同济大学热能与动力工程专业
燃气轮机及内燃机技术
期末论述报告
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学号： 院系：机械与能源工程学院
专业：热能与动力工程
燃气轮机热力循环分类及其性能改善措施
摘要 ： 本论文对燃气轮机概念进行了简述，以热力学热力循环角度来涉及燃气轮机的热力循环过程及工作原理问题、燃气轮机热力循环分类、各类热力循环的基本原理及其优越性和缺陷、从简单到复杂进行了比较。最后，简述了外界因素对燃气轮机工作效率的影响和改善燃气轮机性能的各种措施。
关键词: 燃气轮机 热力循环 GE 公司 MS6001 型燃气轮机
引言: 燃气轮机是靠内部燃料燃烧释放出的热量直接加热空气, 并通过行成的燃气将热能转换成机械功的一种热力机械, 同样是内燃机。 主要由叶轮式空气压缩机、燃气发生器(燃烧室) 和燃气涡轮三个基本部分组成, 还有燃料、润滑、冷却、启动、调节和安全等辅助系统。 热力循环是指热力系统经过一系列状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。热力循环分为正向循环及逆向循环。将热能转换为机械功的循环称为正向循环; 将机械功转换为热的循环，称为逆向循环。通过工质的热力状态变化过程，可以将热能转化成机械能而做功，而要做出功一般必须通过工质的膨胀过程，但是任何一个热力膨胀过程都不可能一直进行下去，并连续不断地做出功。这是因为工质的状态将会变化到不适宜继续膨胀做功的情况，而且任何热力设备，其尺寸也都是有限的。
一、燃气轮机循环的四个热力过程与工作原理
通常，在可逆的理想情况下，燃气轮机是由四个热力过程组成的正向循环来实现把热能转化为机械功的动力机械，它们是：
(1)理想绝热压缩过程
对于燃气轮机循环，压缩过程是在压气机中完成，过程中工质状态参数将按绝热过程的规律(pvk=常数) 进行变化：压力不断上升，比容逐渐减小，温度伴随增高。由于工质流量相对大、对外界的散热很小，通常认为与外界没有热量交换，因而是绝热过程，即工质与外界没有热交换，工质状态变化是靠部分透平膨胀功驱动压气机来实现的。另外，在理想的可逆情况下，压缩过程中工质的熵值为常数不变，因此理想绝热压缩过程又称为等熵压缩过程; 而实际的绝热压缩过程，由于存在的摩擦涡流等因素的影响，将使工质内能增加(温度升高更多一些) ，等价于从外部加入同样数量的热量，过程是不可逆的，熵总是增加的。
(2)等压燃烧过程
燃气轮机循环的加热过程是在燃烧室中完成的，从压气机出来的高压气体吸收喷入燃烧室的燃料燃烧释放的热量，燃烧过程的结果是使工质吸收了外界加入的热量Q1，而没有与外界发生机械功的交换。对于加热过程，工质状态参数将按定压过程的规律(v/T=常数) 进行变化：压力恒定不变(p=常数) ，比容(比体积) 不断增加，温度逐渐上升，熵值也相应增加。
(3)理想绝热膨胀过程
燃气轮机循环的膨胀做功过程是在透平中完成，过程中工质状态参数也将按绝热过程的规律(pvk=常数) 进行变化，只不过变化的趋势与压缩过程正相反：压力不断下降，比容逐渐增大，温度伴随降低。通常也认为与外界没有热量交换，因而也是绝热过程，即工质与外界没有热交换，借助工质状态变化来实现膨胀做功。同样，在理想的可逆情况下，膨胀过程中工质的熵值为常数不变，因此理想绝热膨胀过程又称为等熵膨胀过程; 而实际的绝热膨胀过程，由于存在的摩擦涡流等因素的影响，过程是不可逆的，熵总是增加的。
(4)等压放热过程
燃气轮机循环的是向大气环境排气放热来完成的，由于环境相对与循环系统体系来说，
