提高燃?xì)廨啓C(jī)比功的其它措施

提高燃?xì)廨啓C(jī)比功的其它措施目前，提高燃?xì)廨啓C(jī)比功的辦法還有兩個(gè)，即采用所謂間冷循環(huán)和再熱循環(huán)方案。間冷循環(huán)方案的分析由于在簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)大約要用掉1/2-2/3左右的透平膨脹功，所剩下的才能作為機(jī)組的循環(huán)凈功輸出，因而要想提高機(jī)組的比功，自然會(huì)想到首先應(yīng)從減少壓氣機(jī)的耗功量的角度著手。1-低壓壓氣機(jī)2-間冷器3-1-低壓壓氣機(jī)2-間冷器3-高壓壓氣機(jī)4-燃燒室5-燃?xì)馔钙?-負(fù)荷圖2-18一級(jí)間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖圖2-18中給出了一級(jí)間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖。當(dāng)然，最理想的間冷措施應(yīng)該是；在整個(gè)壓縮過(guò)程中，使空氣連續(xù)地邊加壓、邊冷卻的方案，這樣才能保證空氣溫度恒定不變，壓縮耗功量為最小，此即所謂的等溫壓縮過(guò)程。然而，目前人們尚未找到實(shí)現(xiàn)這種壓縮過(guò)程的可行方法。實(shí)際可行的方法則是圖2-18那樣的分級(jí)冷卻、分級(jí)壓縮的方案。它把整臺(tái)機(jī)組所需達(dá)到的壓縮比ε*，按一定規(guī)律分配到幾個(gè)壓縮比較低的壓氣機(jī)中去完成，但在逐級(jí)加壓之前，卻使空氣經(jīng)受低溫水流的冷卻，使空氣的溫度降低到比水溫高出10℃左右，這種冷卻空氣的裝置就是間冷器。圖2-19燃?xì)廨啓C(jī)的理想一級(jí)間冷循環(huán)的溫熵圖顯然，在間冷循環(huán)方案中，為了使機(jī)組的比功最大，合理地分配各壓氣機(jī)之間的壓縮比是甚為重要的，理論分析證明：在壓氣機(jī)的效率ηy和進(jìn)氣溫度彼此相同的前提下，這就要求彼此串聯(lián)工作的每臺(tái)壓氣機(jī)的壓縮比ε1*、ε2*、···，應(yīng)該取得一樣，即：總壓縮比ε*為的機(jī)組，當(dāng)分成n次加壓時(shí)，每臺(tái)壓氣機(jī)的壓縮比應(yīng)取為ε1*=ε2*=···=εn*=。圖2-19燃?xì)廨啓C(jī)的理想一級(jí)間冷循環(huán)的溫熵圖間冷循環(huán)能夠增大機(jī)組比功的問(wèn)題，很容易從T-s圖上看清，如圖2-19所示。在沒(méi)有不可逆因素影響的理想簡(jiǎn)單循環(huán)中，機(jī)組的比功可以用面積2s3412s來(lái)表示，在理想的一級(jí)間冷循環(huán)中，機(jī)組的比功則可以用面積2s″3412s′1′2s″來(lái)表示，后者比前者大了一塊面積等于2s″2s2s′1′2s″的功。τ=2

