燃气轮机相关热力循环
2-燃气轮机-第二讲(热力循环)
比功与压比、温比的关系： 比功与压比、温比的关系：
结论2——效率与压比、温比的关系： 结论2——效率与压比、温比的关系： 效率与压比 仅取决于压比π，而与温比τ （1）燃气轮机的循环效率 仅取决于压比 ，而与温比 ）燃气轮机的循环效率η仅取决于压比 无关； 无关； 随压比增大而增大。 （2）效率 随压比增大而增大。 ）效率η随压比增大而增大
其他多种热力循环组合的联合循环
–必要性：单独的一种热力循环各有优缺点，而几种 必要性：单独的一种热力循环各有优缺点， 必要性 热力循环结合使用则可扬长避短，达到理想效果。 热力循环结合使用则可扬长避短，达到理想效果。 –多种热力循环组合的联合循环方式： 多种热力循环组合的联合循环方式： 多种热力循环组合的联合循环方式 间冷再热循环 间冷回热循环 再热回热循环 间冷再热回热循环 燃气-蒸汽联合循环
第二讲
燃气轮机热力循环
一、燃气轮机的理想简单循环 二、理想简单循环效率的影响因素 三、燃气轮机的实际简单循环 四、燃气轮机常见其他热力循环
第一节 燃气轮机的简单循环
思考题一：何为理想循环？ 思考题一：何为理想循环？ 1、理想气体 、 2、稳定流动 、 3、可逆过程 、
二、理想简单循环
思考题二：简单循环的组成？ 思考题二：简单循环的组成？
q3-4= 0
工质在涡轮中膨胀做功，称为膨胀功wT
= c p (T3* − T4* )
= c pT3* (1 − π* -m )
* * p − v图上，wT = 面积3-4-p1 -p2 -3
④4s-1 大气中的等压放热过程
q2 = q4−1 = h − h
* 4
* 1
kJ/kg
q1
= c p (T4* − T1* )
燃气轮机原理(1)
燃气轮机原理(1)
燃气轮机原理
燃气轮机是一种以高速旋转涡轮机传递动力的热力机械，能够将燃料
燃烧释放的能量转换为机械能或电能。
其工作原理可分为以下几个方面：
1. 空气的压缩
燃气轮机最基本的组成部件是压气机，其主要功能是将进入机器的空
气进行压缩。
在压缩过程中，由于空气压缩比较明显，使空气温度升高，此时空气具有更多的能量，在后面的燃烧中将释放更多的能量。
2. 空气与燃料的混合
经过压缩后的空气进入燃烧室，通过喷嘴喷入燃料形成混合气，然后
由高压火花点火器进行点火。
燃料燃烧产生的高温高压气体将驱动涡
轮转子转动，使得机组转动。
3. 热力循环
涡轮传动跟压缩空气和燃料混合甚至接触燃烧产生的高温高压气体的
热力循环有关。
燃气轮机采用的是布雷顿循环，由压缩、燃烧和膨胀
三个阶段组成，其中压缩和膨胀阶段是通过涡轮完成的。
4. 热量转换
在燃气轮机的使用中，热量的转换是非常重要的一部分。
压缩空气时，
能给空气增加压强，使燃烧过程更充分，在燃烧后产生的高温高压气
体也可以增加其旋转力矩。
热量转换也可以表现为机组的功率输出，
同时也可以用来驱动其他机械设备。
总之，燃气轮机是一种高效率的动力机械，其应用广泛，不仅可以用
于发电、船舶、飞机、陆地机械等领域，也被用于工农业等很多领域。
随着技术进步的不断推进，燃气轮机的性能和效率也在不断提升。
燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施
燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施专业：热能与动力姓名：学号：燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施摘要：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。
本文主要介绍了燃气轮机的工作原理，基本结构，热力循环的分类及热力循环措施。
关键词：燃气轮机分类性能改善引言：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。
燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。
作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。
发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。
正文：燃气轮机（Gas Turbine）是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。
在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环，如图1。
