燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的分類與改善燃?xì)廨啓C(jī)性能的熱力循環(huán)措施

1、燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的分類與改善燃?xì)廨啓C(jī)性能的熱力循環(huán)措施專業(yè)：熱能與動(dòng)力姓名：張露學(xué)號(hào)：燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的分類與改善燃?xì)廨啓C(jī)性能的熱力循環(huán)措施摘要：燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。本文主要介紹了燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，熱力循環(huán)的分類及熱力循環(huán)措施。關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī) 分類 性能 改善引言：燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)而復(fù)雜的成套動(dòng)力機(jī)械裝備，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。作為高科技的載體，燃?xì)廨啓C(jī)代

2、表了多理論學(xué)科和多工程領(lǐng)域發(fā)展的綜合水平，是21世紀(jì)的先導(dǎo)技術(shù)。發(fā)展集新技術(shù)、新材料、新工藝于一身的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家高技術(shù)水平和科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。正文：燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine）是一種以連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。在空氣和燃?xì)獾闹饕鞒讨校挥袎簹鈾C(jī)（Compressor）、燃燒室（Combustor）和燃?xì)馔钙剑═urbine）這三大部件組成的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，通稱為簡(jiǎn)單循環(huán)，如圖1。大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡(jiǎn)單循環(huán)方案。因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，而且最能體現(xiàn)出燃?xì)廨啓C(jī)所特有的體積小、重量輕、起動(dòng)快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點(diǎn)。一

3、、工作原理壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸入空氣，并經(jīng)過軸流式壓氣機(jī)逐級(jí)壓縮使之增壓，同時(shí)空氣溫度也相應(yīng)提高；壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃?xì)?；然后再進(jìn)入到透平中膨脹做功，推動(dòng)透平帶動(dòng)壓氣機(jī)和外負(fù)荷轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣體或液體燃料的化學(xué)能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，并輸出電功。從透平中排出的廢氣排至大氣自然放熱。這樣，燃?xì)廨啓C(jī)就把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，又把部分熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。通常在燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)是由燃?xì)馔钙脚蛎涀龉韼?dòng)的，它是透平的負(fù)載。在簡(jiǎn)單循環(huán)中，透平發(fā)出的機(jī)械功有1/2到2/3左右用來帶動(dòng)壓氣機(jī)，其余的1/3左右的機(jī)械功用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)的時(shí)候，首先需

4、要外界動(dòng)力，一般是起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)，直到燃?xì)馔钙桨l(fā)出的機(jī)械功大于壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功時(shí)，外界起動(dòng)機(jī)脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)才能自身獨(dú)立工作。二、熱力循環(huán)分類按不同熱力循環(huán)區(qū)分燃機(jī)類型，是由于任何熱機(jī)都必須借助一定的媒介物質(zhì)（工質(zhì)），經(jīng)歷一系類熱力過程，才能實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功的循環(huán)而對(duì)外。按照循環(huán)工質(zhì)流動(dòng)與組織方式的不同，燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)在性能、總體布局及結(jié)構(gòu)上有很大差異。為了提高燃機(jī)性能（熱效率和比功），除了一般簡(jiǎn)單循環(huán)外，探索和采用很多種熱力循環(huán)方式。詳細(xì)的熱力循環(huán)類型如圖2。簡(jiǎn)單循環(huán) 復(fù)雜循環(huán)回?zé)嵫h(huán)再熱循環(huán)中冷循環(huán) 聯(lián)合循環(huán)常規(guī)聯(lián)合循環(huán)（燃?xì)?、蒸汽?lián)合循環(huán)）無補(bǔ)燃余熱鍋爐型補(bǔ)燃余熱鍋爐型 補(bǔ)氣全燃型 增壓鍋爐型

5、給水加熱型 新聯(lián)合循環(huán)注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)程式循環(huán)STIG 濕空氣透平HAT循環(huán) 卡林那底聯(lián)合循環(huán) 氫氧聯(lián)合循環(huán) 燃料電池聯(lián)合循環(huán)FG-CC 化學(xué)鍵燃燒CISA的動(dòng)力循環(huán) 燃煤聯(lián)合循環(huán)直接燃煤聯(lián)合循環(huán)DFCC 外燃式燃煤聯(lián)合循環(huán)EFCC 常壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)（AFBC-CC)增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)（PFBC-CC）整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC 圖2三、性能指標(biāo) (1)燃機(jī)的熱效率，是裝置輸出功與輸入的燃料比能之比，即燃機(jī)的凈能量輸出與按燃料的凈比能（低熱值）計(jì)算的燃料輸入之比=q0=fHu=3600sfc Huq0=fHuf=qmfqma式中：燃機(jī)的比功，kWs/kg； q0：每秒每千克空氣

