改善燃气轮机热效率的措施

改善燃气轮机热效率的措施目前，简单循环燃气轮机的燃气初温已达t*3≈1400℃左右，压缩比ε*≈15-16。供电效率则介于35%-38%之间。某些航机改造的燃气轮机由于采用了比较高的压缩比(ε*=30-35)，致使供电效率已被提高到了39.78%-41.57%的可喜水平，但是，改善燃气轮机热效率的潜力却仍然是很大的，因为燃气透平的排气温度t*4一般都很高(有的已接近600℃)，以致有大量的余热q2无偿地被释放给了外界大气。倘若能设法把这些排气余热传递给能作功的高压空气或其他工质(如水蒸气)，使它们在参加燃气轮机循环或其他循环时，把一部分余热转化成为机械功，那么，燃气轮机的热效率就能得以进一步提高。为了实现上述设想，有两个途径可循，即：①利用燃气透平的排气余热，使燃气轮机与蒸汽轮机结合起来成为燃气-蒸汽联合循环：②使燃气轮机采用回热循环。关于燃气-蒸汽联合循环。在此拟附一张适用于设计实际联合循环时参考的联合循环的热效率ηNcc、比功lc与压缩比ε*和燃气轮机初温t*3的关系(请与图2-11比较)，如图2-12所示。图2-12联合循环的热效率、比功与压缩比和燃气初温的关系从图2-12中可以明显地看到：在现有燃气轮机的燃气初温(t*3=1100-1310℃)和压缩比ε*=10-16范围内，当t*3恒定时，随着ε*的变化，确实存在一个使联合循环的热效率趋于最大值的最佳压缩比ε*opt，η。目前，燃气轮机的t*3和ε*的配合关系，虽然不能保证简单循环燃气轮机的热效率达到最佳值，但却能保证联合循环的热效率达到最佳值。这是由于当采用联合循环方案时，与联合循环的热效率为最大时所对应的最佳压缩比ε*opt，η，要比简单循环的燃气轮机者低得多的缘故。在比较图2-11和图2-12时还能看到：在同样的t*3和ε*条件下，联合循环的热效率和比功要比简单循环的燃气轮机大很多，因而，联合循环已成为目前改善燃气轮机的比功和热效率的首选措施。程氏双流体循环从本质上来说，程氏双流体循环方案也是一种燃气-蒸汽联合循环。这种循环的主体设备是与余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环非常接近。在燃气轮机后同样安装一台余热锅炉，但是，由余热锅炉产生的过热蒸汽不是送到蒸汽透平中去作功，而是供回到燃气轮机燃烧室中去，与压气机供来的空气一起被加热到燃气透平前的初温T3，然后共同进到燃气透平中去进行膨胀作功(也可以把一部分低压蒸汽，不经过燃烧室加热，而送到燃气透平的低压部分中去膨胀作功)，即：在这种循环方案中，燃气与蒸汽是在同一台透平中膨胀作功的。那时，有两种流体——燃气和蒸汽一起流经燃气透平，这就是双流体循环命名的渊源。由燃气透平排出的燃气与蒸汽的混合物将进入余热锅炉，在其中把余热传给余热锅炉的给水，使其变成过热蒸汽后返回到燃气轮机中去参与循环。余热锅炉后温度为149℃的燃气与蒸汽的混合物则将直接排入大气。显然，这种循环与前节所述的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环有以下几点原则性的差别，即：①不再配置蒸汽轮机和凝汽机等设备，因而整个装置的设备大为简化，尺寸也减少很多。②由余热锅炉提供的全部或部分蒸汽还要在燃气轮机燃烧室中进一步加热到燃气透平前的初温T3相同的水平，即：过热蒸汽的温度T3一定要比常规的蒸汽轮机中所能承受的温度t9(一般为435℃~550℃左右)高得多。这种高温过热蒸汽的作功，势必为提高整个循环的热功转换效率提供了条件。以上这两点是程氏循环的优点。③由于蒸汽膨胀后是经余热锅炉直接排向大气的，即蒸汽的膨胀背压要比采用凝汽器的高得多，这将限定了蒸汽作功能力的充分发挥。④由于蒸汽连续不断地排向大气，难于回收，这就需要大量地向余热锅炉补充软水，补水的处理设备必然庞大，耗费是昂贵的。