工程热力学 第十二章 气体动力装置循环

❖以整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC） 为主要研究方向。
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第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
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整体煤气化联合循环
❖ 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。
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活塞式内燃机理想混合加热循环（萨巴德循环）
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
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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。
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。
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第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
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活塞式内燃机简介
燃气轮机装置实际循环热效率：
t
w/ net
q1
wT/ wC/ h3 h2/
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带回热的燃气轮机装置循环
回热目的：提高燃气轮机装置效率
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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。 极限回热时循环的吸热量和放热量分别为：
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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
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第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
12-6 分布式能源系统
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燃气轮机装置
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燃气轮机定压加热理想循环分析
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。
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燃气轮机装置理想循环的四个过程
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）。
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燃气轮机装置定压加热理想循环
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燃气轮机装置理想循环热效率
循环中工质的吸热量为：
q1cpT3T2
工质对外界放出的热量为：
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活塞式内燃机理想混合加热循环热效率
单位质量工质的吸热量：
q 1cvT 2T 2cpT 3T 2
单位质量工质的放热量：
q2cvT4T1
循环热效率：
t
wnet q1
q1q2 q1
1q2 q1
1
T4 T1
T2 T2 T3 T2
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活塞式内燃机理想定容加热循环（奥托循环）
定压预胀比： 1 汽油机和煤气机的理想循环
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燃气轮机的相对内效率
ri实 定 际 熵 膨 膨 胀 胀 作 作 出 出 的 的 功 功 w w T T / h h 3 3 h h 4 4 /
类似于汽轮机相对内效率的定义
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燃气轮机装置实际循环热效率
燃气轮机实际作功：
w T / h 3 h 4 /ri h 3 h 4
压气机实际耗功：
wC / h2/ h11C,s h2h1
工程热力学 第十二章 气体动力装置 循环
第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
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第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
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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。
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分布式能源系统示例
燃气
燃气轮机
发电机
供电
余热锅炉 备用锅炉
蒸汽
热交换器
供热
溴化锂制冷机
q 1 回 c p T 3 T 5 q 2 回 c p T 6 T 1
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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。
h7h2h7h2T7T2
h5h2 h4h2 T4T2
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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
❖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。
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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
❖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？
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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。
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燃气-蒸汽联合循环热效率
t 1Q Q12 1QbcQ 23Q51
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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；
q2cpT4T1
循环的热效率为：
t
1q2 q1
1T4 T1 T3T2
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燃气轮机装置理想循环热效率
根据 而
k 1
T2 T1
p2 p1
k
p2 p3 p1 p4
k 1
T3 T4
p3 p4
k
p 2 p1 称为燃气轮机的循环增压比
则燃气轮机热效率可表示为： t 1
1
k 1
k
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第12章 气体动力装置循环
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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
供冷
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
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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
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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
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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？
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
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燃气轮机装置实际循环
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
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活塞式内燃机理想定容加热循环（狄塞尔循环）
定容升压比： 1 早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。
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第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
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
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活塞式柴油内燃机理想循环
特性参数：
压缩比
v1 v2
表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。
定容增压比 p 3 p2
表示定容加热过程工质压力升高的程度。
定压预胀比 v 4 v3
表示定压加热时工质体积膨胀的程度。