工程热力学课件：第12章 气体动力装置循环

112-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 212-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 3燃气轮机装置1）假定工质是比热容为定值的理想气体，燃烧之前或之后成分不变，都当作是空气；2）工质经历的所有过程都是可逆过程；3）在压气机和燃气轮机中皆为绝热过程；4）工质在燃烧室中经历的燃烧过程视为定压加热过程；5）工质向环境放热是定压放热过程，而且放热后，进入压气机入口，构成闭式循环。 4燃烧室进气口排气涡轮（透平）燃料124压气机燃气轮机发电装置示意图发电机电31800-2300K 5 工作原理（布雷登循环）1)绝热压缩过程(压气机)2)定压加热过程(燃烧室)3)绝热膨胀过程(燃气轮机)4)定压放热过程(环境大气) 73241Ts燃气轮机装置循环主要过程分析吸热量放热量压气机耗功燃气轮机作功循环净功循环热效率 8燃气轮机装置理想循环热效率循环中工质的吸热量为：循环的热效率为：工质对外界放出的热量为：根据称为燃气轮机循环增压比而则燃气轮机理想循环热效率可表示为： 9 10代表性大型燃机之一GEPG9351（FA）效率36.9%（GT）56.7%（GTCC）Since1996GT出力255.6MW透平入口温度1327℃压比15.4 11GE公司9F重型燃气轮机实物图 12代表性大型燃机之二SiemensV94.3AGT出力265MW透平入口温度~1350℃压比17效率38.5%（GT）57.3%（GTCC）Since1995 13SiemensV94.3A（50Hz）燃气轮机转子照片 14SiemensV94.3A（50Hz）燃气轮机总装后整体发运 15代表性大型燃机之三MitsubishiM701FGT出力270MW透平入口温度1350℃压比17效率38.2%（GT）57.3%（GTCC）Since1992 16新一代重型燃机GE9H/Mitsubishi501HGT出力320~340MW透平入口温度1430~1450℃压比21~23效率40%（GT）60%（GTCC）闭式循环蒸汽冷却叶片Since2002播放H级燃机视频 17例题1某燃气轮机装置理想循环，已知工质的质量流量为15kg/s，增压比π=10，燃气轮机入口温度T3=1200K，压气机入口状态为0.1MPa、20℃，假设工质是空气。试求循环的热效率、输出的净功率及燃气轮机排气温度。 18例题1 1912-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 2012-2实际简单循环性能分析 2112-2、实际简单循环性能分析 22燃气轮机装置实际循环(简化处理后)理想过程：1-2，3-4实际过程1-2′：压气机中的不可逆绝热压缩过程实际过程3-4′：燃气轮机中的不可逆绝热膨胀过程 23燃气轮机的相对内效率在第4章已介绍过相关定义（公式4-39）类似于汽轮机相对内效率的定义压气机绝热效率：燃气轮机相对内效率： 24燃气轮机装置实际循环热效率压气机实际耗功：燃气轮机实际作功：燃气轮机装置实际循环热效率： 25带回热的燃气轮机装置循环所谓回热：就是利用燃气透平的高温排气来加热压气机出口的空气回热目的：提高燃气轮机装置效率 26极限回热的情况压缩空气在回热器中被加热到等于燃气轮机的排气温度，即T5=T4；燃气轮机的排气也被冷却到压气机的出口温度，即T6=T2 27回热度的概念回热度：表示在回热器中实际传递的热量与极限情况下传递的热量之比。 28提高燃气轮机装置循环热效率的其他途径燃气轮机装置在回热的基础上多级压缩中间冷却 29提高燃气轮机装置循环热效率的其他途径燃气轮机装置在回热基础上分级膨胀中间再热例题 30例题：燃气轮机实际简单循环，压气机的空气入口温度为290K，压力为0.1MPa，出口温度为489.2K，循环的最高温度为1083K，最高压力为0.5MPa，燃气轮机的相对内效率ηT=0.92。