燃氣輪機熱力循環(huán)分類及其性能改善措施VIP

1、同濟大學熱能與動力工程專業(yè)燃氣輪機及內(nèi)燃機技術(shù)期末論述報告 姓名：*學號：* 院系：機械與能源工程學院專業(yè)：熱能與動力工程 燃氣輪機熱力循環(huán)分類及其性能改善措施摘要 ： 本論文對燃氣輪機概念進行了簡述，以熱力學熱力循環(huán)角度來涉及燃氣輪機的熱力循環(huán)過程及工作原理問題、燃氣輪機熱力循環(huán)分類、各類熱力循環(huán)的基本原理及其優(yōu)越性和缺陷、從簡單到復雜進行了比較。最后，簡述了外界因素對燃氣輪機工作效率的影響和改善燃氣輪機性能的各種措施。關(guān)鍵詞: 燃氣輪機 熱力循環(huán) GE 公司 MS6001 型燃氣輪機引言: 燃氣輪機是靠內(nèi)部燃料燃燒釋放出的熱量直接加熱空氣,并通過行成的燃氣將熱能轉(zhuǎn)換成機械功的一種熱力機械,

2、同樣是內(nèi)燃機。 主要由葉輪式空氣壓縮機、燃氣發(fā)生器(燃燒室)和燃氣渦輪三個基本部分組成,還有燃料、潤滑、冷卻、啟動、調(diào)節(jié)和安全等輔助系統(tǒng)。熱力循環(huán)是指熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化，重新回復到原來狀態(tài)的全部過程。熱力循環(huán)分為正向循環(huán)及逆向循環(huán)。將熱能轉(zhuǎn)換為機械功的循環(huán)稱為正向循環(huán);將機械功轉(zhuǎn)換為熱的循環(huán)，稱為逆向循環(huán)。通過工質(zhì)的熱力狀態(tài)變化過程，可以將熱能轉(zhuǎn)化成機械能而做功，而要做出功一般必須通過工質(zhì)的膨脹過程，但是任何一個熱力膨脹過程都不可能一直進行下去，并連續(xù)不斷地做出功。這是因為工質(zhì)的狀態(tài)將會變化到不適宜繼續(xù)膨脹做功的情況，而且任何熱力設(shè)備，其尺寸也都是有限的。一、燃氣輪機循環(huán)的四個熱力過程

3、與工作原理通常，在可逆的理想情況下，燃氣輪機是由四個熱力過程組成的正向循環(huán)來實現(xiàn)把熱能轉(zhuǎn)化為機械功的動力機械，它們是：(1)理想絕熱壓縮過程對于燃氣輪機循環(huán)，壓縮過程是在壓氣機中完成，過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)將按絕熱過程的規(guī)律(pvk=常數(shù))進行變化：壓力不斷上升，比容逐漸減小，溫度伴隨增高。由于工質(zhì)流量相對大、對外界的散熱很小，通常認為與外界沒有熱量交換，因而是絕熱過程，即工質(zhì)與外界沒有熱交換，工質(zhì)狀態(tài)變化是靠部分透平膨脹功驅(qū)動壓氣機來實現(xiàn)的。另外，在理想的可逆情況下，壓縮過程中工質(zhì)的熵值為常數(shù)不變，因此理想絕熱壓縮過程又稱為等熵壓縮過程;而實際的絕熱壓縮過程，由于存在的摩擦渦流等因素的影響，將使

4、工質(zhì)內(nèi)能增加(溫度升高更多一些)，等價于從外部加入同樣數(shù)量的熱量，過程是不可逆的，熵總是增加的。(2)等壓燃燒過程燃氣輪機循環(huán)的加熱過程是在燃燒室中完成的，從壓氣機出來的高壓氣體吸收噴入燃燒室的燃料燃燒釋放的熱量，燃燒過程的結(jié)果是使工質(zhì)吸收了外界加入的熱量Q1，而沒有與外界發(fā)生機械功的交換。對于加熱過程，工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)將按定壓過程的規(guī)律(v/T=常數(shù))進行變化：壓力恒定不變(p=常數(shù))，比容(比體積)不斷增加，溫度逐漸上升，熵值也相應增加。(3)理想絕熱膨脹過程燃氣輪機循環(huán)的膨脹做功過程是在透平中完成，過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)也將按絕熱過程的規(guī)律(pvk=常數(shù))進行變化，只不過變化的趨勢與壓縮過程正相

5、反：壓力不斷下降，比容逐漸增大，溫度伴隨降低。通常也認為與外界沒有熱量交換，因而也是絕熱過程，即工質(zhì)與外界沒有熱交換，借助工質(zhì)狀態(tài)變化來實現(xiàn)膨脹做功。同樣，在理想的可逆情況下，膨脹過程中工質(zhì)的熵值為常數(shù)不變，因此理想絕熱膨脹過程又稱為等熵膨脹過程;而實際的絕熱膨脹過程，由于存在的摩擦渦流等因素的影響，過程是不可逆的，熵總是增加的。(4)等壓放熱過程燃氣輪機循環(huán)的是向大氣環(huán)境排氣放熱來完成的，由于環(huán)境相對與循環(huán)系統(tǒng)體系來說，可認為是“無限大”，其壓力為恒定不變，并與外界沒有機械功傳遞。這樣，對于放熱過程，工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)也將按如下變化：壓力恒定不變(p=常數(shù))，比容(比體積)不斷減小，溫度逐漸下降。