后两点则是程氏循环的缺点。此外，程氏双流体循环还有以下一些优点，即：①由于有一部分蒸汽被喷到燃气轮机燃烧室的燃烧区中去，可以适当降低燃烧火焰的温度，有利于减少NOx的排放量。②由于燃气中含有水蒸气，就会增高混合气体的传热系数，有利于改善余热锅炉中混合气体的换热效果。在相同的燃气温度条件下，可以从混合气体中抽取更多的热能，使余热锅炉中混合气体的换热提高。③整台机组的作功量增大了，整个循环的热功转换效率提高了。例如：在Allison501-KB发动机上进行的试验表明：为了把过热蒸汽在燃烧室中加温，需要补燃19%的燃料量，但是却能使透平的作功量增加75%，即可以使该发动机的效率由原来的3086kW增加到5400kW，相应地使机组的热效率由原来的29%提高到40%。这种增长程度是诱人的。④倘若我们仍然维持发动机发出原有的额定功率3086kW，显然，在采用双流体循环后，可以大大降低透平前的燃气初温3，这对于延长发动机的寿命大有好处。例如：对于501-KB发动机来说，使燃气初温降低27.8，就可以使发动机的寿命增长一倍。试验还表明，即使在这种温降条件下运行，机组的效率相对地仍然要比原型者提高20%左右。回热循环图2-13中给出了回热循环燃气轮机的示意图。从图上可以看出，它是由压气机、燃烧室、燃气透平，再加上一个新部件---回热器组成的。1-压气机2-回热器3-燃烧室4-燃气透平5-负荷图2-13回热循环燃气轮机的示意图所谓回热器，实质上就是一种热交换设备。当燃气透平排出的高温燃气流经回热器时，可以把一部分热能传递给由压气机送来的低温空气。这样，就能降低排气温度t*4，而使进到燃烧室的燃料量，从而提高机组的热效率。图2-14燃气轮机理想回热循环的温熵图这个问题在T-s图上可以看得很清楚，图2-14上给出了理想回热循环的T-s图。图2-14燃气轮机理想回热循环的温熵图由图2-14可知：在理想情况下，透平的排气温度t*4s可以在回热器中被冷却降低到t*4′=t*2s，而压气机出口的空气温度t*2s则可以在回热器中被加热到t*2′=t*4s。这样，由外界加给空气的热能q1，已不再是简单循环中的面积2s3s3s12s，而应由小面积2′3s3s2′2′来代表；由燃气释放给大气的热能q2，则由简单循环中的面积4s1s1s34s减小为面积4′1s1s4′4′。假如不考虑回热器的流阻损失对透平膨胀比δ*的影响，那么，循环中能够输出的理想净功lcs，应与理想的简单循环者相同，它仍然可以用面积34s12s3来代表。根据关系式(2-9)可知，相对理想的简单循环而言，lcs=lts-lys不变，而q1减小了，因而，回热机组的热效率必然会明显得增高。图2-15燃气轮机实际回热循环的温熵图在实际的回热循环中，回热效应对机组热效率的影响是与理想的回热循环类似的。所不同的只是使机组热效率提高的程度要比理想的回热循环有所减小而已。这是由以下两个原因造成的，即：①在回热器中由于有流阻损失的影响，燃气侧和空气侧都会有压力降，其结果将使燃气透平的进气压力p*3有所降低，而透平的排气压力p*4却有所增高，也就是说透平的膨胀比δ*减小了。显然，这将使机组的比功要比理想的回热循环的小一些；②由于热交换是以温度差为前提的，因而在回热器中透平排气的温度T4′*不可能被冷却到T2*，而只能降低到T4′*；同时在压气机后的空气温度T*2也不可能被加热到T4*，而只能升高到T2′*，，即T4′*>T2*，T2′*<T4*(如图2-15所示)。这就是说，透平排气余热的利用程度要比理想的回热循环的差。换句话说，为了达到同一个燃气初温T*3，供给燃烧室的热能q1就要增加。显然，机组的循环热效率是降低了。