工程热力学-7动力循环.doc

7 动力循环（Power Cycles）热能向机械能转换需要通过工质的循环，理想的循环是卡诺循环，但卡诺循环并不实用，其中的等温过程就难以实现。利用相变过程固然可以实现等温过程，但在吸热温度、压力方面却不遂人愿，所以实际循环与卡诺循环的差异比较大。但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有，实际循环与卡诺循环一样，也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成，其中吸热常常伴随燃料燃烧放热。为了提高动力循环的能量转换的经济性，必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析，以寻求提高经济性的方向及途径。实际动力循环都是不可逆的，为提高循环的热经济性而采取的各种措施又使循环变得非常复杂。为使分析简化，突出热功转换的主要过程，一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环，分析该理论循环，找出影响其循环热效率的主要因素和提高热效率的可逆措施；然后分析实际循环与理论循环的偏离之处和偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。本课程主要关心循环中的能量转换关系，减少实际损失是具体设备课程的任务，因此我们主要论及前者。7.1 内燃动力循环 内燃机的燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备气缸活塞装置中进行的，结构紧凑。由于燃烧是在作功设备内进行的，所以称为内燃机。1气缸盖和气缸体；2活塞；3连杆；4水泵；5飞轮；6曲轴；7润滑油管；8油底壳；9润滑油泵；10化油器；11进气管；12进气门；13排气门；14火花塞图7-1 单缸四冲程内燃机结构汽车最常用的动力机是内燃机，但是随着技术的进步、环境保护标准的提高与石油天然气资源紧缺，使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池的电动汽车已经呼之欲出。目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机。内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点，广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域。它是仿照蒸汽机的结构发明的，最初使用煤气作为燃料。随着石油工业的发展，内燃机获得了更合适的燃料汽油和柴油。德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用的点燃式四冲程内燃机，狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机。20世纪30年代出现的增压技术，使内燃机性能得到大幅度提高。目前内燃机在经济性能（主要指燃料和润滑油消耗）、动力性能（主要指功率、转矩、转速）、运转性能（主要指冷起动性能、噪声和排气质量）和耐久可靠性能等方面均有了长足的进步。7.1.1 四冲程内燃机的工作原理四冲程（行程）内燃机是指由进气、压缩、作功和排气等四个冲程组成一个工作循环的往复式内燃发动机，其工作原理如图7-2所示。1） 进气冲程 这是内燃机工作循环的第一个冲程。开始时进气门打开，曲轴旋转180，活塞由上止点运动到下止点，新鲜空气被吸入气缸。2） 压缩冲程 进、排气门全部关闭，气缸形成封闭系统，曲轴旋转180，活塞由下止点运动到上止点，将气缸内的充量压缩。3） 作功（膨胀）冲程 气缸内高温、高压气体膨胀作功，推动活塞由上止点运动到下止点，曲轴旋转180，对外作功。4） 排气冲程 膨胀冲程结束后，排气门打开，曲轴旋转180，推动活塞由下止点运动到上止点，将燃烧后的废气经排气门排出气缸。四冲程内燃机经历上述工作循环，曲轴共旋转720。四个冲程中仅有作功冲程是活塞对外作功，其他三个冲程都需要外界驱动活塞运动。四冲程柴油机和汽油机的工作过程都包括上述四个冲程，两者在工作原理上的区别是：柴油机压缩的是单一气体（空气），当活塞到达上止点附近时，缸内空气的压力温度很高，适时地喷入柴油，在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧，所以称为压燃式内燃机；汽油机则是在气缸外形成可燃混合气，然后充入气缸，压缩终了时靠火花塞打火点燃（其压缩终了时压力温度比压燃式内燃机低得多），所以称为点燃式内燃机 由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混合物，受混合气体自燃温度的限制，不能采用大压缩比，不然混合气体就会“爆燃”，使发动机不能正常工作。实际汽油机的压缩比大都在512的范围内。柴油机压缩的仅仅是空气，不存在爆燃的问题，其压缩比多在1420的范围内。这是由汽油和柴油的燃烧特性所决定的，汽油燃烧速度比柴油快得多，压力越高，密度越大，火焰传播越快（正常点燃时，火焰传播速度为30 70m/s，而爆燃时可达8001000m/s）。如果汽油机也像柴油机一样先压缩空气再喷油自燃，依然会出现爆燃。图7-2 四冲程内燃机工作原理显然活塞的往复运动必然产生很大的振动，所以单缸内燃机需要一个又重又大的飞轮来减轻振动对曲轴及轴端输出功产生的冲击并提供活塞在进气、压缩和排气冲程的动力。