6、二、燃氣輪機熱力循環(huán)分類2.1理想簡單熱力循環(huán)圖中：1-2 壓氣機絕熱壓縮過程2-3 燃燒室中定壓吸熱過程3-4 透平中絕熱膨脹過程4-1 大氣中定壓放熱過程 熱力學第一定律：Q=U+W假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，四個過程均為可逆過程Cp和流量保持不變，假定空氣比熱與燃氣比熱近似相等。2.2實際簡單熱力循環(huán)特點：熱力過程中有各種能量損耗，是不可逆的；工質(zhì)的熱力性質(zhì)和數(shù)量因燃燒而變。假定條件（為便于與理想循環(huán)比較）： 具有相同的壓比pC*和初始溫度T1* ； 渦輪前燃氣初溫相同， T3* = T3s* ； 環(huán)境參數(shù)均為p0、T0， 即p1* = p0 、T1* = T02.3 回熱循環(huán)燃氣輪機的排氣溫度

7、很高，一般為400至500，如能回收這一高溫氣體，就可提高燃氣輪機效率。如果采用高溫排氣加熱從壓氣機出口的空氣，再次吸收部分排氣能量，提高進入燃燒室的溫度，可使燃燒室中加入的燃料量減少，從而提高了熱效率，在燃氣輪機中加裝回熱器R,就可實現(xiàn)上述工作過程，這就是回熱循環(huán)。優(yōu)點：可提高燃氣輪機熱效率缺點：一、尺寸大，增加維護費用。二、不適用高壓比燃機。2.4 間冷循環(huán)：在壓縮過程中間，把工質(zhì)引至冷卻器冷卻后，再回到壓氣機中繼續(xù)壓縮以完成壓縮過程，此即間冷循環(huán)，其中IC是中間冷卻器，它的應用使壓氣機分為低壓氣機LC和高壓氣機HC兩個部分。間冷循環(huán)的目的是增加機組凈功，但熱效率會有所降低。 IC為中間冷

8、卻器理論上，間冷次數(shù)無窮多時，壓縮過程就變?yōu)榈葴貕嚎s，壓縮耗功降至最低，循環(huán)比功增加最多。最佳壓比分配使循環(huán)比功最大。優(yōu)點：可提高比功。缺點：一、增加了冷卻器設(shè)備二、間冷循環(huán)宜選取較高的壓比三、一般只能用一次2.5 再熱循環(huán)在膨脹過程中間，把工質(zhì)引入再熱燃燒室中加熱后，再回到渦輪機中繼續(xù)膨脹以完成膨脹過程，此即再熱循環(huán)。其目的也是增加機組凈功，但熱效率會有所降低。理論上，再熱次數(shù)無窮多時，膨脹過程就變?yōu)榈葴嘏蛎?，膨脹功達到最大，循環(huán)比功增加最多，最佳膨脹比分配使比功最大。優(yōu)點：可提高比功缺點：一、增加了再熱燃燒室設(shè)備二、再熱循環(huán)宜選取較高的壓比三、一般只能用一次2.6 間冷再熱循環(huán)同時具有間冷

9、再熱循環(huán)，其熱力循環(huán)圖形比上述兩種循環(huán)面積進一步增大，即比功增加比較多，實際的間冷再熱循環(huán)燃氣輪機一般是雙軸甚至是三軸的。間冷再熱循環(huán)：增大高溫端，降低低溫端，最大限度的增大溫差系統(tǒng)復雜，易出現(xiàn)故障。2.7帶回熱的復雜循環(huán)同時具有回熱和間冷循環(huán)或再熱循環(huán)，其熱力循環(huán)圖形比上述循環(huán)面積更進一步增大，既能提高比功又能增大熱效率。間冷回熱循環(huán)：增大傳熱溫差再熱回熱循環(huán)：增大傳熱溫差三、改善燃氣輪機性能的熱力循環(huán)措施影響燃氣輪機性能的主要因素是燃機的循環(huán)參數(shù)、部件效率及循環(huán)方式。因此，提高燃氣輪機性能的途徑要從這三方面去尋求。3.1 采用高循環(huán)參數(shù)由于燃氣輪機熱力循環(huán)的固有特點，其熱效率和比功隨著其增

