提高燃气轮机比功的其它措施.docx

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1、提高燃气轮机比功的其它措施目前，提高燃气轮机比功的办法还有两个，即采用所谓间冷循环和再热循环方案。1.1 间冷循环方案的分析由于在简单循环的燃气轮机中，压气机大约要用掉1223左右的透平膨胀功，所剩下的才能作为机组的循环净功输出，因而要想提高机组的比功，自然会想到首先应从减少压气机的耗功量的角度着手。从压气机的工作原理上可知：进入压气机的空气温度TJ越低，压缩功就越小。这就是说，空气越热越难增压。可是气体在压缩过程中，温度是不断升高的,I-低压压气机2-间冷器3-高压压气机4-燃烧室5-燃气透平6-负荷图2.18一级间冷循环燃气轮机的示意图因而所需消耗的压缩功就越来越大。为了减少压气机的耗功量

2、，最简单的办法就是把气体稍微加压后，就引出来冷却降温，然后再使之增压，这样就能提高比功。采用这种分段冷却、逐渐加压方法的燃气轮机热力循环，就叫做间冷循环。图2-18中给出了一级间冷循环燃气轮机的示意图。当然，最理想的间冷措施应该是；在整个压缩过程中，使空气连续地边加压、边冷却的方案，这样才能保证空气温度恒定不变，压缩耗功量为最小，此即所谓的等温压缩过程。然而，目前人们尚未找到实现这种压缩过程的可行方法。实际可行的方法则是图2-18那样的分级冷却、分级压缩的方案。它把整台机组所需达到的压缩比*,按一定规律分配到几个压缩比较低的压气机中去完成，但在逐级加压之前，却使空气经受低温水流的冷却,使空气的

3、温度降低到比水温高出I(TC左右，这种冷却空气的装置就是间冷器。显然，在间冷循环方案中，为了使机组的比功最大，合理地分配各压气机之间的压缩比是甚为重要的，理论分析证明：在压气机的效率中和进气温度彼此相同的前提下，图2-19燃气轮机的理想一级间这就要求彼此串联工作的每台压气机的压缩比/、2*、，应该取得一样，即:总压缩比/为的机组，当分成n次加压时，每台压气机的压缩比应取为*=2*=-=n*=V7o间冷循环能够增大机组比功的问题,很容易从T-s图上看清,如图2-19所示。在没有不可逆因素影响的理想简单循环中，机组的比功可以用面积20412s来表示，在理想的一级间冷循环中，机组的比功则可以用面积2

4、s3412sT2s”来表示,后者比前者大了一块面积等于2s2s2sT2s的功。75.4258.6641.9025.142345678910不言而喻，图219中12J,线是空气在低压压气机中的等燧压缩过程线。2sJ一线是低压压气机后的空气在间冷器中进行等压冷却的过程线。一2s线是空气在高压压气机中的等燧过程线。ITrT1”线则是理想的等温压缩过程线。当机组按理想的等温压缩过程压缩时，压缩耗功为最小，因而机组的比功为最大，92.18它可以用面积122341IT来表示。在有不可逆因素影响的实际间冷循环中，也有类似的结果，只是实际循环净功有所减小而己。=2.86,t*=0.87,y*=y2*=0.84

5、,r=1.0,=1.0,1*=2*=(*)z2I-无间冷的简单循环2-间冷循环图2-20间冷循环的比功与压缩比的变化关系图2-20中给出了间冷循环的比功与压缩比的变化关系。由图可知，间冷的结果将使机组的最佳压缩比*opt.()pt.也是如此)增但J了。间冷循环的比功虽然要比简单循环大一些，可是，空气在间冷器中会对外界排掉一部分热能，致使增压终了时空气温度T2s*比较低。当燃气温度T*3一定时，就需向燃烧室喷入更多燃料。这样，对于循环效率不一定是有利的。通常，在压缩比较低时，机组的热效率与不用间冷方案者差不多，甚至在设计不当时由于间冷器中流阻损失过大，还会使热效率有下降的趋势。只有当机组的压缩比

6、取得较高时，间冷方案的循环效率才能有所得益。I-简单循环2-间冷循环图2-21间冷循环的热效率与压缩比的关系图2-21中给出了间冷循环的热效率与压缩比的关系，可以说明问题。间冷循环虽然增大机组的比功，但因有了间冷器，却会使机组的总尺寸和重量增大，甚至会更庞大、更笨重了，所以在实际工程中，这种方案采用得并不多。1.2 再热循环方案的分析为了提高机组的比功，当然，也可以从增大燃气透平膨胀作功的角度来加以考虑。从理论上说，燃气初温73越高，透平的膨胀作功量越大。但是，燃气初温73受金属材料性能的限制，不能任意增高。为了在T*3恒定的条件下增大透平的膨胀功，可以使燃气在透平中稍微膨胀降温后，把它抽出来

