| 词条 | 燃气轮机循环 |
| 释义 | § 燃气轮机循环 § 正文 由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却 4个过程组成的燃气轮机热力循环。也曾有过等容加热循环的燃气轮机，但没有得到推广应用。 循环过程 图1为燃气轮机的简单循环。燃气轮机自大气吸入空气，在压气机（即压缩机）中压缩。压缩后的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。加热后的高温燃气进入燃气透平（以下简称透平）膨胀作功。膨胀后的燃气排向大气。透平排气温度还相当高（约400～550℃），而压气机吸入的空气是大气温度，相当于在大气中进行了冷却。上述四个过程都是连续地进行的。透平膨胀功扣去压气机消耗的压缩功之后的净功，作为燃气轮机的输出功。 燃气轮机循环 循环指标 燃气轮机输出功与加热过程消耗的热量之比称为循环效率η,它是评价循环的首要指标。每千克气体工质的输出功L称为比功。L是影响燃气轮机尺寸的重要因素，也是循环的一项指标。 理想循环 压缩终了压力p 2与压缩起始压力p1之比p2/p1＝πC称为压缩比。膨胀起始压力p3与膨胀终了压力p4之比p3/p4＝πT称为膨胀比。 理想情况下,p4=p1，p3=p2,所以πT＝πC。若膨胀过程的πT与压缩过程的πC相等,并且膨胀起始温度（燃气初温）T3等于压缩终了温度T2,则膨胀功等于压缩功,但这时没有输出功。因此，在理想情况下压缩过程所消耗的压缩功可以在膨胀过程中全部收回。 对于理想循环，πC不变时，膨胀功与T3成正比，加热提高T3,使T3 高于T2，于是膨胀功就大于压缩功而获得输出功。πC不变时压缩功也不变，输出功正比于加热量，因而T3的变化对η无影响。πC变化时,既影响压缩功，又影响膨胀功，因此理想循环的效率η与πC有关；η随着πC的增大而提高。若πC=1，膨胀功和压缩功都为零，不论加热量多大、T3多高，输出功和效率都是零。 实际循环 实际上，压气机效率和透平效率都不是100％，这就使得压缩功比理想情况下的大,膨胀功比理想情况下的小，并且加热和冷却过程都有压力损失，即p3＜p2、p4＞p1,因而πT＜πC。这进一步导致压缩功增大，膨胀功减小。因此，输出功和循环效率都比理想循环的小。提高压气机效率和透平效率、减小压力损失，可向理想循环趋近。这是提高循环效率的一种途径。 实际循环中，压缩后的气体如不加热提高温度，仍保持T3=T2，则膨胀功必小于压缩功。因而必须加热气体，把T3 提高到足够的数值，才能使膨胀功大于压缩功而得到输出功。燃气轮机发展的初期T3 不高，而压气机效率和透平效率又很低，曾出现过输出功很小、循环效率很低，甚至输出功是负的情况。 在实际循环中，T3 越高、加热量利用率越好。所以πC不变时，T3 越高、η也越高，即理想循环中η与T3无关的结论不适用于实际循环。燃气初温与压气机进口温度之比 T3/T1＝τ，称为温比。热力学分析指出，实际循环效率η首先取决于温比τ，τ越高，η也越高；其次还与πC有关(图2)，在同一个τ值下，随着πC的增长，η先是增长，到某一极值后下降。每一个τ都有一个能使 η达到最高值的最佳πC与之对应。τ越大，对应的最佳πC也越大。 燃气轮机循环 由图2可知，提高π值对增高η有重要作用。因此，设法增高T 3 （即增高τ）来提高η，始终是燃气轮机发展中最重要的研究课题之一。随着高温材料和透平叶片冷却技术的进展，70年代末燃气初温最高已达1200℃。上述循环的效率已达38％。实际循环分为开式和闭式两种。 开式循环 这种循环从大气中吸入新鲜空气，同时把废气排向大气。绝大多数燃气轮机都是开式循环的。 ① 简单循环:由一个压缩过程、一个加热过程、一个膨胀过程和一个冷却过程所组成的循环。这种循环最为简单。 ② 回热循环：简单循环中，透平排气温度T4仍相当高，带走大量热量。而一般情况下压气机出口空气温度T2比T4低很多。让透平排气通过回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室（图3），则在燃气初温不变的情况下可以节省燃烧室内加入的热量，从而提高循环效率 η。在理想情况下，回热器出口的空气温度T5可以达到透平排气温度T4的水平。实际上由于有传热温差,T5总是低于T4。可以用回热度=(T5－T2)／(T4－T2)来衡量实际回热接近理想回热的程度。一般 可达0.7～0.9。但是采用回热后压力损失增大，对η有不利的一面。当温差（T4-T2）和都较大，同时因回热而增加的压力损失较小时，采用回热能使 η提高较多。反之，则 η提高较少，甚至有下降的可能。采用回热还会使同一 τ下的最佳πC下降，以便选用 πC较低的压气机。不过，采用回热会增加机器的质（重）量和尺寸，因而应用不太普遍，但是，汽车用燃气轮机因特别重视 η的提高，都采用回热。这种循环也属于开式循环。 燃气轮机循环 燃气轮机循环 燃气轮机循环 ③ 复杂循环：在压缩过程中采用中间冷却,在膨胀过程中采用中间再热的循环(图4)。中间冷却可以减小压缩功,但压缩终了的空气温度降低了，就使加热过程的热量增加。中间再热可以增加膨胀功，但要增多加热量。这两种措施都可以显著地增加比功L，但对效率η的改善不明显。在πC较低、压力损失较大时，可能导致 η下降。可是把中间冷却、中间再热和回热结合起来的复杂循环却能大大提高 η。不过这样会大大增加机器的质(重)量和尺寸，因而在实践中很少应用。复杂循环也是一种开式循环。 闭式循环 工质循环使用，由透平排出的工质，不再在大气中作等效冷却，而是经冷却器冷却后重新被压气机吸入，再次参加循环过程（图5）。压缩后的气体工质在气体锅炉（或加热器）中被加热。闭式循环中，工质可用空气或其他气体。闭式循环的主要缺点是包括气体锅炉在内的换热器尺寸大、成本高和T3 温度低等，因而应用不多。若采用气冷反应堆作为加热气体工质（用He或N2等）的热源，就组成了核动力闭式循环装置，其效率可高于采用汽轮机的核动力装置。 参考书目 佐藤豪著，王仁译：《燃气轮机循环理论》，机械工业出版社，北京，1983。