实际上，单缸内燃机仅用于为小型设备提供动力，如手扶拖拉机、应急用的小型柴油发电机等等。汽车一般采用多缸内燃机，将各缸的作功冲程均匀错开，就可以将振动抵消或降到最小程度，也相互提供了进气、压缩和排气冲程的动力。最初天津产的夏利车是三缸发动机，而最高级的豪华车则采用八缸发动机。7.1.2 内燃机的理论热力循环及性能指标一内燃机的三种基本循环内燃机理论循环是将实际工作过程抽象简化，以便于进行一些简易的定量分析。对理论循环的研究可为提高内燃机性能提供基本方向性指导。最简单的理论循环是空气标准循环 实际气体动力循环在简化抽象为理论循环时，一般采用“空气标准”假设：假定工作流体是一种理想气体；假设它具有与空气相同的热力性质；将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程来取代。 摘引自沈维道等编工程热力学（第三版），高等教育出版社，2001.6，p268，它由几个最基本的热力学过程组成，其简化条件为：1）假设工质是在闭口系统中作封闭循环，并在绝热条件下被压缩和膨胀；2）假设燃烧是外界无数多个高温热源在等容或等压下向工质。工质放热为等容放热；3）假设工质为空气，是理论气体，其比热容为定值；4）假定循环中各个过程均为可逆过程。空气标准循环有三种，即等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环（图7-3）。汽油机混合气燃烧迅速，简化为等容加热循环；高增压和低速大型柴油机由于受到燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点以后燃烧，燃烧时气缸压力变化不显著，可简化为等压加热循环；高速柴油机介于两者之间，其燃烧过程可视为等容、等压加热的组合，简化为混合加热循环。理论循环的优劣常用循环热效率ht和循环平均压力pm来评价。a) 混合加热循环 b) 等容加热循环 c) 等压加热循环图7-3 内燃机理论循环二循环热效率循环热效率用以评定理论循环的经济性，它是工质所作循环功W与循环加热量Q1之比，即 （7-1）按上述定义，由工程热力学知识可导出混合加热循环热效率为 （7-2）式中，ec为压缩比；k为等熵指数；lp为增压比；r为预胀比。等容加热循环（r=1）热效率 （7-3）等压加热循环（lp =1）热效率 （7-4）三循环平均压力循环平均压力pm定义为单位气缸工作容积（排量）所作的循环功，用来评价循环的对外作功能力。由工程热力学知识可导出混合加热循环平均压力为 （7-5）式中，pa为压缩起始点压力（kPa）。等容加热平均压力 （7-6）等压加热平均压力 （7-7）四三种理论循环的比较图7-4给出了加热量Q1相同时三种理论循环的比较。从图7-4(a)中可以看出，各循环的Q1和ec相同时，三种循环各自的放热量为Q2pQ2mQ2v则htvhtmhtpa) 压缩比ec相同 b) 最高压力pz相同aczb等容加热循环 aczb等压加热循环 aczb混合加热循环图7-4 三种理论循环的比较所以此时欲提高混合加热循环热效率，应当增加等容部分加热量。但由于柴油机和汽油机的压缩比相差很大，这种比较意义不大。从图7-4(b)中可以看出，各循环的Q1和pz相同时，三种循环各自的放热量为Q2vQ2mQ2p则htphtmhtv所以对于高增压等一类受机件强度限制，循环最高压力不能过大的情况，提高ec，同时增大等压部分加热量对提高循环热效率有利。柴油机的压缩比远高于汽油机，其限制因素主要就是循环最高压力。由上述分析可以推知，柴油机的效率一般高于汽油机，所以柴油车要比汽油车省油。7.1.3 汽车发动机的动力经济性能指标提高和改善动力经济性能始终是发动机产品持续发展的主要技术关键。汽车发动机产品质量的优劣，是有一系列工作性能指标来综合评定的。这些指标有：(1) 发动机在整个运转范围内的动力性能指标，主要指各个工况的功率、转矩和运行速度（活塞平均速度或转速）。实用时，常用典型工况（如标定工况、最大转矩工况）的指标或实际使用运行工况的指标的加权平均数值来表示。(2) 发动机在整个运转范围内的燃料消耗率（有时考虑润滑油消耗率）的经济性能指标。(3) 除了动力、经济性外的其它运转性能，如有害排放量、噪声和冷起动等性能指标。(4) 可靠性、耐久性、维修方便性等使用指标。上述中，前三类与发动机的工作过程有关。汽车发动机的动力经济性能指标分有效性能指标和指示性能指标。前者是以曲轴输出功为计算基准的指标，简称有效指标，这类指标用于直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛应用。后者是以工质对活塞所作之功为基准的指标，简称指示指标，它们不受动力输出过程中机械磨檫和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热功转换的工作循环进行的好坏，因而在工作过程的分析研究中得到广泛应用。由发动机的循环示功图可直接求出循环净指示功，而每循环由曲轴输出的单缸功量则是循环有效功。循环功的绝对性能指标，平均压力则是可相对比较的性能指标。其中平均指示压力定义为单位气缸工作容积所作的循环指示功，因为其量纲恰好是压力的量纲。平均有效压力定义为单位气缸工作容积所作的循环有效功，也是一个作用于活塞上的假想平均压力，此力作用于活塞一个冲程之功正好等于循环有效功。其它一些性能指标见表7-1。