《分布式能源》 課件 4.1燃氣輪機-5個知識點

動力系統(tǒng)及主要部件動力系統(tǒng)燃氣輪機內燃機燃料電池斯特林機不同動力技術比較教學目標：熟悉燃氣輪機構造；掌握燃氣輪機的工作原理；掌握燃氣輪機熱力循環(huán)原理；問題引入：什么是燃氣輪機？什么是燃氣輪機？燃氣輪機（GasTurbine）是一種以連續(xù)流動的氣體（空氣和燃氣）作為工質、把熱能轉換為機械功的旋轉式動力機械。特點：這種簡單循環(huán)方案，結構簡單，而且最能體現(xiàn)出燃氣輪機所特有的體積小、起動快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點。燃氣輪機裝置中的工質在不同設備間流動，完成循環(huán)。內部構成：工作原理：工作過程：壓氣機從外界大氣環(huán)境吸入空氣，并經過軸流式壓氣機逐級壓縮使之增壓，同時空氣溫度也相應提高；壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃氣/煙氣；然后再進入到透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機和外負荷轉子一起高速旋轉，實現(xiàn)了氣體或液體燃料的化學能部分轉化為機械功，并輸出電功。從透平中排出的廢氣排至大氣自然放熱。工作過程通常在燃氣輪機中，壓氣機是由燃氣透平膨脹做功來帶動的，它是透平的負載。

大家知道透平輸出的功有多少是用來驅動壓氣機的嗎？工作過程在簡單循環(huán)中，透平發(fā)出的機械功有1/2~2/3左右用來帶動壓氣機，其余的1/3左右的機械功用來驅動發(fā)電機。

還有一個問題：最開始的階段，透平不做功，壓氣機是如何運行的？工作過程在燃氣輪機起動的時候，首先需要外界動力，一般是起動機帶動壓氣機，直到燃氣透平發(fā)出的機械功大于壓氣機消耗的機械功時，外界起動機脫扣，燃氣輪機才能自身獨立工作。工作原理：壓氣機連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，稱為高溫燃氣/煙氣；煙氣隨即流入燃氣渦輪中膨脹做功，推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫煙氣其做功能力顯著提高，因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止啟動時，需用起動機帶著旋轉，待加速到能獨立運行后，啟動機才脫開。謝謝燃氣輪機的簡單循環(huán)：在空氣和燃氣的主要流程中，只有壓氣機（Compressor）、燃燒室（Combustor）和燃氣透平（Turbine）這三大部件組成的燃氣輪機循環(huán)，通稱為簡單循環(huán)。熱力循環(huán)燃氣輪機運行的整個熱力循環(huán)（以氣體為介質）可以概括為：壓縮——加熱——膨脹——放熱那么，最理想的循環(huán)狀態(tài)應該如何呢？理想熱力循環(huán)燃氣輪機裝置的理想熱力循環(huán)，是由19世紀美國工程師G.B.Brayton所提出，因而得名。布雷頓循環(huán)是由絕熱壓縮過程1-2、定壓加熱過程2-3、絕熱膨脹過程3-4和定壓放熱過程4-1所組成的可逆循環(huán)。同學們試在壓-容(p-V)圖和溫-熵(T-S)圖上表示？熱力循環(huán)其它循環(huán)除了簡單循環(huán)外，還有回熱循環(huán)和復雜循環(huán)。燃氣輪機的工質來自大氣，最后又排至大氣，是開式循環(huán)；此外，還有工質被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合循環(huán)裝置。謝謝燃氣輪機循環(huán)熱效率熱力學分析如何提高燃氣輪機循環(huán)熱效率？先討論，理想狀態(tài)下循環(huán)熱效率的提高方法；再分析，實際狀況下的循環(huán)熱效率提升理想狀態(tài)燃氣輪機循環(huán)熱效率理想狀態(tài)下，循環(huán)熱效率僅跟循環(huán)增壓比（壓縮比）有關，或者說跟絕熱壓縮的終溫和初溫有關。同循環(huán)增溫比沒有關系。效率提高燃氣輪機工作性能影響因素？燃氣初溫和壓氣機的壓縮比提高燃氣初溫，并相應提高壓縮比，可使燃氣輪機性能顯著提高。疑問知識點1：什么是壓縮比？知識點2：同學們知道燃氣初溫一般是多少嗎？解答知識點1：什么是壓縮比？壓縮比表示了氣體的壓縮程度，它是氣體壓縮前的容積與氣體壓縮后的容積之比，即氣缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比。現(xiàn)代汽油機的壓縮比可達8—11。大家想想柴油機的壓縮比比這個數(shù)值高？還是低？解答現(xiàn)代汽油機的壓縮比主要受到爆震的限制。而柴油機沒有爆震的限制，壓縮比一般為12～22，所以這也是為什么我們常說柴油機“力”更大。知識拓展增壓比是什么？?增壓比和壓縮比有沒有什么關系？同學們知道哪些增壓技術？知識拓展增壓比是什么？?對增壓發(fā)動機而言,增壓器排氣出口的壓力與正常進氣時進氣口壓力的比值。知識拓展?增壓比（增壓技術）和壓縮比有沒有什么關系？增壓可以提高缸內的壓力，但是不能改變壓縮比。但是增壓技術的效果與提高發(fā)動機自身壓縮比的效果是異曲同工的，都是通過在壓縮行程時提高空氣與汽油的混合程度，從而提高發(fā)動機性能。所以，有增壓技術的發(fā)動機，在設定壓縮比時，都會比同排量自然吸氣發(fā)動機的壓縮比低。知識拓展同學們知道哪些增壓技術？渦輪增壓（T），機械增壓（K）。在自然吸氣發(fā)動機的基礎之上增設。解答知識點2：燃氣初溫一般是多少？上世紀

