燃气_蒸汽联合循环发电装置的热力特性及燃气轮机热经济性分析
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P
* 1
、T
* 5
、
* 1
分别为进气温度变化前、后的空气压力、空气温度及
空气密度。
从式( 11) 可见,
当进气温 度下降至
T
* 1
后, 空
气密 度
1,
亦增加 (
T 5/
T
* 5
) 倍,
即
* 1
=
( T 5/
T
* 5
) 。显然空气密度上升,
机组进气量 增加,
其功
率也相应得到提高。
( 2) 由热力学可知, 气体温度愈低, 其分子的运
的氧化锆隔热涂层; 试用陶瓷与金属混合( 45% Al、
45% A l2O3 ZrO2 和 10% ZrO2) 的隔热涂层。此类隔 热涂 层将 使 受 热部 件 母 体金 属 温 度 降低 440 ~
560 ! / m m。
( 3) 开发先进的冷却技术。燃气轮机高温部件
在改进材料的同时, 又在不断开发先进的冷却技术,
3. 2 降低压气机入口空气温度
燃气轮机压气机的入口空气温度( 大气环境温
度) T 5 越低, 燃气轮机的效率越高。这是因为: ( 1) 当入口空气温度下降时, 气体密度上升, 增
加了机组进气量, 燃气轮机的输出功率亦随之提高。
由理想气体状态方程式( 9) :
P1 1T 5
=
P
* 1
* 1
T
* 5
( 9)
GT = G
m
e
( 8)
3 提高燃气轮机热效率的途径[ 2~ 4]
分析燃气轮机热力循环和热效率式( 7) 可知, 提 高燃气轮机燃烧室出口温度( 亦即燃气轮机进气温 度) T 3、降低大气环境温度( 亦即压气机进入空气温 度) T 5 及其配套设备的装置效率等, 是改善和提高 燃气轮机效率的有效途径。 3. 1 提高燃气轮机进气温度
提高燃气轮机进气温度, 对增加机组热效率及 比输出功的效果是很明显的, 但受到金属材料条件 的限制。目前比较普遍采用的措施是:
( 1) 寻求和改进耐高温、抗张和耐腐蚀的材料。 发展燃气轮机材料, 主要解决两个问题, 即高温强度 和抗燃气腐蚀。经过多年研究探索, 目前已广泛采 用合金钢、非铁合金、硬质碳化物、磁质材料、陶瓷材 料等。早在上世纪 80 年代初, 我国北京钢铁研究院 等科研单位就研制出 800 ! ~ 850 ! 无钽的抗热腐 蚀铸造镍合金; 近年已连续运行的机械用合金钢耐 温可达 800 ! ~ 900 ! 。据资料介绍, 第三代单晶高
燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机, 三者的效率有着相互依存的关系, 其中燃气轮机效率对其影响最
大。这里仅就燃气轮机热力特性及其热经济性进行分析。
关键词: 燃气 蒸汽联合循环; 燃气轮机; 热力特性; 分析
中图分类号: T K 472
文献标识码: B
文章编号: 1005 7439( 2003) 03 01Hale Waihona Puke 0 03式中 T 4 T5
燃气轮机排气热力学温度, K 大气环境热力学温度, K
此时, 单循环燃气轮机效率 G 为:
G=
Q1- Q 2 Q1
( 6)
经整理后得:
G=
1-
T4- T6 T5- T2
( 7)
设燃气轮机传动装置部分的机械效率为 m、发
电机效率为 e, 则单循燃气轮机的实际效率( 净效
率) GT 为:
Q d 燃气轮机排气所带走的热量
Q h 燃气轮机对外泄露的空气所带 走的
热量
徐 明: 燃气 蒸汽联合循环发电装置的热力特性及燃气轮机热经济性分析
Q c 各种散热损失, 如燃气透平的冷却空 气经空冷器冷却而对外散失的热量等
从工程计算的实用性出发, 可忽略一些较小的
热损失, 即令 Q h = 0, Q c= 0, 且用介质温度来表征 燃气轮机热效率, 此时燃气轮机获得的热量 Q 1 为:
Wc = Wa- Wb
( 13)
( 3) 所以, 气温下降时, 压气机比功减少, 燃气
轮机输出比功( 出力) 增加, 效率提高。试验结果表
明, 压气机进气温度每降低 1 ! , 燃气轮机输出功率
可增加约 1% , 燃气轮机效率可提高约 0. 5% 。 虽然环境空气 的温度受天气 限制和地区的影
响, 但可以通过加装进气冷却装置等手段来降低进
燃气 蒸汽联合循环发电装置, 以其高效、低耗、 环境污染小、启动快、调峰性能好、投资省、建设周期 短, 以及适合老电厂的扩容改造等优点, 而受到广泛 重视和快速发展。
1 燃气 蒸汽联合循环发电装置热力特性[ 1]
从热力学基本定律可知, 热力循环的理想热效
率 t , 只取决于循环的吸热平均温 T 1 和放热平均 温度 T 2, 即:
经过多年努力, 现在压气机的相对内效率已达
到 85% ~ 92% , 再有少量提高仍有可能, 但提高幅 度有限。 3. 4 改善燃气轮机通流部分热力性能