.86，ηt*=0

.87，ηy1*=ηy2*=0

.84，τ=2

.86，ηt*=0

.87，ηy1*=ηy2*=0

.84，ηr=1

.0，ξ=1.0，ε1*=ε2*=(ε*)1/21-無(wú)間冷的簡(jiǎn)單循環(huán)2-間冷循環(huán)圖2-20間冷循環(huán)的比功與壓縮比的變化關(guān)系在有不可逆因素影響的實(shí)際間冷循環(huán)中，也有類(lèi)似的結(jié)果，只是實(shí)際循環(huán)凈功有所減小而已。圖2-20中給出了間冷循環(huán)的比功與壓縮比的變化關(guān)系。由圖可知，間冷的結(jié)果將使機(jī)組的最佳壓縮比ε*opt，1(ε*opt，η也是如此)增高了。間冷循環(huán)的比功雖然要比簡(jiǎn)單循環(huán)大一些，可是，空氣在間冷器中會(huì)對(duì)外界排掉一部分熱能，致使增壓終了時(shí)空氣溫度T″2s*比較低。當(dāng)燃?xì)鉁囟萒*3一定時(shí)，就需向燃燒室噴入更多燃料。這樣，對(duì)于循環(huán)效率不一定是有利的。通常，在壓縮比較低時(shí)，機(jī)組的熱效率與不用間冷方案者差不多，甚至在設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)由于間冷器中流阻損失過(guò)大，還會(huì)使熱效率有下降的趨勢(shì)。只有當(dāng)機(jī)組的壓縮比取得較高時(shí)，間冷方案的循環(huán)效率才能有所得益。圖2-21中給出了間冷循環(huán)的熱效率與壓縮比的關(guān)系，可以說(shuō)明問(wèn)題。1-簡(jiǎn)單循環(huán)1-簡(jiǎn)單循環(huán)2-間冷循環(huán)圖2-21間冷循環(huán)的熱效率與壓縮比的關(guān)系再熱循環(huán)方案的分析為了提高機(jī)組的比功，當(dāng)然，也可以從增大燃?xì)馔钙脚蛎涀鞴Φ慕嵌葋?lái)加以考慮。從理論上說(shuō)，燃?xì)獬鯗豑*3越高，透平的膨脹作功量越大。但是，燃?xì)獬鯗豑*3受金屬材料性能的限制，不能任意增高。為了在T*3恒定的條件下增大透平的膨脹功，可以使燃?xì)庠谕钙街猩晕⑴蛎浗禍睾?，把它抽出?lái)再?lài)娪腿紵?，使其溫度恢?fù)到T*3，然后再去膨脹，這樣，就可以增加燃?xì)庠谕钙胶髱准?jí)中的膨脹作功量，從而達(dá)到提高機(jī)組比功的目的。這種循環(huán)方案稱(chēng)為再熱循環(huán)。不難設(shè)想，最理想的再熱過(guò)程是使燃?xì)庠诰S持在T*3恒定不變的條件下邊膨脹邊加熱，此即所謂的等溫膨脹過(guò)程。在膨脹比相同時(shí)，它能獲得最大的透平膨脹功。圖2-22中給出了一級(jí)再熱循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖。1-壓氣機(jī)2-燃燒室3-高壓燃?xì)馔钙?-再熱燃燒室5-低壓燃?xì)馔钙?-負(fù)荷圖2-22一級(jí)再熱循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖圖2-23一級(jí)理想再熱循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的溫熵圖與間冷循環(huán)相似，為了在級(jí)數(shù)有限的再熱循環(huán)中，使機(jī)組的比功達(dá)到最大，必須合理分配各級(jí)透平之間的膨脹比。理論分析證明：在各級(jí)透平的效率彼此相等(即ηt1*=ηt2*=···=ηtn*)，而且每次再熱后燃?xì)鉁囟榷歼_(dá)到初溫T*3的前提下，應(yīng)使每級(jí)透平的膨脹比都取得相等，即δ*1=δ*2=···=δ*n=，機(jī)組的比功才能最大。再熱循環(huán)能夠增大機(jī)組比功的問(wèn)題，也很容易從T-s圖上看出。如圖2-23所示。在理想的簡(jiǎn)單循環(huán)中，機(jī)組的比功可以用面積2s34s12s來(lái)表示。在理想的一級(jí)再熱循環(huán)中，機(jī)組比功則可以用面積2s34′3′4″4s12s來(lái)表示。后者比前者大了一塊面積等于4′3′4″4s4′的功。圖中3→4′線(xiàn)是燃?xì)庠诟邏和钙街械牡褥嘏蛎浘€(xiàn)；4′→3′線(xiàn)是燃?xì)庠谠贌崛紵抑械葔杭訜岬倪^(guò)程線(xiàn)；3′→4″線(xiàn)是燃?xì)庠诘蛪和钙街械牡褥嘏蛎浘€(xiàn)；3→3′→3″線(xiàn)則是理想的等溫膨脹線(xiàn)。當(dāng)機(jī)組按理想的等溫膨脹過(guò)程膨脹時(shí)，透平的膨脹作功量為最大，因而，機(jī)組的比功也最大，它可以用面積2s33′3″4″4s12s來(lái)表示。對(duì)于有不可逆因素影響的實(shí)際再熱循環(huán)來(lái)說(shuō)，也有類(lèi)似的結(jié)果，只是實(shí)際循環(huán)的凈功有所減小而已。圖2-24中給出了再熱循環(huán)的比功與壓縮比的變化關(guān)系。由圖可知，再熱的結(jié)果將使機(jī)組的最佳壓縮比ε*opt，1(ε*opt，η也是如此)增高了。1-簡(jiǎn)單循環(huán)2-間冷循環(huán)(計(jì)算中取τ=2.86，ηt1*=ηt2*=0.86，ηy*=0

.84，ηr=1

.0，ξ=1

.0，δ1*=δ2*=(δ*)1/2，T’3*=T3*)1-簡(jiǎn)單循環(huán)2-間冷循環(huán)(計(jì)算中取τ=2.86，ηt1*=ηt2*=0.85，ηy*=0.83，ηr=1.0，ξ=1.0，T’3*=T3*，δ1*=δ2*=(δ*)1/2)圖2-24再熱循環(huán)的比功與壓縮比的關(guān)系圖2-25再熱循環(huán)中熱效率與壓縮比的關(guān)系與間冷循環(huán)相仿，在實(shí)際的再熱循環(huán)中，當(dāng)壓氣機(jī)的壓縮比的比較低時(shí)，機(jī)組的熱效率反而會(huì)不如簡(jiǎn)單循環(huán)。因?yàn)樵贌岬慕Y(jié)果需要從外界吸入更多的熱量q1，它與比功增高的得益不能相平衡，只是在壓縮比較高的情況下，采用再熱方案才有可能使循環(huán)效率稍有提高。圖2-25中給出了比較關(guān)系，可以說(shuō)明問(wèn)題。在再熱循環(huán)中當(dāng)然需要采用再熱燃燒室，它也會(huì)使機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。但是，再熱燃燒室的重量和體積一般要比間冷器小得多，它又無(wú)需用水，因而在工程實(shí)際中，再熱循環(huán)方案用得還比較多，特別是在航空燃?xì)廨啓C(jī)中更是如此。再熱循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)已在ABB公司設(shè)計(jì)的GT24和GT26燃?xì)廨啓C(jī)和KA24和KA26聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中獲得實(shí)際應(yīng)用。但是，它沒(méi)有遵循δ*1=δ*2=那樣的膨脹比分配規(guī)律，否則，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度t*4會(huì)過(guò)高，不利于在聯(lián)合循環(huán)中采用常規(guī)的蒸汽輪機(jī)流程。在ABB的設(shè)計(jì)中，以選擇最佳的排氣溫度t*4值為目標(biāo)(t*4控制在608-610℃范圍內(nèi))，使2/3的燃料量在第一個(gè)燃燒室中燃燒，使1/3的燃料量在第二個(gè)再熱燃燒室