表7-1 内燃机常用的动力、经济性能指示指标、有效指标和机械损失指标指标名称单位指示指标有效指标机械损失指标各指标间关系循环功(单缸)kJWi We Wm We= WiWm平均压力MPapmi=Wi/Vs（平均指示压力）pme=We/Vs（平均有效压力）pmm=Wm/Vs（平均机械损失压力）pme= pmipmm功率kWPi Pe Pm Pe= PiPm 转矩NmTtq 升功率kW/L(单位排量发出功率)PL= Pe/(VsI)比质量kg/kW（单位有效功率所占质量）me=m/ Pe 比体积m3/kW（单位有效功率所占体积）Ve=V/ Pe能量转换效率hit=het=hm=het=hithm单位功率燃油消耗率g/(kWh)（每千瓦小时功所消耗的燃料量）bi=be=bi=hm be注：对自然吸气机型，泵气损失归入机械损失后，Wi应为动力过程功。对于增压机型，若仍将泵气损失归入机械损失，则Wi应为总指示功动力过程功与理论泵气功之和。表中，i发动机缸数； m发动机干质量，kg；V发动机所占体积（长宽高），m3；gb单缸每循环燃料消耗量，kg；Hu燃料低热值，kJ/kg； B整机燃油消耗率，kg/h；Vs单缸排量，l。7.1.4 内燃机的排气净化内燃机在燃烧过程中产生的有害成分主要为CO、NOx、HC（碳氢化合物，包括含氧碳氢化合物）、SOx、碳烟、铅化物、微粒（柴油机排出的碳粒及其表面吸附物）等，这些排气污染物均由排气管排入大气，造成污染。此外还有因曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等原因排向大气的非排气污染物。目前法规限制CO、NOx、HC和微粒的排放，而对甲醛、乙醛、苯、乙酰甲醛、丁二烯和柴油机排气臭味等尚未限制。CO2作为温室气体，虽对人体健康无直接危害，但对大气环境有严重影响。一有害排放的生成机理NOx的生成内燃机中NO的体积分数占总NOx的90%以上。NO遇到大气中的氧时，能形成NO2和其他氮氧化物。影响内燃机燃烧而生产NOx的主要因素有：1） 温度 高温时NO的平衡浓度高，生成速度也快。氧气充足时，温度是生成NO的主要因素。2） 氧的浓度 氧的存在是生成NO的必要条件。在氧不足的情况下，即使有高温条件，NO的生成也会被抑制。3） 滞留时间 由于NO的生成反应比燃烧反应慢，即使在高温和氧气充足的条件下，如果滞留时间短，NO生成量也受到限制。HC的生成内燃机排气中碳氢化合物有200种以上，它们是由原来的烃燃料分子、不完全燃烧产物、燃烧过程中被分解的产物和再化合的新化合物构成。内燃机中HC生成的原因有：1） 不完全燃烧 过浓或过稀的区域均会造成不完全燃烧，二冲程汽油机扫气使部分混合气未经燃烧就直接进入排气管，曲轴箱通风和供油系统蒸发产生未燃烃等从而造成HC排放增加。2） 室壁淬熄 当火焰向燃烧室壁面传播时，由于低温壁面的激冷作用使火焰熄灭，造成燃烧室壁面附近形成未燃烧的碳氢化合物高浓度区。3） 缝隙效应 燃烧室中的缝隙（主要是第一道活塞环上面的间隙）处于双壁冷却，火焰无法传入，造成一定量的未燃烃。CO的生成一氧化碳的生成主要取决于燃料与空气的混合质量和当量比，其生成机理主要有两个：1） 燃料缺氧不完全氧化 CO是烃类燃料燃烧的中间产物，当混合气中空气不足时，必有一部分燃料不能完全燃烧而生成CO。2） CO2和H2O的高温分解 烃类燃料燃烧的最终产物是CO2和H2O，但在高温下CO2和H2O又会分解，甚至可以导致在富氧、稀薄而均匀的混合气中仍会产生CO。二排放法规检验出的内燃机有害排放量不仅和内燃机的结构参数有关，还与试验时采取的取样方法及分析仪器有关。排放标准所规定的具体限值都是同特定的排放试验方法相联系的。美国、欧盟、日本等均制定了严格的内燃机排放限制法规和相应的试验方法。由于各国的政治和经济原因，在标准限值上存在很大差异。我国现行国家标准是1999年3月10日颁布并于2000年1月1日开始实施的GB147611999等（轻型车），基本等效采用了欧洲1阶段的排放标准和测试规范（15工况+EUDC）。该系列标准对车用内燃机排气污染物、燃油蒸发污染物和曲轴箱污染物的排放标准进行了详细规定。预计2004年前后我国将实行相当于欧洲2法规的排放标准。对于其他重型内燃机，如工程机械、地下矿车、机车、船舶等，也有相应的国家标准（1993年开始GB/T1476293，2000年开始GB176911999等效于欧洲13工况法）对其排气污染物进行限制。必须注意，减少排气污染必须从内燃机技术上进行改进，但法规的制定和严格执行是一切先进技术推广和应用的保证。只有严格执行有关国家标准，禁止超标排放车辆上路，才能促进生产厂家和用户主动使用减少排气污染物的新技术和新产品，达到保护环境的目的。三排气净化措施 汽油机排气净化措施1） 汽油机结构的改进 适当减小压缩比，推迟点火时间，可以降低最高燃烧温度，减少NOx的排放量，同时提高排气温度，降低HC的排放量；采用曲轴箱强制通风系统，防止曲轴箱中未燃HC逸出；提高怠速转速，减少CO和HC的排放量；采用先进的燃烧系统，如电控汽油喷射、分层燃烧等。2） 机外净化措施 采用排气再循环使进气中残余废气系数增加，使最高燃烧压力降低，从而降低排气中NOx的含量；向排气门出口处喷入新鲜空气，可以减少CO和HC的排放量；附加净化消声器，利用化学方法对净化进行后处理，同时起到净化和消声的效果；采用无铅汽油，减少排气中铅化物的含量。 柴油机排气净化措施与汽油机相比，柴油机排气中CO和HC的含量少得多。1） 前处理 对燃料和空气在进入气缸燃烧前进行预处理，改变充量性质，以改变缸内的燃烧过程，从而降低有害排放。如改进燃料、在柴油中加入消烟添加剂、柴油掺水乳化、排气再循环、进气管喷水、增压等。