改善燃氣輪機熱效率的措施

改善燃氣輪機熱效率的措施目前，簡單循環(huán)燃氣輪機的燃氣初溫已達t*3≈1400℃左右，壓縮比ε*≈15-16。供電效率則介于35%-38%之間。某些航機改造的燃氣輪機由于采用了比較高的壓縮比(ε*=30-35)，致使供電效率已被提高到了39.78%-41.57%的可喜水平，但是，改善燃氣輪機熱效率的潛力卻仍然是很大的，因為燃氣透平的排氣溫度t*4一般都很高(有的已接近600℃)，以致有大量的余熱q2無償?shù)乇会尫沤o了外界大氣。倘若能設(shè)法把這些排氣余熱傳遞給能作功的高壓空氣或其他工質(zhì)(如水蒸氣)，使它們在參加燃氣輪機循環(huán)或其他循環(huán)時，把一部分余熱轉(zhuǎn)化成為機械功，那么，燃氣輪機的熱效率就能得以進一步提高。為了實現(xiàn)上述設(shè)想，有兩個途徑可循，即：①利用燃氣透平的排氣余熱，使燃氣輪機與蒸汽輪機結(jié)合起來成為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)：②使燃氣輪機采用回?zé)嵫h(huán)。關(guān)于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。在此擬附一張適用于設(shè)計實際聯(lián)合循環(huán)時參考的聯(lián)合循環(huán)的熱效率ηNcc、比功lc與壓縮比ε*和燃氣輪機初溫t*3的關(guān)系(請與圖2-11比較)，如圖2-12所示。圖2-12聯(lián)合循環(huán)的熱效率、比功與壓縮比和燃氣初溫的關(guān)系從圖2-12中可以明顯地看到：在現(xiàn)有燃氣輪機的燃氣初溫(t*3=1100-1310℃)和壓縮比ε*=10-16范圍內(nèi)，當(dāng)t*3恒定時，隨著ε*的變化，確實存在一個使聯(lián)合循環(huán)的熱效率趨于最大值的最佳壓縮比ε*opt，η。目前，燃氣輪機的t*3和ε*的配合關(guān)系，雖然不能保證簡單循環(huán)燃氣輪機的熱效率達到最佳值，但卻能保證聯(lián)合循環(huán)的熱效率達到最佳值。這是由于當(dāng)采用聯(lián)合循環(huán)方案時，與聯(lián)合循環(huán)的熱效率為最大時所對應(yīng)的最佳壓縮比ε*opt，η，要比簡單循環(huán)的燃氣輪機者低得多的緣故。在比較圖2-11和圖2-12時還能看到：在同樣的t*3和ε*條件下，聯(lián)合循環(huán)的熱效率和比功要比簡單循環(huán)的燃氣輪機大很多，因而，聯(lián)合循環(huán)已成為目前改善燃氣輪機的比功和熱效率的首選措施。程氏雙流體循環(huán)從本質(zhì)上來說，程氏雙流體循環(huán)方案也是一種燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。這種循環(huán)的主體設(shè)備是與余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)非常接近。在燃氣輪機后同樣安裝一臺余熱鍋爐，但是，由余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽不是送到蒸汽透平中去作功，而是供回到燃氣輪機燃燒室中去，與壓氣機供來的空氣一起被加熱到燃氣透平前的初溫T3，然后共同進到燃氣透平中去進行膨脹作功(也可以把一部分低壓蒸汽，不經(jīng)過燃燒室加熱，而送到燃氣透平的低壓部分中去膨脹作功)，即：在這種循環(huán)方案中，燃氣與蒸汽是在同一臺透平中膨脹作功的。那時，有兩種流體——燃氣和蒸汽一起流經(jīng)燃氣透平，這就是雙流體循環(huán)命名的淵源。