燃氣輪機裝置循環(huán)

第7章

燃氣輪機裝置循環(huán)2024/1/191§7.1循環(huán)分析的目的和一般方法分析動力循環(huán)的目的在于評價該循環(huán)在熱能對機械能的連續(xù)轉換及能量有效利用方面的工作性能，并探討影響該循環(huán)特性的主要因素。⑴分析動力循環(huán)的一般方法①對實際過程加以抽象和概括，將實際循環(huán)簡化為理想的可逆循環(huán)，分析其熱功轉換效果及影響因素②在理想可逆循環(huán)根底上再考慮實際循環(huán)有哪些不可逆損失，及其產生的原因、大小和改進的方法對于實際循環(huán)，從能量的有效利用考慮，除需要進行熱效率分析外，一般還應當進行熵產或可用能損失方面的分析，以便合理評估循環(huán)的完善性2024/1/192本課程主要討論相關熱力裝置的理論循環(huán)，重點在于分析熱力循環(huán)的能量轉換效應，必要時也會涉及一些實際循環(huán)的問題實際的氣體動力循環(huán)中，在循環(huán)的不同階段工質成份不同，有時是空氣，有時是燃氣燃氣的熱物性與空氣相近理論分析中視工質為類同空氣的某種定比熱容理想氣體⑵對實際氣體動力循環(huán)所作的理想化處理①②實際裝置的工作循環(huán)是開放式的，每個工作循環(huán)后均將廢氣排棄，更換新的工質理論分析時抽象成閉式循環(huán)燃燒過程視為對工質的加熱過程排氣過程視為工質的放熱過程2024/1/193§7.2燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)1壓縮機燃燒室燃氣輪機234燃氣輪機裝置燃料空氣廢氣燃氣⑴燃氣輪機裝置工作過程燃氣輪機裝置中的主要設備為透平式空氣壓縮機燃燒室燃氣輪機軸流式壓氣機不斷將空氣壓送至燃燒室燃料噴入燃燒室中燃燒產生的高溫高壓燃氣送至燃氣輪機中膨脹作功廢氣排放到大氣中大氣2024/1/194⑵燃汽輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)——布雷敦循環(huán)(Braytoncycle)實際燃氣輪機工作過程理想化為定壓加熱循環(huán)工質視為某種定比熱容理想氣體工質壓縮過程12為定熵的絕熱過程燃燒過程23視為定壓加熱過程工質在燃氣輪機中定熵絕熱膨脹34廢氣排放到大氣視同定壓放熱過程41Ts1234PsPsP

4213PsPs布雷頓循環(huán)2024/1/195⑶布雷頓循環(huán)的熱效率循環(huán)的吸熱量循環(huán)的放熱量布雷敦循環(huán)的熱效率Ts1234PsPs2024/1/196Ts1234PsPs由絕熱過程12和34

由定壓過程23和41布雷頓循環(huán)的熱效率僅取決于壓縮過程的始、末態(tài)溫度布雷頓循環(huán)2024/1/197不要與卡諾循環(huán)熱效率表達式混淆

式中的T1和T2只不過是循環(huán)中1點和2點的溫度，并非吸熱過程和放熱過程的熱源溫度！增壓比Ts1234PsPs布雷頓循環(huán)布雷敦循環(huán)的熱效率僅取決于壓縮過程的增壓比π隨π的增大而提高2024/1/198⑷布雷敦循環(huán)的功輸出燃汽輪機裝置常用作航空、船艦動力裝置，希望自重盡量小，輸出功率最大Ts1234PsPs循環(huán)凈功=兩絕熱過程技術功代數和按絕熱過程參數關系2024/1/199定義增溫比——循環(huán)的最高溫度與最低溫度之比2024/1/1910當工質一定、初態(tài)1一定時假設一定，循環(huán)凈功wnet僅取決于wnet隨增壓比

提高先增大，到達極大值后反轉減少對應于wnet,max的為最正確增壓比opt燃氣輪機裝置循環(huán)的凈功輸出wnet式中cp、k、T1圖中給出了k=1.4的wnet=f(

,

)函數關系2024/1/1911最正確增壓比opt可利用按此條件求得的該增壓比為求得增溫比

愈大，

opt也愈大對應的wnet,max值也愈大燃汽輪機裝置中壓氣機吸入的為大氣，因而布雷頓循環(huán)的初始溫度T1不可能隨意降低，為了提高循環(huán)的增溫比