2） 机内净化 对燃烧过程本身进行改进，以减少有害气体的产生，如推迟喷油、提高喷油速率（高压喷射）、加强进气涡流、采用分隔燃烧室等。3） 后处理 用各种除尘滤清器净化装置、催化反应装置对排气进行最后处理，可以进一步降低有害排放。应当注意到，由于各种排气污染成分的生产机理不同，很难用一种方法同时减少所有的排放污染物。全面降低内燃机排气污染，必须采取综合措施。试验研究表明，对汽油机同时采用多种净化措施，可使CO降低97.7%，HC降低93.4%，NOx降低82%。但这些措施往往对内燃机的经济性、动力性和寿命带来不利影响。所以，彻底的净化措施必须在强有力的法规保证下才可能实现普遍推广应用。7.1.5 车用内燃机的技术进展稀薄燃烧及缸内直喷 常规汽油机（化油器式和大部分进气道喷射式）的空燃比为12.617，空燃比大于17即可看作稀薄燃烧。其中均质稀燃和分层稀燃的空燃比小于25，而缸内直喷（GDI，gasoline direct injection）式稀燃可在空燃比为2550式稳定工作。这种工作方式可以不用节气门调节，进气阻力（泵气损失）大幅度减小；不易产生爆震，可以采用高压缩比；最高燃烧温度较低，给氧充分，有害排放包括NOx的排放都比较少。缸内直喷式稀燃汽油机的燃油耗率较常规汽油机可改善30%以上。其缺点是设计制造难度增大、无法采用成熟的传统三效催化剂和HC排放较高。柴油机的预混合燃烧 碳烟和微粒是柴油机扩散燃烧方式的固有产物，而预混合燃烧就不易出现这种污染物。一般称柴油机的这种新燃烧方法为均质充量压燃燃烧（HCCI，homogeneous charge compression ignition）。丰田、日产等已经开始进行有益的探索并推出了相应的发动机产品。电控燃油喷射系统和电控点火系统 汽油机多点电控燃油喷射系统和电控点火系统和柴油机电控燃油喷射系统取代汽油机的化油器、柴油机的机械式燃油喷射装置是当前内燃机技术的一大趋势。具有减少进气阻力损失，保证各缸工作的均匀性，降低燃油消耗，易于配合三效催化转化器达到优良的排放控制性能。增压 增压技术是强化发动机最有效的手段，是发动机技术发展的一个主要方向。当前发达国家车用柴油机大都采用了增压技术，汽油机中的应用也日益增多。增压大幅度增加了汽缸进气压力，提高进气密度，从而燃烧更多的燃油，发出更强大的功率。废气涡轮增压在车用发动机中最常用。气波增压系统巧妙地利用管道中压力波特性，使废气与新气接触，在相互不混合的前提下，直接将废气能量传给低压空气，并提高其压力而实现增压。复合式发动机 采用废气涡轮增压时由于增压幅度不能无限制加大，有时没有充分利用废气的余能（当然也有不够的时候），所以可以利用动力涡轮回收这部分机械能并将之馈送给曲轴。动力涡轮可以与增压涡轮共用一个，也可以使用单独的涡轮机。如果有意识地加大并优化动力涡轮作功量，就成为内燃机-燃气轮机联合循环。低散热发动机 1970s起，国外一些机构进行了研制低散热柴油机（最初称绝热发动机）的努力。其初衷是想利用陶瓷材料使燃烧时及排气系周边高度隔热，减少冷却损失而提高发动机热效率。但由于陶瓷器件达不到发动机工作所要求的高可靠性，以及隔热后燃烧室内温度大幅度升高对现有发动机中经过精心组织的各个工作过程带来的影响，那些机构纷纷放弃了。其实缸内温度升高是不利于功率的增大，而且排气的温度也会相应增大，因此目前认为，低散热发动机与废气涡轮增压或复合式发动机相结合会是一种很好的选择。*7.1.6 斯特林发动机及其循环 1816年英国工程师Stirling提出了一种活塞式热气发动机斯特林发动机的理想循环，这是一种外部加热的闭式循环发动机。7.2 燃气轮机装置循环7.2.1 燃气轮机装置的工作原理7.2.1.1 定压燃烧燃气轮机装置简图燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质的旋转式热力发动机，主要结构有三部分：1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；2、压气机（空气压缩机）；3、燃烧室。另有其它附属设备组成。和内燃机循环中各个过程都是在气缸内进行不同，燃气轮机装置中工质在不同设备间流动，一个设备完成一个过程，所有过程构成循环。7.2.1.2 工作原理图7- 轻型燃气轮机空气首先进入叶轮式压气机中，压缩后送入燃烧室。同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室中与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧，产生高温高压燃气（温度可达18002300K）。如此高温不能直接与燃气轮机叶片接触，故将二次空气（约占空气总量的6080%）经通道壁面渗入与高温燃气混合，使混合后气体温度降低至叶片可以承受的程度，然后进入燃气轮机。燃气轮机中工质气体膨胀作功，作功完了气体排向并消失在大气中。与内燃机循环一样，燃气轮机循环也是开式循环，若废气排往大气看作放热过程，且忽略燃气与空气的差别，将大气包括在内，燃气轮机装置构成了一个闭合循环。也可以用氦气或其它气体构成一个真正的闭合循环，采用余热锅炉等吸收外部的热量。7.2.1.3 特点：1) 热能转变为机械能的过程是在燃气轮机中实现的。2) 燃气轮机是旋转式的热力发动机，没有往复运动产生的不平衡惯性力，可以设计成很高的转速，而且工作过程是连续的。3) 高速气流连续作功，运行平稳，体积流量大。可以在重量和尺寸较小的情况下，发出很大的功率。