可认为是“无限大”，其压力为恒定不变，并与外界没有机械功传递。这样，对于放热过程，工质状态参数也将按如下变化：压力恒定不变(p=常数) ，比容(比体积) 不断减小，温度逐渐下降。
二、燃气轮机热力循环分类
2.1理想简单热力循环
图中：
1-2 压气机绝热压缩过程
2-3 燃烧室中定压吸热过程
3-4 透平中绝热膨胀过程 4-1 大气中定压放热过程
热力学第一定律：Q=△U+W
假设工质为理想气体，四个过程
均为可逆过程Cp 和流量保持不变，假定空气比热与燃气比热近似相等。
2.2实际简单热力循环
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
2.3 回热循环
燃气轮机的排气温度很高，一般为400℃至500℃，如能回收这一高温气体，就可提高燃气轮机效率。
如果采用高温排气加热从压气机出口的空气，再次吸收部分排气能量，提高进入燃烧室的温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高了热效率，在燃气轮机中加装回热器R, 就可实现上述工作过程，这就是回热循环。
优点：可提高燃气轮机热效率
缺点：一、尺寸大，增加维护费用。
二、不适用高压比燃机。
在压缩过程中间，把工质引至冷却器冷却后，再回到压气机中继续压缩以完成压缩过程，此即间冷循环，其中IC 是中间冷却器，它的应用使压气机分为低压气机LC 和高压气机HC 两个部分。
间冷循环的目的是增加机组净功，但热效率会有所降低。
IC 为中间冷却器
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。
优点：可提高比功。
缺点：一、增加了冷却器设备
二、间冷循环宜选取较高的压比
三、一般只能用一次
2.5 再热循环
在膨胀过程中间，把工质引入再热燃烧室中加热后，再回到涡轮机中继续膨胀以完成膨胀过程，此即再热循环。其目的也是增加机组净功，但热效率会有所降低。
理论上，再热次数无穷多时，膨胀过程就变为等温膨胀，膨胀功达到最大，循环比功增加最多，最佳膨胀比分配使比功最大。
优点：可提高比功
缺点：一、增加了再热燃烧室设备
二、再热循环宜选取较高的压比
三、一般只能用一次
同时具有间冷再热循环，其热力循环图形比上述两种循环面积进一步增大，即比功增加比较多，实际的间冷再热循环燃气轮机一般是双轴甚至是三轴的。
间冷再热循环：增大高温端，降低低温端，最大限度的增大温差系统复杂，易出现故障。
2.7带回热的复杂循环
同时具有回热和间冷循环或再热循环，其热力循环图形比上述循环面积更进一步增大，既能提高比功又能增大热效率。
间冷回热循环：增大传热温差
再热回热循环：增大传热温差
三、改善燃气轮机性能的热力循环措施
影响燃气轮机性能的主要因素是燃机的循环参数、部件效率及循环方式。因此，提高燃气轮机性能的途径要从这三方面去寻求。
3.1 采用高循环参数
由于燃气轮机热力循环的固有特点，其热效率和比功随着其增压比和透平进口温度的上升而提高，特别是后者的升高对其性能的提高更大。因此，不断提高热力参数成为提高燃机性能的着力点。
3.2改善部件结构和性能
对大、中型燃机部件的改善：
改善压气机部件 为提高燃机性能，要求压气机增压比高、效率高、工作稳定、重量轻。这些要求是相互矛盾的，一般主要致力于提高每级增压比以减轻重量，往往要采用超声级或跨声级压气机；改进叶型的设计方法和结构以减少超、跨声级叶片通道的激波损失，进而提高效率。
改善涡轮部件 先进涡轮的设计要求是：高效率、大焓降、耐高温。为追求高效率、涡轮部件也是采用先进设计技术（叶型技术，全三维叶片设计技术）以优化叶型，减小流体损失。 以及燃烧室部件的改善
3.3采用先进的热力循环
