燃气轮机原理、结构及运行维护

1、燃气轮燃气轮机原机原理、结构及运行维理、结构及运行维护护1复述复述燃气轮机的基本原理燃气轮机的基本原理和相关结论和相关结论陈述燃气轮机的基本陈述燃气轮机的基本结构结构和技术难点和技术难点说出燃气轮机的说出燃气轮机的运行和运行和检修的特点检修的特点123课程目标课程目标 2目录目录 31.1. 燃气轮机的基本原理燃气轮机的基本原理2.2. 燃气轮机的基本结构燃气轮机的基本结构3.3. 燃气轮机的运行与维护燃气轮机的运行与维护4. 4. 燃气轮机技术的最新发展燃气轮机技术的最新发展第第一一章章 燃气轮机的基本原理燃气轮机的基本原理目录目录 4燃气轮机循环燃气轮机循环 理想循环：理想循环：布雷顿布雷

2、顿 循环循环（BraytonBrayton） 利用高温高压燃气在利用高温高压燃气在燃气轮机中膨胀做功，带动发电燃气轮机中膨胀做功，带动发电机转动的机转动的动力循环装置。动力循环装置。1.1 基本原理基本原理-引言引言5理想简单循环压容图和温熵图透平压气机负载燃料绝热压缩过程绝热压缩过程等压燃烧过程等压燃烧过程绝热膨胀过程绝热膨胀过程等压放热过程等压放热过程 理想简单循环四过程：理想简单循环四过程：13421.1 基本原理基本原理-理想简单循环理想简单循环6绝热膨胀过程绝热膨胀过程34s ：面积34sp1*p2*3就是透平膨胀做功做功等压放热过程等压放热过程 4s 1：面积4s1s1s34s则是

3、燃气排气耗能耗能面积面积34s12s3=面积34s p1*p2*3-面积12sp2*p1*1=lts-lys=lcs mystscqqqqqqll111121211循环效率：绝热压缩过程绝热压缩过程12s：面积12sp2*p1*1就是绝热压缩耗功耗功) 1()(*1*1*2mppysTcTTcl等压燃烧过程等压燃烧过程2s 3：面积2s3s3s12s就是空气从外界吸入的热能吸入的热能)(*2*31TTcqp)11 ()(*3*4*3mpptsTcTTcl)(*1*42TTcqp111*1mmpcsTcl*1*3TT温比：4 . 1k空气：kkm1-系数：*1*2pp压比：1.1 基本原理基本原

4、理-理想简单循环理想简单循环7实际简单循环压容图和温熵图由于：1）压气机的叶型损失、环端面损失及二次流损失；2）燃烧过程中的滞止压力降低 ； 3）燃气透平中的型阻损失、端部损失、轮盘摩擦损失、余速损失等 ； 4）透平的排气总压p4*要比大气压压力略高等。透平的膨胀功透平的膨胀功lt减少了，而压气机的压缩功减少了，而压气机的压缩功lys增大增大 ，对外界输出的实际循对外界输出的实际循环环净功净功lcs=lts-lys 减少减少了，实际循环的了，实际循环的循环效率减少循环效率减少。1.1 基本原理基本原理-实际简单循环实际简单循环8实际循环中循环热效率实际循环中循环热效率gt与与和和*的变化关系的

5、变化关系实际循环中实际循环中比功率比功率lcs/cpTa 与与和和*的变化关系的变化关系1.1 基本原理基本原理-实际简单循环实际简单循环9 1 1，理想简单循环的比功与，理想简单循环的比功与压比压比和和温比温比都有关系都有关系 2 2，理想简单循环的效率只，理想简单循环的效率只与与压比压比有关。有关。理想简单循环理想简单循环 1 1，随着，随着温比温比的增加，实际的增加，实际简单循环比功和效率均有所简单循环比功和效率均有所增加增加 2 2，一定的温比条件下，存，一定的温比条件下，存在一个在一个最佳压比最佳压比，此时实际，此时实际简单循环的比功达到最大。简单循环的比功达到最大。实际简单循环实际

