第7章 燃气轮机装置循环.ppt

第7章燃气轮机装置循环,2021/3/24,2,7.1循环分析的目的和一般方法,分析动力循环的目的在于评价该循环在热能对机械能的连续转换及能量有效利用方面的工作性能，并探讨影响该循环特性的主要因素。,⑴分析动力循环的一般方法,①对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素,②在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及其产生的原因、大小和改进的办法,对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分析外，一般还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理评估循环的完善性,2021/3/24,3,本课程主要讨论相关热力装置的理论循环，重点在于分析热力循环的能量转换效应，必要时也会涉及一些实际循环的问题,实际的气体动力循环中，在循环的不同阶段工质成份不同，有时是空气，有时是燃气,燃气的热物性与空气相近,理论分析中视工质为类同空气的某种定比热容理想气体,,⑵对实际气体动力循环所作的理想化处理,①,②,实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后均将废气排弃，更换新的工质,理论分析时抽象成闭式循环,燃烧过程视为对工质的加热过程,排气过程视为工质的放热过程,,2021/3/24,4,7.2燃气轮机装置定压加热理想循环,1,压缩机,燃烧室,燃气轮机,2,3,4,燃气轮机装置,,,,,,,,,燃料,,空气,废气,燃气,⑴燃气轮机装置工作过程,燃气轮机装置中的主要设备为,透平式空气压缩机,燃烧室,燃气轮机,轴流式压气机不断将空气压送至燃烧室,燃料喷入燃烧室中燃烧,产生的高温高压燃气送至燃气轮机中膨胀作功,废气排放到大气中,大气,2021/3/24,5,⑵燃汽轮机装置定压加热理想循环,布雷敦循环Braytoncycle,实际燃气轮机工作过程理想化为定压加热循环,工质视为某种定比热容理想气体,工质压缩过程12为定熵的绝热过程,燃烧过程23视为定压加热过程,,工质在燃气轮机中定熵绝热膨胀34,废气排放到大气视同定压放热过程41,T,s,,,,,,,1,2,3,4,P,,s,,P,,s,,P,,4,2,1,3,,,,,,,P,,s,,P,,s,,布雷顿循环,2021/3/24,6,⑶布雷顿循环的热效率,循环的吸热量,循环的放热量,布雷敦循环的热效率,T,s,,,,,,,1,2,3,4,P,,s,,P,,s,,2021/3/24,7,T,s,,,,,,,1,2,3,4,P,,s,,P,,s,,由绝热过程12和34,,,由定压过程23和41,,,,,,布雷顿循环的热效率仅取决于压缩过程的始、末态温度,布雷顿循环,,,,2021/3/24,8,不要与卡诺循环热效率表达式混淆,式中的T1和T2只不过是循环中1点和2点的温度，并非吸热过程和放热过程的热源温度,增压比,T,s,,,,,,,1,2,3,4,P,,s,,P,,s,,布雷顿循环,,,布雷敦循环的热效率仅取决于压缩过程的增压比π,,随π的增大而提高,2021/3/24,9,⑷布雷敦循环的功输出,燃汽轮机装置常用作航空、船舰动力装置，希望自重尽量小，输出功率最大,T,s,,,,,,,1,2,3,4,P,,s,,P,,s,,循环净功两绝热过程技术功代数和,按绝热过程参数关系,,2021/3/24,10,定义,增温比循环的最高温度与最低温度之比,2021/3/24,11,当工质一定、初态1一定时,若一定，循环净功wnet仅取决于,wnet随增压比提高先增大，到达极大值后反转减少,对应于wnet,max的为最佳增压比opt,燃气轮机装置循环的净功输出wnet,式中cp、k、T1已知,图中给出了k1.4的wnetf,函数关系,2021/3/24,12,最佳增压比opt可利用,按此条件求得的该增压比为,求得,增温比愈大，opt也愈大,对应的wnet,max值也愈大,燃汽轮机装置中压气机吸入的为大气，因而布雷顿循环的初始温度T1不可能随意降低，为了提高循环的增温比，只有提高循环的最高温度T3,在材料允许的条件下，可尽量采用高的增温比，以便获得尽