化学回热循环燃气轮机性能分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文化学回热循环燃气轮机性能分析姓名：李岩申请学位级别：硕士专业：动力机械工程指导教师：郑洪涛20060301。哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要燃气轮机的优点已经普遍被世界所认知，但简单循环舰船燃机也存在一些固有的缺点，如循环效率不高、特别是低工况循环效率低、污染物排放量不能满足环保要求等。因此各发达国家都在进行先进循环技术研究，以求大幅度提高燃机的循环效率、改善部分负荷工况的经济性、有效控制污染物的排放量。燃气轮机化学回热循环是一种新型先进循环方式，可以大幅度的提高燃汽轮机的效率，降低污染物排放。论文详细叙述了燃气轮机循环的基础理论，分析了影响燃气轮机循环效率的关键因素。比对分析各种先进循环，如注蒸汽燃气轮机循环蒸和湿空气透平联合循环和化学回热循环的工作原理和性能，并对各自的优缺点进行评述。在此基础上，提出化学回热循环的研究的必要性。论文分析了化学回热循环燃汽轮机的组成，并对化学回热器的关键部件燃料裂解器的工作原理和燃料裂解的基本理论进行了较深入的研究和探讨，提出多种烷烃裂解的动力学模型。并根据该模型对柴油的多个可能的裂解过程进行热基平衡计算，得到了裂解气体燃料的当量热值。依据蒸汽发生器的热计算和回热循环所需的蒸汽量，对某型燃汽轮机进行了循环计算，计算结果表明：利用燃汽轮机的排气余热，完全可以满足燃料裂解器和蒸汽发生器的工作要求，排气温度可以降低到几十度，燃料的热值大幅提高，燃汽轮机的功率可以提高l O，循环效率提高1 2 以上。论文工作结果表明，合理的设计化学回热器，将化学回热循环燃汽轮机实现工业应用前景非常广阔。关键词：燃气轮机，化学回热，燃料裂解哈尔滨工程大学硕七学位论文A b s t r a c tT h ea d V a l l t a g e so fg a st u r b i n ea r ef h m i l i 盯b yp e o p l e，b u tt h e r ea r es o m ed i s a d V a l l t a g e sw i t ht h es i m p l e c”1 e，s u c ha sl o w c y c l e r a t i oa 1 1 dh i 曲e m i s s i o np 0 1 l u t i o n S om a n yd e V e l 叩e dc o u n t r i e sa r es t u d y i n ga d V a I l c e dc y c l et e c l u l o l o g yt oi m p r o V et h ec y c l er a t i oa n de n h a l l c et h ep a n i a l w o r k i n ge c o n o m i ca n dc o n t r o lt h ep 0 1 l u t i o ne m i s s i o n T h e r ei sa na d v a n c e dc y c l e C R G Tw h i c hc a ne n h a J l c et h er a t i oh i g h l ya 1 1 dr e d u c et h ee x h a u s t s T h i sp 印e rd e p i c t e dt h e b a s i ct h e o r yo fc y c l ei l lg a st u r b i n e，a 1 1 da n a l y z e dt h ek e yf 如t o r sr e l a t e dm ec y c l er a t i o W ec o m p a r e dt h eV a r i o u sa d v a n c e dc y c l e s，s u c ha s，a I l dl i s t e dt t l e i rd i 胞r e n c e s U n d e rt h i sc o n d i t i o n，w ep u tf o r w a r dt om eC R G Tc y c l e I nt h i sp 印e r t h ec o m p o n e n t so ft h eC R G Tc y c l ew e r