某型燃气轮机改回热循环总体性能分析
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摘要:本文论述了某型100kW微型燃机改回热循环后总体性能的设计方法,并对结算结果进行了分析。
关键词:100kW微型燃机 回热循环 总体性能 共同工作曲线
前言:众所周知回热循环是有效提高燃气轮机热效率的方法之一。某型100kW燃气轮机为简单循环,热效率只有11%。如此之低的热效率是根本没有市场前途的,课题组决定将该燃气轮机由简单循环改型为回热循环,以提高热效率。
1.燃气轮机热力计算方法
燃气轮机的压缩和膨胀过程都是绝热过程,在等熵绝热过程的状态变化中,需要知道温度与压力的相互关系。根据熵的定义
当工质由等熵绝热过程从状态1到状态2时,对上式积分便得
(1)
由(1)式可见,式中积分项 的值只与过程始末温度有关,因此可以定义 (2)
式中函数Φ是工质的状态参数,是温度的单值函数。由式(1)和式(2)可得: (3)
式中π= ,为状态1到状态2过程的压比。为便于计算,将自然对数改为普通对数:
(4)
令 ,称为熵函数,代入上式便得到关系式:
(5)
(3)式和(5)式便是变比热法中等熵绝热过程的基本方程。
已有相应的空气和燃气热力性质表,用来求不同温度下空气的cp、焓H和Ψ函数值。若已知等熵绝热过程的压比π和初始状态的温度,即可由气体热力性质表和等熵绝热过程基本方程式(5)求得末状态的温度。
对于燃气参数的计算,采用下述修正公式:
(6) (7)(8) 式中下角标t表示该参数为温度T的函数;f为油气比;θcp,t,θh,t,θΨ,t为修正系数,它们是温度T的函数,可以从热力性质表中查出。
由能量守恒定律,很容易列出燃烧室能量平衡关系式:
由油气比定义 ,上式便为(9)
并得(10)
2.设计工况下各截面性能参数计算结果
表1中列出了改进后微型燃气轮机设计点热力计算基本参数,计算选取地面条件,环境状态为标准大气条件。表2中列出了计算结果。
表1 微型燃气轮机主要性能指标表2 微型燃气轮机主要性能指标计算结果
进口换算燃气轮机流量(kg/s) 1.42
进气道压损(mmH20) 70
压气机压比 3.18
压气机效率 0.725
燃烧室出口温度(K) 1050
燃烧室总压恢复系数 0.96
涡轮效率 0.857
涡轮排气压损(mmH2o) 100
发电机效率 0.917
结束语:
1)某型微型燃机如果只增加回热器,涡轮入口温度保持1050k不变的话,微型燃气轮机机组净发电功率计算值只能达到为81.6kW。原因是增加回热器后增加了空气流道和燃气流道的流阻损失,使涡轮入口压力下降,涡轮出口压力升高,于是涡轮膨胀比降低,涡轮输出功功率下降;
2)微型燃气轮机发电效率设计计算值达到18.8%,而目前国外的微型燃气轮机发电效率为26%~28.5%,因此该型燃机增加回热器后虽整机效率显著提高,但与国外同类产品还有很大差距,要想缩小这个差距必需对压气机和涡轮进行改进,需重新匹配;
3)如果适当提高涡轮入口温度可提高微型燃气轮机的发电功率,要想达到100kW额定功率涡轮入口温度要提高到约1116k。
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