6、简单循环1.1 基本原理基本原理-对比对比101.1 基本原理基本原理-实例实例11减少损失减少损失最佳压比最佳压比提高效率提高效率提高比功提高比功提高温比、透平效率、压气机效率和燃烧室效率，或是减少机组各部分的流阻损失，都可以提高燃气轮机热效率和比功。为了使机组的热效率和比功达到最大值，还必须合理选择最佳压比。提高燃气轮机机组热效率的措施还有采用回热循环和燃气-蒸汽联合循环的方案。提高燃气轮机机组比功的种措施还有采用间冷循环和再热循环。提高燃气轮机提高燃气轮机效率效率和和比功比功的措施：的措施：1.1 基本原理基本原理-措施措施12环境温度的影响环境温度的影响1.1 基本原理基本原理-影响因

7、素影响因素131.2 叶轮机械原理叶轮机械原理-引言引言14透平透平压气机压气机能量转换：能量转换：叶栅通道：叶栅通道：流动过程：流动过程：级的构成：级的构成：叶型：叶型：轮缘功：轮缘功：工作环境：工作环境：级数：级数：多级流程：多级流程：效率：效率：焓焓机械能机械能收敛式收敛式膨胀加速膨胀加速静叶动叶静叶动叶厚、弯度大厚、弯度大大大高温高温少少扩展扩展单级：单级：0.88-0.91多级：多级：0.91-0.94机械能机械能压力势能热能压力势能热能扩散式扩散式扩压减速扩压减速动叶静叶动叶静叶薄、弯度小薄、弯度小小小低温低温多多缩小缩小单级：单级：0.88-0.90多级：多级：0.83-0.87

8、1.2 叶轮机械原理叶轮机械原理-对比介绍对比介绍透平与压气机的对比透平与压气机的对比15气体流经压气机级的参数变化气体流经压气机级的参数变化 1.2 叶轮机械原理叶轮机械原理-参数变化参数变化161.2 叶轮机械原理叶轮机械原理-速度三角形速度三角形基元级基元级速度三角形速度三角形C = w + u17 基元级叶栅形状和气流流入角沿叶高不同，因此轴流压气机的工作轮叶片和导流器叶片呈扭曲状。 1.2 叶轮机械原理叶轮机械原理-扭曲叶片扭曲叶片18气流进入叶片示意图气流进入叶片示意图1.2 叶轮机械原理叶轮机械原理-喘振喘振攻角：攻角：压气机在工作时，气流进入叶片的流入角压气机在工作时，气流进入

9、叶片的流入角1一般情况下与叶片的几一般情况下与叶片的几何进口角何进口角1k不相一致，它们的差值，称为攻角。不相一致，它们的差值，称为攻角。19基本理论的两点结论？大气温度的影响？叶片为何是扭曲的？喘振发生的机理？p 对一个燃机联合循环电厂来说，采用进气冷却是否有用？本章小结本章小结20第二章第二章 燃气轮机的基本结构燃气轮机的基本结构目录目录 21燃气轮机燃气轮机2.1 整体结构整体结构-引言引言22燃机型号燃机型号M701F4SGT5-4000F(4)9FB（03）燃烧室形式燃烧室形式环管形环管形DLN环形环形 DLNDLN2.6+压比压比1817.218燃机简单循环出力，燃机简单循环出力，

10、MWMW312287295燃机简单循环效率，燃机简单循环效率，% %39.339.538.6单轴联合循环出力，单轴联合循环出力，MWMW470423455单轴联合循环效率，单轴联合循环效率，% %59.558.6659.3透平进气温度，透平进气温度，1427*13431370燃机排气温度，燃机排气温度，597590633.6空气流量，空气流量，kg/skg/s730672.5648.6国内目前引进最先进的燃气轮机国内目前引进最先进的燃气轮机2.1 整体结构整体结构-引言引言23型号三菱M701JGE 9FB（05）西门子SGT5-8000H压气机压比（级数）压气机压比（级数）23（15级）19

