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1 2 燃气 蒸汽轮机联合循环发电讲座 1 燃气轮机发展状况1 1概述1 2 应用领域 1 3 燃气轮机在发电领域的应用与趋势 1 4燃气 蒸汽联合循环发电的主要特点2燃气轮机的基本概念和工作2 1 燃气轮机热力循环的四个基本过程 2 2 燃气轮机性能参数 2 3 燃气轮机热力参数 2 4 机组性能随环境温度的变化 2 5 燃气轮机主要部件 1 压气机 2 燃烧室 3 透平2 6 整机介绍2 7 机组过渡状态容易出现的问题 2 8 机组的检修计划与影响因素 1 ABB公司的评定标准 2 GE公司的评定标准 2 9 其它 1 GE公司燃机主要部件材料牌号与发展趋势 2 GT13DM技术数据 3 研究燃气轮机的主要学科3燃气轮机的主要配套系统及功能 3 1 燃气轮机发展状况1 1概述 燃气轮机是将气体压缩 加热后在透平中膨胀 把部分热能转换为机械能的高速回转式动力机械 它一般由压气机 燃烧室 透平 控制系统及基本的辅助设备组成 燃气轮机及其负荷统称燃气轮机机组 是以燃气轮机为动力的成套装置 如果用于发电 就包括发电机及其有关的基本设备在内 燃气轮机对压气机的要求比对通用的透平压气机要求高 对燃烧室的要求比对锅炉的要求高 对透平的要求比对蒸汽轮机的要求要高 由于对空气动力学认识的限制 受叶片材料 冶金工业 制造工艺发展的限制 应用年代迟于蒸汽轮机与活塞式机械 4 二十世纪四十年代开始 飞机的迅速发展促进了空气动力学的研究 为设计燃气轮机所必需的叶轮机空气动力学的发展打下了基础 为提高航空活塞式发动机的功率 设计了废气涡轮增压器 它为设计高效率的压气机与透平提供了理论基础并提供了实践经验 冶金工业的发展为燃汽轮机提供了高强度合金钢和铝合金 钛合金以及用于制造燃烧室 透平等高温部件的耐热合金 冷热加工工业的迅速发展 提高了制造工业水平 才可能制造出结构复杂的压气机叶片 透平叶片以及其它燃气轮机零部件 计算机自动控制系统的不断更新 以上涉及各领域相互关联 缺少哪方面都不能制造出高效率 高负荷的燃气轮机 5 燃气轮机在其问世后经历了不断改进与发展过程 与蒸汽机和内燃机相比其具有启动快 重量轻 功率大等特点 作为动力装置在诸多领域得到应用 航空军用民用 1 2应用领域 6 70年代坦克也开始正式使用燃气轮机 其它 泵站 输送油 气等 机车类 60 70年代航空发动机被成批地改装成陆海用装置 当时英 美 前苏联提出更新海军 使舰艇动力设备大批燃气轮机化 驱逐舰 7 1 3 燃气轮机在发电领域的应用及趋势 1939年第一台功率较大的燃气轮机简单循环发电机组问世 压比4 38 透平前温度575C 功率4MW 效率18 60年代吸取美国东北电网大停电事故 许多国家添设大批的应急 调峰简单循环发电机组至上世界90年代简单循环燃气轮机热效率可达39 燃气 蒸汽联合循环发电机组因热效率较高 发展甚快 燃气轮机发电技术已达到高度发展的时代功率等级由几百或几千W发展到100M以上等级的大机组 250 300MW的机组已投入商业运行燃气轮机简单循环效率由16 25 提高到38 39 5 联合循环热效率已达到58 60 燃气初温由600 700 提高到1288 1430 高温热部件材料由一般合金材料发展到同向结晶 定向结晶 现已采用单晶合金等 离子涂层也广泛应用采用对流 冲击冷却 已采用气膜冷却 发散冷却 最新技术采用蒸汽闭式循环冷却向高参数 高性能 大型化 和对环境的低污染的方向发展 8 1 4燃气 蒸汽联合循环发电的主要特点 1 启停用时短 调峰性能好 燃气轮机发电机组从启动到带满负荷运行 一般不到20分钟 快速启动更短 