（佐藤豪著：《ガスタ-じンサィクル論》，山海堂，東京，1972。） § 燃气轮机发电 燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三部分：1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；2、压气机（空气压缩机）；3、燃烧室。其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。 燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等优点。主要用于发电、交通和工业动力。燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。 燃气轮机用于发电的主要形式： 简单循环发电： 由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统，也称为开式循环。其优点是装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。目前的最高效率的开式循环系统是GE公司LM6000PC 轻型燃气轮机，效率为43%。 前置循环热电联产或发电： 由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收，转换为蒸汽或热水加以利用。主要用于热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。最高效率的前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120 轻型燃气轮机，效率为43.3%。前置循环热电联产时的总效率一般均超过80%。为提高供热的灵活性，大多前置循环热电联产机组采用余热锅炉补燃技术，补燃时的总效率超过90%。 联合循环发电或热电联产： 燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机（抽汽式或背压式）共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功后的乏汽用于供热。形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机、蒸汽轮机各自推动各自发电机的多轴联合循环。主要用于发电和热电联产，发电时的最高效率的联合循环系统是ABB公司GT26-1，效率为58.5%。 整体化循环： 由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循环系统，也称为IGCC。主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用气体、液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。目前，GE公司使用 MS7001F技术组成的整体循环系统发电效率可达到42%。 核燃联合循环： 由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。通过燃气轮机排出的烟气再热核反应堆输出的蒸汽，主要为提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。目前处于尝试阶段。 燃机辅助循环： 在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统运行的。 燃气烟气联合循环： 由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统，利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热焓进一步推动烟气轮机发电。该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机造价较高，还未能广泛使用。 燃气热泵联合循环： 由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽（烟气）热泵组成的能源利用系统。该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用，或将动力直接推动热泵。这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷使用，该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未来能源利用的主要趋势之一。 燃料电池——燃气轮机联合循环： 美国能源部近日宣布开发出了世界第一个将燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备，这种设备能更有效地产生电力并大大减少环境污染。据了解，这一设备的燃料电池由1152个陶瓷管构成，每个陶瓷管就像一块电池。电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮机则用燃料电池产生的热废气流制第二轮电力。由于燃料电池中没有燃烧过程，只是通过化学分解天然气燃料来产生电力，因此可以大幅度减少污染。设备不会产生二氧化硫，其反应产物中的氮氧化物含量不及目前天然气发电设备的2％，二氧化碳排放量则减少了15％。而且，只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作。新型发电设备的发电功率为220千瓦，能为200户人家提供电力。其发电效率达到55％，这意味着来自天然气燃料的能量中有55％转化成了电能，远远高于燃煤发电设备的35％发电效率，也高于燃气涡轮机50％的发电效率。 § 相关连接 燃气轮机发电技术 http://www.sztwt.cn/news/29.html |
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