ec o n s t m e d A tt h es 锄et i m e，t h ep r i n c i p l e so ft h e 血e l-p y r 0 1 y s i sd e V i c ea 1 1 dt h eb a s i ct h e o r yo ft h ep y r o l y s i sw e r cd i s c u s s e da n ds t l l d i e d w eb r o u 曲tf o r w a r ds o m ed y n a m i cm o d e l so fa l k a I l e s p y m l y s i s A c c o r d i n gt ot h i sm o d e l s，w ec a l c u l a t e dt h et h e n a le q u i l i b r i u mi nt h ep y s o l y s i sc o u r s e，a n dg a i n e dt h ee q u i V a l e n tt|l e r l n a lv a l u eo ft h ep y r 0 1 y s i sg 船f I l e l B 船i n go nt l l em 锄a lc a l c u l“i o na n dm es t r e 锄q u a n t i t yi I lt l l ec y c l e，w eh a dd o n em ec y c l e c a l c u l a t i o no ft h eg a st u r b i n e T h er e s u l t ss h o w st h a ti tm e e t st h en e e d so ft l l ef u e l 巾y r 0 1)，s i sd e V i c ea I l dt h es t r e 锄g e n e r a t o rw i mt h eq u a l l t i t yh e a ti n c l u d e di nt h ee x h a u s t，a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ee x h a u s ti sd m p p e db ys e v e r a l t e n s(K)，a r l dt h et h e 肌a l 砌u eo ff u e l si si n c r e a s e d，a I l dm ep o w e rr a t i oo fg a st u r b i n ei si n c r e a s e d2 0 p e r，a n dt h ec y c l er a t i oi si n c r e a s e d2 0 p e ra sw e l l W i t ht h i sw o r k，i ts h o w st h a tar e a s o n a b l ed e s i g no fC R G Td e V i c ew i l lp u t血e 印p l i c a t i o no fC R(汀g a st u r b i n e s 协a 谢d ep e r s p e c t i V e K e yw o r d：g a st u r b i n e，C R G T，f u e l-p y r o l y s i s哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字，：孝名日期：扣年岁月日哈尔滨工程大学硕十学位论文1 1 引言第1 章绪论燃气轮机的优点已经普遍被世界各国所认知，如单机功率大、比重量小、机动性好、振动噪声低、寿命长等。但简单循环舰船燃机也存在一些固有的缺点，如循环效率不高、特别是低工况循环效率低、污染物排放量不能满足环保要求等。因此各发达国家都在进行多种方案的技术研究，主要包括各种先进的循环技术研究、强化燃烧与低排放技术研究等，以求大幅度提高舰船燃机的循环效率、改善部分负荷工况的经济性、有效控制污染物的排放量，这是发展舰船燃气轮机的关键。”燃气初温直接影响效率，燃气初温越高效率高，提高燃气初温以提高燃气轮机效率是人们追求的目标。燃气轮机有众多的优点，上个世纪6 0 年代世界各大国就制定了舰船动力全燃化的动力政策，但是简单循环燃气轮机也有其明显的缺点，这就是额定工况点时效率较高，但部分负荷工况时效率太低，所以世界各国纷纷进行燃气轮机复杂循环技术研究，如燃蒸联合循环、间冷回热循环等。