改进喷咀和动叶栅设计。如透平通流部分采用 完善的三元流动设计、采用机翼及叶栅数据进行设 计等, 使其透平相对内效率达到 90% ~ 94% 是有可 能实现的。 3. 5 采用回热方式
气温度, 如喷水冷却, 采用∀ 空气 水冷# 前置式热交 换器, 人工制冷技术( 蒸发冷却器、溴化锂制冷、氨吸
收式制冷、氨基机械压缩式制冷等) 。
3. 3 提高压气机效率
燃气轮机的另一个特点是, 约 2/ 3 的燃气透平 所产生的功率消耗于压气机, 且环境温度越高, 消耗
于压气机的功率就越大。因而改善和提高压气机的
轮机循环有一个明显的提高, 其表达式为:
tp = GT + ( 1- GT ) HR ST
( 2)
式中 tp
余热锅炉燃气 蒸汽联合循环实际热 效率
1 00
GT 燃气轮机循环实际效率 HR 余热锅炉效率 ST 蒸汽循环实际效率 式( 2) 表明: ( 1- GT ) H R ST 为 利用燃气轮 机排气废热作为蒸汽轮机循环的加热热源后, 使整 个联合循环所提高的效率; 而且随着燃气轮机效率 的提高, 联合循环总热效率也得到提高。因此, 要尽 可能选用高效率的燃气轮机设备及在运行中改善燃 气轮机循环的热经济性。
温合金材料( XM SX 10) , 工作温度可达 1204 ! ; 目
前日本亦正在开发 1700 ! 采用陶瓷及 陶瓷基复合
材料( Si3N 4、SiC 等) 的燃气轮机。 ( 2) 采用导热系数低的热障涂层。金属材料的
进步还表现在涂层的应用上。在燃气轮机工作叶片
表面喷涂热障涂层, 不仅大减少由燃气传给叶片材
Analysis of the Thermodynamic Featurs of Gas steam Combined Cycle Generating Unit and the Thermodynamic Economy of Gas Turbine
XU Ming ( Hubei Wuchang Cogeneratce Plant, Wuhan Hubei 430062, China)
( 2) 采用耐高温材料和寻求最佳冷却方式来增 加燃气轮机进气温度, 应用人工制冷等技术, 以降低 燃气轮机压气机入口空气温度, 是提高燃气轮机效 率的有效方法。现在燃气轮机进气温度一般水平已 超过 1100 ! , 有些已投入商业运行的机组, 燃气进 气温度达到 1288 ! , 甚至高达 1430 ! , 其燃气轮机 单循环热效率已提高到 36% 以上, 甚者接近 40% 。
动速度也愈低, 达到同样的压比所需压缩功也愈小。
在等熵压缩时, 压气机比功与气体初温成正比:
W b = c p T 1( ( k- 1)/ k - 1)
( 12)
式中 Wb cp
压力机比功 空气定压比热容
T 1 大气温度( 初温)
比压
k 空气绝热指数
我们知道, 燃气轮机输出比功( 单位质量工质所
作的功) W c 为燃气轮机比功 W a 减去压气机比功 W b, 即:
料的热量, 使其金属表面温度下降 100 ! 左右( 亦使
透平前燃气进口温度提高相同值) ; 而且由于涂层减
轻了腐蚀和氧化, 使叶片工作寿命增长 10 多倍。
早期的涂层材料有铂铝( P t Al) 等, 后来又发展
等离子保护 GT 29, GT 29IN PL UST M。隔热涂层 还在进一步发展和试验之中, 如试用氧化钇或稳定
( 3) 随着燃气 蒸汽联合 发电装置的快速 发展 和广泛应用, 燃气轮机技术将日趋成熟和完善, 高性 能、250M W 以上大容量的燃气轮机将不断问世, 燃 气轮机工业水平将成 为一个国家工业先进程 度的 标志。
参考文献:
[ 1] 钟史明. 燃气 蒸汽联合循环 发电[ M ] . 北 京: 水 利电力 出版社, 1995.
t=
1-
T2 T1
( 1)
由此可以看出, 提高吸热平均温度或降低放热
平均温度, 都可以提高装置的循环热效率。燃气 蒸
汽联合循环, 就是将具有较高吸热平均温度的燃气 轮机与具有较低放热平均温度的 蒸汽轮机结合起
来, 使燃气轮机的排气废热成为蒸汽轮机循环的加
热热源, 达到扬长避短、相互弥补的目的, 使整个联 合循环热能利用水平较单独的燃气轮机循环或蒸汽
利用燃气轮机排气( 乏气) 与压缩后气体的温度 差, 使乏气中的部分热能回到压缩后的气体而使温 度升高, 可节省一部分燃料, 因此也增加工厂机组效 率。此外, 回热与中间冷却、再热联合运用, 其热效 率将进一步提高。
4 结束语
( 1) 燃气 蒸汽联合发电装置, 是一种能源综合 利用技术, 其热能利用水平较燃气轮机循环或蒸汽 轮机热力循环都有明显的提高, 其装置净效率已提 高到 58% ~ 60% 。联合循环系统中的燃气轮机、余 热锅炉、蒸汽轮机的热力性能都将影响联合循环整 体热经济性, 其中 燃气轮机效率对 其影响最大, 因 此, 设法改善和提高燃气轮机效率具有重要意义。