在大马力范围内，比活塞式内燃机优越。4) 专用燃烧室燃烧，燃烧过程相对容易控制，燃烧效率高，污染少。5) 工作过程中不需要水做工质，可以在缺水或无水地区如沙漠、油田等等使用。6) 喷管和叶片处于不间断高温的工作条件下，材料要求高。叶片在高速、高温气流中高速运转，因此其加工工艺要求极高。7.2.1.4 应用领域与发展趋势工业燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等优点。主要用于发电、交通和工业动力。燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。第二次世界大战时期及以后，首先在军用飞机、水面舰艇和装甲车辆上应用，然后逐渐推广到民用飞行器和船舶，二十世纪后二十年逐渐应用到化工、油田等等工业领域，并开始工业化应用于电力生产。7.2.2 定压加热理想循环布莱顿循环7.2.2.1 循环组成燃气轮机装置循环的理想循环是布莱顿循环（Brayton cycle），由4个过程组成： 1-2 压气机内，绝热压缩； 2-3 燃烧室与燃气通道内，定压吸热； 3-4 燃气轮机内，绝热膨胀作功； 4-1 大气中（排气过程），定压放热。7.2.2.2 循环热效率svp23141234图 定压加热理想循环布莱顿循环已知参数：压气机吸气参数，p1、T1，压气机循环增压比p=p2/p1。以上数据已经足够确定循环热效率，但确定循环还需要第4个参数，一般为燃气轮机进气温度（循环最高温度）T3，或增温比t=T3/T1。4个过程均有功量变化，所以采用功来计算循环热效率比较麻烦。传热只在两个过程中发生，故采用传热过程来计算：定压过程：q23=h3-h2=h3-h2 q41=h1-h4=h4-h1 1-2和3-4均为可逆过程，故： 且 p4=p1，p3=p2 于是 7.2.2.3 循环净功w0 w0=htq23=()cp(T3-T2)=可见，循环净功与T3的大小有关：T3越高，w0越大，设备越紧凑。7.2.3 定压加热实际循环443122Ts图 燃气轮机装置的定压加热实际循环 燃气轮机装置实际循环的各个环节都存在着不可逆因素，这里主要考虑压气机内压缩过程和涡轮机内膨胀过程的不可逆性。因为燃气轮机装置中的压气机和涡轮机里面的工质流速很高，变化很大，由于摩擦、级间漏气等原因造成的损失也比较大，对循环性能已经有了显著的影响。7.2.3.1 压气机部分 前面讲述压气机时已经定义了压气机的绝热效率：hc,s= () wc=h2-h1=(h2-h1)/hc, s7.2.3.2 燃气轮机部分 燃气轮机的内部损耗以相对内效率hoi计：hoi= () wT=h3-h4=(h3-h4)hoi7.2.3.3 燃气轮机装置的实际效率 hT=1-= =燃气轮机装置的实际效率除了与p有关以外，还与增温比t有关。目前的最高效率的开式循环系统是GE公司LM6000PC 轻型燃气轮机，效率为43%（2000年）。7.2.3.4 几点结论l t越高，hT就越大。但T3受限于金属材料的耐热性能，普通燃气轮机装置的 T3最高也就是1000左右。l 当t、hoi、hc,s一定时，hT -p关系有一个最大值。l 提高hoi、hc,s也是提高hT的有效措施之一。7.2.4 提高燃气轮机装置循环热效率和实际效率的措施:p，p太大了！2sT521sT346图 燃气轮机装置的回热循环1347.2.4.1 回热 在布莱顿循环的基础上采取回热，是提高燃气轮机装置热效率的有效措施之一。如图左侧所示，利用4-5过程的放热加热从压气机出来的空气2，极限情况下，加热到状态6，减少了向低温热源放热（且这部分放热温度较高），和从高温热源吸热26（且这部分吸热温度较低）。显然可以提高循环热效率。 但此方法仅仅对于循环增压比p 较小的循环适用。p 较大的循环，如图右侧所示，压气终了温度T2过高，无法进行有效回热。7108T621s3459图 回热基础上的分级压缩，中间冷却与分级膨胀中间再热7.2.4.2 回热基础上的分级压缩，中间冷却（ICR, Intercooled Recuperated Gas Turbine） p较大的循环，压气终了温度T2过高，无法进行有效回热。采用“分级压缩，中间冷却”可以降低压气终了温度T2，使得回热得以有效进行。如图所示，压气机将气体从状态1压缩到状态5之后，进入中间冷却器冷却至状态6，然后再进入第二级压气机压缩至状态7，可以看到，压缩终了温度从T2降到了T7，将使回热可以开展起来。加入压缩级数趋向无限多，每级压缩后均进行定压冷却，则压缩过程接近于定温过程。l 分级压缩，中间冷却可以节省压缩功；l 分级压缩，中间冷却可以降低压缩终温，给回热留出余地；l 若不配合采取回热措施，则增大加热量，反而浪费能源，降低效率。7.2.4.3 在回热基础之上，分级膨胀，中间加热 与“分级压缩，中间冷却”相类似，分级膨胀，中间加热可以提高膨胀终了温度T4，使得回热得以有效进行。如图所示，循环1-2-3-8-9-10-1。l 8-9过程高温再热，10-4过程回热不损失，提高了平均吸热温度，当然提高循环热效率；l 提高膨胀终温，为回热留出余地；l 若不配合采取回热措施，则增大10-4过程的放热量，且其温度较高，反而浪费能源，降低效率；l 喷气式战斗机的加力燃烧即属于这种情形。7.2.4.4 注蒸汽燃气轮机循环（STIG循环，Steam Injected Gas Turbine）将燃气轮机排气引入余热锅炉加热高压水，并使之成为过热蒸汽，然后注入燃烧室，降低燃气温度使之达到涡轮机入口要求。