燃气轮机及其热力循环

燃气轮机装置与运行上海理工大学能源与动力工程学院2012-08第二章燃气轮机及其热力循环2-1概述2-2燃气轮机热力性能指标热力参数（压比、温比）；性能参数（比功和功率、热效率、耗油率和热耗率等）2-3燃气轮机的简单循环2-4燃气轮机热力循环计算2-5提高燃气轮机热力性能的途径2020/3/2231循环分析的目的和一般方法分析动力循环的目的在于，评价该循环在热能对机械能的连续转换及能量有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主要因素。⑴分析动力循环的一般方法①对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素。②在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及其产生的原因、大小和改进的办法。对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分析外，一般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理评估循环的完善性。2-1概述2020/3/224本课程主要讨论相关热力装置的理论循环，重点在于分析热力循环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题。实际的气体动力循环中，在循环的不同阶段工质成份不同，有时是空气，有时是燃气。燃气的热物性与空气相近理论分析中视工质为类同空气的某种定比热容理想气体。⑵对实际气体动力循环所作的理想化处理①②实际装置的工作循环是开式的，每个工作循环后均将废气排弃，更换新的工质。理论分析时抽象成闭式循环燃烧过程视为对工质的加热过程排气过程视为工质的放热过程2-2燃气轮机热力性能指标性能指标——衡量一台动力装置好坏的标准。——有很多，例如经济性、动力性、可靠性、变工况特性以及排放性能等，需用不同的方法来分析。主要用热力学方法分析：反映动力性能好坏的指标，常用比功和功率；反映经济性好坏的指标，常用热效率、耗油率和热耗率等。一、热力参数1、压比*—说明工质在压气机内受压缩的程度。—压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。用滞止压力（总压）表示：*1*2*pp决定循环性能的重要参数2、温比*—说明工质被加热的程度。—涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值用滞止温度（总温）表示：*1*3*TT决定循环性质的最重要参数*愈高，性能愈好，但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。二、性能参数1、比功和功率比功w—单位质量工质所做的功，kJ/kg；wC—压气机的比功，kJ/kg；wT—涡轮比功，kJ/kg。功率N—单位时间内工质所做的功，kW。燃气轮机的比功—进入压气机内1kg空气完成一个循环后，对外界输出的有效轴功。（1）循环比功wi（又称指示比功、内比功、装置比功）忽略机械损失wi=wT-wCkJ/kg相应的，指示功率、内比功率：Ni=GcwikWwi和Ni：反映机组循环本身动力性能的好坏。进入压气机的空气流量，kg/s。（2）有效比功we考虑机械损失，设机械效率为m，则we=wim=（wT–wC）mkJ/kg相应的，有效功率：Ne=GcwekWwe和Ne：反映整个机组动力性能的好坏。二者关系为：Ne=Nim比功可表征机组的重量和大小。2、热效率—燃气轮机输出的有用功与其所耗燃料的热量的比值。（1）内效率i——内比功与热量的比值（装置热效率）（2）有效效率e——有效比功与热量的比值uiuCfiuiiiBHNHGGwHfwqw3600ueuCfeueeeBHNHGGwHfwqw3600空气燃料/kgkgCfGGf燃料空气比燃料的低位发热值，kJ/kge=im燃料消耗量，kg/h燃料流量，kg/s3、耗油率和热耗率（1）耗油率ge——产生单位有效功率时的燃料消耗量，kg/（kWh）——耗油率ge与有效效率e成反比关系。燃机效率越高，同功率下所耗燃料量愈少，经济性愈好。h)kg/(kW36003600ueefeeHNGNBg（2）热耗率qe——产生单位有效功率所耗的燃料热量，kJ/（kWh）——热耗率qe与有效效率e成反比关系。h)kJ/(kW3600eeueNBHq4、有用功系数——燃气轮机比功wi与涡轮比功wT的比值，即——该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。——大时，（1）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些；（2）wC/wT比例小，则压气机对机组性能的影响小。——愈大，装置性能愈好。TCTi复习稳定流动、稳定流动能量方程式滞止现象、滞止参数复习内容1、什么是稳定流动？其条件是什么？所谓稳定流动，就是热力系统在任何截面上，工质的一切参数都不随时间而变。稳定流动的条件：（1）进出口工质的热力状态不随时间而变；（2）进出口工质的流量相等且不随时间而变；（3）系统与外界交换的一切能量不随时间而变。2、什么是滞止现象？滞止参数？滞止现象：当流动工质受到阻碍而使工质流速降为零时所发生的现象。滞止参数：通过可逆绝热压缩过程使工质流速降为零时所得到的参数。滞止焓或总焓i*滞止温度或总温T**212hhcpccTT22*221*cpp1**kkTTpp滞止压力或总压p*静参数滞止参数稳定流动能量方程式忽略燃气轮机进出口的位能差引入滞止焓对于燃气轮机中的各热力过程都是适用的。