燃气轮机和热力循环
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)
第7章燃气轮机装置循环
·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
实际燃气轮机装置循环的热效率 (c,s =c,s =0.85;T1=290K;k=1.4)
t,B 1
1
k 1
k
增压比 对实际循环热效率的影响与对布
21
⑵ 燃气轮机定压加热-回热循环
①理想回热循环
回热循环可理想化为：
12s——可逆绝热(定熵)压缩
回热器 废气 6
燃料
5
燃烧室
3 燃气
2 压缩机
4
2s5——定压回热 (回热器) 53——定压加热 (燃烧室)
1 空气
T
燃气轮机
3
34s——可逆绝热(定熵)膨胀 4s6——定压回热 (回热器)
5 2s
4s 6
⑵ 对实际气体动力循环所作的理想化处理 ①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
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
第7章燃气轮机装置循环
点击此处可添加副标题
第7章 燃气轮机装置循环
2021/2/9
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
燃气轮机基础知识
第一章 绪论
一、燃气轮机发电装置的组成 燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。现广泛应用的是按 开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在 燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入 透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因 此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了 燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。
燃气轮机基础知识
第一章 绪论
先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修和更换都比 较方便，而且广泛地应用了孔探仪、振动、温度监控、焰火保护等措施，其 可靠性和可用率大为提高，指标已超过了蒸汽轮机电站的相应指标。此外， 在环保方面，出于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧的碳氢化合 物，CO、S0X，等排放物一般的都能够达到严格的环保标准，再结合应用 干式低NOX燃烧室、排气烟道中安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施， 可施使NOX的排放低至9ppm，满足最严格的环保要求。因此，燃气轮机发 电机组，特别是燃气-蒸汽联合循环机组已作基本负荷机组或备用机组得到 了迅速的应用。 燃气轮机的发展主要还是圈绕着增加单机功率，提高效率和经济性，燃 用多种燃料和廉价燃料，减少对环境的有害影响来进行的。诸如加强高温材 料的开发，提高冷却技术，发展闭回路蒸汽冷却燃气轮机，发展新型航空改 型燃气轮机，开发先进的燃气轮机循环，进一步发展清洁煤技术等等。燃煤 的燃气-蒸汽联合循环是“煤的清洁燃绕”技术中最为令人瞩目的项目，是九十 年代到下世纪之初最有发展前途的方式。到目前为止最具竞争力的方案有三 个，即(1)增压流化床方案(PFBC);(2)增压流化床加炭化炉加顶置燃烧室方 案(简称CPFBC燃气· 蒸汽联合循环);(3)整体煤气化联合循环(IGCC)。
第二章 燃气轮机及其热力循环.ppt
4-1 定压放热（排气，假想换热器）
理想简单循环 简单循环 实际简单循环
利用热力学中的p-v图 和T-s图研究循环
讨论影响循环动力性和经济性的因素
二、理想简单循环
假设条件：
工质为理想气体； 热力过程均是可逆的，无能量损耗； 工质的比热容和流量不变。
组成：2个可逆绝热过程
2个可逆定压过程
1-2s 等熵压缩 2s-3s 等压加热 3s-4s 等熵膨胀 4s- 1 等压放热
1
cp cp
(T4*s (T3*s
T1*) T2*s )
1
T1* ( *π* T1*( * -
-m -1) π*m )
= 1- *-m = f(*)
q1 q2
m k 1 k
π τ 规律：（1）理想简单循环的热效率 s只与压比 *有关，而与温比 *无关。 π π (2) 理想简单循环的热效率 s随压比 *增加而提高，即 * 时， s 。
与外界没有功的交换 w4s-1= 0 ；向外界放出的热量为q2
q2 q4s1 h4*s h1* kJ/kg
q1
cp (T4*s T1* )
cpT1* (
*π*
- k 1 k
-1)
T s图上，q2 q4s1 面积4s - s3s - s1 -1- 4s
q2
T4*s
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。
② 实际装置的工作循环是开式的，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
燃气轮机原理(精华版)
QD20燃机轮机机组第 1章概述1.1 燃气轮机简介燃气轮机（Gas Turbine）是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、透平、控制系统和辅助设备等。
走马灯是燃气轮机的雏形我国在11 世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。
15世纪末，意大利人列奥纳多〃达芬奇设计的烟气转动装臵，其原理与走马灯相同。
现代燃气轮机发动机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。
当它正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。
