2.1.2 燃气轮机的复杂循环
1.理想回热循环
在简单循环中，压气机出口温度与透平排气温度的相对大小对装置比功有很大影响，当二者相等时可以获得最大比功。当透平出口温度高于压气机出口温度时，比功下降，此时可以通过将燃气轮机排气的热量转移到压气机出口的方法来降低燃料量，从而提升装置效率，这就是回热循环。图2-3所示为理想回热循环的装置布置及温熵图，可以看到理想回热循环是在理想简单循环的基础上增加了一个回热器（R）。理想回热循环的回热度σ为1，即T2a=T4且T4a=T2，表示回热器出口的空气温度被加热到了透平排气温度，同时忽略回热器中的压力损失。
图2-3 理想回热循环的装置布置及温熵图
注：2a为空气经回热器加热后的状态点，4a为燃气透平排气经回热器放热后的状态点。
在理想回热循环中，1-2为等熵压缩过程；2-2a为等压预热过程，热量来自于4-4a过程；2a-3为等压加热过程；3-4为等熵膨胀过程；4-4a为等压放热过程，排出的热量加热压缩机出口的工质；4a-1为等压放热过程，排入大气。可以看到，理想回热循环温熵图中的比功面积1-2-3-4与理想简单循环一致，表示二者的比功相同。不过，理想简单循环的燃料比能为2-3下的图形面积，而理想回热循环的燃料比能为2a-3下的图形面积，可以明显看到理想回热循环的燃料量低于理想简单循环的燃料量。
2.理想间冷循环
装置比功是透平膨胀功与压气机压缩耗功之差，因此，提高膨胀功或降低压缩耗功都能增加装置的比功。在相同的膨胀比下提高工质温度，将提高工质的能量品位，产生更高的膨胀功，这就是再热循环的理论基础。相反，工质气体的温度越低，其分子速度越低，因此采用等温压缩将消耗更少的压缩功，这就是间冷循环的理论基础。
理想间冷循环的方案如图2-4所示，压气机被间冷器（IC）分为两段，即低压压气机（LC）和高压压气机（HC）。压缩过程中工质经间冷器降温后，回到压气机中继续完成压缩的燃气轮机循环称为间冷循环。理想的间冷循环需要在理想简单循环假定条件的基础上满足间冷器出口温度等于环境温度，即T1m=T1，而且忽略间冷器中的损失。
图2-4 理想间冷循环的方案图
图2-5给出了理想间冷循环的T-S图，从图中可以看出，理想间冷循环的装置比功面积为1-2m-1m-2-3-4，与理想简单循环的装置比功面积1-2′-3-4相比，增加了1m-2-2′-2m这一部分阴影面积。
图2-5 理想间冷循环的T-S图
3.理想再热循环
与理想间冷循环类似，理想再热循环的方案如图2-6所示，透平被再热燃烧室（B2）分为高压透平（HT）和低压透平（LT）。膨胀过程中，工质经再热燃烧室加热后，回到透平中继续完成膨胀过程的燃气轮机循环称为再热循环。理想的再热循环需要在理想简单循环假定条件的基础上满足透平再热后的温度与进入透平前的温度相同，即T3=T5，且忽略燃烧室中的损失。
图2-6 理想再热循环的方案图
图2-7给出了理想再热循环的T-S图，从图中可以看出，理想再热循环的装置比功面积为1-2-3-4-5-6，与理想简单循环的装置比功面积1-2-3-4相比，增加了4-5-6-4′这一部分阴影面积。
图2-7 理想再热循环的T-S图
4.理想间冷回热循环
采用间冷循环时，由于压比不变，而工质在通过低压压气机之后流经间冷器与低温的水进行换热，其温度被冷却到压气机进口温度T1，随后在高压压气机中完成第二阶段的压缩过程，因此，其高压压气机出口温度T2相比理想简单循环的压气机出口温度有所下降。为了保证透平前进口温度T3不变就需要加入更多的燃料，这就导致燃气轮机的比功增加但整体效率下降。不过，间冷循环也使得T4-T2进一步增加，这就为回热循环创造了条件。回热循环是通过增加燃料的利用率来提高装置效率的，同时不影响装置比功。将间冷循环与回热循环相结合可以增加燃气轮机的总效率。理想间冷回热循环同样需要满足理想间冷循环和理想回热循环各自的假设条件。
燃气轮机的实际循环与理想循环有很多不同之处：①实际循环中的工质不是理想气体，在流动过程中工质由空气变为燃气，在不同阶段的气体组分有很大差别，而燃气轮机的工作温度和压力都比较高，且在不同过程中有大幅度的变化，这就意味着工质的实际物性会随着流动过程发生相应的变化，对燃气轮机循环的计算也需要做相应的修正；②工质在压气机中的压缩过程和透平中的膨胀过程均存在流动损失而不满足等熵条件，这些损失来源比较复杂，主要包括流动损失、热损失、化学损失、传动辅机耗功等其他损失，这些损失在热力计算过程中也需要采用相应的系数做修正；③由于燃料的加入、透平冷却抽气、辅助系统抽气等因素，透平与压气机的工质流量是不同的，有时甚至有较大的差别；④燃料燃烧不完全、回热器出口温度小于透平排气温度、间冷器出口温度高于燃气轮机进口温度等问题也会影响燃气轮机的热力计算。由于上述因素的存在，理想循环的假定在实际中是不满足的，因此实际的燃气轮机的性能也同理想循环有一定的差异。