图2-15燃气轮机实际回热循环的温熵图通常，人们以回热度μ作为衡量回热器的主要性能指标，在忽略空气与燃气的流量和定压比热容的微量差异后，回热度μ的定义式可简化为：图2-16回热器的回热度与相对回热面积的关系(2-38)图2-16回热器的回热度与相对回热面积的关系式中：T*2——压气机出口的空气温度，即回热器的入口空气温度；T*2′——回热器出口的空气温度，即燃烧室入口的空气温度；T*4——燃气透平的排气温度。很明显，回热度μ实际上就是一个衡量回热器中燃气可能释放的理论热能，是否已被充分利用了的技术特性指标。在不考虑回热器中流阻损失的影响时，回热度越高，回热循环的得益就越大，机组的循环热效率改善得就越多。但是，提高回热度是已增大回热器的换热面积为前提的，其结果将使回热器的重量，体积和流阻损失不断增大，而机组的比功却大为减小。所以，回热度取得过大未必合适。图2-16中给出了回热器的相对换热面积与回热度μ之间的变化关系。由图可见，当μ>0.5以后，换热面积开始逐渐增大。当μ>0.9后，增长率将极为陡峭。因而回热度不能取得过大。实践表明：使μ介于0.5-0.85之间是适宜的。由于回热循环的实质无非就是在简单循环的基础上，部分利用了燃气透平排气余热的一种循环方案而已，因而，在上节中通过对简单循环的分析而得出的某些结论，对于回热循环也是适用的。例如：提高机组各部件的效率ηy、ηr、ηt和温度比τ，或是降低机组各部分的流阻损失等措施，对于提高机组的比功和热效率都是有效的。此外，当这些参数已定时，在回热循环中必然也会存在两个能分别保证机组的比功和热效率为最大的最佳压缩比ε*opt，1和ε*opt，η。实线-τ=3。20，虚线-τ=2。86(计算中取ηt*=0。87，ηy*=0。84，ηr=1。00，ξ=1。00)图2-17回热循环中热效率ηc与ε*、τ和μ的关系曲线但是，在回热循环中ε实线-τ=3。20，虚线-τ=2。86(计算中取ηt*=0。87，ηy*=0。84，ηr=1。00，ξ=1。00)图2-17回热循环中热效率ηc与ε*、τ和μ的关系曲线可是，与简单循环相比，回热循环中的ε*opt，η却会下降很多。图2-17中给出了回热循环的热效率ηc与温度比τ和压缩比ε*的变化关系曲线，可以看清这个问题。由图2-17中可以看出：回热循环燃气轮机的热效率比较高，它与回热度μ与温度比τ的选取有关。当μ和τ的值增大时，ηc将不断提高。但是值得注意的是：当τ一定时，相对于μ=0的简单循环来说，ε*opt，η值却会由于采用了回热循环而大大地降低了，而且随着回热度μ的增大，ε*opt，η值将越趋减小。这个问题可以作如下解释，即在μ=0的简单循环中，当τ一定而ε*过低时，压气机出口的空气温度t*2很低，为了使空气加热到t*3，就要向燃烧室喷入大量的燃料。可是在低膨胀比情况下，透平排气温度t*4却很高(参见图2-15)，那时，大量余热没能被利用。因而在低压缩比ε*情况下，简单循环的热效率显得比较低。但是对于回热循环来说，低压缩比情况下透平排气温度t*4偏高的现象，正好被利用来充分加热压气机出口的低温空气，使它在进入燃烧室之前能够在回热器中被加热到较高的温度，这样就可以大大减少喷到燃烧室中去的燃料量。所以在ε*较低时，回热循环的热效率却能达到较高的水平，即ε*opt，η必然较小。当机组的压缩比进一步提高时，由于压气机出口的空气温度t*2也不断增高，而透平的排气温度t*4却不断地下降。不难设想，随着压缩比的增高，总是会出现一个t*2=t*4的情况，那时不论回热度取得多大，由于燃气与空气之间不存在温度差，回热效应将完全消失，这就与没有回热器的简单循环完全相当。显然，在这种情况下，假如忽略回热器的流阻损失，不论回热度多大，任何回热循环的热效率必然都会下降到与μ=0的简单循环所能达到的水平一样。这就是图2-17中在某一个压缩比ε*下，各条效率曲线都必然要汇集到同一个点(A或A′)上去的根本原因