7、再喷油燃烧，使其温度恢复到T*3,然后再去膨胀，这样，就可以增加燃气在透平后几级中的膨胀作功量，从而达到提高机组比功的目的。这种循环方案称为再热循环。不难设想，最理想的再热过程是使燃气在维持在丁3恒定不变的条件下边膨胀边加热，此即所谓的等温膨胀过程。在膨胀比相同时，它能获得最大的透平膨胀功。图2-23一级理想再热循环燃气轮机的温炳图图2-22中给出了一级再热循环燃气轮机的示意图。I-压气机2-燃烧室3-高压燃气透平4-再热燃烧室5-低压燃气透平6-负荷图2-22一级再热循环燃气轮机的示意图与间冷循环相似，为了在级数有限的再热循环中，使机组的比功达到最大，必须合理分配各级透平之间的膨胀比。理论分

8、析证明：在各级透平的效率彼此相等(即ti*=t2=-=tn),而且每次再热后燃气温度都达到初温73的前提下，应使每级透平的膨胀比都取得相等，即*1=*2=-=*n=聒,机组的比功才能最大。再热循环能够增大机组比功的问题，也很容易从T-S图上看出。如图2-23所示。在理想的简单循环中，机组的比功可以用面积2C4s12s来表示。在理想的一级再热循环中，机组比功则可以用面积2C4344s12s来表示。后者比前者大了一块面积等于43444”的功。图中3-4,线是燃气在高压透平中的等端膨胀线；4-3，线是燃气在再热燃烧室中等压加热的过程线;3,一4线是燃气在低压透平中的等燧膨胀线；333线则是理想的等温

9、膨胀线。当机组按理想的等温膨胀过程膨胀时，透平的膨胀作功量为最大，因而，机组的比功也最大，它可以用面积2s33344s12s来表示。对于有不可逆因素影响的实际再热循环来说，也有类似的结果，只是实际循环的净功有所减小而已。图224中给出了再热循环的比功与压缩比的变化关系。由图可知，再热的结果将使机组的最佳压缩比*m.|（*叩1.n也是如此）增高了。I-简单循环2-间冷循环(计算中取=2.86,1j*=t2*=0.86,y*=0.84,r=1.0,=1.0,=2=(*)172,T,3*=T3*)图2-24再热循环的比功与压缩比的关系0.200.180.16节0.140.120.100.081234

10、5678910I-简单循环2-间冷循环(计算中取=2.86,n*=t2*=0.85,y*=0.83,r=1.0,=1.0,Iv=T3*,=2*=(*),z2)图2-25再热循环中热效率与压缩比的关系与间冷循环相仿，在实际的再热循环中，当压气机的压缩比的比较低时，机组的热效率反而会不如简单循环。因为再热的结果需要从外界吸入更多的热量q,它与比功增高的得益不能相平衡，只是在压缩比较高的情况下，采用再热方案才有可能使循环效率稍有提高。图2-25中给出了比较关系，可以说明问题。在再热循环中当然需要采用再热燃烧室，它也会使机组的结构复杂化。但是,再热燃烧室的重量和体积一般要比间冷器小得多，它又无需用水，

11、因而在工程实际中，再热循环方案用得还比较多，特别是在航空燃气轮机中更是如此。再热循环的燃气轮机及其联合循环已在ABB公司设计的GT24和GT26燃气轮机和KA24和KA26联合循环机组中获得实际应用。但是，它没有遵循S=*2=病那样的膨胀比分配规律，否则，燃气轮机的排气温度方会过高，不利于在联合循环中采用常规的蒸汽轮机流程。在ABB的设计中，以选择最佳的排气温度口值为目标（t*4控制在608-61（TC范围内），使2/3的燃料量在第一个燃烧室中燃烧，使1/3的燃料量在第二个再热燃烧室中燃烧，由此来分配第一次膨胀与第二次膨胀过程之间的膨胀比的分配关系。这种分配关系的结果是3%要比*2小很多。在T3=r*3的前提下，第一次膨胀后燃气的温度相当高，它在有利于燃料在再热燃烧室中的燃烧，又能使4值被控制在预定的608-610C合适的范围之内，以便于联合循环机组中余热锅炉和蒸汽轮机流程的设计。