其联合循环发电机组热态启动60分钟 90分钟 温态启动90分钟 180分钟 冷态启动150分钟 300分钟 可带满负荷运行 按目前发展趋势来看 为提高电网运行的机动性和安全性 用占电网总容量15 20 的燃气轮机发电机组作为应急备用电源或调峰机组是必要的 2 电厂的整体循环效率高 常规燃煤电厂其循环及设备的限制 其热效率已很难有突破性的提高 目前超临界的600MW火电机组 其供电效率约40 左右 而燃气 蒸汽联合循环发电效率可达58 60 3 具有建厂周期短 占地少 对环境污染小 单位投资低的特点 4 耗水量小 燃气轮机发电机组不需要大量冷却水 一般燃气轮机简单循环只需火电厂的2 10 的用水量 联合循环也只需火电厂的30 左右 5 自动化程度 高运行人员少 由于联合循环电厂采用先进的集散式控制系统 控制人员可以大为减少 一般只有同容量火电厂人员的20 25 9 我国共有燃气轮机183台 分布在96处电厂总装机容量7200MW 燃气轮机发电在我国仅占发电总装机容量的2 4 轻型机组123台 重型机组60台简单循环发电39处联合循环发电43处蒸汽回汽循环发电4处其他 包括机械驱动 10处基本负荷发电1处按基本负荷配置可供调峰35处孤立电网发电或自备电源39处机械驱动10处热电联供3处柴油为燃料46台重油 原油为燃料30台天然气 高炉煤气或双燃料21台 10 压气机燃烧室透平 2燃气轮机的基本概念和工作 11 12 压气机 1 2理想绝热压缩过程 可逆 压缩功相当于面积P112P2 进口温度T1 和压比p2 p1越高 压缩功越高燃烧室 2 3等压燃烧加热过程热量相当于面积S123S2透平 3 4理想绝热膨胀过程 绝热可逆 膨胀功相当于面积P143P2 T3 和压比p3 p4越高 膨胀功越高烟道出口 4 1等压放热过程 排入大气中 热量相当于面积S241S1实际循环过程中 由于各种不可逆因素的影响 流动 摩擦与散热损失 将会导致机组比功与热效率的下降 2 1燃气轮机热力循环的四个基本过程 13 2 2燃气轮机的性能参数 装置比功比功是单位质量工质所作 或所需 的功 也就是单位流量工质所发出 或所需 的功率 通常机组的比功是流过燃气轮机单位质量空气所作的有用净功 它是气耗率的倒数 燃机比功近似等于透平比功与压气机比功之差 范围100 700 机组比功大者 气耗率小 发出相同功率所需工质流量小 机组也就可造的较小 因此应力争提高比功 Wn Wt Wc 14 装置效率效率是机组输出功与所输入的燃料热值之比 它反映了燃气轮机把燃料热能转化为机械动力 或电能 的经济性 15 2 3燃气轮机的热力参数 温比 T3 T1 代表工质的被加热程度 相应代表燃机高温合金与冷却技术的先进性 T3 透平进口温度T1 压气机进口温度压比 p2 p1 它代表工质的被压缩的程度 单转子 4 30 多转子 8 38这两大参数对燃气轮机的性能起着决定性的影响 同时对联合循环性能也有很大影响 表中括号内为联合循环性能参数T4 为燃机排气温度 16 17 2 4机组性能随环境温度的变化 18 2 5 燃气轮机主要部件 1 压气机 2 燃烧室 3 透平 19 1 压气机 功能 提高流过它空气的总压轴流式大流量 级压比1 15 1 40 多级轴流压气机效率0 87 轴流压气机级一列动叶 一列静叶 音速 和写赫数M 340米 秒 M 1亚音速流 M 1超音速流 0 8 M 1 2跨音速流 M 1的超音速气流绕物体 如叶片 流动式会产生激波 在那里气体速度压力 温度强列地变化 产生很大的损失 实际上叶栅前的M 0 8就可能在叶片上局部地区发生超音速和激波 因此通常透平和压气机叶栅前的马赫数都小于0 7 0 8 有时为了追求高的增压比 少的级数 采用跨音速和超音速叶栅 