大多数燃气轮机均采用简单循环方案。
因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。
一、工作原理压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。
从透平中排出的废气排至大气自然放热。
这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。
通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。
米勒循环原理
米勒循环原理
米勒循环原理是一种热力循环过程，常用于燃气轮机和蒸汽轮机等热能转换装
置中。
它是由美国工程师John F. Miller在1913年提出的，被广泛应用于工业领域。
米勒循环原理的基本过程包括加热、膨胀、冷却和压缩四个阶段。
首先，工质
在加热器中受热，温度和压力均增加；然后，工质通过膨胀机做功，使内能转化为机械功，从而驱动发电机发电；接着，工质通过冷凝器冷却，内能减少，温度和压力降低；最后，工质通过压缩机增压，使其重新回到加热器进行下一轮循环。
米勒循环原理的优点在于能够提高热能转换效率，降低能源消耗。
相比于传统
的布雷顿循环，米勒循环更适用于高温高压条件下的热能转换，能够更有效地利用燃气或蒸汽的热能。
此外，米勒循环还可以减少对环境的影响，降低排放物的排放量，符合现代工业对环保和可持续发展的要求。
在实际应用中，米勒循环原理需要配合适当的设备和控制系统，才能发挥最大
的效益。
例如，需要使用高效的加热器和冷凝器，以确保工质能够充分受热和冷却；同时，还需要精密的压缩机和膨胀机，以提高能量转换效率。
此外，还需要合理设计循环过程，使得各个阶段能够协调配合，避免能量损失和系统不稳定。
总的来说，米勒循环原理是一种高效的热力循环过程，能够在工业生产中发挥
重要作用。
通过合理应用和改进，可以进一步提高能源利用效率，减少对环境的影响，推动工业领域向着更加清洁、高效的方向发展。
米勒循环原理的研究和应用，将对能源领域产生深远的影响，有望成为未来工业发展的重要方向之一。
燃气轮机的实际热力循环
作者：水之北
1. 燃气轮机的实际循环 1.1. 燃气轮机的实际循环如图 1 的实线所示，包括四个热力过程：
n n n
熵增的多变压缩过程：空气从 p1 压缩至 p2； 略有压降的的加热过程：燃烧后的烟气温度从 T2 升至 T3，压力从 p2 略降至 p3； 熵增的多变膨胀过程，热烟气从 p3 膨胀至 p4＝p1，烟温从 T3 降至 T4； 等压放热过程，膨胀后的烟气从 T4 冷却至 T1。
h 02 h 01 1 h 02s h 01 c
(1)
其中ηc 是压气机的效率。那么：
h 02 h 02s 1 c h01 c
~1~
(Байду номын сангаас)
过程 1—2 的空气压缩功为：
L c 1 h 02 h 01
(3)
2.2. 略有压降的加热过程 2—3 已知参数：p2，T2，T3； 求解参数：p3，q2-3。 设燃烧室总压恢复系数为 σb，则：
(8)
将（8）带入（5） ，得到：
mf h 03 h 02 b H f K 03h 03 h f 2
(9)
2.3. 熵增膨胀过程 3—4 已知参数：p3，T3，p4； 求解参数：T4。
~2~
与式（1）类似，3—4 的等熵和熵增过程之间的关系为：
h g3 h g4 T h g3 h g4s h g4 1 T h g3 h g4s
p3 b p2
(4)
设喷油量为 mf，燃油的低发热值为 Hf，燃烧室燃烧效率为ηb，则：
q 23 b m f H f m f h f 2 1 m f h g3 h 02
(5)
燃气轮机的产热数学模型
燃气轮机的产热数学模型
燃气轮机的产热数学模型可以建立在以下几个方面：
1. 燃气轮机热力循环模型：
燃气轮机热力循环模型考虑燃气轮机内部的热力过程,分析燃烧室的燃烧与废气的排放,以及燃气轮机的内部温度、压力等参数的变化和它们之间的相互作用,得出燃气轮机的产热模型。
2. 燃烧与燃气特性模型：
燃气轮机的产热模型还考虑燃料燃烧的特性,以及燃气组分和燃气特性,燃气轮机内部的燃烧过程通过热力循环模拟燃气的变化,得出燃气轮机内部的热流量、功率、效率等参数。
3. 涡轮机特性模型：
涡轮机的特性也是影响燃气轮机产热的重要因素之一,可以通过分析涡轮机叶片的流态和空气动力学特性来推导和建立相关的热力学模型。
总之,燃气轮机的产热数学模型是一个综合性很强的系统,需要考虑多种因素的影响,包括燃料的品质、燃气轮机内部燃烧的特性、涡轮机的工作特性等等。
第3章 燃气轮机热力循环-4.