排气离开余热锅炉后，经给水加热器和冷却冷凝器，将排气中的水蒸气冷凝回收使用。美籍华人程大猷提出，故该循环也称为程氏循环（ACC）。相当于混合工质（燃气+水蒸气）循环或双循环（燃气动力循环+蒸汽动力循环），但原循环无排气中的水蒸气回收，故耗水量大，蒸气的潜热也不能予以利用。最高效率的前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120 轻型燃气轮机，效率为43.3%。（2000年）煤气净化装置热交换器气化炉燃烧室压气机燃气轮机余热锅炉给水加热器冷却冷凝器水处理系统水泵水，水蒸气燃气粗煤气空气洁净煤气煤图 煤气化STIG循环系统图l 一般燃气轮机燃烧室出来的燃气需掺入二次空气降温，STIG用水蒸气降温，而水蒸气大部分可以冷凝回收，从而提高循环热效率；l 水蒸气在燃烧室掺入，可以控制燃烧温度，特别是富氧区的燃烧温度，从而抑制NOx的生成。另外，烟气中的大量水蒸气可以吸附已经生成的NOx、SOx，达到减少污染物质排放的目的。l 水蒸气的最高温度比通常的蒸气动力循环高得多，但初压则要低不少，蒸气排气压力也较高。l 注蒸气量允许在一定范围内变化而不影响热效率，从而使机组具有较好的调节性。7.2.4.5 湿空气透平（HAT循环，Humid Air Turbine）空气经低压压气机、中间冷却器、高压压气机、后冷却器进入饱和器底部，水在中间冷却器、后冷却器、热水器中加热升温后，从饱和器顶部进入。在饱和器中，空气和水逆流接触，空气被湿化成饱和空气，湿空气在回热器中吸热升温后进入燃烧室。空气压气机低压级压气机高压级燃气轮机中间冷却器后冷却器补充水排气饱和器燃烧室燃料回热器热水器图 HAT循环系统图饱和器与STIG中的余热锅炉不同，水在这里变温蒸发，可以更充分地利用余热。中、后冷却器的使用使得压气机耗功减少，相当于回热基础上的分级压缩，中间冷却（ICR）。排气中的水蒸气依然如STIG一样回收利用。由于空气湿化可以利用较低温度的热水，不象STIG需要高温热产生蒸气，所以可更充分地利用系统中的各种低温热能，更充分地回收余热。同STIG一样，水蒸气在燃烧室前掺入，可以控制燃烧温度，特别是富氧区的燃烧温度，从而抑制NOx的生成。另外，烟气中的大量水蒸气可以吸附已经生成的NOx、SOx，达到减少污染物质排放的目的。7.2.4.6 压气机湿压缩向压气机内喷入雾化水，利用水的较大的汽化潜热来降低压缩过程温升，使其接近于等温压缩。达到与HAT相类似的目的，简单易行。喷入0.52%水时，燃气轮机输出功率增加7.514%，效率相对增加3.5%。7.2.4.7 整体煤气化联合循环IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)把煤通过气化炉进行气化，成为中热值煤气（10467 20943kJ/m3）或低热值煤气（4187 10467kJ/m3），然后通过净化设备，把煤气中的固体灰粒和含硫物质除净，再送到增压锅炉或燃气轮机的燃烧室中燃烧。IGCC中的燃气轮机、余热（或增压）锅炉以及蒸汽轮机都是常规的和技术成熟的，只增加了煤的气化和净化设备。IGCC发电技术的优点：1. 具有提高供电效率的最大潜在能力。目前为4245%，未来可达5052%；2. 宜大型化。单机已达300600MW；3. 优良的环保性能，可使用高硫煤，废物处理量最小；4. 充分利用煤炭资源，组成多联产系统，同时生产电、热、燃料气和化工产品；5. 耗水量较少，是常规同容量电站的5070%，适宜于缺水地区、坑口电站；6. 基本技术趋于成熟，示范装置运行可用率达80%以上，能满足商业化运行的要求；IGCC发电技术的缺点：1. 比投资费用和发电成本较高，目前（2000年）约为14001600美元/kW。2. 必须采用先进的技术，如高效、大容量的气化炉，高性能的燃气轮机和高温净化技术等等；3. 厂用电率高。主要是煤的气化耗电，若采用富氧制气（可提高煤气热值），厂用电率高达1013%。进一步发展，可以与HAT相结合形成IGHAT-CC，与燃料电池相结合形成IGFC-CC，与STIG相结合构成IGCSTIG。目前，GE公司使用MS7001F技术组成的整体循环系统发电效率可达到42%。（2000年）7.2.4.8 增压流化床燃烧联合循环PFBC-CC(Pressurized Fluidized Bed Combustion - Combined Cycle)把煤和吸收剂（石灰石或白云石，有效成分CaO）以一定比例掺混，加到燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层上的物料悬浮，进行流态化燃烧。由于流化形成的湍流混合条件良好，能使煤与空气及物料间发生强烈的相对运动，使煤与氧气接触并增加逗留时间，能强化和稳定燃烧并提高燃烧效率。在煤燃烧的同时，吸收剂与SO2反应生成硫酸钙，由溢流管道排出或送入再生装置。流化床燃烧分为鼓泡床燃烧和循环床燃烧，循环床燃烧分为常压床燃烧和增压床燃烧（0.61.6MPa）。增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC）中，煤经增压流化燃烧成为高压燃气，推动燃气轮机作功，排气在余热锅炉中加热给水，产生高温高压水蒸气，推动汽轮机作功。PFBC-CC特点：1. 适应的煤种广泛；2. 增压燃烧后结构紧凑，安装周期短，成本下降；3. 运行方式和常规电站接近，系统简单；4. 燃气轮机进口温度较低时也能获得较高的联合循环效率；5. 环保特性较好，由于床温只有850950，所以NOx和SOx生成量很小，不用附加设备就能达到较低的排放标准；6. 