这种叶栅要专门设计 以减少激波损失 20 轴流式压气机工作原理 轴流式压气机级 动叶转动使气流以相对速度流入 W1 动叶栅通道稍有扩张 使W2 W1 压力提高P2 P1 动叶出口气流从绝对速度C2进入静叶 发生转拆后以绝对速度C3流出 通常静叶栅通道也是扩张的 C3 C2 P3 P2 可见动叶的主要功能是给气流加入功 同时也有部分压力提高 静叶的功能是转向并实现部分压力的提高 也可以把静叶设计成进口和出口面积相等 即气流在静叶中只转向不减速 C3 C2 也不提高压力P3 P2 级压力升高全部在动叶中完成 称为反动度为0的压气机级 动叶通道进出口面积相等 动叶只加功不扩压 压力升高全在静叶中完成 称为反动度为1的压气机级 实际压气机的反动度在0 5左右 这时压气机效率较高 动静叶有同样的扩张程度 速度三角形呈对称形状 21 压气机级的能量损失 通流部分摩擦损失 型面 端壁 涡流损失 分离 二次流 径向间隙漏泄 除直接的漏气损失外还会在主流中造成旋涡 能量损失在焓熵图上的表示 22 压气机喘振 喘振的现象和危害 压力脉动 下降 倒流 失去工作能力 强烈振动 叶片断裂 喘振的原因 大的攻角引起分离 当n不变流量减少出现正攻角 流量增大出现负攻角 当n减小时流量也减少 前几级C1减少多引起正攻角 后几级的压力也降低C1变化小 出现负攻角 所以n减小时前几级喘振 n增大时后几级喘振 但一般n不允许超过设计工况很多 所以喘振主要在前几级 旋转分离 喘振的先兆正攻角分离在某几个叶片先开始 引起分离叶片向旋转反方向移动 气流出现脉动但还不是真正的喘振 当这种分离达到整个叶栅通道 气流压力突然下降 以致系统中的高压气体体流强烈喘动 叶片上的作用力大幅度增加 而且反复变化 喘振 喘振和几点规律 压比越高的和级数越多的压气机喘振越严重 不同转速线有各自的喘振点 整个喘边界是不规划曲线 一般喘振出现在转速不变或转速减小时的前几级 进排气流动不均匀的压气机容易喘振 防喘措施喘振的根据原因在于正攻角 即速度三角形不与设计工况相似所引起的 压气机的前几级导叶可转 通过转叶使攻角减少甚至为零 放气 使前几级流量加大 攻角减少 有时要多点放气 23 功能 把燃料的化学能释放出来 转变为热能 使气体的总焓增大 以便提高燃气在透平中膨胀作功的能力 燃烧室设计中考虑的三大要素 油气比 火焰稳定性 运行稳定性 油气比 贫油燃烧 考虑到燃烧室与透平部件的承受能力火焰稳定性 高速气流 如何组织稳定的火焰运行稳定性 从点火 加速 不同负荷段运行 油气比变化范围很大 始终要求燃烧过程稳定充分高效 燃烧室的主要性能指标的大致范围 燃烧效率95 99 总压损失为3 7 出口温度场不均匀度小于15 燃烧室包含 燃料注射系统 主燃区 参混区 过渡段 燃烧室在结构设计中应该考虑的几大要素 良好的冷却 能够自由热膨胀 刚性好 便于维修与更换现代燃气轮机需要燃烧室在燃烧过程中尽可能少的产生Nox 型式 单筒 双筒 环管 环形 2 燃烧室 24 25 具体示例1 AlstomGT13D3直立单筒燃烧室简介 26 具体示例2 GEMS9001环管燃烧室简介 27 具体示例3 28 3 透平 功能 把高温 高压燃气中的能量转变为机械功 约3 5 2 3的机械功用以带动压气机 其余的则作为燃气轮机的输出功率以带动负载 一列静叶和一列动叶构成轴流透平级 静叶形成喷管产生高速气流 动叶受高速气流的推动产生功 静叶 动叶通道收缩 29 30 相对速度 绝对速度 速度三角形 反力式透平 31 透平级中的能量损失 叶栅型面损失摩擦 边界层的速度分布和摩擦分离 攻角扩压通道的边界分离尾涡流 出口边 端部损失叶栅端部两次流 马蹄涡 叶栅端部的横向流动 端部的两次流旋涡 叶高的选择 