图1-2为开式简单循环燃气轮机工作原理图。
压气机从外界大气环境吸入空气、并逐级压缩（空气的温度与压力也将逐级升高）；压缩空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气；然后再进入透平膨胀做功；最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气、自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备放热以回收利用部分余热。
在连续重复完成上述的循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。
燃气轮机动力装臵是指包括燃气轮机发动机及为产生有用的动力（例如：电能、机械能或热能）所必需的基本设备。
为了保证整个装臵的正常运行，除了主机三大部件外，还应根据不同情况配臵控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。
燃气轮机区别于活塞式内燃机有两大特征：一是发动机部件运动方式，它为高速旋转、且工质气流朝一个方向流动（不必来回吞吐），使它摆脱了往复式动力机械功率受活塞体积与运动速度限制的制约，在同样大小的机器内每单位时间内通过的工质量要大得多，产生的功率也大得多，且结构简单、运动平稳、润滑油耗少；二是主要部件的功能，其工质经历的各热力过程是在不同的部件中进行的，故可方便地把它们加以不同组合处理，来满足各种用途的要求。
燃气轮机区别于汽轮机有三大特征：一是工质，它采用空气而不是水，可不用或少用水；另是多为内燃方式，使它免除庞大的传热与冷凝设备，因而设备简单，启动和加载时间短，电站金属消耗量、厂房占地面积与安装周期都成倍地减少；再是高温加热高温放热，使它有更大的提高系统效率的潜力，但也使它在简单循环时热效率较低，且高温部件需更多的镍、铬、钴等高级合金材料，影响了使用经济性与可靠性。
《燃气轮机与联合循环》第二章 燃气轮机的热力循环解析
第二章 燃气轮机的热力循环
2-3 实际简单循环的特性
特点： 热力过程中有各种能量损耗，是不可逆的；
工质的热力性质和数量因燃烧而变。
假定条件（为便于与理想循环比较）： ①具有相同的压比C*和初始温度T1* ； ②涡轮前燃气初温相同， T3* = T3s* ； ③环境参数均为p0、T0， 即p1* = p0 、T1* = T0 。
一、热力参数
1、压比
—说明工质在压气机内受压缩的程度。
—压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。
用滞止压力（总压）表示：
p p
燃气轮机与联合循环
* 2 * 1
决定循环性能的重要参数
能源与动力学院
第二章 燃气轮机的热力循环
2、温比
—说明工质被加热的程度。
—透平前进口燃气温度与压气机进 口气流温度的比值
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第二章 燃气轮机的热力循环
二、性能参数与压比和温比的关系
1、比功与温比压比的关系
wc cp (T2* T1* ) wt cp (T3* T4* )
wn c p (T3* T4* ) c p (T2* T1* ) * T 1 * * 2 c pT3 1 * c pT1 * 1 T3 T1 * T 4
燃气轮机与联合循环
能源与动力学院
第二章 燃气轮机的热力循环
k 1 1 wn c pT1* (1 k 1 ) ( k 1) k
（ 1）压比
一定时，温比 增大，循环比功w 增大（公式上看）。
n
4*
一定时，有一最佳压比 (3) 时， 。
工程热力学燃气轮机循环的热力学模型建立与分析
工程热力学燃气轮机循环的热力学模型建立与分析引言：工程热力学是研究能量转化和传递的学科，而热力学模型则是分析和预测能量系统运行的重要工具。
本文将探讨燃气轮机循环的热力学模型建立与分析，旨在帮助读者更好地理解该系统的热力学特性以及优化运行参数的方法。
一、燃气轮机循环概述燃气轮机循环是一种常用的能源转换系统，其工作原理包括压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮等组成部分。
通过燃烧燃气产生高温高压气体，再通过涡轮的转动将内能转化为机械能，以驱动压缩机和发电机的运转。
二、热力学模型的建立为了对燃气轮机循环进行热力学分析，我们需要建立合适的热力学模型。
其中，包括压缩过程、燃烧过程、膨胀过程和排气过程等各个环节的能量平衡方程。
1. 压缩过程在压气机中，理想气体的状态方程可以用来描述气体的变化，即Pv = RT。
根据能量守恒定律，我们可以得到压缩过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{c} = Cp(T_{2}-T_{1})$$其中，ΔHc表示压缩过程的焓变，Cp表示气体的定压比热容，T1和T2分别表示入口和出口气体的温度。
2. 燃烧过程在燃烧室中，燃气与空气混合并燃烧，产生高温高压燃气。
对于可燃物质的燃烧反应，我们可以利用燃烧方程和燃气的定压比热容来描述燃烧过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{r} = h_{1}-h_{2}$$其中，ΔHr表示燃烧过程的焓变，h1表示燃烧前的燃气焓值，h2表示燃烧后的燃气焓值。
3. 膨胀过程膨胀过程是燃气轮机中最主要的能量转换环节，涡轮通过将气体的内能转化为机械能来驱动压缩机和发电机的运转。
根据能量守恒定律，我们可以得到膨胀过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{e} = Cp(T_{4}-T_{3})$$其中，ΔH e表示膨胀过程的焓变，T3和T4分别表示入口和出口气体的温度。
4. 排气过程在排气过程中，燃气在高温高压下被排出系统。
根据热力学第一定律，我们可以得到排气过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{d} = Cp(T_{1}-T_{4})$$其中，ΔHd表示排气过程的焓变。