这些复杂循环可以达到很高的热效率，低工况的经济性也很好。考虑到装舰的实际情况，这些复杂循环装置的热惯性大、系统复杂、尺寸重量都很大，直接影响了在舰船上的应用。化学回热是一种新的先进循环方式，它利用燃机排气的低端余热产生水蒸汽，利用高端余热加热水蒸气和柴油的混和气，使柴油在催化剂的作用下一部分(燃料总量的l O 2 0)裂解为氢气和二氧化碳，一部分裂解为气念中间产物，其余柴油被预蒸发变成气态燃料。这些裂解后的气态燃料混合物不但可以很方便地与空气进行预混燃烧，而且其中的氢气还能起到强化燃烧的作用，提高燃机低工况下的燃烧效率。同时，由于裂解后的气态燃料混合气在进入主燃区之前可以与次空气进行充分预混，有更多的空气参与燃烧，1哈尔滨工程人学硕+学位论文主燃区范围扩大，燃烧核心区的温度降低，相应的N O x 生成量也随之大幅度降低。另外，由于燃料已经完全气化，可以消除碳颗粒的形成，解决冒黑烟的问题，也降低了对火焰筒的热辐射，还可以改善燃烧室出口温度场的品质。总之，舰船燃气轮机化学回热循环是一种非常有前景的研究方向，它不但回热度不受压气机压比的限制，显著提高装置的循环效率，而且还可以大幅度降低污染物的排放量。许多研究者已报道该循环的热效率可以达到4 8 以上，N O x 排放量降到lp p m 以下。1 2 燃气轮机的发展概述1 2 1 燃气轮机在电力行业的发展历史燃气轮机是从2 0 世纪5 0 年代开始应用在发电工业中的，由于当时的机组单机容量小热，效率比较低，在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。自8 0 年代以后，燃气轮机的单机效率和热效率都有很大的提高，特别是燃气轮机及其联合循环的迅速崛起，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位发生了明显的变化。例如1 9 8 0 年到2 0 0 0 年期间，全世界火电新增容量中燃气轮机及其联合循环占3 5 3 6，其中：美国新增的燃气轮机及其联合循环占4 8，而传统的蒸汽动力也占4 8。1 9 9 8 年欧洲2 1 个国家的电网装机容量的增量中8 1 的份额系采用烧天然气的燃气轮机及其联合循环。即使在经济不太发达的亚洲，近年来电网装机容量的增量中，燃气轮机及其联合循环的份额也已超过3 6。再如远东与太平洋地区(包括日本、韩国、澳大利亚、印度等国家)在1 9 9 8 1 至1 9 9 9 6期间，燃气轮机及其联合循环的新增订货容量为1 2 8 5 2 M w。由此可见，在世界范围内燃气轮机及其联合循环已经成为火电发展的主要方向”1。哈尔滨T 程大学硕七学何论文1 2 2 舰用燃气轮机发展历史国外舰用燃气轮机的研究始于2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 7 年英国M v 公司(M e t r o p 0 1 i t a nV i k e rc o)研制的G 1 型燃气轮机装在1 0 0 吨的高速炮艇上作加速机试用获得成功，开创了燃气轮机在舰艇上应用的纪元。1 9 5 3 年英国R o l l s R o y c e 公司(R R)研制的I t M 6 0 型燃气轮机在灰鹅号(G r e yG o o s e)高速炮艇上进行海上试验。它是舰艇专用的复杂循环燃气轮机，功率为6 0 0 0 马力，耗油率为2 8 0 克马力，J、时，燃气初温(T I T)为8 2 7，总压比2 1。R M 6 0型燃机改善了部分工况时的性能，降低了耗油率，但结构复杂操作不便，未能获得进一步发展。1 9 5 4 年英国联合电气公司(A E c)专门为舰艇研制了G 6型燃气轮机，功率为7 5 0 0 马力，耗油率为3 4 0 克马力小时，T I T 为7 9 5，压比6 3。G 6 型燃机于1 9 6 1 年装备在A s h a n t i 号护卫舰，1 9 6 2 年用于D e v o n s h i r e号导弹驱逐舰。早期的舰船用燃气轮机还有R R 公司的P r o t e u s 和G n o m e，前苏联的M I 型，G E 公司的L M l O O 系列和L M 3 0 0 系列。舰船用燃机在应用初期的技术经济指标是不够理想的，主要问题是单机功率小、油耗较高、翻修期限短。