11、.7（14级）19.2（13级）透平入口温度（透平入口温度（）1600（静叶入口）简单循环出力（简单循环出力（MWMW）460330375单轴联合循环出力（单轴联合循环出力（MWMW）670510578联合循环效率（联合循环效率（% %）616060.75NOxNOx排放（排放（mg/Nm3mg/Nm3）25ppm30-50（25ppm）启动时间（点火到启动时间（点火到FSNLFSNL）10-15min6min带负荷时间带负荷时间从从230MW到到460MW仅仅需需11.5min热态热态启启动满负动满负荷小荷小于于30min标标准准25分到分到375MW快速快速 10分分钟钟到到375MW目前

12、最先进的燃气轮机目前最先进的燃气轮机2.1 整体结构整体结构-引言引言242.1 整体结构整体结构-总体结构总体结构压气机透平燃烧室25序号序号型号型号单位单位 M701F4S109FB SGT5-4000F(4)1总体总体1.1点火转速rpm约约6004203961.2自持转速rpm约约2000240015601.3电子超速跳闸转速rpm3330330032401.4重量(法兰与法兰之间)t440309.6423121.5燃机转子重量t93841301.6尺寸(长宽高)m17.35.85.810.55510.8x5.2x4.92压气机压气机2.1级数级级1718152.2类型轴流式轴流式轴流

13、式轴流式轴流式轴流式2.3汽缸中分面水平水平水平水平水平水平2.4压比1818.3172.5转子结构类型拉杆轮盘拉杆轮盘拉杆轮盘拉杆轮盘中空轴，中空轴， 叶轮由叶轮由中心拉杆连接中心拉杆连接2.6可调叶片级数1112.1 整体结构整体结构-结构对比结构对比26编号编号型号型号单位单位 M701F4S109FB SGT5-4000F(4)3透平透平3.1级数4343.2喷嘴空气冷却13级级第第1、2、3级级14级级3.3叶片空气冷却13级级第第1、2级级14级叶片叶级叶片叶根冷却根冷却4燃烧系统燃烧系统4.1类型环管形，环管形，干式低干式低NOx环管环管形，形，DLN2.6+环形环形DLN4.2

14、燃烧室数量个个201814.3每个燃烧室的燃料喷嘴数量个个256244.4点火器数量个个22244.5火焰监测器数量个个4424.6火焰监测器类型紫外线检测紫外线检测紫外线紫外线 UV&IR火焰传火焰传感器感器4.7燃烧器的空冷系统对流、薄膜对流、薄膜冲击冷却冲击冷却冲击、气膜冲击、气膜4.8过渡段的空冷系统对流、薄膜对流、薄膜冲击冷却冲击冷却不适用不适用2.1 整体结构整体结构-结构对比结构对比272.2 部件部件-压气机压气机282.2 部件部件-压气机压气机29 燃气轮机一般有十几个燃烧器，每个燃烧器都可看成一个单独的燃烧室（环管形）。如下图所示： 2.2 部件部件-燃烧室燃烧室

15、30 2.2 部件部件-燃烧室燃烧室31燃烧室的燃烧过程：燃烧室的燃烧过程：天然气通过燃烧室端部燃气入口进入燃烧室，喷入的天然气与压气机压入的空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧，生成高温高压燃气从燃烧室过渡段喷出，进入透平做功。 2.2 部件部件-燃烧室燃烧室32 燃气透平也称为燃气轮：燃气透平也称为燃气轮：从燃烧室喷出的高压燃气推动透平叶轮旋转，把燃气的内能转化为透平的机械能。2.2 部件部件-燃气透平燃气透平332.2 部件部件-燃气透平燃气透平34燃气轮机结构燃气轮机结构2.3 M701F燃机燃机-整体结构整体结构35Torque Pins Between Compressor Disks 压

