循环热效率理想简单循环热效率理想简单循环热效率计算式为GT = wGT/q23把wGT和q23的算式代入可得GT = 1 -m3.2.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析可将上式绘成曲线如图33(2)所示。从图中可以看出：(1) 越大，GT越高。这是因为T2*随增加而增加，为达到同一T3*所需加入的热量也减少，故效率增加。(2)理想简单循环燃气轮机的循环效率只与压比有关，与温比无关。3.2.2燃气轮机理想简单循环分析燃气轮机理想简单循环分析(三三)简单

16、循环的有用功系数简单循环的有用功系数计算式为计算式为 = 1 - wc / wt = 1 -m / （3-11）把上式绘成曲线见图把上式绘成曲线见图33(c)，由图可见：，由图可见：(1) 一定时，随着一定时，随着的增大，透平等熵膨胀功将的增大，透平等熵膨胀功将增大，故增大，故也随着增大；也随着增大；(2) 一定时，随着一定时，随着的增大，压气机等熵压缩功的增大，压气机等熵压缩功将增大，故使将增大，故使下降。下降。3.3燃气轮机理想复杂循环分析燃气轮机理想复杂循环分析 3.3.1提高燃气轮机热效率的措施提高燃气轮机热效率的措施3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施3.3.1提高

17、燃气轮机热效率的措施提高燃气轮机热效率的措施简单循环燃气轮机的排气温度高达简单循环燃气轮机的排气温度高达450600，如果在燃气轮机中加装回热器，利用这，如果在燃气轮机中加装回热器，利用这高温排气来加热压气机出口的空气，提高它进高温排气来加热压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度，可以减少加入燃烧室中的燃入燃烧室的温度，可以减少加入燃烧室中的燃料量，从而提高了热效率，这就是回热循环，料量，从而提高了热效率，这就是回热循环，图图3-4(1)为其方案示意。为其方案示意。 3.3.1提高燃气轮机热效率的措施提高燃气轮机热效率的措施图3-4 回热循环燃气轮机3.3.1提高燃气轮机热效率的措施提高燃气

18、轮机热效率的措施图图3-4 (2)是理想回热循环的是理想回热循环的T-s图。由于是图。由于是理想循环，压气机出口空气被加热至与透平排理想循环，压气机出口空气被加热至与透平排气相同的温度，即气相同的温度，即T2a* = T4*，同时，同时T2* = T4 a*，这意味着回热器中这意味着回热器中(T4* - T2*)温差范围内的热量温差范围内的热量全部被回收，其次是加装回热器后没有压力损全部被回收，其次是加装回热器后没有压力损失。失。 3.3.1提高燃气轮机热效率的措施提高燃气轮机热效率的措施理想回热循环的比功仍用式理想回热循环的比功仍用式(2-4)计算。由计算。由于无回热器的附加压力损失，故理想

19、回热循环于无回热器的附加压力损失，故理想回热循环的比功与理想简单循环的相同。加入的热量的比功与理想简单循环的相同。加入的热量q由由于温升从于温升从(T3* - T2*)变为变为(T4* - T2a*)而减少，使而减少，使GT高于理想简单循环的热效率。理想回热循环高于理想简单循环的热效率。理想回热循环的效率计算式为的效率计算式为 GT = 1 -m / （3-12）3.3.1提高燃气轮机热效率的措施提高燃气轮机热效率的措施依据式依据式(3-12)可作出下图可作出下图图3-5 理想回热循环效率 3.3.1提高燃气轮机热效率的措施提高燃气轮机热效率的措施实际的回热器尺寸有限，存在着传实际的回热器尺寸

20、有限，存在着传热温差，因而必然是热温差，因而必然是T2* T1*；采用水来冷却的间冷器，两者相差约15-25左右。其次是工质在间冷器中有压力损失，使得各段中的压比要比理想的高些，才能在压缩终了时达到所需的p2*压力，导致各段压缩的压比的乘积大于总的压比。显然，此两因素减少了采用间冷后的比功增大量。实际间冷循环见图3-8(3)，其中有阴影的是比功增大的部分。 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 实际间冷循环的性能见图3-9。与简单循环相比较，比功增加较多，且wmax也稍大一些，效率随的变化曲线要比简单循环的平坦些，max高很多，在高压比范围的效率高于简单循环的。可见间冷循环宜

21、选取较高的压比，这样不仅比功可增加较多，又能获得较高的效率。 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 图3-9 间冷循环比功性能曲线 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施间冷循环效率性能曲线 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 (二二)再热循环再热循环 再热循环，是指在膨胀过程中间，把工质引出至再热燃烧室中加热后，再回到透平中继续膨胀以完成膨胀过程。这种燃气轮机循环的方案图中c.c2是再热燃烧室，由此使透平分为高压(HT)和低压(LT)两个部分。为使再热后比功增加得多些，再热后工质的温度理应高些，当T5* = T3*时最好。 3.3.2提高

22、燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施3-10 再热循环性能曲线 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 (二二)再热循环再热循环理想的再热循环见图3-10(2)，T5* = T3*，完全燃烧，且无压力损失，图中有阴影线的面积就是采用再热后增大的比功，这时循环的比功为WGT=(WHT+WLT)-WC=Cp(T3*- T4*)+( T5*- T6*)- Cp(T2*- T1*) (3-15) 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 与间冷循环相同，工质被引出再热时压力高低的不同，图中阴影线部分的面积大小将不同，即比功的增大值不同。因此，它同样有两透平之间膨胀比的