随着燃机气动热力学的进展，材料性能的提高，制造工艺的改进，海上运行经验的积累，尤其是航空技术的不断进步，使舰船用燃机性能有了很大的改善，舰用燃机才真正实用并得到迅速发展。航机改型的途径可以以最快和最节省的方式应用先进的航空发动机技术，缩短研制周期，减少发展费用，可以充分利用母机生产线的技术资料，并且许多部件可与航空型通用，易于获得零备件。此外，航空与海军舰船动力装置的设计要求有大量的共同点：两者都要求尺寸紧凑、重量轻、操作灵便、高标准的整体性、可靠性以及良好的经济性，所以航空发动机在许多方面能适应海军的需要。从2 0 世纪6 0 年代起，英、美及前苏联等国先后将各种类型航空发动机改型用于舰船推进，形成了第一代航改船用燃气轮机，至7 0年代获得广泛的推广应用，典型的有R R 公司的O l y n l p u s 和船用D 咀e、联信(A l l i e d s i g n a l)公司的F T 4、G E 公司的L 1 5 0 0 等，其压比已达1 4，T I T 达1 0 5 0，效率达3 0；在7 0 8 0 年代先后由大流量比的涡扇发动机R B 2 1 l、G F 6、哈尔滨上程人学硕士学位论文J T 9 D、T F 3 9、J T 8 D、F 4 0 4 等派生出压比达2 0，T I T 达1 2 0 0，效率达3 6 4 2 的第二代航改船用燃气轮机，其典型代表为L M 2 5 0 0、L M 5 0 0 0、R B 2 1 1、S p e y、F T 8、L M l 6 0 0 等；8 0 年代后，由C F 6 8 0 C 2、R B 2 S p e y 等大型航空发动机派生出第三代航改船用燃气轮机，其压比达2 5 3 0，T I T 达1 4 5 0，效率达4 5，其典型代表的L M 6 0 0 0、w R 一2 l 等(见附录，表1)。目前，将航改机用于高性能船方兴未艾，到1 9 9 6 年底，美国G E 公司已有9 0 0 多台L M 2 5 0 0 用于舰船动力。第三代航改机应用航机积累的各种新技术、新材料及新设计，吸取前期航改机的使用经验，使其可靠性、维修性更好，污染控制更完美，加之更加宽广的功率范围，其应用前景更加广阔。1 2 3 现代燃气轮机的主要参数与性能为了提高燃气轮机的效率和比功，同时增大其单机容量，世界各国的燃气轮机厂商都进行了大量的研究工作，着重点在于提高燃气轮机的参数水平，如：燃i 初温巧、压缩比s+、空气流量以及主要部件的效率叩：、叩j 等。为此，需要采用耐高温的合金材料来制作透平的能流部分和燃烧室的火焰管；设计先进的叶片的冷却结构，以及自动化程度很高的、运行安全可靠的调节控制和保护系统。图1 1、图l。2 和图1 3 上给出了G E 公司几种型号燃气轮机的空气流量、压缩比以及燃气初温随年代的发展情况f 2 1，它大体上反映出世界范围内燃气轮机主要参数的进展。表1 1、中给出了G E 公司当今几种燃气轮机之性能参数【“。它们代表了工业型燃气轮机的现有水平。表1 2 中则给出了航机改型的几种工业燃气轮机的性能参数。哈尔滨工程大学硕士学位论文量耀F捌-丑蠹幽毯锺年份庳图l 一1G E 公司机组之空气流量随年代的发展情况年份庳图1 2G E 公司机组之压缩比随年代的发展情况图1 3G E 公司机组之燃气初温和高温材料随年代的发展情况?5哈尔滨【程人学硕士学1：)：论文表1 1G E 公司的几种燃气轮机的性能参数P G 5 3 7 lP G 6 5 4 1P G 6 1 0 1P G 9 1 7 1P G 9 2 3 1P G 9 3 5 1P G 9 3 9 1简单循环(P A)(B)(F A)(E)(E C)(F A)(G)发电机功率2 6 3 0 03 8 3 4 07 0 1 4 01 2 3 4 0 01 6 9 2 0 02 5 0 4 0 02 8 2 0 0 02 7 8 3 04 1 4 0 07 3 5 7 01 3 3 0 0 0l8 4 7 0 02 5 8 6 0 0净热耗率(L H v)l2 6 4 71 1 4 7 61 0 5 2 69】0 6 6 01 0 3 1 09 8 6 689 1 1 52 k J“k w h)1 2 6 3 651 1 3 7 11 0 4 5 3 l1 0 6 3 2 41 0 2 3 799 8 6 68供电效率()()2 84 73 13 73 4 2 03 37 73 49 23 6 4 93 9 4 92 84 93 16 63 4 4 43 38 63 51 63 6 4 