可能大的循环热效率和装置功率输出,,2021/3/24,13,⑸实际不可逆定压加热循环分析,实际定压加热循环是不可逆的,就热效率而言，只要吸热量和放热量一定则循环热效率一定,与加热过程和放热过程是否可逆无关,,压气机和燃汽轮机工作过程的不可逆性则对实际循环的热效率有影响,实际定压加热燃气轮机装置循环,12不可逆绝热压缩，非定熵过程,34不可逆绝热膨胀，非定熵过程,23定压加热过程,41定压放热过程,T,s,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,实际定压加热燃气轮机装置循环12341,,,布雷顿循环12s34s1,,2021/3/24,14,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,实际定压加热燃气轮机装置循环12341,,,压气机定熵效率,燃气轮机定熵效率,相对内效率,,实际定压加热燃气轮机装置循环的净功输出,布雷顿循环12s34s1,初态1、增压比相同情况下，实际循环的压气机功耗及燃气轮机的功输出与理想循环的差别由定熵效率表达,2021/3/24,15,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,,,实际定压加热循环吸热量,实际定压加热循环热效率,,2021/3/24,16,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,,,,2021/3/24,17,,,实际循环热效率t随及的变化关系如图示,实际燃气轮机装置循环的热效率c,sc,s0.85;T1290K;k1.4,2021/3/24,18,实际燃气轮机装置循环的热效率c,sc,s0.85;T1290K;k1.4,初态、燃气轮机及压气机定熵效率一定的条件下,增压比一定时，增温比越大，循环的热效率t越高,增温比一定时，循环热效率t随增压比增大而变化有一极大值；增温比越大该极大值越大，相应的增压比也越大,增压比对实际循环热效率的影响与对布雷顿循环的影响不一样,2021/3/24,19,提高循环增温比在于提高燃气轮机进口处的温度T3,,涉及金属材料耐热强度极限问题,为寻找出路，正在研究使用陶瓷材料作为替代,从循环方式出发，提高燃气轮机装置循环热效率的途径尚有,实行回热,在回热的基础上实行分级压缩、级间冷却和分级膨胀、中间再热,提高增温比是提高燃气轮机装置循环热效率的主要方向,减小压缩机和燃气轮机内部过程的不可逆性，提高其定熵效率也有助于提高循环的热效率,从、两者对t的影响看来,2021/3/24,20,1,燃烧室,2,3,4,带回热的燃气轮机装置,燃料,空气,废气,燃气,,,,,,,,,,,,燃气轮机,压缩机,5,6,7.3燃气轮机装置定压加热-回热循环,带回热的燃气轮机装置由以下主要设备组成,⑴带回热的燃气轮机装置,压缩机,回热器,燃烧室,燃气轮机,装置的工作过程为,压缩机吸入状态为1的空气,压缩至状态2，送入回热器,在回热器中回热至状态5后送入燃烧室,燃料喷入燃烧室燃烧生成高温高压燃气3，送入汽轮机,燃气在气轮机中膨胀作功后4排往回热器,排气在回热器中回热冷却至状态6成废气，排入大气中,回热器,,2021/3/24,21,⑵燃气轮机定压加热-回热循环,1,燃烧室,2,3,4,燃料,空气,废气,燃气,,,,,,,,,,,,燃气轮机,压缩机,5,6,,回热循环可理想化为,回热器,T,s,,,12s可逆绝热定熵压缩,2s5定压回热回热器,53定压加热燃烧室,34s可逆绝热定熵膨胀,4s6定压回热回热器,,1,2s,5,,3,,4s,6,,61定压放热大气中,①理想回热循环,回热不改变循环过程基本性质，利用放热过程的放热量满足吸热过程需要,理想回热达到最大可能的回热程度,,,2021/3/24,22,1,燃烧室,2,3,4,燃料,空气,废气,燃气,,,,,,,,,,,,燃气轮机,压缩机,5,6,,回热器,T,s,,,,1,2s,,5,,3,,4s,,6,,,,理想回热情况下,废气排放至大气时6冷却到压缩机出口处的工质温度T2s,新鲜工质回热后5达到燃气轮机的排气温度T4s,回热器中最大可能的回热量,,,,极限回热、,完全回热,理想回热亦称,q4s6q2s5,2021/3/24,23,T,s,,,,1,2s,