求：（1）在T-s图上画出此循环；（2）压气机的绝热效率；（3）循环的净功；（4）循环的热效率。燃气轮机例题2 31例题：带回热的燃气轮机定压加热实际循环，压气机的空气入口温度为290K，压力为0.1MPa，出口温度为489.2K，循环的最高温度为1083K，最高压力为0.5MPa，燃气轮机的相对内效率ηT=0.92，回热度σ=0.70，空气比热容为定值且绝热指数κ=1.4。求：（16分）（1）在T-s图上画出此循环；（2）压气机的绝热效率；（3）循环的净功；（4）循环的热效率。燃气轮机例题3 3212-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 33燃气-蒸汽联合循环燃气－蒸汽联合循环是以燃气轮机装置作为顶循环，蒸汽动力装置作为底循环，分别有燃气、水蒸气两种工质作功的联合循环。 34关于燃气-蒸汽联合循环燃气-蒸汽联合循环的净发电效率可达50％以上；我国一次能源以煤为主体，燃气轮机受限制；以整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC）为主要研究方向。 35例题：某燃气—蒸汽联合循环装置，如图所示，其由顶层的燃气轮机循环12341和底层的蒸汽动力循环cabc组成，其中燃气轮机循环排气过程4-5放出的热量Q45通过余热锅炉由蒸汽动力循环吸热过程c-a所吸收利用。已知联合循环的总功率为60000kW，空气进入压气机的压力p1=0.1MPa，温度T1=290K，压气机的增压比，燃气轮机废气离开余热锅炉的温度T5=420K，燃气轮机透平入口温度T3=1500K；水蒸气离开余热锅炉时的温度ta=400℃，pa=5MPa，凝汽器中乏汽pb=0.01MPa。燃气轮机循环的工质可看作空气cp＝1.004kJ/(kgK)，蒸汽动力循环的水泵耗功不计，求：1）空气的流量（kg/s）及水蒸汽的流量（kg/s）；2）蒸汽动力循环中汽轮机的功率（kW）；3）联合循环的总效率（定义为联合循环的总体收益除以循环的代价）。燃气-蒸汽联合循环例题 3612-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 37整体煤气化联合循环由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备(包括硫的回收装置)。第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。 38IGCC系统构成煤气化子系统（气化炉、净化单元以及空分单元）煤气净化空分气化燃料水氧气燃气轮机余热锅炉汽轮机排烟燃气电电主要由两部分构成：联合循环子系统（燃气轮机、余热锅炉、汽轮机） 39整体煤气化联合循环系统图1气化炉；2净化系统；3压气机；4燃烧室；5透平；6空分装置；7空气压缩机；8氧气压缩机；9氮气压缩机；10氮气饱和器；11余热锅炉；12蒸汽轮机 40整体煤气化联合循环优点（1）高效率，IGCC的净效率能达到50%或更高。（2）煤洁净转化与非直接燃煤技术使它有极好的环保性能。（3）耗水量少，比常规汽轮机电站少30%-50%。（4）易大型化，单机功率可达到300-600MW以上。（5）能够利用多种先进技术使之不断完善。（6）能充分综合利用煤炭资源，适用煤种广，能和煤化工结合成多联产系统，能同时生产电、热、燃料气和化工产品。 41IGCC系统关键技术——燃气轮机1GE公司9F重型燃气轮机结构图透平初温1327℃单机功率280MW燃机效率38％联合循环效率55～58％目前国际上燃气轮机发展迅猛、正不断向大容量、高性能发展发电用燃气轮机的透平初温已达1300～1400℃单机功率达到300MW，联合循环功率达到500～800MW单机效率已达38％，联合循环效率可达58～60％ 42IGCC系统关键技术——燃气轮机2GE公司9F重型燃气轮机实物图 43IGCC发展现状——典型IGCC系统实景1美国TempaIGCC电站全景图 4412-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 45活塞式内燃机简介分类：按燃料：煤气机、汽油机、柴油机按点火方式：点燃式、压燃式按冲程：二冲程、四冲程 4646活塞式内燃机循环特点：开式循环(opencycle)；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化。 