9压缩比1 051 1 81 501 231 4 21 542 3透平第一级动叶前的燃9 6 281 1 0 41 2 8 81 1 2 41 2 0 41 2 8 8气初温转速(r 枷n)5 0 9 45 0 9 45 2 4 73 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 0窀气流量(k g s)1 2 24 71 3 69 91 9 64 74 0 37 04 9 85 16 4 50 26 8 49排气流量(k s)4 1 02 25 0 73 5排气温度4 8 75 3 95 9 75 3 05 5 86 0 95 8 3 i：I、以L 参数是在1 5 的海、F 面条件下燃烧天然气时，进i 一损失为7 4 7 P a(7 6 2 m m，H 2 0)H jL J 损失为12 4 46 P a(1 2 7 m m H 2 0)时，而且不喷水喷蒸汽以控制N O；时的性能。2、失峰负荷时燃气初温一般要比基本负荷者增高约5 0，排气温度大约增高3 0 3 5，功率增大5 8。表1 2 航机改型的几种工业燃气轮机的性能参数型号L M 5 0 0 0 F I T 8 D o w e rF 1 8 1 w mR B 2 儿T r e n tL M 6 0 0 0 P C主要参数P DS T I GP a cP a c出u 尚家R o l l c JL O v c eG E M a r l n e I n d u s t r ia 1n r b o f发电机功率，l c w2 7 2 1 05 1 1 9 04 3 4 7 54 8 6 0 02 5 4 6 55 1 2 9 0尖峰2 8 8 6 05 5 3 1 02 7 4 4 55 5 2 3 0净热耗率(L H V)1(J(k w h)1 0 0 4 3 68 6 6 158 7 j 438 7 0 389 4 4 239 3 7 3 7尖峰l 0 0 0 1 48 5 5 D89 3 5 269 2 8 8 93供电效率(L H V)()3 5 8 44 1 5 64 l3 I4 l3 63 81 33 84 0尖峰3 59 94 2 1 03 8 4 93 87 5址缩比2 083 5 02 943 102 0 02 02透中前燃气温度1 2 2 7转速(“m m)4 8 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 0空气流量(k g，s)9 l6 31 5 9 2 l1 2 7Ol5 428 531 7 06=|_ 气温度5 0 04 2 674 5 04 0 284 5 54 5 5综合以上各表的数据可知：现代燃气轮机的主要参数和性能都己获得了长足的发展。其单机容量已达到2 5 0 M w；巧恒定在1 2 8 8 1 3 0 0 左右，单6哈尔滨工程大学硕士学位论文轴压气机的压缩比占已高达2 3 3 0，空气流量为6 8 5 k g s 左右。发电效率在3 6 3 8 范围内变化。不久的将来，将增至1 4 2 7，发电效率将接近于4 0。当然，航机改造的燃气轮机的，和发电效率早已超过此水平。1 3 化学回热循环概述1 3 1 化学回热循环理论概述化学回热燃气轮机利用的方法将燃料转化为能够在燃烧室燃烧的氢气和一氧化碳以及其他小分子碳氢化合物的混合物。燃料化学重整是个吸热反应。从一个较低的温度下吸收热量，以增加燃料的化学能。这种化学回热方式在热量问收方面的效果比现在常规的回热方案更好。另外，更重要的一方面是，氧比长链的碳氧化合物燃料，如C。有更好的可燃性，并可以在一个更低温度下可以燃烧，这样就可以降低N O x 的生成。资料显示，理论上可以将N O x 的产生低于l p p m。下图是化学回热燃气轮机循环的示意图。”图1 4化学回热循环燃气轮机示意图哈尔滨工程大学硕士学位论文1 3 2 国外发展现状舰船燃气轮机燃油催化裂解循环技术是一种新的余热利用方式，是一种提高燃机热效率的有效途径。自这一循环概念出现之后，即引起了包括美国、日本、德国、瑞士、乌克兰等国的重视，美国还把这种循环列入了“A G T f 先进燃气轮机)”发展计划。