2. 西北工业大学 动力与能源学院, 陕西 西安 710072
燃烧是燃气轮机燃料能量释放过程中的关键环节,缓燃和爆震燃烧是2种不同的燃烧方式。缓燃燃烧即现代燃气轮机中被广泛采用的等压燃烧,其火焰传播速度低,一般约为1 m/s量级。爆震燃烧是一种耦合了强激波的燃烧,其燃烧过程非常迅速,可产生超声速燃烧波,即爆震波。爆震波的传播是通过冲击波对可爆震混合物逐层强烈冲击压缩作用使其发生高速化学反应来实现的。爆震波的传播速度远远大于缓燃波的传播速度,一般在103 m/s量级。与缓燃燃烧相比,爆震燃烧具有自增压、火焰传播速度快、燃烧效率高、污染物排放低等优点。
爆震燃烧目前主要有脉冲爆震燃烧、旋转爆震燃烧和斜爆震燃烧3种形式,其中脉冲爆震燃烧技术最为成熟。近二十年来国内外多家研究机构开展了脉冲爆震燃烧相关理论与试验工作,主要集中在将脉冲爆震燃烧应用于航空航天发动机,以期大幅度提高现有动力装置的总体性能,并在研究过程中提出了脉冲爆震涡轮发动机的新概念[1, 2, 3, 4];部分研究机构在旋转爆震发动机方面开展了研究工作,但技术尚不够成熟,还未能长时间实现旋转爆震燃烧[5];在斜爆震发动机方面,现在还处于纯理论基础研究阶段[6]。
舰船和工业用燃气轮机与航空航天发动机存在较大差别:前者主要是将燃料热能转化为轴功率,而后者则主要是将热能转化为发动机推力,二者的主要目标不同。现有舰船和工业用燃气轮机普遍采用等压燃烧,其热力循环性能分析及试验技术已非常成熟。在舰船和工业用燃气轮机方面,关于爆震燃烧的研究还未见公开发表的文献资料。
考虑到爆震燃烧的优势,本文对基于爆震燃烧的燃气轮机理想热力循环性能进行了分析,并与Brayton、Humphrey循环热力性能进行了对比,初步从循环热效率、比功率和燃料消耗率等几方面综合分析了爆震燃气轮机的热力循环性能。
1 爆震燃气轮机爆震燃气轮机(DGT,detonation gas turbine)是一种基于爆震燃烧的新概念燃气轮机,是利用爆震波压缩燃烧释放燃料热能并转化为轴功率的动力装置。DGT的总体结构与现有等压燃烧燃气轮机基本相同,主要是将等压燃烧室替换为爆震燃烧室,由进气装置、压气机、爆震燃烧室、燃气透平(以下简称透平)、排气装置等组成,具体结构见图 1。
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| 图 1 爆震燃气轮机结构简图 |
DGT工作时,空气经进气装置被压气机吸入燃气轮机,经压气机压缩做功空气压力和温度均逐渐升高,空气与燃料预先掺混后,在爆震燃烧室内点火形成爆震燃烧波,压力和温度进一步升高,然后高温高压燃气经透平膨胀做功,同时透平将轴功率输出给压气机和发电机,燃气经透平后压力和温度大幅度下降,并最终由排气装置排出。
因爆震燃烧具有自增压的优点,采用爆震燃烧室替换等压燃烧室后,燃气轮机可减小压气机级数,降低压气机压缩功,进而使涡轮输出轴功率中用于发电的比例增加,整体上提高燃气轮机的循环热效率;因爆震燃烧传播速度在103 m/s量级,燃烧室内可燃混合物在爆震燃烧波的作用下瞬间燃烧释热,与等压燃烧相比燃烧效率高且不存在燃烧不稳定和容易熄火等问题;同时爆震燃烧是一种均相预混燃烧,其燃烧速度很快,燃烧产物在高温区的停留时间很短,可减小NOx等污染物的排放。
2 理想热力循环模型爆震燃气轮机理想热力循环温熵图见图 2,其主要由以下几个过程组成:从点1到点2表示绝热等熵压缩过程,气体温度从环境大气温度T1上升至爆震燃烧室进口温度T2,此压缩过程在燃气轮机压气机中实现;从点2到点3为爆震燃烧过程,采用爆震波ZND(Zeldovich-von Neumann-Doring)模型描述,即将爆震燃烧看作一道复合波,由在未扰动燃料-空气混合物中传播的前导激波(点2a)和释放显热的爆燃波(终止点3)组成,其中从点2到点2a前导激波的强度(马赫数、压比或温度比)由初始条件和吸热量唯一确定;从点3到点4表示绝热等熵膨胀过程,气体的压力从爆震燃烧室出口压力P3降到环境大气压力P4,这一过程在燃气轮机透平内完成;从点4到点1通过理想的等压无摩擦过程使热力学循环封闭,此过程中热量从排出的燃气释放到环境中,最后回到原来的热力学状态。为了对比分析,图 2还给出了理想Humphrey循环(等容燃烧)和理想Brayton循环(等压燃烧)的温熵图。
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| 图 2 理想DCGT、Humphrey、Brayton循环温熵图 |