22121212sqhhccw12-zzg工质吸收的热量焓差动能差位能差理论轴功2211221122sqhchcw**21()sqhhw稳定流动所有工质2-3燃气轮机的简单循环在工质流动的主要流程中，只有压气机、燃烧室和涡轮三大件组成——简单循环一、稳定流动能量方程式在燃气轮机中的应用任何热机必须依靠工质经过一系列热力过程完成一个循环，才能连续不断地对外做功。在燃气轮机中，工质要完成压缩、加热、膨胀以及放热等热力过程，必需连续不断地流进和流出设备。进行热力学分析时，视稳定工作时工质的流动为稳定流动，各能量间相互转化关系服从稳定流动能量方程式。燃烧室燃气轮机循环进气压气机泵排气涡轮燃料12341q2q▲定压加热理想循环1-2等熵压缩（压气机内）2-3定压吸热（燃烧室内）3-4等熵膨胀（燃气透平内）4-1定压放热（排气，假想换热器）21pp循环增压比32TT循环增温比简单循环理想简单循环实际简单循环讨论影响循环动力性和经济性的因素利用热力学中的p-v图和T-s图研究循环二、理想简单循环假设条件：工质为理想气体；热力过程均是可逆的，无能量损耗；工质的比热容和流量不变。组成：2个可逆绝热过程2个可逆定压过程1-2s等熵压缩2s-3s等压加热3s-4s等熵膨胀4s-1等压放热1、分析热力过程①1-2s压气机中的可逆绝热压缩过程压气机消耗的功用来压缩气体，称为压缩功wcs**21()sqhhw**1221()()0sscsqhhw**21kJ/kgcsswhh)1π(1**1kkpTc**211-2---1cspvwspp图上，面积kkkk-sppTT1*1***1*212q1-2s=0)(*1*2TTcsp理想气体定比热②2s-3s燃烧室中的等压加热过程与外界没有功的交换w2s-3s=0；**12332kJ/kgssssqqhh)π-(1***1kkpTckksTT1**1*213s1321--3s-2-ssssqqsTss面积图上，)(*2*3sspTTcq1**1*3TTs从外界吸收的热量为q1**21()sqhhw③3s-4s涡轮中进行可逆绝热膨胀过程q3s-4s=0工质在涡轮中膨胀做功，称为膨胀功wTs**3443()0ssssTsqhhw**34kJ/kgTssswhh)π1(1-***1kkpTc**123-4---3Tspvwsspps图上，面积kkkk-kk-ssppppTTss1*1*2*1***3*4134**1*3TTs)(*4*3sspTTc**21()sqhhw④4s-1大气中的等压放热过程与外界没有功的交换w4s-1=0；向外界放出的热量为q2**24141kJ/kgssqqhh)1-π(1-***1kkpTckkssTT1**3*4sssqqsTs4-1---s413s142面积图上，)(*1*4TTcspq1**1*3TTsq2**21()sqhhw讨论循环的比功和热效率。2、理想简单循环的比功ws循环比功ws=wTs-wCs=q1-q2=qs讨论影响循环比功的因素-T-s1-2s-3-4-1spvwss图和图上，面积=cpT1*[*(1-*-m)-(*m-1)]****3421()()spsspswcTTcTT)π1(1-***1kkpTc)1π(1**1kkpTc=f(*,*)kkm1影响理想简单循环循环比功ws的重要因素：压比*和温比*影响规律：**1ws（）压比一定时，温比增大，循环比功增大（公式上看）。**L1****2mLL(2)[]温比一定时，有一最佳压比使比功最大(求驻点)，且时，。w1*w4*1*2*3*4**2m1**L3、理想简单循环的热效率s循环热效率s=ws/q1=qs/q1=1-q2/q1)()(1*2*3*1*4sspspTTcTTckkm1=1-*-m)π-()1-π(1***1-***1mmTT=f(*)。时，增加而提高，即随压比理想简单循环的热效率无关。有关，而与温比只与压比率）理想简单循环的热效规律：（sss****ππτπ)2(1q1q24、理想简单循环的有用功系数,)()(1*4*3*1*2spspTTcTTc=1-*m/*)π-1()1-π(1***1**1mmTT=f(*，*)。增加而减少随压比一定时温比增加而增加随温比一定时压比规律：*,*)2(;*,*(1)CsTs1ww三、实际简单循环特点：热力过程中有各种能量损耗，是不可逆的；工质的热力性质和数量因燃烧而变。假定条件（为便于与理想循环比较）：①具有相同的压比C*和初始温度T1*；②涡轮前燃气初温相同，T3*=T3s*；③环境参数均为p0、T0，即p1*=p0、T1*=T0。压缩膨胀燃烧加热放热1、实际与理想简单循环的区别分析热力过程：（1）进气过程1-1ˋ(进气道、空滤器）流动阻力,压力降低但总温不变0*10*1TTpp0*1Cpp压力保持系数0.03bar~0.01-p*10Cpp压降（2）压缩过程1ˋ-2绝热但存在能损，熵增加12ssC*csCw0.83~0.92w绝热压缩效率ssvvTn22*2*2CTk相当于多变加热过程CcsC*ww，压缩功增大空气绝热指数相同压比下，理想压缩过程与实际压缩过程所耗功的比值，即为（3）燃烧过程2-3存在摩擦和热阻力，总压有所降低燃烧不完全，燃烧效率B1.0(0.90~1.0)实际吸热量降低q1=q1sB*2*3pp98.0~92.0)08.0~02.0(*2*3B*2*2*3ppppppB压力保持系数降压（4）膨胀过程3-4绝热但存在能损，熵增加膨胀终了的压力大于环境压力，即34ss*TTSw0.85~0.93wT绝热膨胀效率0*4pp*40Tpp压力保持系数Tkn多变膨胀过程燃气绝热指数T*TTsww，膨胀功减少0.08bar~0.02-p0*4Tpp压降T*4*4sT绝热膨胀效率：相同的膨胀比下，实际膨胀过程与理想膨胀过程所作功的比值。涡轮的实际膨胀比T**4*3*ppT*40*2*3*1*20*1ppppppppTB*CC*C0.96-0.90TB总压保持系数C**T4TTw