6、流量消耗的燃料所具有的熱能； f：燃料空氣比，即燃料流量qmf與空氣流量qma之比； Hu：燃料凈比能（燃料低熱值）； sfc：燃料消耗率，即單位輸出功每小時(shí)的燃料消耗量，kg/（kWh）。 實(shí)際上，針對(duì)所指系統(tǒng)范圍的不同，燃機(jī)熱效率有三種定義，三者分母都是外界給工質(zhì)的熱量Q =qmfHu，而分子（輸出功）是扣除不同的耗功損失后的輸出功。 a循環(huán)效率x中的輸出功就是當(dāng)工質(zhì)完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，將外界給工質(zhì)的熱量全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，沒有考慮其他損失。 b裝置效率考慮了機(jī)械效率m，因此=xm c機(jī)組有效效率e。還考慮了所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載效率，如發(fā)電機(jī)效率G，則e=G=xmG 裝置的熱效率越高，熱耗率就越低，發(fā)出

7、相同的功率所需消耗的燃料就越少，因此熱效率是表征燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，也是衡量裝置能源利用率高低的熱力性能指標(biāo)(2) 燃機(jī)的比功 比功是單位質(zhì)量工質(zhì)所做的功，也就是燃機(jī)凈輸出功率與壓氣機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量的比值，即=Pcqma 如果忽略壓力、透平中流量的差別及機(jī)械損失，則裝置的比功近似等于透平比功t與壓氣機(jī)比功c之差t-c 裝置比功越大，發(fā)出相同功率所需工質(zhì)流量越少，裝置尺寸越小，因此比功是從熱力性能方面衡量燃機(jī)尺寸大小的一個(gè)指標(biāo)。四、改善熱力循環(huán)措施 在燃?xì)廨啓C(jī)上采用先進(jìn)的熱力循環(huán)，充分利用余熱能，是不斷提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的一個(gè)著力點(diǎn)，如果采用復(fù)雜循環(huán)、聯(lián)合循環(huán)，燃機(jī)的熱效率和比功有大幅度提高。(1)回?zé)嵫?/p>

8、環(huán)它是利用余熱提高機(jī)組熱效率的一個(gè)途徑。一般是在簡(jiǎn)單循環(huán)基礎(chǔ)上增加一個(gè)換熱器。它可以利用渦輪排出的廢氣對(duì)進(jìn)入燃燒室的高壓空氣預(yù)熱（可增加溫度200以上），預(yù)熱后的高壓空氣進(jìn)入燃燒室參加燃燒，如圖3所示。這樣在保持相同渦輪進(jìn)口條件下可以減少燃料消耗量，增加熱效率150%200%。對(duì)于高增壓比、高燃?xì)鉁囟鹊娜紮C(jī)效果更好。 在航空用渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上，早已開始探索采用回?zé)嵫h(huán)。至今，美國(guó)在中小發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展計(jì)劃中已采用回?zé)嵫h(huán)，作為發(fā)展高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵措施。有、無回?zé)嵫h(huán)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)降低耗油率的效果如圖2 -14所示。由圖可見，先進(jìn)工藝和高的回?zé)岫刃Ч谩?2)再熱循環(huán)它是通過增大渦輪膨脹功，提高燃機(jī)的