M AK o r o b i t s)，1 1 于1 9 9 8 年在名为N e wa n dA d v a I l c e dE n e r g yC o n v e r s i o nT e c l l I l o l o 百e s A n a l y s i so fC o g e n e r a t i o n，C o m b i n e da T l dh l t e g r a t e dC y c l e s 的综述报告中提到，采用没有削冷和再热的单纯化学回热技术之后，u 5 0 0 0 燃气轮机电站能够达到4 7 的热效率。PS u n d e l l 和G S v e d b e r g 在文章S t e 锄r e f o H n i n go f L P Gf o rg a st u r b i n e 印p l i c a t i o n s 中认为，采用化学回热技术可以使N O x 排放量降到1 0p p m 甚至更低，J a n e s 甚至认为N O x 排放量可以降到1p p m 以下。1 9 9 7 年在w e s t i n g h o u s e 电力公司提交给美国能源部矿物能源办公室的一份研究报告A d v a n c e dn a 时a 1g a s-f i r e dt u r b i n es y s t 锄u t i l i z i n gt h e m l o c h e m i c a lr e c u p e r a t i o na 1 1 d o rp a r t i a lo x i d a t i o nf o re l e c m c i t yg e n e r a t i o n，g r e e n f i e I da I l dr e w e r i n ga p p l i c a t i o n s 中指出，采用化学回热技术之后，烧天然气的5 0 1 F 发动机的排气温度从6 0 0 降到1 2 6，燃油催化裂解器出口的燃气还可以产生压力为2 1 6 b a r、温度为2 0 7 的蒸汽，蒸汽与天然气的质量比为6 6，空气与天然气的质量比为4 3 O，补给水速率为1 o k g k w h，装置效率从3 5 7 提高到4 8 9，装置功率从1 6 6 M W 提高到2 1 6 M W。1 3 3 国内发展现状在国内，燃气轮机化学回热循技术研究领域还处于刚刚起步阶段，还没有任何一个单位丌展过实质性的研究工作。不过轻烃蒸汽转化制氢技术在国内的炼油行业早有应用，虽然化学回热技术与轻烃蒸汽转化制氢技术在工艺、哈尔滨工程人学硕士学位论文设备和催化剂选择上有很大区别，但仍然有很多可以借鉴的技术和经验。因此，国内已经具备开展此项技术研究的基础。1 4 本文的研究内容本文研究内容是通过叙述燃气轮机循环的基础理论，分析影响燃气轮机循环效率的关键凶素。比对分析各种先进循环，如注蒸汽燃气轮机循环蒸和湿空气透平联合循环和化学回热循环的工作原理和性能，并对各自的优缺点进行评述。分析化学回热循环燃气轮机的组成，并对化学回热器的关键部件燃料裂解器的工作原理和燃料裂解的基本理论进行了较深入的研究和探讨，提出多种烷烃裂解的动力学模型。依据蒸汽发生器的热计算和回热循环所需的蒸汽量，对某型燃汽轮机进行了循环计算。哈尔滨工程火学硕士学位论文第2 章燃气轮机循环基本理论2 1 燃气轮机热力循环的理论分析2 1 1 燃气轮机热力性能指标衡量一台燃气轮机设计好坏的技术指标是很多的，例如：机组的效率、尺寸、寿命、制造和运行费用、起动和携带负荷的速度以及使用的可靠性等等，本节中我们只拟从热力循环的角度，讨论两个反映机组效率高低和尺寸大小的热力性能指标热效率和比功的问题。一、热效率它的含义是指：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q，转化成为机械功(或电功)z。、或乞的百分数。热效率有以下几种表示形式，即：循环效率玑=号=是，(2)装置效率玑6=仉叩姆叩印=去(2-2)式中：q 相对于1 蚝空气来说的加给燃气轮机的热能(k J k g)；，相对于l k g 空气来说的燃气轮机的循环功(k J 以(g)；f，相对于1 蚝空气来说的燃气透平的膨胀功(k J k g)：，。相对于l 蝇空气来说的压气机的压缩功(k J 蝇)；，相对于1 蚝空气来说的扣除了燃气轮机的机械传动效率，7 姆后，哈尔滨工程大学硕士学位论文在轴端的净功(k J 1(g)；Q。，燃料的低位发热量(热值)(k J n 唱)；f 一加给1 蝇空气的燃料量 蚝(燃料)蚝(空气)。显然，热效率越高，燃气轮机发出同样功率所需消耗的燃料量就越少。此外，在工程上还有用热耗率g。阿 腧)来衡量燃气轮机热经济性的，它的含义是指：每产生1 k w h 的电功所需消耗的燃料的热能，即：!