3.1.2燃气轮机热力循环的性能参数
(1)标准额定功率 (2)合同额定功率 (3)现场额定功率 (4)尖峰功率 通常将前三项统称为基本负荷。 ANSI B1336“额定值及性能”将基本负荷 定义为：每年运行8000h和每次启动运行800h。 而将尖峰负荷定义为：每年运行1250h和每次 启动运行5h。
§3.1.1燃气轮机热力循环
开式循环燃气轮机从大气连续地吸取空气 作工质，经过压缩、加热、膨胀作功后排回大 气放热而不断地循环工作。膨胀过程所作的功， 要扣除压缩过程耗功及其它损耗所需的耗功之 后才是装置的输出功。开式循环燃气轮机通常 采用内燃方式加热，把燃料直接喷入空气工质 中燃烧。
开式循环燃气轮机
燃气轮机排气温度较高，可达500℃左右， 因此还可利用其热量来加热压缩后的空气，从而 在燃烧室加热时就可节省一部分燃料，故能较多 地提高装置效率，这种循环称为回热循环。燃气 轮机还能采用把间冷、回热和再热组合起来的复 杂循环以提高性能。也可同其它工作循环结合起 来提高综合经济性能，例如涡轮增压柴油机循环、 燃气蒸汽联合循环和化工流程燃气轮机循环等。
（二）压比
π=P2*/ P1*
压比π是压气机出口气体全压P2*与进口气体全 压P1* 之比值。
§3.2燃气轮机理想简单循环分析
• §3.2.1燃气轮机理想简单循环 • §3.2.2燃气轮机理想简单循环分析
§3.2.1燃气轮机理想简单循环
所谓理想简单热力循环是指循环中的工质假 定为满足气体状态方程的理想气体，并认为在 理想热力循环中所进行的各热力过程，除了有 不可避免的给冷源的放热损失外，和外部介质 既不发生热量的交换，也不存在摩擦损失。
3.3.1提高燃气轮机热效率的措施
理想回热循环的比功仍用式(2-4)计算。由
燃气轮机燃烧系统的热力学性能分析与优化设计
燃气轮机燃烧系统的热力学性能分析与优化设计近年来，燃气轮机技术得到了快速发展，在能源领域发挥着重要的作用。
燃气轮机的核心是燃烧系统，而燃烧系统的热力学性能分析与优化设计对燃气轮机的效率和环境友好性具有重要意义。
本文将对燃气轮机燃烧系统的热力学性能进行深入分析，并探讨优化设计的方法。
1. 燃气轮机燃烧系统的热力学基础燃气轮机燃烧系统是将燃料和氧化剂进行反应，产生高温高压燃气流，从而驱动涡轮机旋转，产生功。
燃气轮机的热力学性能主要包括热效率、功率密度和排放特性。
热效率指的是燃料的化学能转化为机械能的比例，是燃气轮机的重要性能指标。
功率密度是指单位体积或单位质量的燃气轮机所能输出的功率，高功率密度意味着更高的性能和更小的体积。
排放特性是指燃气轮机在燃烧过程中产生的污染物和温室气体的排放情况，对环境保护和可持续发展至关重要。
2. 燃烧系统的热力学分析燃烧系统的热力学分析是对燃气轮机燃烧过程中的能量转化和损失进行综合评估。
燃烧系统主要包括氧化剂供应、燃料供应、混合和点火四个阶段。
在氧化剂供应阶段，燃气轮机通过压氧机将大气中的氧气挤入燃烧室，形成所需的氧化剂。
在燃料供应阶段，燃气轮机通过燃料喷嘴向燃烧室中喷入燃料。
在混合阶段，氧化剂和燃料进行充分的混合，以保证燃料能够完全燃烧。
在点火阶段，通过火花塞或者火花放电来点燃混合气体。
在燃烧过程中，热效率的提高是燃气轮机热力学性能分析的重点之一。
燃烧反应的热效率主要取决于燃料的分解和氧化过程中的能量转化效率。