9、比功。一般是在高、低壓渦輪之間增加一個(gè)燃燒室，對(duì)從高壓渦輪流出的燃?xì)庠俅喂┯腿紵?，然后燃?xì)膺M(jìn)入低壓渦輪，因此稱為再熱循環(huán)（又稱中間再熱循環(huán)），如圖2 -17所示。實(shí)際的再熱循環(huán)比功和效率比簡(jiǎn)單循環(huán)的高多了，最佳增壓比也增大了，如圖2 -18所示。 實(shí)際的再熱循環(huán)性能如圖2 -18所示，可以看出再熱循環(huán)的比功比簡(jiǎn)單循環(huán)大得多，最佳增壓比也增大了。由于再熱循環(huán)需要從外界吸入更多的熱量，它與比功增高的得益不能相平衡，只有在增壓比較高的情況下，采用再熱循環(huán)方案才有可能使循環(huán)效率有所提高。(3)中冷循環(huán)(ICR) 它是通過減小壓氣機(jī)的壓縮功來增大燃機(jī)的比功。一般是將燃機(jī)的壓氣機(jī)分成高、低壓兩個(gè)部分，在其

10、間增設(shè)一個(gè)中間冷卻器，利用水或其他介質(zhì)對(duì)從低壓壓氣機(jī)中流出的空氣進(jìn)行冷卻，然后送入高壓壓氣機(jī)而組成中間冷卻循環(huán)（或稱間冷循環(huán)），如圖2 -19所示。間冷循環(huán)之所以能增大燃機(jī)比功，從壓氣機(jī)等熵壓縮計(jì)算式c=CpT1(ck-1k-1)可以看出，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度越低，壓氣機(jī)所需的壓縮功越小。一般在簡(jiǎn)單循環(huán)中，壓氣機(jī)要消耗渦輪膨脹功的2/3左右，間冷循環(huán)節(jié)省了壓氣機(jī)的壓縮功，則必然增大燃機(jī)循環(huán)凈功輸出。間冷循環(huán)與簡(jiǎn)單循環(huán)比較，比功增加，熱效率明顯提高，如圖2 - 20所示。(4)蒸汽回注循環(huán) 由于該種循環(huán)方案是美籍華人程大猷于1974年提出的，因此又稱程氏循環(huán)。該種循環(huán)方案是利用燃?xì)鈱?duì)換熱器內(nèi)經(jīng)過水

11、質(zhì)處理的水加熱，使其成為過熱蒸汽，從不同部位（從燃燒室至渦輪前某處）注入一定量蒸汽，與壓氣機(jī)供入空氣一起加熱到渦輪進(jìn)口溫度，再一同經(jīng)渦輪膨脹做功，如圖2 - 21所示。由于燃機(jī)中同時(shí)有燃?xì)庹羝麅煞N工質(zhì)在作功，因此又稱為雙工質(zhì)循環(huán)。又由于該循環(huán)將燃?xì)庋h(huán)和蒸汽循環(huán)耦合在一起，所以也可歸類于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)。 該種循環(huán)有效地回收排氣中的能量，將排氣溫度降低，因而高溫段和低溫段的能量都得到較好的利用，使燃機(jī)具有效率高、比功大的特點(diǎn)；另外省去了汽輪機(jī)及相應(yīng)附屬系統(tǒng)和設(shè)備，降低了生產(chǎn)成本；還因?yàn)檎羝麌娙肴紵矣欣诮档突鹧鏈囟龋梢詼p少排氣中N0x排放量；其最大優(yōu)點(diǎn)是能很好地協(xié)調(diào)機(jī)組發(fā)電量和產(chǎn)生蒸汽的矛

12、盾。 (5)熱電并供（或聯(lián)產(chǎn)）循環(huán)該種循環(huán)方式在設(shè)備配備上與前一種方式類似，也是在簡(jiǎn)單循環(huán)基礎(chǔ)上加配一臺(tái)余熱鍋爐，但是余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽是供給化工、煉油、食品、紡織和冶金等工業(yè)部門，滿足其需要的中、低壓用氣。另外燃機(jī)還可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，因此稱為熱電并供，或熱電聯(lián)產(chǎn)，如圖2 - 23所示。采用該循環(huán)方式的燃機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且投資少、見效快，頗受歡迎，得到了較大發(fā)展。國(guó)外已有大批機(jī)組供應(yīng)，我國(guó)也引進(jìn)了一些，如LM2500、OT21005等型號(hào)(6)燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)該種循環(huán)方式是巧妙地將采用不同循環(huán)原理的燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)結(jié)合起來的典范。燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗乜蛇_(dá)1400左右，排氣溫度也很高，一般為450600C，大量余熱排人大氣，其效率僅為35%40%。恰好汽輪機(jī)受設(shè)備材料限制，蒸汽初溫僅為550ctC