丝竺!兰三皇塑f。叩。”(2 4)二、比功它的含义是指：进入燃气轮机压气机的l k g 空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的机械功(或电功)(k J k g)，或净功，。(k J k g)，即=(f f 一b 姆叩印(2 5)，。=Q，一，_】r 7 姆叩印(1 一仉)(2 6)由于乓=M。t(2 7)所以t=名M。(2 8)式中：M。每秒钟流进燃气轮机压气机的空气流量(k g s)；p 燃气轮机的净功率(k W)。显然，比功的大小，在一定程度上反映了机组尺寸的大小。因为比功越大，正意味着1 蚝空气能够在完成循环后对外输出更多的机械功(或电功)；吲而，为了输出相同数量的功，流经燃气轮机的空气流量可以减少，整台机组的尺寸也就可以设计得比较小。哈尔滨1 程人学硕士学位论文2 1 2 燃气轮机热力循环温熵图上的表示方法。1燃气轮机的循环在可逆的理想条件下，它是由以下四个过程组成的，即：理想的绝热压缩过程；等压燃烧过程：理想的绝热膨胀过程；等压放热过程。这些过程在压力与比体积0 一v)图和温熵仃一s)图上的表示方法，如图2 一l 所示。图2 1 在可逆的理想条件下，燃气轮机循环的幻一v)图和p J)图。)(p v)图6)(一s)图从图2 1 中可以看到：(1)在理想绝热的压缩过程中，空气的状态参数应按p v o”6=常数这个规律进行变化。压缩过程的效果是使空气的压力p 增高而比体积v 缩小a 因而在(P v)图上，压缩过程线1 呻2 必然是一条朝着压力逐渐增高，而比体积逐渐减小的方向发展的曲线。面积1 2，p：A 1 就是理想绝热压缩功0。鉴于在理想的绝热压缩过程中，空气的熵值是恒定不变的，因而，这个过程又称为等熵压缩过程。在(，一s)图上，等熵压缩过程线卜2 必然是一条与丁轴平行的直线，见图2 1 b。(2)在等压燃烧过程中，空气的压力是恒定不变的，因而，在(p V)图哈尔滨工程大学硕士学位论文上燃烧过程线2；_ 3 是一条与V 轴平行的直线。鉴于燃烧过程的结果是使空气从外界吸入热能g。，并增高燃气的温度，因而在(丁一s)图：，燃烧过程线2，斗3 必然是一条朝着温度r 和熵值同时增长的方向发展的曲线。而面积2；3 s，s。2，就是空气在此过程中从外界吸入的热能可。(3)在理想绝热的膨胀过程中，燃气的状态参数应按p v o2“=常数这个规律进行变化。膨胀过程的结果是使燃气的压力降低而比体积增大，因而，在(p v)图上膨胀过程线3 4 必然是一条朝着压力逐渐降低，而比体积逐渐增大的方向发展的曲线。面积3 4。只+只3 就是理想绝热膨胀功，。在此过程中燃气的熵值也是恒定不变的，它又可以称为等熵膨胀过程。当然，在p s)图上膨胀过程线3 4。必然也是一条与r 轴平行的直线。(4)在等压放热过程中，燃气的压力也是恒定不变的，即只，=只，因而，在(p v)图上放热过程线4。斗l 也是一条与V 轴平行的直线。鉴于放热过程是使燃气对外界放出热能g：，并使燃气的温度逐渐降低到压气机入口的初始状态，因而，在p s)图上放热过程线4。一1 必然是一条朝着温度r 和熵值s 同时递降的方向发展的曲线。而面积4，1 s，4，则是燃气在此过程中释放给外界的热能g：。(5)从(p v)图中不难看清：面积3 4：1 2。3=面积3 4。鼻+B+3 一面积1 2。p：+p 1=，。一f。=，。因而，当1 蝇空气在燃气轮机中完成一个循环后能够对界输出的理想循环功，。，可以用面积3 4。1 2，3 来表示。(6)从仃一J)图上不难看清：由于g。一g：=，。，因而面积2。3 4，1 2；就是1 1哈尔滨：_ r 程大学硕十学位论文i 蜉空气在燃气轮机中完成一个循环后，能够对外界输出的理想循环功，一当然，这个面积越大，意味着循环的比功越大。(7)在p J)图上，面积2 s 3 4，1 2，与面积2。3 巳J。2。的比值就是机组的循环效率7 k。显然，当面积2，3 J，J。2；一定时，假如面积2 s 3 4，1 2，越大，就意味着机组的热效率越高。因而，利用(丁一s)图，很容易定性地分析出各种因素对机组热效率和比功这两个指标的影响关系。实际上，当空气和燃气在燃气轮机中完成一个循环时，总是会受到摩擦等许多不可逆因素的影响，因而循环过程在0 一v)图和p s)图上的表示方法将有所改变，如图2 2 所示，它们的变化情况是：p?户声?图2 2 在实际情况下燃气轮机循环的0 一v)图和仃一J)图口)0 一v)剧6)留一s)剧。