弯扭叶片减少端部损失的措施 余速损失的大小取决于其出口流速C2 32 透平性能的主要参数 设计状态 透平的运行状态参数 透平变工况 燃气初温初压T3 P3 转速n燃气流量GT 压气机流量G 燃料流量Gf公斤 秒膨胀比 T P3 P4 透平总功率NT 每公斤燃气发出的功率效率 T 轴流透平的效率通常在0 85 0 92之间 高温热部件材料由一般合金材料发展到同向结晶 定向结晶 现已采用单晶合金等 离子涂层也广泛应用采用对流 冲击冷却 已采用气膜冷却 发散冷却 最新技术采用蒸汽闭式循环冷却 高温热部件材料由一般合金材料发展到同向结晶 定向结晶 现已采用单晶合金等 离子涂层也广泛应用采用对流 冲击冷却 已采用气膜冷却 发散冷却 最新技术采用蒸汽闭式循环冷却 高温热部件材料由一般合金材料发展到同向结晶 定向结晶 现已采用单晶合金等 离子涂层也广泛应用采用对流 冲击冷却 已采用气膜冷却 发散冷却 最新技术采用蒸汽闭式循环冷却 高温热部件材料由一般合金材料发展到同向结晶 定向结晶 现已采用单晶合金等 离子涂层也广泛应用采用对流 冲击冷却 已采用气膜冷却 发散冷却 最新技术采用蒸汽闭式循环冷却 高温热部件材料由一般合金材料发展到同向结晶 定向结晶 现已采用单晶合金等 离子涂层也广泛应用采用对流 冲击冷却 已采用气膜冷却 发散冷却 最新技术采用蒸汽闭式循环冷却 33 透平结构 34 MS9001燃机透平结构与冷却 35 透平喷嘴叶片冷却结构 36 透平动叶的冷却结构 37 2 6整机介绍 9E机组 38 9E机组各部件简介 1 推力支持轴承组件 主推力轴承为斜推力块型 全部轴承是钢背 巴氏合金 油压润滑 2 定向进气缸 使气流均匀进入压气机3 进气导向叶片模块 主要功能是在起动过程中保护压气机喘振 也用于在余热锅炉部分负荷时维持高排气温度 4 压气机叶片 大叶弦 亚音速压气机叶片不锈钢材料 用于宽运行范围内强空气流设计 5 轴流式压气机 经受考验的17级压气机 用于不同运行条件和环境下的长寿命设计 6 叶轮结构 独特的宽大型叶轮 结合面按等强度加工 提供最大的材料同向性 7 叶轮轮周间隙 在非正常运行条件下的变形起保护转子的作用 8 螺栓孔结构 消除平衡和热弯曲问题并加强转子 9 水平分面 中心线上易于维修 10 冷却机壳 使尺寸保持稳定性 维持与转子之间的间隙 优化长期运行性能 11 定向进气 可用于外场或大修布置 12 燃料喷咀 气体 油 双燃料和雾化空气液体燃料喷咀 可使运行最大灵活性 13 回流式燃烧室系统 改进寿命设计 又易于维修和有利于运行效率 14 过渡段设计 燃烧排气分布不仅保证温度均匀进入透平 又延长喷咀和叶片寿命 15 喷咀设计 冷却空气通过各喷咀部件 增加寿命 围带结构 允许喷咀自由膨胀 1 推力支持轴承组件 主推力轴承为斜推力块型 全部轴承是钢背 巴氏合金 油压润滑 2 定向进气缸 使气流均匀进入压气机3 进气导向叶片模块 主要功能是在起动过程中保护压气机喘振 也用于在余热锅炉部分负荷时维持高排气温度 4 压气机叶片 大叶弦 亚音速压气机叶片不锈钢材料 用于宽运行范围内强空气流设计 5 轴流式压气机 经受考验的17级压气机 用于不同运行条件和环境下的长寿命设计 6 叶轮结构 独特的宽大型叶轮 结合面按等强度加工 提供最大的材料同向性 7 叶轮轮周间隙 在非正常运行条件下的变形起保护转子的作用 8 螺栓孔结构 消除平衡和热弯曲问题并加强转子 9 水平分面 中心线上易于维修 10 冷却机壳 使尺寸保持稳定性 维持与转子之间的间隙 优化长期运行性能 11 定向进气 可用于外场或大修布置 12 燃料喷咀 气体 油 双燃料和雾化空气液体燃料喷咀 可使运行最大灵活性 13 回流式燃烧室系统 改进寿命设计 