一文读懂闭式循环燃气轮机!

在闭式循环燃气轮机中,进入压缩机的空气的温度和压力都会增加。高压和高温的压缩空气进入热交换器,在热交换器中,外部来源对空气进行加热。高温高压的空气被送入涡轮机以引起膨胀。

由于高压工作流体流过涡轮机,闭式循环燃气轮机产生电力。排出的工作流体不被释放到大气中,而是被冷却室冷却并重新循环,以保持系统的连续运行。由于工作液体在循环完成前返回压缩机,因此被称为闭式燃气轮机发动机。

为了解决与开式循环燃气轮机工艺相关的缺点,开发了闭式循环燃气轮机方法。开式循环燃气轮机的主要缺点是涡轮叶片的腐蚀和侵蚀。解决这个问题的方法是使用一种优越的工作介质(空气、氦气、氩气、氢气或氖气),它不会与燃烧室内的燃料混合。

闭式循环方法还具有通过再冷却器、再加热器或热交换器从废气中排除热量的优势。

从本质上讲,闭式循环燃气轮机是一个使用气体(如空气、氮气、氦气、氩气等)作为工作流体的热力学系统。它使用来自外部来源的热量。这种循环式轮机适用于布雷顿循环。热力学循环意味着工作流体被反复使用而不离开系统。

一个压缩机、一个热室、一个燃气轮机和一个冷却室一起工作,在这种类型的燃气轮机内连续循环空气。在这种类型中,压力、温度和空气速度的比值将是恒定的。

此图详细显示了闭式循环燃气轮机的简单示意图。燃气轮机驱动发电机、压缩机和冷却室。下图解释了这个循环。

闭式循环燃气轮机在布雷顿循环或焦耳循环的基础上工作。在这种类型的燃气轮机中,气体由压缩机等熵压缩,然后流入加热室。在这种类型的燃气轮机中,转子式压缩机是首选。在压缩空气通过涡轮叶片之前,外部热源被用来加热压缩空气。

当气体流过涡轮叶片时,它膨胀并进入冷却室,在那里它被冷却。通过在恒定压力下的水循环,气体被冷却到初始温度。继续这个过程,气体再次进入压缩机。

这台燃气轮机重复地循环相同的气体。使用空气以外的流体/介质使系统更加复杂和昂贵。这可能导致难以解决的问题。

它指的是在加热室中以恒定压力加热气体。由于压力恒定,P1=P2,而且在这个过程中温度从T1增加到T2,气体中的熵增加。

在这个过程中,气体的等熵膨胀通过涡轮叶片发生。压力从P2下降到P3,体积从V2增加到V3。T-S图中的熵保持不变,而温度从T2下降到T3。

在这个过程中,气体在恒压下被冷却。在P-V图中压力是恒定的,这意味着P3=P4,而体积从V3减少到V4。

在压缩机中,发生等熵压缩。在P-V图中,压力从P4增加到P1,体积从V4减少到V1(即气体恢复到原始体积)。在T-S图中,熵保持不变(S4 = S1),而温度从T4增加到T1(T1代表气体的初始温度)。

其中wT是涡轮机对单位质量空气所做的功,wC是压缩机对单位质量空气所消耗的功。

在再生过程中,热量从工作流体转移到热能储存装置(称为再生器),并通过循环的下一个部分转移回工作流体。燃气轮机的再生发生在涡轮机的出口和压缩机的空气出口之间。

再生过程减少了供应给气体的热量,但不影响涡轮机或压缩机的工作。这意味着,再生不会增加涡轮机的功率,但会增加再生过程的效率。

再加热的目的是提高受热的平均温度。燃气在燃气轮机中膨胀后,再次被加热。通过保持压缩机以相同的速度工作,涡轮机的工作输出增加。根据再热压力条件,排热的平均温度可能增加或减少。因此,效率可能增加或减少。在相同功率输出的情况下,燃料消耗率降低。

由于在压缩机的各级之间进行了中间冷却,压缩机的工作投入减少了。这也将有助于提高燃气轮机厂的功率,导致热效率下降,但再生范围扩大。

– 燃烧室在开式循环中使用时,不足以加热空气,这里的闭式循环需要一个非常大的空气加热器。

开式循环燃气轮机和闭式循环燃气轮机之间,在热源、工作流体、循环空气、涡轮叶片的容量以及维护和安装成本方面存在着差异。最重要的区别是工作液体的循环。

在开式循环燃气轮机中,燃烧室用于加热压缩空气。由于燃烧室中的产品和加热的空气混合,气体不会保持恒定。

在闭式循环燃气轮机中,空气首先被压缩,然后被加热室加热。当外部热量应用到空气中时,气体保持恒定。

为了获得更好的热力学特性,在闭式循环燃气轮机中使用氦气作为工作流体。工作流体的循环是持续进行的。

然而,在通过闭式循环燃气轮机的加热室时,没有气体污染。因此,不会发生涡轮片的早期磨损。

一般来说,开式循环燃气轮机用于移动的车辆,而闭式循环燃气轮机则用于固定装置和船舶应用。

第一个闭式循环燃气轮机的专利是在1935年颁发的,这项技术在1939年首次投入商业使用。到1978年,在瑞士和德国已经建造了七台闭式循环燃气轮机。

由于更高的效率(特别是联合循环)和清洁燃料的可用性,如轻型石油和天然气,闭式循环燃气轮机大多已被开式循环燃气轮机取代。闭式循环燃气轮机主要使用烟煤、褐煤和高炉煤气。事实证明,基于空气的闭式循环燃气轮机是非常可靠和高度可用的。

预计闭式循环燃气轮机将被用于未来的太阳能发电和核聚变发电中。也有人认为它们可以用于长期的太空探索。

基于超临界二氧化碳的闭式循环燃气轮机的开发正在进行中;二氧化碳超临界循环与氦气布雷顿循环相比,在较低的温度下(550℃对850℃)具有相当的效率;然而,它在较高的压力下(20兆帕对8兆帕)却有缺点。

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