16、气机叶轮之间的传扭小圆柱压气机叶轮之间的传扭小圆柱在透平之间的在透平之间的齿状耦合齿状耦合Curvic CouplingBetween Turbine Disks切向支撑结构切向支撑结构 Tangential Strut Easy Blade Exchange动叶换装容易的叶根结构动叶换装容易的叶根结构Blade Ring Structure (Double Casing)双层机匣结构双层机匣结构External Cooler for Rotor Cooling Air用于冷却轴系的外部冷却系统用于冷却轴系的外部冷却系统Cold End Drive低温部的轴动力驱动装置低温部的轴动力驱动装置2

17、.3 M701F燃机燃机-结构特点结构特点36压气机隔板环压气机隔板环2.3 M701F燃机燃机-压气机压气机37燃烧器结构及工作原理燃烧器结构及工作原理2.3 M701F燃机燃机-燃烧室燃烧室38燃烧器结构及工作原理燃烧器结构及工作原理2.3 M701F燃机燃机-燃烧室燃烧室392.3 M701F燃机燃机-燃烧室燃烧室燃烧器燃烧器旁路阀旁路阀40抽气冷却抽气冷却2.3 M701F燃机燃机-燃气透平燃气透平412.3 M701F燃机燃机-燃气透平燃气透平动、静叶的动、静叶的冷却冷却422.3 M701F燃机燃机-燃气透平燃气透平一级动、静叶叶片上的冷却技术一级动、静叶叶片上的冷却技术43三大品

18、牌三大部件技术难点p 三大品牌（GE、西门子、三菱），你更喜欢哪个品牌？本章小结本章小结44目录目录 第第三三章章 燃气轮机的运行与维护燃气轮机的运行与维护45空气烟气系统主流程空气烟气系统主流程3.1 辅助系统辅助系统-空烟系统空烟系统空气空气烟气烟气463.1 辅助系统辅助系统-空烟系统空烟系统IGV：473.1 辅助系统辅助系统-水洗系统水洗系统为何要洗？该怎样洗？48Drying Operation1 hourForcedCooling2 min.TimeSpeed2 min.2 min.1 hr.* 1hr for drain and restore the valve positi

19、ons.800rpm离线水洗流程图3.1 辅助系统辅助系统-水洗系统水洗系统49 调节前 调节后3.1 辅助系统辅助系统-燃气调节系统燃气调节系统50如何防止喘振？如何防止喘振？如何防止热悬挂如何防止热悬挂？3.2 燃机的运行燃机的运行-启动启动燃机的启动：燃机的启动：51高速盘车高速盘车：3.2 燃机的运行燃机的运行-高速盘车高速盘车高速盘车？高速盘车？有何作用？有何作用？523.2 燃机的运行燃机的运行-猫拱背猫拱背“猫拱背猫拱背”现象：现象：533.2 燃机的运行燃机的运行-猫拱背猫拱背54压气机出口椭圆形变形：压气机出口椭圆形变形：CompressorBlade Ring3.4 燃机的

20、运行燃机的运行-椭圆形变形椭圆形变形553.3 燃机检修燃机检修-检修周期检修周期检修周期的计算：检修周期的计算：56连续运行机组连续运行机组 等效运行小时数等效运行小时数两班制运行机组两班制运行机组 启停次数启停次数p 燃机检修分为燃烧室检修（CI）、透平检修（TI）及大修（MI）三类。p 燃机热通道部件为强制性row in-row out（进一出一）式备件，即整体将热通道部件拆卸并送至专业修理厂进行维护，现场用新部件或修理件来代替。 检修间隔检修间隔检修与维护的类型检修与维护的类型需要检查的部件需要检查的部件第一次第一次8,000等效运行小时（等效运行小时（1）或者或者300次启动，以先达