23、最佳分配问题。用与间冷循环中相似的方法，可得到最佳膨胀比分配为HT=LT = HT*LT式中 总膨胀比。 与间冷循环相同，也可把膨胀过程分为多段，并采用多次再热，以更多地增大比功。同样可得到最佳膨胀比分配为iT=（）1n，其中n为膨胀段数，则再热为(n1)次。3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 理论上，再热次数无穷多时，膨胀过程就变为等温膨胀，膨胀功达到最大，循环比功增加最多。当然，与无穷多次间冷一样，无穷多次再热也是做不到的。 再热循环的加热量ql因有再热燃烧室而使计算公式有所不同。对于理想循环 q1= Cp(T3*-

24、 T2*)+( T5*- T4*) (3-17) 该式表明再热后循环的加热量增加了。循环热效率仍用式(3-2)计算。3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 实际的再热循环，再热燃烧室中有压力损失和存在不完全燃烧，影响循环比功的增加和效率的变化。实际再热循环见图3-10(3)，有阴影的是比功增大的部分。3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施图3-11 再热循环性能曲线 3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 实际再热循环的性能见图3-11。循环比功比简单循环大很多，max也高一些。与图3-9相比较，再热循环的比功增加得更多些，原因是气体的热力性质在

25、相同压比下温度高的焓降大，使再热后循环图增加的阴影部分的面积比间冷的大，比功增加更多。至于效率方面，在高的压比范围效率高于简单循环的，max也高很多。因此，再热循环宜选取较高的压比，使比功增加多且效率较高。3.3.2提高燃气轮机比功的措施提高燃气轮机比功的措施 实用的再热循环燃气轮机只用一次再热。再热后工质的温度一般取T5* = T3*。但在T3*在很高时，为了减少再热燃烧室冷却结构设计的困难（因其进口工质的温度已很高），可取T5*T3*。 间冷回热循环示意图WR21间冷回热循环燃气轮机简单循环与ICR循环燃气轮机的油耗率对比3.4现代燃气轮机的主要参数及性能 为了提高燃气轮机的效率和比功，同

26、时增大其单机容量，着重点在于提高燃气轮机的参数水平，如：燃气初温T3*、压缩比、空气流量以及主要部件的效率等。 为此，需要采用耐高温的合金材料来制作透平的通流部分和燃烧室的火焰管；设计先进的叶片的冷却结构，以及自动化程度很高的、运行安全可靠的调节控制和保护系统。3.4现代燃气轮机的主要参数及性能图3-12 CE公司机组之空气流量随年代的发展情况 3.4现代燃气轮机的主要参数及性能 图3-13 CE公司机组之压缩比随年代的发展情况图3-13 CE公司机组之压缩比随年代的发展情况3.4现代燃气轮机的主要参数及性能 图3-14 CE公司机组之燃气初温和高温材料随年代的发展情况 3.4现代燃气轮机的主

27、要参数及性能GE公司几种型号燃气轮机的空气流量、压缩比以及燃气初温随年代的发展情况，大体上反映出世界范围内燃气轮机主要参数的进展。GE公司、Siemens公司、ABB公司与西屋公司当今几种50周波的燃气轮机之性能参数。它们代表了工业型燃气轮机的现有水平。3.4现代燃气轮机的主要参数及性能 综合以上各表的数据可知：现代燃气轮机的主要参数和性能都已获得了长足的发展。其单机容量已经达到250MW；T3*恒定在1288-1300左右，单轴压气机的压缩比已经高达23-30，空气流量为685kgs左右，发电效率在3638范围内变化。不久的将来，必将增至1427，发电效率将接近于40。当然，航机改造的燃气轮

28、机的和发电效率早已超过此水平。 简单循环PG5371(PA)PG6541(B)PG6101(FA)PG9171(E)PG9231(EC)PG9351(FA)PG9391(G)发电机功率kW基本263003834070140123400169200250400282000尖峰278304140073570133000174700258600净热耗率(LHV) kJ(kWh)基本126471147610526.910660103109866.89115.2尖峰12636.51137110453.110632.410237.99866.8供电效率(LHV)()基本28.4731.3734.233.7

29、734.9236.4939.49尖峰28.4931.6634.4433.8635.1636.49压缩比10.511.815.012.314.215.423透平第一级动叶前的燃气初温962.811041288112412041288转速(rmin)5094509452473000300030003000空气流量(kgs)122.47136.99196.47403.7498.51645.02684.9排气流量(kgs)410.22507.35排气温度487539597530558609583简单循环V64.3V64.3AV94.2V94.3V94.3A发电机功率kW基本62500700001590

30、00222000240000尖峰66800166000净热耗率(LHV) kJ(kWh)基本10252.669778.010526.909925.679472.10尖峰10157.7210484.71供电效率(LHV)()基本35.1136.8234.2036.2738.01尖峰35.4434.34压缩比16.116.611.116.116.6透平第一级动叶前的燃气初温125011051290转速(rmin)54005400300030003000空气流量(kgs)191.87198513.93623.7639.58排气温度531565540550562简单循环GT8CGTl3DGTl3E2G

31、T26发电机功率kW基本5280096000165100241000尖峰56800176900净热耗率(LHV) kJ(kWh)基本 10465.6 11246.310075.39421.2尖峰供电效率(LHV)()基本34.4 32.0 35.73 38.2 尖峰压缩比15.7 11.9 14.6 30透平第一级动叶前的燃气初温11001235转速(rmin)3000300030003000空气流量(kgs)179.2 394.2 532.1 545.3 排气温度517490524610简单循环701D701F701F2701Gl发电机功率kW基本144210236700253700271000尖峰净热耗率(LHV) kJ(kWh)基本10140.79790.497069305尖峰供电效率(LHV)()基本35.5 36.77 37.0938尖峰压缩比14.7 15.6