70年代末，壓縮比最高達到31；工業(yè)和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200℃左右，航空燃氣輪機的超過1350℃。燃氣初溫是提高燃機輪機性能的關鍵所在，若要在這點上有所突破，有兩點最關鍵。理想狀態(tài)燃氣輪機循環(huán)凈功有時我們除了想要高的熱效率，還想得到單位工質在循環(huán)中產生的凈功。理想狀態(tài)下，循環(huán)凈功除了跟循環(huán)壓縮比有關外，還有循環(huán)增溫比有密切關系。值得注意的是：凈功并不是完全隨著增壓比的增大而增大的。要想得到最高的凈功，我們有一個最佳增壓比的概念。解答燃氣初溫透平葉片的冷卻耐高溫的材料高溫陶瓷材料Si3N4SiC1360℃謝謝燃氣輪機實際循環(huán)循環(huán)增溫比越大，實際循環(huán)熱效率越高。保持循環(huán)增溫比不變，隨循環(huán)增壓比的增加，熱效率有一個極大值。增加增溫比，熱效率和增壓比也提高。減小壓氣機壓縮過程和透平膨脹過程的不可逆性。所以，循環(huán)特性參數(shù)中，循環(huán)最高溫度最為關鍵。燃氣輪機實際循環(huán)效率提升措施在不改變參數(shù)的基礎上，我們是否還有提升效率的措施？有！回熱在回熱的基礎上分級壓縮、中間冷卻在回熱的基礎上分級膨脹、中間再熱熱力循環(huán)提升措施說明若在回熱的基礎上，分級膨脹和壓縮無數(shù)次，該循環(huán)衍變成了什么呢？但必須指出的是，這一切理論分析是建立在引入回熱的基礎上，如果不采用回熱，僅僅采用分級，整體的熱效率不僅不會升高，反而降低。燃氣輪機工況深入了解燃油燃燒產生的燃氣溫度通?？筛哌_1800~2300K，這時二次冷卻空氣（約占總空氣量的60%~80%）經通道壁面滲入與高溫燃氣混合，使混合氣體降低到適當?shù)臏囟龋筮M入透平。在透平中，混合氣先在靜葉片組成的噴管中膨脹，把熱能轉變?yōu)閯幽埽纬筛咚贇饬?，然后沖入固定在轉子上的動葉片組成的通道，形成推力推動葉片，使轉子轉動而輸出機械功。燃氣輪機特點一種旋轉式熱力發(fā)動機。沒有往復運動部件以及由此引起的不平衡慣性力，故可以設計成很高的轉速。工作過程都是連續(xù)的?？梢栽谥亓亢统叽缍己苄〉那闆r下發(fā)出很大的功率。燃氣輪機應用燃氣輪機與冷熱電聯(lián)產謝謝微型燃氣輪機微燃機（Microturbine）是近些年（20世紀90年代）開發(fā)出來的，在美國首次用在汽車上，其組成為：壓氣機、燃燒室、透平和發(fā)電機。國際上通常將功率范圍在25~300kW之間的燃氣輪機稱為微型燃氣輪機。微型燃氣輪機構造特點采用徑流式葉輪機械（向心式的透平和離心式壓氣機，在轉子上兩者葉輪為背靠背結構）。通常采用高效板翅式回熱器，有些還采用空氣軸承，不需要潤滑油系統(tǒng)。體積非常小、無污染、無噪聲，與發(fā)電機同為一體，便于搬運和安裝，能提供優(yōu)質的冷熱電能源。微燃機性能同大型汽輪機相比，微燃機工作時的壓縮比要低。以天然氣、汽油、柴油等為燃料，單獨發(fā)電效率雖難以超過30%，但產生的余熱容易利用。一般，帶有回熱、變頻、高速電動機等設施的微燃機效率可達25%~30%；排煙溫度在200~300℃；系統(tǒng)的能源利用效率達70%~90%，且排放很小。微燃機競爭優(yōu)勢簡單的徑向設計構造，緊湊減振，成本較低。與透平同軸的高速交流發(fā)電機，進一步降低體積。高效的回流換熱器提高整體效率。智能的功率逆變控制器。解決為用戶電力輸出、自動控制等一系列問題。微燃機的未來高效率。（目標是40%）環(huán)保。（NOx<7×10-6）耐用。（11000h）經濟型。（along,longwaytogo）適應多種燃料。靈活