由燃氣透平排出的燃氣與蒸汽的混合物將進入余熱鍋爐，在其中把余熱傳給余熱鍋爐的給水，使其變成過熱蒸汽后返回到燃氣輪機中去參與循環(huán)。余熱鍋爐后溫度為149℃的燃氣與蒸汽的混合物則將直接排入大氣。顯然，這種循環(huán)與前節(jié)所述的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)有以下幾點原則性的差別，即：①不再配置蒸汽輪機和凝汽機等設(shè)備，因而整個裝置的設(shè)備大為簡化，尺寸也減少很多。②由余熱鍋爐提供的全部或部分蒸汽還要在燃氣輪機燃燒室中進一步加熱到燃氣透平前的初溫T3相同的水平，即：過熱蒸汽的溫度T3一定要比常規(guī)的蒸汽輪機中所能承受的溫度t9(一般為435℃~550℃左右)高得多。這種高溫過熱蒸汽的作功，勢必為提高整個循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換效率提供了條件。以上這兩點是程氏循環(huán)的優(yōu)點。③由于蒸汽膨脹后是經(jīng)余熱鍋爐直接排向大氣的，即蒸汽的膨脹背壓要比采用凝汽器的高得多，這將限定了蒸汽作功能力的充分發(fā)揮。④由于蒸汽連續(xù)不斷地排向大氣，難于回收，這就需要大量地向余熱鍋爐補充軟水，補水的處理設(shè)備必然龐大，耗費是昂貴的。后兩點則是程氏循環(huán)的缺點。此外，程氏雙流體循環(huán)還有以下一些優(yōu)點，即：①由于有一部分蒸汽被噴到燃氣輪機燃燒室的燃燒區(qū)中去，可以適當(dāng)降低燃燒火焰的溫度，有利于減少NOx的排放量。②由于燃氣中含有水蒸氣，就會增高混合氣體的傳熱系數(shù)，有利于改善余熱鍋爐中混合氣體的換熱效果。在相同的燃氣溫度條件下，可以從混合氣體中抽取更多的熱能，使余熱鍋爐中混合氣體的換熱提高。③整臺機組的作功量增大了，整個循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換效率提高了。例如：在Allison501-KB發(fā)動機上進行的試驗表明：為了把過熱蒸汽在燃燒室中加溫，需要補燃19%的燃料量，但是卻能使透平的作功量增加75%，即可以使該發(fā)動機的效率由原來的3086kW增加到5400kW，相應(yīng)地使機組的熱效率由原來的29%提高到40%。這種增長程度是誘人的。④倘若我們?nèi)匀痪S持發(fā)動機發(fā)出原有的額定功率3086kW，顯然，在采用雙流體循環(huán)后，可以大大降低透平前的燃氣初溫3，這對于延長發(fā)動機的壽命大有好處。例如：對于501-KB發(fā)動機來說，使燃氣初溫降低27.8，就可以使發(fā)動機的壽命增長一倍。試驗還表明，即使在這種溫降條件下運行，機組的效率相對地仍然要比原型者提高20%左右?；?zé)嵫h(huán)圖2-13中給出了回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機的示意圖。從圖上可以看出，它是由壓氣機、燃燒室、燃氣透平，再加上一個新部件---回?zé)崞鹘M成的。1-壓氣機2-回?zé)崞?-燃燒室4-燃氣透平5-負(fù)荷圖2-13回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機的示意圖所謂回?zé)崞?，實質(zhì)上就是一種熱交換設(shè)備。當(dāng)燃氣透平排出的高溫燃氣流經(jīng)回?zé)崞鲿r，可以把一部分熱能傳遞給由壓氣機送來的低溫空氣。這樣，就能降低排氣溫度t*4，而使進到燃燒室的燃料量，從而提高機組的熱效率。圖2-14燃氣輪機理想回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖這個問題在T-s圖上可以看得很清楚，圖2-14上給出了理想回?zé)嵫h(huán)的T-s圖。