，只有提高循環(huán)的最高溫度T3在材料允許的條件下，可盡量采用高的增溫比

，以便獲得盡可能大的循環(huán)熱效率和裝置功率輸出

2024/1/1912⑸實際(不可逆)定壓加熱循環(huán)分析實際定壓加熱循環(huán)是不可逆的就熱效率而言，只要吸熱量和放熱量一定那么循環(huán)熱效率一定

與加熱過程和放熱過程是否可逆無關壓氣機和燃汽輪機工作過程的不可逆性那么對實際循環(huán)的熱效率有影響實際定壓加熱燃氣輪機裝置循環(huán)12——不可逆絕熱壓縮，非定熵過程34——不可逆絕熱膨脹，非定熵過程23——定壓加熱過程41——定壓放熱過程Ts122s34s4實際定壓加熱燃氣輪機裝置循環(huán)12341布雷頓循環(huán)12s34s12024/1/1913Ts122s34s4實際定壓加熱燃氣輪機裝置循環(huán)12341壓氣機定熵效率燃氣輪機定熵效率(相對內效率)實際定壓加熱燃氣輪機裝置循環(huán)的凈功輸出布雷頓循環(huán)12s34s1初態(tài)1、增壓比相同情況下，實際循環(huán)的壓氣機功耗及燃氣輪機的功輸出與理想循環(huán)的差異由定熵效率表達2024/1/1914Ts122s34s4實際定壓加熱循環(huán)吸熱量實際定壓加熱循環(huán)熱效率2024/1/1915Ts122s34s42024/1/1916實際循環(huán)熱效率

t隨

及

的變化關系如圖示實際燃氣輪機裝置循環(huán)的熱效率(

c,s=

c,s=0.85;T1=290K;k=1.4)2024/1/1917實際燃氣輪機裝置循環(huán)的熱效率(

c,s=

c,s=0.85;T1=290K;k=1.4)初態(tài)、燃氣輪機及壓氣機定熵效率一定的條件下：·增壓比

一定時，增溫比

越大，循環(huán)的熱效率

t越高·增溫比

一定時，循環(huán)熱效率

t隨增壓比

增大而變化有一極大值；增溫比

越大該極大值越大，相應的增壓比也越大增壓比

對實際循環(huán)熱效率的影響與對布雷頓循環(huán)的影響不一樣2024/1/1918提高循環(huán)增溫比

在于提高燃氣輪機進口處的溫度T3涉及金屬材料耐熱強度極限問題為尋找出路，正在研究使用陶瓷材料作為替代從循環(huán)方式出發(fā)，提高燃氣輪機裝置循環(huán)熱效率的途徑尚有：·實行回熱·在回熱的根底上實行分級壓縮、級間冷卻和分級膨脹、中間再熱提高增溫比是提高燃氣輪機裝置循環(huán)熱效率的主要方向減小壓縮機和燃氣輪機內部過程的不可逆性，提高其定熵效率也有助于提高循環(huán)的熱效率從

、

兩者對

t的影響看來2024/1/19191燃燒室234帶回熱的燃氣輪機裝置燃料空氣廢氣燃氣燃氣輪機壓縮機56§7.3燃氣輪機裝置定壓加熱-回熱循環(huán)帶回熱的燃氣輪機裝置由以下主要設備組成：⑴帶回熱的燃氣輪機裝置壓縮機回熱器燃燒室燃氣輪機裝置的工作過程為：壓縮機吸入狀態(tài)為1的空氣壓縮至狀態(tài)2，送入回熱器在回熱器中回熱至狀態(tài)5后送入燃燒室燃料噴入燃燒室燃燒生成高溫高壓燃氣3，送入汽輪機燃氣在氣輪機中膨脹作功后(4)排往回熱器排氣在回熱器中回熱冷卻至狀態(tài)6成廢氣，排入大氣中回熱器2024/1/1920⑵燃氣輪機定壓加熱-回熱循環(huán)1燃燒室234燃料空氣廢氣燃氣燃氣輪機壓縮機56回熱循環(huán)可理想化為：回熱器Ts12s——可逆絕熱(定熵)壓縮2s5——定壓回熱(回熱器)53——定壓加熱(燃燒室)34s——可逆絕熱(定熵)膨脹4s6——定壓回熱(回熱器)12s534s661——定壓放熱(大氣中)①理想回熱循環(huán)回熱——不改變循環(huán)過程根本性質，利用放熱過程的放熱量滿足吸熱過程需要理想回熱——到達最大可能的回熱程度2024/1/19211燃燒室234燃料空氣廢氣燃氣燃氣輪機壓縮機56回熱器Ts12s534s6理想回熱情況下：廢氣排放至大氣時(6)冷卻到壓縮機出口處的工質溫度T2s新鮮工質回熱后(5)到達燃氣輪機的排氣溫度T4s回熱器中最大可能的回熱量極限回熱、完全回熱理想回熱亦稱q4s6=q2s52024/1/1922Ts12s534s6實行回熱時各過程的根本性質不改變12s34s1——布雷頓循環(huán)端點狀態(tài)也不改變無論回熱與否循環(huán)的凈功輸出不變采用回熱時循環(huán)吸熱量循環(huán)放熱量顯然吸熱平均溫度提高了放熱平均溫度降低了極限回熱循環(huán)的熱效率