爆震燃烧波的基本示意图见图 3,Uu、Ub、UD分别为未燃气体、已燃气体和爆震波的速度,U′u、U′b分别为将坐标系固定在爆震波上后未燃气体和已燃气体的速度,负号表示方向与x正方向相反。
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| 图 3 爆震燃烧波示意图 |
为将非定常问题转化为定常问题,把参考坐标系固定在爆震波上,以爆震波作为控制体,则爆震波前后参数根据质量、动量和能量守恒有
假设所考虑的气体为理想气体,则根据理想气体状态方程有
结合(1)式和(2)式可求得爆震波前后压力和温度的之间关系
令燃气轮机静温比和无因次吸热量分别为
结合(3)～(8)式可得理想DCGT循环热效率为:
同理可推得理想Brayton与Humphrey循环的热效率:
根据能量守恒定律,燃气轮机输出轴功率的大小可表示为
因燃料质量流量与空气相比较小,为便于分析,忽略燃气与空气质量流量的差别,则:
参照F级燃气轮机的设计参数,设定3种循环热力性能计算的基准参数如下:环境温度和压力按ISO条件选取,分别为288 K、101 325 Pa,压气机压比取16,无因次吸热量为4.72。在研究压气机压比、透平前温度和环境温度等参数对循环性能的影响规律时,仅以所研究参数作为变量,其他参数均按基准参数设置,具体见表 1。
| 研究参数 | 压比π | 环境温度T1/K | 透平前温度T3/K | 备注 |
| π的影响 | 1.3～24.5 | 288 | 不限制(因燃烧方式而异) | 无因次吸热量取4.72 |
| T1的影响 | 16 | 250 ～313 | 不限制(因燃烧方式而异) | 无因次吸热量取4.72 |
| T3的影响 | 16 | 288 | 1000～2450 | 3种循环T3相等,无因次吸热量因燃烧方式而异 |
本文在进行对比分析时,3种循环的环境温度、环境压力、压气机压比、透平背压均相同,即温熵图(见图 2)中1和2状态点完全重合,4状态点在同一等压线上,3状态点则因不同的燃烧方式而各有差异。考虑到比热容是温度的函数,热力循环分析过程中采用平均比热容法计算各状态点参数。
4 结果分析3种不同循环燃气轮机热效率随压气机压比的变化规律见图 4,为了验证所建热力循环模型的准确性,文中引用了西北工业大学李晓丰、郑龙席等人[7, 8]所开展的基于爆震燃烧的燃气轮机整机试验部分研究结果。试验中压气机为单级离心压气机,透平为单级径向透平,试验结果表明燃气轮机可在20 Hz爆震频率下长时间稳定可靠工作,压气机压比为1.2时,压气机空气流量为380 kg/h,循环热效率为0.26,其值略低于文中计算所得的DCGT循环理想热效率0.275,这主要是因为理想循环性能分析中忽略了压气机和透平的效率。
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| 图 4 循环热效率随压气机压比的变化 |
对比分析循环热效率结果发现:3种理想循环热效率均随压气机压比升高而增加,且Brayton循环与DCGT循环之间的差距随压比的升高而逐渐减小;在整个压比变化范围内,DCGT循环理想热效率最高,Brayton循环最低,Humphrey循环与DCGT循环相近;当燃气轮机压比从1.3升高到24.5,DCGT、Brayton和Humphrey循环其热效率分别从0.282、0.061、0.260提高到0.554、0.498、0.545,增长比例分别为96.5％、716.4％、109.6％,这说明压气机压比对Brayton循环热效率影响最大,而对DCGT循环影响最小。
目前电厂普遍采用的F级燃气轮机压比设计在16左右。分析循环热效率数据,在压比为16时,DCGT循环热效率为0.524,而Brayton循环为0.454,DCGT循环较Brayton循环热效率提高了15.4％;此外结合分析图 4至图 7,数据结果表明DCGT循环燃气轮机的热力循环总体性能在压比为6.6时与Brayton循环燃气轮机压比为16时相当。
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| 图 5 燃气轮机比功率随压气机压比的变化 |
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| 图 6 燃料比功率随压气机压 比的变化 |
图 5是燃气轮机比功率随压气机压比的变化规律曲线,其变化趋势与循环热效率类似。从燃气轮机比功率定义可看出:比功率越大,发出相同功率所需工质的流量越少,燃气轮机尺寸则越小。压气机压比16时Brayton循环燃气轮机比功率为553 kW·s·kg-1,DCGT循环为638 kW·s·kg-1,DCGT循环较Brayton循环提高了15.4％。