圖2-14燃氣輪機理想回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖由圖2-14可知：在理想情況下，透平的排氣溫度t*4s可以在回?zé)崞髦斜焕鋮s降低到t*4′=t*2s，而壓氣機出口的空氣溫度t*2s則可以在回?zé)崞髦斜患訜岬絫*2′=t*4s。這樣，由外界加給空氣的熱能q1，已不再是簡單循環(huán)中的面積2s3s3s12s，而應(yīng)由小面積2′3s3s2′2′來代表；由燃氣釋放給大氣的熱能q2，則由簡單循環(huán)中的面積4s1s1s34s減小為面積4′1s1s4′4′。假如不考慮回?zé)崞鞯牧髯钃p失對透平膨脹比δ*的影響，那么，循環(huán)中能夠輸出的理想凈功lcs，應(yīng)與理想的簡單循環(huán)者相同，它仍然可以用面積34s12s3來代表。根據(jù)關(guān)系式(2-9)可知，相對理想的簡單循環(huán)而言，lcs=lts-lys不變，而q1減小了，因而，回?zé)釞C組的熱效率必然會明顯得增高。圖2-15燃氣輪機實際回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖在實際的回?zé)嵫h(huán)中，回?zé)嵝?yīng)對機組熱效率的影響是與理想的回?zé)嵫h(huán)類似的。所不同的只是使機組熱效率提高的程度要比理想的回?zé)嵫h(huán)有所減小而已。這是由以下兩個原因造成的，即：①在回?zé)崞髦杏捎谟辛髯钃p失的影響，燃氣側(cè)和空氣側(cè)都會有壓力降，其結(jié)果將使燃氣透平的進氣壓力p*3有所降低，而透平的排氣壓力p*4卻有所增高，也就是說透平的膨脹比δ*減小了。顯然，這將使機組的比功要比理想的回?zé)嵫h(huán)的小一些；②由于熱交換是以溫度差為前提的，因而在回?zé)崞髦型钙脚艢獾臏囟萒4′*不可能被冷卻到T2*，而只能降低到T4′*；同時在壓氣機后的空氣溫度T*2也不可能被加熱到T4*，而只能升高到T2′*，，即T4′*>T2*，T2′*<T4*(如圖2-15所示)。這就是說，透平排氣余熱的利用程度要比理想的回?zé)嵫h(huán)的差。換句話說，為了達到同一個燃氣初溫T*3，供給燃燒室的熱能q1就要增加。顯然，機組的循環(huán)熱效率是降低了。圖2-15燃氣輪機實際回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖通常，人們以回?zé)岫圈套鳛楹饬炕責(zé)崞鞯闹饕阅苤笜?biāo)，在忽略空氣與燃氣的流量和定壓比熱容的微量差異后，回?zé)岫圈痰亩x式可簡化為：圖2-16回?zé)崞鞯幕責(zé)岫扰c相對回?zé)崦娣e的關(guān)系(2-38)圖2-16回?zé)崞鞯幕責(zé)岫扰c相對回?zé)崦娣e的關(guān)系式中：T*2——壓氣機出口的空氣溫度，即回?zé)崞鞯娜肟诳諝鉁囟?；T*2′——回?zé)崞鞒隹诘目諝鉁囟?，即燃燒室入口的空氣溫度；T*4——燃氣透平的排氣溫度。很明顯，回?zé)岫圈虒嶋H上就是一個衡量回?zé)崞髦腥細饪赡茚尫诺睦碚摕崮?，是否已被充分利用了的技術(shù)特性指標(biāo)。在不考慮回?zé)崞髦辛髯钃p失的影響時，回?zé)岫仍礁?，回?zé)嵫h(huán)的得益就越大，機組的循環(huán)熱效率改善得就越多。但是，提高回?zé)岫仁且言龃蠡責(zé)崞鞯膿Q熱面積為前提的，其結(jié)果將使回?zé)崞鞯闹亓浚w積和流阻損失不斷增大，而機組的比功卻大為減小。所以，回?zé)岫热〉眠^大未必合適。圖2-16中給出了回?zé)崞鞯南鄬Q熱面積與回?zé)岫圈讨g的變化關(guān)系。