高效的燃烧系统应该能够实现燃料的完全燃烧，减少可燃物的残留，提高热效率。
同时，燃气轮机的排放特性也是需要考虑的因素。
燃烧过程中产生的氮氧化物和颗粒物等有害物质对环境和健康造成一定的影响，因此需要探索降低排放的方法。
3. 热力学性能分析的方法燃气轮机燃烧系统的热力学性能分析和优化设计需要借助计算模拟和实验测试。
计算模拟可以利用数值计算方法对燃烧过程进行模拟和分析。
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4
1、压比
压气机出口的气体压力P2＊与进口的气体压力 P1＊之比值，反映工质被压缩的程度。
5
2、温比
温比是指循环最高温度t3*（燃气初温）与 最低温度t1*之比值。
燃气初温： 在第一级喷嘴 后缘平面处的 燃气的平均滞 止温度
6
3、比功 比功是指相应于进入燃气轮机的每lkg
燃煤联合循环 （煤的气化及燃烧）
•整体煤气化燃气—蒸汽联合循环（IGCC） •增压流化床燃气—蒸汽联合循环（PFBCCC）
•… …
26
燃机热力循环的相似性
涡轮喷气发动机的飞机
28
涡轮风扇发动机的飞机
29
涡轮螺旋桨发动机的飞机
30
涡喷发动机
31
32
涡扇发动机
33
涡桨发动机
34
35
三、燃机的复杂热力循环 （节能或增效目的）
36
回热循环
回热器（R）：Regenerator
37
理想
38
回热循环： 优点：提高热效率 缺点：1、尺寸大，增加维护费用 2、不适用高压比燃机
基于负荷估算，负荷变化的思考， 发电功率100%--70%---50%，T3，压比，温度，流量的变化
24
型号
GE PG9351 （FA）
首台 ISO额定功率
年份
KW
压比
1996 255600 15.4
流量 kg/s
624
透平前 温度 ℃
1327
进气温 度 ℃
15
排气温 度 ℃
609
= 624*1004*1600*(1-0.5076)*0.90 – 624*1004*288*(2.184-1)/0.88 = 444MW - 243MW = 201MW
39
间冷循环
中间冷却器（IC）：Intercooler
40
理论上，间冷次数无穷多时，压缩过程 就变为等温压缩，压缩耗功降至最低， 循环比功增加最多。 最佳压比分配使循环比功最大
41
间冷循环： 优点：提高比功 缺点： 1、增加了冷却器设备 2、间冷循环宜选取较高的压比 3、一般只能用一次
42
再热循环
43
Alstom GT24 / 26
M701F3 270MW 17 压比 1290摄氏度
GE 9351FA 256MW 15.4 压比 1318摄氏度
GT 26 265MW 30压比 1235摄氏度
44
四、燃机相关联合循环
燃气（油）联合循环 （利用燃机排气）
• 余热锅炉型 • 排气补燃型 • ……
=0.35kg×29308kJ/kg=10257.8kJ
热效率：
t
wnet q1
3600 35.10% 10257.8
14
• 某燃机电厂，燃机发电效率39%，天然气 热值37700KJ/Nm3，天然气密度0.6kg/m3 求：平均生产1度电需消耗天然气的质量？ 收益：1度电=1kW·h=1kJ/s×3600s=3600kJ
15
16
燃气轮机理想简单循环性能分析
17
理想简单循环比功
如何提高燃机的比功和效率？
18
实际简单循环性能分析
19
实际简单循环性能分析