实线一实际循环示图，虚线一理想循环示图(1)由于在压气机的入口前，气流的流动有摩擦阻力损失，因而压气机的入口总压p，+p。(可用系数孝，=丑 正。，而五+维持不变，由此可见，外界加给1 蝇空气的热能q 必然有所减少。(3)在燃气透平中由于摩擦等不可逆因素的影响，燃气的状态参数也将按多变过程的规律p v*=常数变化。而且膨胀过程的终压p。+必然要比大气压力见高(可以用系数量=只只，而维持不变，由此可见，燃气释放给外界的热量g：，必然要比理想等压放热过程者大。(5)既然在实际循环中，透平的膨胀功f。减小了，而压气机的压缩功f。增大了，因而，当l k g 空气在完成一个循环后，能够对外界输出的实际循环净功，。=f，一，必然要比理想过程者，。=，。一，。小，也就是说，机组的比功减小了。(6)既然在实际循环中，1 蚝空气从外界吸入的热能g，减少了，而对外界释放的热能q：却有所增大，因而根据式(2 9)，即仉：塑二：里盟：1 一鱼(2-9)q lq l口1不难看出：相对于理想循环来说，机组的循环热效率必然有所降低。总之，在燃气轮机的实际循环中，由于各种不可逆因素的影响，就会导致机组热效率和比功都有所降低，也就是说，机组的经济性恶化了，而结构尺寸却要设计得更大一些。最后应该指出：在燃气轮机的实际循环中，空气和燃气与外界交换的机械功量沁，J 和热量0。，g：)也可以在0 一v)图和p s)图上用相当的面积来表示。但是，它们并不简单地等于过程线v=v 0)和丁=，0)，与p 轴和s 轴之间所包围的面积，有关这个问题，本节中就不细述了。哈尔滨工程大学硕士学位论文2 2 简单循环燃气轮机的性能分析2 2 1 简单循环燃气轮机方案在空气和燃气的主要流程中，只有压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环，如图2 3 所示，目前，大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为，它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快等一系列优点。分析燃气轮机热力循环的目的在于：研究各种因素对于燃气轮机热效率和比功的影响，以便从中找出提高机组热经济性和比功的途径。实际上，影响机组性能指标的因素是很多的。首先是燃气透平的初温正、进入压气机的空气温度正=瓦、空气在压气机中的压缩比s；其次是影响压缩过程、燃烧过程、膨胀过程以及气流流动过程的一系列不可逆因素，诸如：压气机的等熵压缩效率_。、燃烧室的燃烧效率7 7，、燃气透平的等熵膨胀效率叩r，以及前面所述的反映流动过程压力损失的总压保持系数乞、善，和善等。如图6 2 所示，在有不可逆因素影响的实际绝热压缩过程中，即使保持压缩比s+和空气的进口温度五+=L 恒定不变，压气机出口处空气的温度正+将会比理想的等熵压缩过程者正。高，这就是说，对于1 埏同样初温度正的空气来说，为了压缩达到同样大小的压缩比占+，所需施加的实际压缩功，。将比等熵压缩功，。大，人们可以用压气机的等熵压缩效率叩，即杉寺=籍协仉2F 2 声彳。1 w哈尔滨工程大学硕士学位论文负荷P n 2 伽0 0 k W倒2 3 粟台单轴燃气轮机的简单循环方案l 一压气机2 一燃烧室3 一燃气透平4 一发电机来表示压缩过程中不可逆因素的影响。印。越大，正意味着不可逆因素的影响越小，压缩过程越益趋近于等熵的压缩过程。式(2 1 0)中的：+值相应为疋。+、Z 和一+状态下空气的焓值。相仿的是，如图2 2 所示，在有不可逆因素影响的实际绝热的膨胀过程中，当透平前燃气的初温L+和膨胀比占+保持恒定不变，透平出口处燃气的温度L+将要比理想的等熵膨胀过程者；高。这就是说：对于1 蚝同样初温度正的燃气来说，为了实现同样的膨胀比占+，燃气对外输出的实际膨胀功f，将比等熵膨胀功z。小。人们则用透平的等熵膨胀效率7 7，即2 丢3 持沼来表示膨胀过程中不可逆因素的影响。叩，越大，不可逆因素的影响越小，膨胀过程越益趋近于等熵的膨胀过程。式(2 1 1)中的 j 值相应为正、正+和L，状态下燃气的焓值。此外，燃料在燃烧室中燃烧时必然会发生不完全燃烧损失和散热损失，哈尔滨工程大学硕士学位论文它可以用一个小于1 的参数燃烧效率叩，来描写燃烧过程中燃料能量的实际利用程度。2 2 2 温度五+和对机组比功和热效率的影响“讣从图2 1 a 中可以看出：当空气在压气机中完成压缩过程后，若在燃