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*愈高，性能愈好，但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。
二、性能参数
1、比功和功率
比功w—单位质量工质所做的功，kJ/kg； wC —压气机的比功， kJ/kg； wT —涡轮比功， kJ/kg。
功率N—单位时间内工质所做的功，kW。 燃气轮机的比功—进入压气机内1kg空气完成 一
个循环后，对外界输出的有效轴功。
——愈大，装置性能愈好。
稳定流动、稳定流动能量方程式
复习 滞止现象、滞止参数
复习内容
1、什么是稳定流动？其条件是什么？
所谓稳定流动，就是热力系统在任何截面上，工 质的一切参数都不随时间而变。
稳定流动的条件： （1）进出口工质的热力状态不随时间而变； （2）进出口工质的流量相等且不随时间而变； （3）系统与外界交换的一切能量不随时间而变。
2-3 燃气轮机的简单循环
在工质流动的主要流程中，只有压气机、
燃烧室和涡轮三大件组成——简单循环
一、稳定流动能量方程式在燃气轮机中的应用
任何热机必须依靠工质经过一系列热力过程完成 一个循环，才能连续不断地对外做功。
在燃气轮机中，工质要完成压缩、加热、膨胀以 及放热等热力过程，必需连续不断地流进和流出设备。
⑵ 对实际气体动力循环所作的理想化处理 ① 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。 ② 实际装置的工作循环是开式的，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
p T
* k 1
T
稳定流动能量方程式
q
h2 h1
1 2
c22 c12
gz2 - z1
ws
工质吸收 焓差
的热量
动能差
位能差
理论轴功
忽略燃气轮机进出口的位能差
q
h2
1 2
c22
h1
1 2
c12
ws
引入滞止焓
q (h2* h1*) ws
稳定流动 所有工质
对于燃气轮机中的各热力过程都是适用的。
2、什么是滞止现象？滞止参数？
滞止现象：当流动工质受到阻碍而使工质流速降 为零时所发生的现象。
滞止参数
滞止参数：
通过可逆绝热压缩过程使工质流速降为零时所得 到的参数。
滞止焓或总焓 i*
h*
h
1 2
c2
滞止压力或总压 p*
p*
p
1 2
c 2
滞止温度或 总温 T*
T* T c2 2c p
静参数
k
p*Biblioteka 1、压比 *—说明工质在压气机内受压缩的程度。
—压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。
用滞止压力（总压）表示：
*
p2* p1*
决定循环性能的重要参数
2、温比 *
—说明工质被加热的程度。
—涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值
用滞止温度（总温）表示：
*
T3* T1*
决定循环性质的最重要参数
燃气轮机装置与运行
上海理工大学 能源与动力工程学院
2012-08
第二章 燃气轮机及其热力循环
2-1 概述 2-2 燃气轮机热力性能指标
热力参数（压比、温比）； 性能参数（比功和功率、热效率、耗油率和热耗率等）
2-3 燃气轮机的简单循环 2-4 燃气轮机热力循环计算 2-5 提高燃气轮机热力性能的途径
——产生单位有效功率时的燃料消耗量，kg/（kWh）
ge
B Ne
3600Gf Ne
3600
e Hu
kg/(kW h)
——耗油率 ge与有效效率e成反比关系。 燃机效率越高，同功率下所耗燃料量愈少，经济性愈好。
（2）热耗率 qe
——产生单位有效功率所耗的燃料热量，kJ/（kWh）
qe
BH u Ne
（1）循环比功wi
（又称指示比功、内比功、装置比功）
忽略机械损失
wi = wT - wC kJ/kg
相应的，指示功率、内比功率 ：
Ni = Gc wi kW
进入压气机的空气流量，kg/s。
wi和Ni：反映机组循环本身动力性能的好坏。
（2）有效比功we
考虑机械损失，
设机械效率为m，则 we = wi m= （wT – wC）m
3600
e
kJ/(kW h)
——热耗率 qe与有效效率e成反比关系。
4、有用功系数
——燃气轮机比功wi与涡轮比功wT的比值，即
wi 1- wC
wT
wT
——该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。 ——大时， （1）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些； （2）wC/wT比例小，则压气机对机组性能的影响小。
燃料空气比
i
wi q
wi f Hu
燃料流量，kg/s
wi
Gf GC
Hu
3600 Ni BH u
f Gf GC
燃料消耗量，kg/h
kg燃料/kg空气
（2）有效效率e——有效比功与热量的比值
e
we q
we f Hu
we
Gf GC
Hu
3600 Ne BH u
e = i m
3、耗油率和热耗率
（1）耗油率 ge
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2，020/以3/18便合理评估循环的完善性。
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。
相应的，有效功率：
kJ/kg
Ne = Gc we kW we和Ne：反映整个机组动力性能的好坏。 二者关系为： Ne = Ni m
比功可表征机组的重量和大小。
2、热效率
燃料的低位发 热值，kJ/kg
—燃气轮机输出的有用功与其所耗燃料的热量的比值。
（1）内效率i ——内比功与热量的比值（装置热效率）
2-1 概述
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
2020/3/18
4
2-2 燃气轮机热力性能指标
性能指标
——衡量一台动力装置好坏的标准。 ——有很多，例如经济性、动力性、可靠性、变工况特
性以及排放性能等，需用不同的方法来分析。
主要用热力学方法分析：
反映动力性能好坏的指标，常用比功和功率； 反映经济性好坏的指标，常用热效率、耗油率和热耗率等。
一、热力参数