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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