由于循环效率较高，所以每kWCO2排放量也很低。由于床温限制，燃气轮机初温不能过高，供电效率只能达到4142%。所以又发展了第二代PFGC-CC，增加了一个碳化炉（或部分气化炉）和燃气轮机的顶置燃烧室，使燃气初温提高到11001300，效率可达4550%，功率也可提高。PFGC-CC比投资费用约13001400美元/kW，比常规电站（11601400美元/kW？）高近10%。7.2 4.9 高温燃气轮机综合设计、冷却、加工、材料等技术，可使进入透平的燃气温度达到1500。措施：l 采用热障涂层。如铝化物+镍钴铬铝合金构成双层涂层，由氧化钇、氧化镁稳定的二氧化锆多孔层l 蒸汽冷却技术：用于涡轮、叶片等的冷却，与空气冷却相比，具有更好的热物理性质，可显著减少压缩功的消耗；l 采用定向结晶和单晶高温合金材料，耐温达1204。7.3 Vapor Power Cycles7.3.1 The Rankine Cycle: The ideal cycle for vapor power set7.3.1.1 The Carnot vapor cycle（水蒸气的卡诺循环）The second law of thermodynamics point out: The Carnot cycle is the most efficient cycle in various cycles operating between two specified temperature limits. 气体工质难以进行定温过程，实际上不可能实现卡诺循环。蒸汽工质若实现卡诺循环，也有一系列局限性和困难。使水和水蒸气实现卡诺循环有两种方式：一是临界点以下，湿蒸汽区内实现；一是使循环超过临界点实现。下面来分析它们的优缺点，以便找到合理的热力循环方式： The Carnot cycle operated in wet steam region (The cycle I-II-III-IV-I in figure 7-3-1)Virtue: 湿蒸汽区内定压线与定温线重合，定压过程即为定温过程，可以很容易地实现定温吸热和定温放热。Defect: II-III放热过程的终点III难以控制； III-IV过程是低温低压的湿蒸汽被压缩成水，但压缩这种比容比较大的汽水混合物，既费功，技术上也有困难； 最高温度太低，临界点才374.15，效率不可能高； 作功末了的II点，蒸汽湿度很大，对汽轮机末级不利。 The Carnot cycle operated upon the critical point of steam (The cycle 12341 in figure 7-3-1)Virtue: 解决了上一种循环的问题。Defect: 在超临界区，定压线与定温线不再重合，4-1的定温吸热过程难以实现； 34压缩过程终点压力太高，技术上不可能实现（临界压力就已达22.02MPa）。IVIIIII3sTFig. 7-3-1 The Carnot vapor cycle4321sTFig. 7-3-2 Simple Rankine cycle124I7.3.1.2 The Rankine Cycle: The ideal cycle for vapor power set（蒸汽动力装置的理论循环朗肯循环）Although the Carnot vapor cycle is difficult to realize, ，但从中可以找到设计蒸汽动力循环的途径： 利用超临界卡诺循环，解决湿蒸汽卡诺循环的问题。放热终点在饱和水线上，容易控制，并避免了压缩汽水混合物；作功终点在饱和蒸汽线上或附近，以避免动力机械受损；1点的过热蒸汽状态可以提高温度上限，从而提高效率。 避免超临界卡诺循环的两点困难：不追求定温加热，降低压缩比（压缩终了压力）以适应技术上的限制，这样就形成了Rankine Cycle (Fig. 7-3-2).1234BoilerVapor TurbineCondenserFeeding PumpGeneratorFig. 7-3-3 devices of simple Rankine cycle12: Isentropic expansion in a turbine23: Constant pressure heat rejection in a condenser34: Isentropic compression in a pump41: Constant pressure heat addition in a boiler朗肯循环的每个过程都在一个独立设备中完成。从T-s图上看，朗肯循环的热效率要比同温度范围的卡诺循环（即那个超临界卡诺循环）的热效率低得多，因而实际蒸汽动力装置循环都是以朗肯循环为基础进行改进得到的。7.3.1.3 Thermal efficiency（热效率） (7-3-1)另几个指标，汽耗率d0：每作单位量的功所消耗的蒸汽量 kg/kJ (7-3-2a) kg/(kWh) (7-3-2b)热耗率q0：每作单位量的功所消耗的蒸汽含有的热量 kJ/kJ (7-3-3a) kJ/(kWh) (7-3-3b)标准煤耗率bs：标准煤耗率由热耗率折算过来，就是bs= kgce/(kWh) (7-3-4a) gce/(kWh) (7-3-4b)7.3.2 Methods to increase the thermal efficiency of the Rankine Cycle7.3.2.1 Increasing parameters of fresh steam and depress pressure of excluded steam 一. Increasing temperature of fresh steam（提高蒸汽初温度）Fig. 7-3-4 Increasing temperature of fresh steams432 2*1*T1蒸汽初参数指的是汽轮机进口蒸汽的压力和温度，也称为新蒸汽参数。