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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。
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。


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