又易于维修和有利于运行效率 14 过渡段设计 燃烧排气分布不仅保证温度均匀进入透平 又延长喷咀和叶片寿命 15 喷咀设计 冷却空气通过各喷咀部件 增加寿命 围带结构 允许喷咀自由膨胀 1 推力支持轴承组件 主推力轴承为斜推力块型 全部轴承是钢背 巴氏合金 油压润滑 2 定向进气缸 使气流均匀进入压气机3 进气导向叶片模块 主要功能是在起动过程中保护压气机喘振 也用于在余热锅炉部分负荷时维持高排气温度 4 压气机叶片 大叶弦 亚音速压气机叶片不锈钢材料 用于宽运行范围内强空气流设计 5 轴流式压气机 经受考验的17级压气机 用于不同运行条件和环境下的长寿命设计 6 叶轮结构 独特的宽大型叶轮 结合面按等强度加工 提供最大的材料同向性 7 叶轮轮周间隙 在非正常运行条件下的变形起保护转子的作用 8 螺栓孔结构 消除平衡和热弯曲问题并加强转子 9 水平分面 中心线上易于维修 10 冷却机壳 使尺寸保持稳定性 维持与转子之间的间隙 优化长期运行性能 11 定向进气 可用于外场或大修布置 12 燃料喷咀 气体 油 双燃料和雾化空气液体燃料喷咀 可使运行最大灵活性 13 回流式燃烧室系统 改进寿命设计 又易于维修和有利于运行效率 14 过渡段设计 燃烧排气分布不仅保证温度均匀进入透平 又延长喷咀和叶片寿命 15 喷咀设计 冷却空气通过各喷咀部件 增加寿命 围带结构 允许喷咀自由膨胀 推力支持轴承组件 主推力轴承为斜推力块型 全部轴承是钢背 巴氏合金 油压润滑 2 定向进气缸 使气流均匀进入压气机3 进气导向叶片模块 主要功能是在起动过程中保护压气机喘振 也用于在余热锅炉部分负荷时维持高排气温度 推力支持轴承组件 主推力轴承为斜推力块型 全部轴承是钢背 巴氏合金 油压润滑 2 定向进气缸 使气流均匀进入压气机3 进气导向叶片模块 主要功能是在起动过程中保护压气机喘振 也用于在余热锅炉部分负荷时维持高排气温度 1 推力支持轴承组件 主推力轴承为斜推力块型 全部轴承是钢背 巴氏合金 油压润滑 2 定向进气缸 使气流均匀进入压气机3 进气导向叶片模块 主要功能是在起动过程中保护压气机喘振 也用于在余热锅炉部分负荷时维持高排气温度 4 压气机叶片 大叶弦 亚音速压气机叶片不锈钢材料 用于宽运行范围内强空气流设计 5 轴流式压气机 经受考验的17级压气机 用于不同运行条件和环境下的长寿命设计 6 叶轮结构 独特的宽大型叶轮 结合面按等强度加工 提供最大的材料同向性 7 叶轮轮周间隙 在非正常运行条件下的变形起保护转子的作用 8 螺栓孔结构 消除平衡和热弯曲问题并加强转子 9 水平分面 中心线上易于维修 10 冷却机壳 使尺寸保持稳定性 维持与转子之间的间隙 优化长期运行性能 11 定向进气 可用于外场或大修布置 12 燃料喷咀 气体 油 双燃料和雾化空气液体燃料喷咀 可使运行最大灵活性 13 回流式燃烧室系统 改进寿命设计 又易于维修和有利于运行效率 14 过渡段设计 燃烧排气分布不仅保证温度均匀进入透平 又延长喷咀和叶片寿命 15 喷咀设计 冷却空气通过各喷咀部件 增加寿命 围带结构 允许喷咀自由膨胀 39 16 三级透平转子组件 高效运行设计 使用转子部件稳妥的材料温度 17 长柄叶片 使叶轮轮周与热通道部分隔离 减小叶片的温度以及减低振动 18 叶轮冷却 使用压气机抽气冷却透平叶轮和叶片 19 轮间热电偶 测量轮间冷却温度 以连续检测 增加可靠和可用性 20 温度测量 以热电偶提供两组排气温度控制 供保护报警和跳闸功能 21 定向排气 可用于外场或大修布置 22 负荷联轴节 刚性联轴节和联轴节护环 23 地下油管 为保证最大安全 高压油线用刚性钢管由卸油管使油回油箱 3 燃气轮机辅机间a 滑油系统 b 起动和冷拖系统c 辅助齿轮箱