提高燃气轮机比功的其它措施

提高燃气轮机比功的其它措施目前，提高燃气轮机比功的办法还有两个，即采用所谓间冷循环和再热循环方案。间冷循环方案的分析由于在简单循环的燃气轮机中，压气机大约要用掉1/2-2/3左右的透平膨胀功，所剩下的才能作为机组的循环净功输出，因而要想提高机组的比功，自然会想到首先应从减少压气机的耗功量的角度着手。1-低压压气机2-间冷器3-1-低压压气机2-间冷器3-高压压气机4-燃烧室5-燃气透平6-负荷图2-18一级间冷循环燃气轮机的示意图图2-18中给出了一级间冷循环燃气轮机的示意图。当然，最理想的间冷措施应该是；在整个压缩过程中，使空气连续地边加压、边冷却的方案，这样才能保证空气温度恒定不变，压缩耗功量为最小，此即所谓的等温压缩过程。然而，目前人们尚未找到实现这种压缩过程的可行方法。实际可行的方法则是图2-18那样的分级冷却、分级压缩的方案。它把整台机组所需达到的压缩比ε*，按一定规律分配到几个压缩比较低的压气机中去完成，但在逐级加压之前，却使空气经受低温水流的冷却，使空气的温度降低到比水温高出10℃左右，这种冷却空气的装置就是间冷器。图2-19燃气轮机的理想一级间冷循环的温熵图显然，在间冷循环方案中，为了使机组的比功最大，合理地分配各压气机之间的压缩比是甚为重要的，理论分析证明：在压气机的效率ηy和进气温度彼此相同的前提下，这就要求彼此串联工作的每台压气机的压缩比ε1*、ε2*、···，应该取得一样，即：总压缩比ε*为的机组，当分成n次加压时，每台压气机的压缩比应取为ε1*=ε2*=···=εn*=。图2-19燃气轮机的理想一级间冷循环的温熵图间冷循环能够增大机组比功的问题，很容易从T-s图上看清，如图2-19所示。在没有不可逆因素影响的理想简单循环中，机组的比功可以用面积2s3412s来表示，在理想的一级间冷循环中，机组的比功则可以用面积2s″3412s′1′2s″来表示，后者比前者大了一块面积等于2s″2s2s′1′2s″的功。τ=2