为了衡量同一单位质量燃料所能产生的功率大小,文中给出了燃料比功率的定义,即燃气轮机净输出功率与燃料质量流量的比值。燃料比功率越大说明燃气轮机发出相同功率所需要的燃料就越小。压比为16时DCGT循环和Brayton循环燃料比功率分别为25 518 kW·s·kg-1、22 129 kW·s·kg-1,与Brayton循环相比DCGT循环燃料比功率提高了15.3％(见图 6)。
燃气轮机燃料消耗率随压气机压比的变化规律见图 7。3种燃气轮机中DCGT循环燃料消耗率最小,Brayton循环最高,Humphrey循环略高于DCGT循环,且随着压气机压比的升高,3种循环燃气轮机燃料消耗率之间的差异逐渐减小。压比为16时DCGT循环和Brayton循环燃料消耗率分别为0.141 kg·kW-1·h-1、0.163 kg·kW-1·h-1,DCGT循环较Brayton循环降低13.5％。
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| 图 7 燃料消耗率随压气机压比的变化 |
分析3种循环热效率计算(9)~(11)式发现,影响燃气轮机循环热效率的主要因素有环境大气温度和燃料释热量(透平前温度)。为掌握3种循环燃气轮机热效率随环境和透平前温度的变化规律,本文对其进行了分析。
燃气轮机循环热效率随大气环境温度的变化规律见图 8,分析结果数据发现:3种循环热效率均随环境温度的升高而降低,且在低温时DCGT循环燃气轮机的优势更为明显;环境温度从250 K升高到313 K时,DCGT循环热效率从0.536下降到0.517,降低了3.5％,而Brayton循环则从0.441下降到0.436,降低了1.3％,说明环境温度对DCGT循环燃气轮机的性能影响较Brayton循环大。
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| 图 8 环境温度对循环热效率的影响 |
图 9是压气机压比为16且T3相同时燃气轮机透平前温度对循环热效率的影响规律曲线。从理论上分析,理想Brayton循环热效率仅与压气机压比和比热比有关,一般假设比热比不变,则在压气机压比不变时循环热效率将不随透平前温度T3改变而改变。图 9中Brayton循环燃气轮机的热效率随透平前温度的增加而先增加后减小,这主要是因为分析过程中考虑了比热比随温度的变化情况。
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| 图 9 透平前温度对循环热效率的影响 |
在透平前温度为1 558 K时Brayton循环热效率达到最大值0.454,这与目前F级燃气轮机设计的透平前温度基本相符,此时DCGT和Humphrey循环的热效率分别为0.501和0.502,DCGT循环较Brayton循环热效率提高了10.4％;在整个透平前温度变化范围内,DCGT和Humphrey循环的热效率均随透平前温度的升高而提高,当透平前温度高于1 689 K时,DCGT循环热效率高于Humphrey循环,说明提高透平前温度对DCGT循环更有利。
5 结 论1) 3种循环在压气机压比、吸热量和透平背压相同的条件下,DCGT、Brayton和Humphrey 3种循环的热效率均随压气机压比的升高而增加;在整个压比变化范围内DCGT循环的整体性能最高,Brayton循环与DCGT循环之间的差距随压比的升高而逐渐缩小;压气机压比对Brayton循环的影响最大,对Humphrey循环次之,而对DCGT循环影响最小;DCGT循环燃气轮机在压比为6.6时其总体性能与压比为16时Brayton循环燃气轮机相当。
2) 在压气机压比为16,透平前温度不限制时,DCGT循环热效率较Brayton循环提高15.4％,燃料消耗率较Brayton循环降低13.5％;而透平前温度限制为1558 K时,DCGT较Brayton循环燃气轮机热效率提高10.4％。
3) 环境大气温度的变化对燃气轮机热效率具有一定的影响,3种循环热效率均随环境温度的升高而降低,在低温时DCGT循环燃气轮机的优势更为明显。
致谢 本文受华能集团总部科技项目HNKJ14-H05‘F级燃气轮机燃烧调整技术基础性研究’资助,特致以诚挚感谢。
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