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
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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。

在简单循环中，透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。

在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。

二、热力循环分类
按不同热力循环区分燃机类型，是由于任何热机都必须借助一定的媒介物质（工质），经历一系类热力过程，才能实现热转功的循环而对外。

按照循环工质流动与组织方式的不同，燃气轮机会在性能、总体布局及结构上有很大差异。

为了提高燃机性能（热效率和比功），除了一般简单循环外，探索和采用很多种热力循环方式。

详细的热力循环类型如图2。

图2
三、性能指标
(1)燃机的热效率，是装置输出功与输入的燃料比能之比，即燃机的净能量输出
与按燃料的净比能（低热值）计算的燃料输入之比
式中：：燃机的比功，kW；：每秒每千克空气流量消耗的燃料所具有的热能；
：燃料空气比，即燃料流量与空气流量之比；
：燃料净比能（燃料低热值）；
：燃料消耗率，即单位输出功每小时的燃料消耗量，。

实际上，针对所指系统范围的不同，燃机热效率有三种定义，三者分母都是外界给工质的热量Q=q mf H u，而分子（输出功）是扣除不同的耗功损失后的输出功。

a．循环效率x中的输出功就是当工质完成一个循环时，将外界给工质的热量全部转化为机械功，没有考虑其他损失。

b．装置效率考虑了机械效率m，因此
c．机组有效效率e。

还考虑了所驱动的负载效率，如发电机效率G，则
装置的热效率越高，热耗率就越低，发出相同的功率所需消耗的燃料就越少，因此热效率是表征燃机的经济性，也是衡量装置能源利用率高低的热力性能指标
(2)燃机的比功比功是单位质量工质所做的功，也就是燃机净输出功率与压气机进气质量流量的比值，即
如果忽略压力、透平中流量的差别及机械损失，则装置的比功近似等于透平比功与压气机比功之差
装置比功越大，发出相同功率所需工质流量越少，装置尺寸越小，因此比功是从热力性能方面衡量燃机尺寸大小的一个指标。

四、改善热力循环措施
在燃气轮机上采用先进的热力循环，充分利用余热能，是不断提高燃气轮机性能的一个着力点，如果采用复杂循环、联合循环，燃机的热效率和比功有大幅度提高。

(1)回热循环它是利用余热提高机组热效率的一个途径。

一般是在简单循环基础上增加一个换热器。

它可以利用涡轮排出的废气对进入燃烧室的高压空气预热（可增加温度200℃以上），预热后的高压空气进入燃烧室参加燃烧，如图3所示。

这样在保持相同涡轮进口条件下可以减少燃料消耗量，增加热效率150%~200%。

对于高增压比、高燃气温度的燃机效果更好。

在航空用涡轮轴发动机上，早已开始探索采
用回热循环。

至今，美国在中小发动机发展计划中已采用回热循环，作为发展高性能发动机的关键措施。

有、无回热循环的涡轴发动机降低耗油率的效果如图2-14所示。

由图可见，先进工艺和高的回热度效果更好。

(2)再热循环它是通过增大涡轮膨胀功，提高燃机的比功。

一般是在高、低压涡轮之间增加一个燃烧室，对从高压涡轮流出的燃气再次供油燃烧，然后燃气进入低压涡轮，因此称为再热循环（又称中间再热循环），如图2-17所示。

实际的再热循环比功和效率比简单循环的高多了，最佳增压比也增大了，如图2-18所示。

实际的再热循环性能如图2-18所示，可以看出再热循环的比功比简单循环大得多，最佳增压比也增大了。

由于再热循环需要从外界吸入更多的热量，它与比功增高的得益不能相平衡，只有在增压比较高的情况下，采用再热循
环方案才有可能使循环效率有所提高。

(3)中冷循环(ICR)它是通过减小压气机
的压缩功来增大燃机的比功。

一般是将燃机的压
气机分成高、低压两个部分，在其间增设一个中
间冷却器，利用水或其他介质对从低压压气机中
流出的空气进行冷却，然后送入高压压气机而组
成中间冷却循环（或称间冷循环），如图2-19
所示。

间冷循环之所以能增大燃机比功，从压气
机等熵压缩计算式
可以看出，压气机进口空气温度越低，压气机所
需的压缩功越小。

一般在简单循环中，压气机要消耗
涡轮膨胀功的2/3左右，间冷循环节省了压气机的
压缩功，则必然增大燃机循环净功输出。

间冷循环与
简单循环比较，比功增加，热效率明显提高，如图2
-20所示。

(4)蒸汽回注循环由于该种循环方案是美籍华
人程大猷于1974年提出的，因此又称程氏循环。

该
种循环方案是利用燃气对换热器内经过水质处理的水加热，使其成为过热蒸汽，从不同部位
（从燃烧室至涡轮前某处）注入
一定量蒸汽，与压气机供入空气
一起加热到涡轮进口温度，再一
同经涡轮膨胀做功，如图2-21
所示。

由于燃机中同时有燃气蒸
汽两种工质在作功，因此又称为
双工质循环。

又由于该循环将燃
气循环和蒸汽循环耦合在一起，
所以也可归类于燃气—蒸汽联
合循环。

该种循环有效地回收排气中的能量，将排气温度降低，因而高温段和低温段的能量都得到较好的利用，使燃机具有效率高、比功大的特点；另外省去了汽轮机及相应附属系统和设备，降低了生产成本；还因为蒸汽喷入燃烧室有利于降低火焰温度，可以减少排气中N0x排放量；其最大优点是能很好地协调机组
发电量和产生蒸汽的矛盾。

(5)热电并供（或联产）循环该种循环方式
在设备配备上与前一种方式类似，也是在简单
循环基础上加配一台余热锅炉，但是余热锅炉
产生的蒸汽是供给化工、炼油、食品、纺织和
冶金等工业部门，满足其需要的中、低压用气。

另外燃机还可驱动发电机供电，因此称为热电
并供，或热电联产，如图2-23所示。

采用该
循环方式的燃机机组结构简单，且投资少、见
效快，颇受欢迎，得到了较大发展。

国外已有
大批机组供应，我国也引进了一些，如LM2500、OT21005等型号
(6)燃气一蒸汽联合循环该种循环方式是巧妙地将采用不同循环原理的燃气轮机和
汽轮机结合起来的典范。

燃气轮机的燃气初温可达1400℃左右，排气温度也很高，一
般为450~600C，大量余热排人大气，其效率仅为35%~40%。

恰好汽轮机受设备材
料限制，蒸汽初温仅为550ctC左右，排气温度可接近大气温度。

将二者通过余热锅炉
串联起来，即组成燃气—蒸汽联合循环，如图2-24所示。

这种联合循环是两种热机的
扬长避短的组合，当燃机的T4很高时，其热效率已超过50%。

采用此种循环的大、中
功率的轻、重型机组是目前及今后大型电站的主要设备。

参考文献：
[1]李孝堂侯凌云杨敏侯晓春尚守堂.现代燃气轮机技术[M].Ⅳ.北京:航空工业出版社,2006:1-36.
[2]百度百科。