10、壓比和透平進口溫度的上升而提高，特別是后者的升高對其性能的提高更大。因此，不斷提高熱力參數(shù)成為提高燃機性能的著力點。3.2改善部件結(jié)構(gòu)和性能對大、中型燃機部件的改善：改善壓氣機部件 為提高燃機性能，要求壓氣機增壓比高、效率高、工作穩(wěn)定、重量輕。這些要求是相互矛盾的，一般主要致力于提高每級增壓比以減輕重量，往往要采用超聲級或跨聲級壓氣機；改進葉型的設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)以減少超、跨聲級葉片通道的激波損失，進而提高效率。改善渦輪部件 先進渦輪的設(shè)計要求是：高效率、大焓降、耐高溫。為追求高效率、渦輪部件也是采用先進設(shè)計技術(shù)（葉型技術(shù)，全三維葉片設(shè)計技術(shù)）以優(yōu)化葉型，減小流體損失。以及燃燒室部件的改善3.3采

11、用先進的熱力循環(huán)在燃氣輪機上采用先進的熱力循環(huán)，充分地利用余熱能是不斷提高燃氣輪機性能的另一個著力點。上述的各類熱力循環(huán)中回熱循環(huán)，再熱循環(huán)，間冷循環(huán)以及本論中未涉及到的蒸汽回注循環(huán)和熱電并供循環(huán)等，都是一些先進的循環(huán)方式。另外，由于燃氣輪機工作時要吸入周圍環(huán)境的空氣，安裝在不同的現(xiàn)場條件下，環(huán)境溫度、大氣壓力和空氣濕度差別很大，會顯著影響進入壓氣機的空氣質(zhì)量流量，而且燃料組分和熱值也不相同，導致同一型號的燃氣輪機在不同現(xiàn)場條件下實際輸出功率和熱效率均存在一定程度的差別。其中環(huán)境溫度和大氣壓力是對燃氣輪機性能影響最大的主要現(xiàn)場參數(shù)，大氣壓力通常由項目所在地海拔高度決定，想從技術(shù)上改變壓氣機入口

12、空氣壓力難度較大，因此，提高燃氣輪機性能的一個較為切實可行的措施就是壓氣機進氣冷卻技術(shù)。采用進氣冷卻技術(shù)的作用是降低燃氣輪機的進氣溫度，提高進氣總空氣量，減少壓氣機的單位耗功，使燃氣輪機的輸出功率與熱效率得到提高。一般來說，對于GE 公司 MS6001 型燃氣輪機而言，壓氣機進氣溫度每下降 1，可以增加透平輸出功率 273.2kW。按燃氣輪機進氣冷卻器的結(jié)構(gòu)型式, 燃氣輪機進氣冷卻技術(shù)分為直接接觸式和間接接觸式。 直接接觸式主要有蒸發(fā)冷卻、噴霧冷卻和濕式壓縮技術(shù)，直接接觸式制冷的原理是利用水在空氣中蒸發(fā)時所吸收的潛熱來降低空氣溫度。當未飽和空氣與水接觸時, 兩者之間便會發(fā)生傳熱、傳質(zhì)過程，結(jié)果

13、是空氣的顯熱變?yōu)樗舭l(fā)時所吸收的潛熱, 從而使空氣溫度降低。理論上可將這一過程近似看做對空氣的絕熱加濕過程。直接接觸式冷卻裝置的最大優(yōu)點是初投資較少，施工工期短，運行及維護費用較低, 但最大的缺點是冷卻能力較小，受環(huán)境濕度影響較大，最多只能冷卻到濕球溫度附近，適合應用于資金相對短缺、干燥炎熱的地區(qū)。 間接接觸式冷卻主要有電制冷、冰蓄冷制冷以及蒸汽或熱水制冷等。間接接觸式冷卻通過換熱器來冷卻燃氣輪機的進氣，在燃氣輪機的進氣道中安裝鰭片管式換熱器, 管內(nèi)通入 5 左右的冷水, 燃氣輪機進氣經(jīng)過鰭片管外側(cè)時被冷卻。間接接觸式冷卻最大的優(yōu)點是不受環(huán)境空氣相對濕度的影響, 只要冷源有足夠的制冷能力、換熱

14、器鰭片管有足夠的傳熱能力, 就可以將進氣冷卻到合適的最佳進氣溫度, 但初投資和運行費用也較高，因此在資金比較寬裕、潮濕炎熱的地區(qū)采用這種冷卻方式的較多。 綜上所述，燃氣輪機在不改變本體結(jié)構(gòu)的條件下可以通過多種方式降低壓氣機入口溫度，從而增加其輸出功率并降低熱耗率。對于具體的項目而言，可以根據(jù)自身的條件、環(huán)境、市場、資金等，來選擇適合自己的方法。四、結(jié)論一般而言，人們無法對影響燃氣輪機組性能的廠址和布置方案進行控制，因為大多數(shù)項目受前期投資規(guī)劃的限制，但了解影響燃氣輪機性能的幾個重要現(xiàn)場參數(shù)及性能提高途徑后，可在設(shè)計和采購階段就結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在燃機設(shè)計選型時就把現(xiàn)場實際影響因素考慮進來，從而制定和優(yōu)化設(shè)計方案。通過系統(tǒng)配置的改進，如要求廠商采用高循環(huán)參數(shù)、采用先進的熱力循環(huán)、改善部件結(jié)構(gòu)和性能以及增加燃氣輪機入口冷卻設(shè)施、提高燃料氣進氣溫度等