在同样的初压力和排汽压力下，提高蒸汽初温度可以提高循环热效率。很明显，将蒸汽初温度从t1提高到t1*，增加了高温吸热段1-1*（Fig. 7-3-4），从而提高了循环的平均吸热温度，使循环热效率增加。提高初温度还可以提高排汽点2的干度，这对于提高汽轮机相对内效率、改善汽轮机末级叶片工作条件、延长汽轮机的使用寿命都有利。提高蒸汽初温度受材料耐热性能的限制。主要是锅炉的蒸汽过热器，其内部是高温蒸汽，外部是温度更高的烟气，所以其壁温比蒸汽温度还高，同时其工作压力也相当高。相比之下，内燃机的气缸壁有冷却水和周期性进入气缸的冷空气冷却，燃气轮机的燃烧室和叶片也都可以冷却；内燃机气缸体积与过热器相比很小，承压能力要大得多，燃气轮机的压力则小得多。于是，内燃机的最高温度可以达到2000，燃气轮机的最高温度约1300，而蒸汽动力循环的最高蒸汽初温度仅有600左右。我国蒸汽初温度在1970年代达到550；依据技术经济分析，1980年代稳定在535；1990年代以来，随着材料技术和制造工艺的发展，初参数又在逐步提高。二. Increasing parameters of fresh steam（提高蒸汽初压力）在同样的初温度和排汽压力下，提高蒸汽初压力可以提高循环热效率。提高蒸汽初压力使排汽干度降低，不利于汽轮机末级叶片的安全运行。提高蒸汽初压力还使得新蒸汽的比体积减小，相应地体积流量减少，若对应减小初级叶片尺寸，会增加漏汽损失和鼓风损失。因此，提高蒸汽初压力通常伴随着提高机组的容量（输出功率）。Classify of thermal power plant电厂类型Pressure of fresh steam/MPaTemperature of fresh steam/Range of power plant capacity /MW机组容量的大致范围/MWBoilerSteam TurbineBoilerSteam Turbine低温低压电厂1.41.3350340101.53中温中压电厂4.03.545043510200650高温高压电厂10.09.054053510060025100超高压电厂14.013.5550535250125200亚临界压力电厂17.016.7550538600300600超临界压力电厂25.024.55705651200600800超超临界压力电厂35.034.565564912006001000三. Depressing back pressure (降低背压)在同样的初温度和初压力下，降低背压可以提高循环热效率。但是受到环境温度的限制。7.3.2.2 Reheat cycle 在朗肯循环的基础上进行再热，就构成了再热循环。再热循环增加了工质在较高温度下的吸热量，从而提高了平均吸热温度，导致循环热效率的提高。再热循环的热效率为：ht= (7-3-5)再热循环不仅可以提高循环热效率，还可以改善汽轮机排汽的干度，从而提高末级叶片运行的安全性。由于再热器和再热管道的投资和运行安全成本较高，所以一般热力发电厂仅仅采用一次再热循环。Super-critical unit有可能采用二次再热。Fig. 7-3-5 Thermal system of Reheat cycleT 1 b a 4 3 2 2” sFig. 7-3-6 Reheat cycle1234BoilerTurbinecondensator冷凝器Feed pumpgeneratorReheaterbSC3a一次抽汽回热的热力系统aTExample Fresh steam parameters of steam power set operated with reheat cycle are p1=16.50MPa, T1=808.15K. Reheat pressure and temperature are p2=3.84MPa, T2=808.15K. Excluded steam pressure is p=0.004MPa. Output power of set is 300MW. The set operate 8000 hours annually. Burning one-kilogram coal can release 23000kJ heat. Please calculate annual power generation and coal consumption. (Efficiency of boiler and efficiency changing mechanical energy to electricity equal 1.)Known: When p=4000Pa, ts=28.981, h=121.41kJ/kg, h=2554.1kJ/kg, s=0.4224kJ/(kgK), s=8.4747kJ/(kgK); When p=165bar and t=535, h=3390.625kJ/kg, s=6.4109kJ/(kgK); When p=165bar and t=29.354, h=137.98kJ/kg, s=0.422