,5,,3,,4s,,6,,,,实行回热时各过程的基本性质不改变,,12s34s1布雷顿循环,端点状态也不改变,无论回热与否循环的净功输出不变,采用回热时,循环吸热量,循环放热量,,显然,吸热平均温度提高了,放热平均温度降低了,,极限回热循环的热效率,,t,12s534s61简单布雷顿循环的热效率t,B,,,2021/3/24,24,1,燃烧室,2,3,4,燃料,空气,废气,燃气,,,,,,,,,,,,燃气轮机,压缩机,7,8,,回热器,②实际燃气轮机装置回热循环,实际换热器“端差”,冷流体出口温度比热流体的进口温度低,热流体出口温度比冷流体的进口温度高,T,s,,,,,,,1,2,3,4,,5,,6,7,8,最大可能回热量q46q25cpT4−T6,极限回热循环为1253461,实际回热循环为1273481,实际回热量q48q27cpT4−T8,回热度实际回热对最大可能回热之比,,,,,,,,2021/3/24,25,燃气轮机装置回热循环一般≯0.8,回热度实际回热对最大可能回热之比,图示的实际回热循环1273481,T,s,,,,,,,1,2,3,4,,5,,6,,,7,8,吸热量,放热量,循环的热效率,循环端点状态已知时,据可确定回热器出口温度T7、T8,,,2021/3/24,26,值得注意的是，只是在增压比π较小时回热措施对循环的热效率才会有较明显的影响,T,s,,,,,,,1,2,3,4,,5,,6,,,7,8,,,随增压比提高，T2将不断提高,当增压比高至令T2T4时,不可能有回热过程存在,,,,,2,回热措施只能在陆用的固定设备中采用,船舰和航空动力装置要求有尽量小的设备自重，因而不会采用回热措施,在T3不变的情况下T4不断下降，回热量愈来愈少,,T3,,,3,4,2021/3/24,27,7.4多级压缩和再热的燃气轮机装置循环,T,s,,,,,,,1,2,3,4,,,,3,Tmax,,,T1,,图示为两级压缩，中间冷却、两级膨胀，中间再热的燃气轮机装置理想循环,第1级压缩,冷却器,,某中间压力,,定压冷却,至初温,,第2级压缩,绝热,绝热,,燃烧室,定压加热,,第1级燃气轮机,,绝热膨胀,,燃烧室,定压再热,第2级燃气轮机,绝热膨胀,,,排大气,定压放热,某中间压力,至最高温度,,2021/3/24,28,T,s,,,,,,,1,2,3,4,,,,3,Tmax,,,T1,,无限多级压缩、级间冷却至初温,,定温压缩,无限多级膨胀、级间再热至最高温度,,定温膨胀,极限,极限,配以完全回热时，循环将成为概括性卡诺循环,,从热力学理论上看来,,,,,这是燃气轮机装置工作温度范围T1,T3内所能达到的最大热效率,2021/3/24,29,例7-1习题10-18的第一部分,某电厂以燃气轮机装置产生动力，向发电机输出的功率为20MW，循环简图如图10-23，循环最低温度为290K、最高为1500K,循环最低压力为95kPa、最高压力为950kPa。循环中设一回热器，回热度为75。压气机绝热效率c,s0.85，燃气轮机的相对内部效率T0.87。试求燃气轮机发出的总功率、压气机消耗的功率和循环热效率。,解认为燃气轮机的工质是空气，且为定比热容理想气体,,5,,6,,,7,8,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,,,12s34s1为理想循环布雷顿循环,考虑压气机、燃气轮机定熵效率时的实际循环为12341,极限回热时T4T5；T2T6，,考虑回热度时循环为1273481,2021/3/24,30,循环中各端点的温度,,5,,6,,,7,8,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,,,燃气轮机的定熵效率（相对内效率）,,压气机的定熵效率,2021/3/24,31,,5,,6,,,7,8,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,,,,由回热度的定义,燃气轮机的轴功,压气机消耗的轴功,2021/3/24,32,,5,,6,,,7,8,T,s,,,,,,,,,1,2,2s,3,4s,4,,,,燃气轮机的工质流率,⑴燃气轮机发出的总功率,⑵压气机消耗的功率,循环的吸热量,,2021/3/24,33,⑶循环的热效率,