47活塞式柴油内燃机工作原理吸气冲程0-1：进气阀开启，活塞自左向右移动，将燃料和空气的混合物经进气阀吸入气缸中，达到下死点1后，进气阀关闭。压缩冲程1-2：活塞到达下死点1时，进气阀关闭；活塞上行，压缩空气。工作冲程2-5：2-3柴油迅速燃烧，活塞在上死点移动甚微，近似定容燃烧;3-4活塞下行，继续喷油、燃烧、近似定压膨胀;4-5燃气膨胀作功，压力、温度下降。排气冲程5-0：排气阀打开，同时，活塞自右向左移动，将废气排出气缸外。 48活塞式内燃机理想混合加热循环（柴油内燃机理想循环、萨巴德循环）特性参数：压缩比定容增压比定压预胀比表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。表示定容加热过程工质压力升高的程度。表示定压加热时工质体积膨胀的程度。1-2：等熵压缩；2-2′：定容吸热；2´-3：定压吸热；3-4等熵膨胀；4-1定容放热 49活塞式内燃机混合加热循环(萨巴德循环)热效率单位质量工质的吸热量：单位质量工质的放热量：循环热效率：1-2：等熵压缩；2-2′：定容吸热；2´-3：定压吸热；3-4等熵膨胀；4-1定容放热 50活塞式内燃机理想定容加热循环（汽油内燃机机理想循环、奥托循环）汽油机和煤气机的理想循环定压预胀比：44 51活塞式内燃机理想定容加热循环热效率单位质量工质的吸热量：单位质量工质的放热量：循环热效率：4称为内燃机的压缩比则得到：又有：定义： 52活塞式内燃机理想定压加热循环（狄塞尔循环）早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。定容升压比： 53活塞式柴油内燃机原理 54活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较①压缩比相同、放热量相同定容加热混合加热定压加热(奥托)(萨巴德)(狄赛尔)汽油机现代柴油机原始柴油机 55②最高压力相同、最高温度相同定压加热混合加热定容加热(狄赛尔)(萨巴德)(奥托)原始柴油机现代柴油机汽油机活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 5612-6分布式能源系统12-5活塞式内燃机循环12-4整体煤气化联合循环（IGCC）12-3燃气-蒸汽联合循环12-1燃气轮机装置理想循环12-2燃气轮机装置实际循环第12章气体动力装置循环 57分布式能源系统区别于传统的集中式大型电力系统，分布式能源系统是指位于或临近负荷中心，不以大规模、远距离输送电力为主要目的的发电系统、热电联产、冷热电联供、多联产及多功能动力系统。 58分布式能源系统示例以中小型燃气轮机为原动机的三联产分布式能量系统示意图 59分布式能源系统示例以微型燃气轮机为核心的冷热、电系统设计方案示意图 60分布式能源系统原动机燃油（或气）内燃机工业中小型燃气轮机微型燃气轮机燃料电池风力发电太阳能光伏发电系统 61课后思考题提高热机循环热效率的基本途径是什么？为此可采取什么基本措施？对于压气机而言，定温压缩优于定熵压缩，那么，在燃气轮机装置循环中，是否也应采用定温压缩？画T－s图分析。燃气轮机用于动力循环有何优点？ 62例题：燃气轮机实际简单循环，压气机的空气入口温度为290K，压力为0.1MPa，出口温度为489.2K，循环的最高温度为1083K，最高压力为0.5MPa，燃气轮机的相对内效率ηT=0.92。求：（1）在T-s图上画出此循环；（2）压气机的绝热效率；（3）循环的净功；（4）循环的热效率。燃气轮机例题2 63燃气轮机例题2(1) 64燃气轮机例题2