t,12s534s61>簡單布雷頓循環(huán)的熱效率

t,B2024/1/19231燃燒室234燃料空氣廢氣燃氣燃氣輪機壓縮機78回熱器②實際燃氣輪機裝置回熱循環(huán)實際換熱器“端差〞——冷流體出口溫度比熱流體的進口溫度低熱流體出口溫度比冷流體的進口溫度高Ts12345678最大可能回熱量q46=q25=cp(T4?T6)

極限回熱循環(huán)為1253461

實際回熱循環(huán)為1273481實際回熱量q48=q27=cp(T4?T8)回熱度——實際回熱對最大可能回熱之比2024/1/1924燃氣輪機裝置回熱循環(huán)一般

≯0.8回熱度——實際回熱對最大可能回熱之比圖示的實際回熱循環(huán)1273481Ts12345678吸熱量放熱量循環(huán)的熱效率循環(huán)端點狀態(tài)時,據可確定回熱器出口溫度T7、T82024/1/1925值得注意的是，只是在增壓比π較小時回熱措施對循環(huán)的熱效率才會有較明顯的影響Ts12345678隨增壓比

提高，T2將不斷提高當增壓比

高至令T2

=T4

時不可能有回熱過程存在2

回熱措施只能在陸用的固定設備中采用船艦和航空動力裝置要求有盡量小的設備自重，因而不會采用回熱措施在T3不變的情況下T4不斷下降，回熱量愈來愈少T33

4

2024/1/1926§7.4多級壓縮和再熱的燃氣輪機裝置循環(huán)Ts12343

TmaxT1圖示為兩級壓縮，中間冷卻、兩級膨脹，中間再熱的燃氣輪機裝置理想循環(huán)第1級壓縮冷卻器某中間壓力定壓冷卻至初溫第2級壓縮絕熱絕熱燃燒室定壓加熱第1級燃氣輪機絕熱膨脹燃燒室定壓再熱第2級燃氣輪機絕熱膨脹排大氣定壓放熱某中間壓力至最高溫度2024/1/1927Ts12343

TmaxT1無限多級壓縮、級間冷卻至初溫定溫壓縮無限多級膨脹、級間再熱至最高溫度定溫膨脹極限極限配以完全回熱時，循環(huán)將成為概括性卡諾循環(huán)從熱力學理論上看來這是燃氣輪機裝置工作溫度范圍(T1,T3)內所能到達的最大熱效率！2024/1/1928例7-1(習題10-18的第一局部)某電廠以燃氣輪機裝置產生動力，向發(fā)電機輸出的功率為20MW，循環(huán)簡圖如圖10-23，循環(huán)最低溫度為290K、最高為1500K,循環(huán)最低壓力為95kPa、最高壓力為950kPa。循環(huán)中設一回熱器，回熱度為75%。壓氣機絕熱效率

c,s=0.85，燃氣輪機的相對內部效率

T=0.87。試求燃氣輪機發(fā)出的總功率、壓氣機消耗的功率和循環(huán)熱效率。解：認為燃氣輪機的工質是空氣，且為定比熱容理想氣體5678Ts122s34s412s34s1為理想循環(huán)——布雷頓循環(huán)考慮壓氣機、燃氣輪機定熵效率時的實際循環(huán)為12341極限回熱時T4=T5；T2=T6，考慮回熱度時循