在燃气轮机上采用先进的热力循环，充分地利用余热能是不断提高燃气轮机性能的另一个着力点。上述的各类热力循环中回热循环，再热循环，间冷循环以及本论中未涉及到的蒸汽回注循环和热电并供循环等，都是一些先进的循环方式。
另外，由于燃气轮机工作时要吸入周围环境的空气，安装在不同的现场条件下，环境温度、大气压力和空气湿度差别很大，会显著影响进入压气机的空气质量流量，而且燃料组分和热值也不相同，导致同一型号的燃气轮机在不同现场条件下实际输出功率和热效率均存在一定程度的差别。
其中环境温度和大气压力是对燃气轮机性能影响最大的主要现场参数，大气压力通常由项目所在地海拔高度决定，想从技术上改变压气机入口空气压力难度较大，因此，提高燃气轮机性能的一个较为切实可行的措施就是压气机进气冷却技术。采用进气冷却技术的作用是降低燃气轮机的进气温度，提高进气总空气量，减少压气机的单位耗功，使燃气轮机的输出功率与热效率得到提高。一般来说，对于GE 公司 MS6001 型燃气轮机而言，压气机进气温度每下降 1℃，可以增加透平输出功率 273.2kW。按燃气轮机进气冷却器的结构型式, 燃气轮机进气冷却技术分为直接接触式和间接接触式。 直接接触式主要有蒸发冷却、喷雾冷却和湿式压缩技术，直接接触式制冷的原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和空气与水接触时, 两者之间便会发生传热、传质过程，结果是空气的显热变
为水蒸发时所吸收的潜热, 从而使空气温度降低。理论上可将这一过程近似看做对空气的绝热加湿过程。直接接触式冷却装置的最大优点是初投资较少，施工工期短，运行及维护费用较低, 但最大的缺点是冷却能力较小，受环境湿度影响较大，最多只能冷却到湿球温度附近，适合应用于资金相对短缺、干燥炎热的地区。 间接接触式冷却主要有电制冷、冰蓄冷制冷以及蒸汽或热水制冷等。间接接触式冷却通过换热器来冷却燃气轮机的进气，在燃气轮机的进气道中安装鳍片管式换热器, 管内通入 5 ℃左右的冷水, 燃气轮机进气经过鳍片管外侧时被冷却。间接接触式冷却最大的优点是不受环境空气相对湿度的影响, 只要冷源有足够的制冷能力、换热器鳍片管有足够的传热能力, 就可以将进气冷却到合适的最佳进气温度, 但 初投资和运行费用也较高，因此在资金比较宽裕、潮湿炎热的地区采用这种冷却方式的较多。 综上所述，燃气轮机在不改变本体结构的条件下可以通过多种方式降低压气机入口温度，从而增加其输出功率并降低热耗率。对于具体的项目而言，可以根据自身的条件、环境、市场、资金等，来选择适合自己的方法。
四、结论
一般而言，人们无法对影响燃气轮机组性能的厂址和布置方案进行控制，因为大多数项目受前期投资规划的限制，但了解影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径后，可在设计和采购阶段就结合现场实际情况，在燃机设计选型时就把现场实际影响因素考虑进来，从而制定和优化设计方案。通过系统配置的改进，如要求厂商采用高循环参数、采用先进的热力循环、改善部件结构和性能以及增加燃气轮机入口冷却设施、提高燃料气进气温度等措施来确保燃气轮机的现场性能满足设计要求。
致谢
这是我第一次尝试用毕业论文格式写一份简短的论文，因此，感谢老师给我们一次预先锻炼的机会，还要感谢学校为我们具备的温暖又完善的学习环境以及同济大学学子们高尚的学习气氛。
参考文献
【1】 李孝堂 ，候凌云，杨敏等. 现代燃气轮机技术 . 北京：航空工业出版社 2006（1）
【2】 蒋峰，孙文涛，李兆明. 略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途
径 . 中国石油工程建设公司，北京 100120