由圖可見，當(dāng)μ>0.5以后，換熱面積開始逐漸增大。當(dāng)μ>0.9后，增長率將極為陡峭。因而回?zé)岫炔荒苋〉眠^大。實踐表明：使μ介于0.5-0.85之間是適宜的。由于回?zé)嵫h(huán)的實質(zhì)無非就是在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上，部分利用了燃氣透平排氣余熱的一種循環(huán)方案而已，因而，在上節(jié)中通過對簡單循環(huán)的分析而得出的某些結(jié)論，對于回?zé)嵫h(huán)也是適用的。例如：提高機組各部件的效率ηy、ηr、ηt和溫度比τ，或是降低機組各部分的流阻損失等措施，對于提高機組的比功和熱效率都是有效的。此外，當(dāng)這些參數(shù)已定時，在回?zé)嵫h(huán)中必然也會存在兩個能分別保證機組的比功和熱效率為最大的最佳壓縮比ε*opt，1和ε*opt，η。實線-τ=3。20，虛線-τ=2。86(計算中取ηt*=0。87，ηy*=0。84，ηr=1。00，ξ=1。00)圖2-17回?zé)嵫h(huán)中熱效率ηc與ε*、τ和μ的關(guān)系曲線但是，在回?zé)嵫h(huán)中ε實線-τ=3。20，虛線-τ=2。86(計算中取ηt*=0。87，ηy*=0。84，ηr=1。00，ξ=1。00)圖2-17回?zé)嵫h(huán)中熱效率ηc與ε*、τ和μ的關(guān)系曲線可是，與簡單循環(huán)相比，回?zé)嵫h(huán)中的ε*opt，η卻會下降很多。圖2-17中給出了回?zé)嵫h(huán)的熱效率ηc與溫度比τ和壓縮比ε*的變化關(guān)系曲線，可以看清這個問題。由圖2-17中可以看出：回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機的熱效率比較高，它與回?zé)岫圈膛c溫度比τ的選取有關(guān)。當(dāng)μ和τ的值增大時，ηc將不斷提高。但是值得注意的是：當(dāng)τ一定時，相對于μ=0的簡單循環(huán)來說，ε*opt，η值卻會由于采用了回?zé)嵫h(huán)而大大地降低了，而且隨著回?zé)岫圈痰脑龃?，?opt，η值將越趨減小。這個問題可以作如下解釋，即在μ=0的簡單循環(huán)中，當(dāng)τ一定而ε*過低時，壓氣機出口的空氣溫度t*2很低，為了使空氣加熱到t*3，就要向燃燒室噴入大量的燃料?？墒窃诘团蛎洷惹闆r下，透平排氣溫度t*4卻很高(參見圖2-15)，那時，大量余熱沒能被利用。因而在低壓縮比ε*情況下，簡單循環(huán)的熱效率顯得比較低。但是對于回?zé)嵫h(huán)來說，低壓縮比情況下透平排氣溫度t*4偏高的現(xiàn)象，正好被利用來充分加熱壓氣機出口的低溫空氣，使它在進入燃燒室之前能夠在回?zé)崞髦斜患訜岬捷^高的溫度，這樣就可以大大減少噴到燃燒室中去的燃料量。所以在ε*較低時，回?zé)嵫h(huán)的熱效率卻能達到較高的水平，即ε*opt，η必然較小。當(dāng)機組的壓縮比進一步提高時，由于壓氣機出口的空氣溫度t*2也不斷增高，而透平的排氣溫度t*4卻不斷地下降。不難設(shè)想，隨著壓縮比的增高，總是會出現(xiàn)一個t*2=t*4的情況，那時不論回?zé)岫热〉枚啻螅捎谌細馀c空氣之間不存在溫度差，回?zé)嵝?yīng)將完全消失，這就與沒有回?zé)崞鞯暮唵窝h(huán)完全相當(dāng)。顯然，在這種情況下，假如忽略回?zé)崞鞯牧髯钃p失，不論回?zé)岫榷啻?，任何回?zé)嵫h(huán)的熱效率必然都會下降到與μ=0的簡單循環(huán)所能達到的水平一樣。這就是圖2-17中在某一個壓縮比ε*下，各條效率曲線都必然要匯集到同一個點(A或A′)上去的根本原因