T
2 2！
1
1！
3 3！
4！ 4
s
20
21
燃烧室的损失主要表现在那两个方面，目前的
情况怎样？
22
燃气轮机输出功率的计算
为什么涡轮进口燃气的流量比压气 机中的空气流量大？
空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能 对外输出的功。
比功反映燃机哪方面信息？ WGT 与 WT 和 WC 的关系？
7
4、单机功率
燃气轮发电机组的输出电功率PGTG，为
主要的性能指标。
① 标准额定功率 ② 合同额定功率 ③ 现场额定功率 ④ 尖峰功率
8
单机功率
• 标准额定功率 是指在IS0工况下，即环境温度15℃、
= 1.07*624*1004*1600*(1-0.5076)*0.90 – 0.9*624*1004*288*(2.184-1)/0.88 = 475MW - 219MW = 256MW
基于负荷估算，负荷变化的思考， 发电功率100%--70%---50%，T3，压比，温度，流量的变化
25
二、航空燃机的热力循环
总压101325Pa、相对湿度为60％、以及燃 用天然气的工况下连续运行，发电机出线 端的最大持续功率。
NEMA （美国电气制造协会）工况： 97710 Pa, 26.67 ℃(80F)，相对湿度为50％
9
5、热效率 当工质完成一循环时，把外界加给工质的热量
转化成为机械功或电功的百分数。 有三种计算方法：
10
q : 每1kg空气，加给机组的热量； f : 每1kg空气，加入的燃料量； Hu ：燃料的低热值； Gf ：每秒钟加给机组的燃料量； PGTG：单机输出电功率
11
什么是燃料的低热值？燃料的高热值？
燃料的热值是指单位燃料在量热计中燃烧后测得 的热量数值。由于燃料燃烧产物中的H2O在冷凝 的过程中会放出潜热包括在量热计所测的数值中， 所以测出的数值称为高热值。这部分潜热在发动 机中是无法利用的，因此要将这部分热量从高热 值中减去。燃料在气缸中燃烧后发出的有效热量 称为低热值。
第二部分 燃机相关热力循环
燃机的热力循环 第二章 航空燃机的热力循环 第三章 燃机的复杂热力循环 -蒸汽联合循环
1
燃烧室 燃料
燃气轮机发电装置示意图
1800-2300K 3 2
q1
压气机
涡轮（透平）
发电机
1 进气口
电
q2
4
排气2Biblioteka 一、发电燃机的热力循环热力系统 示意图
3
电站燃气轮机循环的主要性能指标
12
• 热耗率 机组每输出产生l kW·h的功需要多
少焦耳的热量。
• 油耗 每产生lkW·h的功所消耗的标准燃
油（是指发热量为43124kJ/kg的燃油） 的克数。
13
• 某发电厂平均生产1度电需消耗350克标准 煤，已知标准煤的热值为29308kJ/kg，试 求这个电厂的平均热效率是多少？
收益：1度电=1kW·h=1kJ/s×3600s=3600kJ 代价：350克标准煤发热量
23
型号
首台 ISO额定功率
年份
MW
压比
三菱M701F4 1997
312
18
流量 kg/s
703
透平前 温度 ℃
1427
进气温 度 ℃
15
排气温 度 ℃
597
= 1.05*703*1004*1700*(1-0.4881)*0.90 – 0.9*703*1004*288*(2.284-1)/0.88 = 580MW - 267MW = 313MW