.86，ηt*=0

.87，ηy1*=ηy2*=0

.84，τ=2

.86，ηt*=0

.87，ηy1*=ηy2*=0

.84，ηr=1

.0，ξ=1.0，ε1*=ε2*=(ε*)1/21-无间冷的简单循环2-间冷循环图2-20间冷循环的比功与压缩比的变化关系在有不可逆因素影响的实际间冷循环中，也有类似的结果，只是实际循环净功有所减小而已。图2-20中给出了间冷循环的比功与压缩比的变化关系。由图可知，间冷的结果将使机组的最佳压缩比ε*opt，1(ε*opt，η也是如此)增高了。间冷循环的比功虽然要比简单循环大一些，可是，空气在间冷器中会对外界排掉一部分热能，致使增压终了时空气温度T″2s*比较低。当燃气温度T*3一定时，就需向燃烧室喷入更多燃料。这样，对于循环效率不一定是有利的。通常，在压缩比较低时，机组的热效率与不用间冷方案者差不多，甚至在设计不当时由于间冷器中流阻损失过大，还会使热效率有下降的趋势。只有当机组的压缩比取得较高时，间冷方案的循环效率才能有所得益。图2-21中给出了间冷循环的热效率与压缩比的关系，可以说明问题。1-简单循环1-简单循环2-间冷循环图2-21间冷循环的热效率与压缩比的关系再热循环方案的分析为了提高机组的比功，当然，也可以从增大燃气透平膨胀作功的角度来加以考虑。从理论上说，燃气初温T*3越高，透平的膨胀作功量越大。但是，燃气初温T*3受金属材料性能的限制，不能任意增高。为了在T*3恒定的条件下增大透平的膨胀功，可以使燃气在透平中稍微膨胀降温后，把它抽出来再喷油燃烧，使其温度恢复到T*3，然后再去膨胀，这样，就可以增加燃气在透平后几级中的膨胀作功量，从而达到提高机组比功的目的。这种循环方案称为再热循环。不难设想，最理想的再热过程是使燃气在维持在T*3恒定不变的条件下边膨胀边加热，此即所谓的等温膨胀过程。在膨胀比相同时，它能获得最大的透平膨胀功。图2-22中给出了一级再热循环燃气轮机的示意图。1-压气机2-燃烧室3-高压燃气透平4-再热燃烧室5-低压燃气透平6-负荷图2-22一级再热循环燃气轮机的示意图图2-23一级理想再热循环燃气轮机的温熵图与间冷循环相似，为了在级数有限的再热循环中，使机组的比功达到最大，必须合理分配各级透平之间的膨胀比。理论分析证明：在各级透平的效率彼此相等(即ηt1*=ηt2*=···=ηtn*)，而且每次再热后燃气温度都达到初温T*3的前提下，应使每级透平的膨胀比都取得相等，即δ*1=δ*2=···=δ*n=，机组的比功才能最大。再热循环能够增大机组比功的问题，也很容易从T-s图上看出。如图2-23所示。在理想的简单循环中，机组的比功可以用面积2s34s12s来表示。在理想的一级再热循环中，机组比功则可以用面积2s34′3′4″4s12s来表示。后者比前者大了一块面积等于4′3′4″4s4′的功。图中3→4′线是燃气在高压透平中的等熵膨胀线；4′→3′线是燃气在再热燃烧室中等压加热的过程线；3′→4″线是燃气在低压透平中的等熵膨胀线；3→3′→3″线则是理想的等温膨胀线。当机组按理想的等温膨胀过程膨胀时，透平的膨胀作功量为最大，因而，机组的比功也最大，它可以用面积2s33′3″4″4s12s来表示。对于有不可逆因素影响的实际再热循环来说，也有类似的结果，只是实际循环的净功有所减小而已。图2-24中给出了再热循环的比功与压缩比的变化关系。由图可知，再热的结果将使机组的最佳压缩比ε*opt，1(ε*opt，η也是如此)增高了。1-简单循环2-间冷循环(计算中取τ=2.86，ηt1*=ηt2*=0.86，ηy*=0

.84，ηr=1

.0，ξ=1

.0，δ1*=δ2*=(δ*)1/2，T’3*=T3*)1-简单循环2-间冷循环(计算中取τ=2.86，ηt1*=ηt2*=0.85，ηy*=0.83，ηr=1.0，ξ=1.0，T’3*=T3*，δ1*=δ2*=(δ*)1/2)图2-24再热循环的比功与压缩比的关系图2-25再热循环中热效率与压缩比的关系与间冷循环相仿，在实际的再热循环中，当压气机的压缩比的比较低时，机组的热效率反而会不如简单循环。因为再热的结果需要从外界吸入更多的热量q1，它与比功增高的得益不能相平衡，只是在压缩比较高的情况下，采用再热方案才有可能使循环效率稍有提高。图2-25中给出了比较关系，可以说明问题。在再热循环中当然需要采用再热燃烧室，它也会使机组的结构复杂化。但是，再热燃烧室的重量和体积一般要比间冷器小得多，它又无需用水，因而在工程实际中，再热循环方案用得还比较多，特别是在航空燃气轮机中更是如此。再热循环的燃气轮机及其联合循环已在ABB公司设计的GT24和GT26燃气轮机和KA24和KA26联合循环机组中获得实际应用。但是，它没有遵循δ*1=δ*2=那样的膨胀比分配规律，否则，燃气轮机的排气温度t*4会过高，不利于在联合循环中采用常规的蒸汽轮机流程。在ABB的设计中，以选择最佳的排气温度t*4值为目标(t*4控制在608-610℃范围内)，使2/3的燃料量在第一个燃烧室中燃烧，使1/3的燃料量在第二个再热燃烧室