21、到者为次启动，以先达到者为准准燃烧室检修燃烧室检修（拆卸燃烧室部分）（拆卸燃烧室部分） 外观检查和外观检查和NDT*1燃烧室火焰筒，过渡段和燃料喷嘴燃烧室火焰筒，过渡段和燃料喷嘴 目视检查，点火器点火试验，火焰探测器功能试验目视检查，点火器点火试验，火焰探测器功能试验 第一级透平动叶片的外观检查，第一级和第四级透平静叶片的外观检查第一级透平动叶片的外观检查，第一级和第四级透平静叶片的外观检查 压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查第二次第二次16,000等效运行小时（等效运行小时（1）或者或者600次启动，以

22、先达到者为次启动，以先达到者为准准透平检修透平检修（卸除透平缸盖）（卸除透平缸盖） 透平动叶片，静叶片和密封的外观检查和透平动叶片，静叶片和密封的外观检查和NDT*1 压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查。压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查。同时进行燃烧室的检修同时进行燃烧室的检修第三次第三次24,000等效运行小时（等效运行小时（1）或者或者900次启动，以先达到者为次启动，以先达到者为准准燃烧室检修燃烧室检修（拆卸燃烧室部分）（拆卸燃烧室部分） 外观检查和外观检查和NDT*1燃烧室火焰筒，过渡段和燃料喷嘴燃烧室火焰筒，过渡段和燃料喷嘴

23、目视检查，点火器点火试验，火焰探测器功能试验目视检查，点火器点火试验，火焰探测器功能试验 第一级透平动叶片的外观检查，第一级和第四级透平静叶片的外观检查第一级透平动叶片的外观检查，第一级和第四级透平静叶片的外观检查 压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查第四次第四次32,000等效运行小时（等效运行小时（1）或者或者1,200次启动，以先达到者为次启动，以先达到者为准准透平检修透平检修（卸除透平缸盖）（卸除透平缸盖） 透平动叶片，静叶片和密封的外观检查和透平动叶片，静叶片和密封的外观检查和NDT*1 压气机进

24、口导叶，第一级叶片，压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查。最后一级隔板以及出口导叶的外观检查。同时进行燃烧室的检修同时进行燃烧室的检修第五次第五次40,000等效运行小时（等效运行小时（1）或者或者1,500次启动，以先达到者为次启动，以先达到者为准准燃烧室检修燃烧室检修（拆卸燃烧室部分）（拆卸燃烧室部分） 外观检查和外观检查和NDT*1燃烧室火焰筒，过渡段和燃料喷嘴燃烧室火焰筒，过渡段和燃料喷嘴 目视检查，点火器点火试验，火焰探测器功能试验目视检查，点火器点火试验，火焰探测器功能试验 第一级透平动叶片的外观检查，第一级和第四级透平静叶片的外观检查第一级透平动叶片的外

25、观检查，第一级和第四级透平静叶片的外观检查 压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查压气机进口导叶，第一级叶片，最后一级隔板以及出口导叶的外观检查第六次第六次48,000等效运行小时或者等效运行小时或者1,800次启动，以先达到者为准次启动，以先达到者为准大修和检查大修和检查（拆除透平和压气机所有的缸（拆除透平和压气机所有的缸盖并拆除发电机转子）盖并拆除发电机转子） 对所有部件进行目视检查和对所有部件进行目视检查和NDT*2在检修期间由业主进行附属设备，控制部分和仪器仪表的检查在检修期间由业主进行附属设备，控制部分和仪器仪表的检查3.3 燃机检修燃机检修-检修内容检修内容

26、57三菱三菱F3燃机燃机热通道部件预期使用寿命及保证寿命热通道部件预期使用寿命及保证寿命部件代码部件代码部件名称部件名称数量数量合同预期使用寿命合同预期使用寿命合同保证寿命合同保证寿命CB燃烧室火焰筒（内筒）燃烧室火焰筒（内筒）2024,000 EOH（1）或）或1,600次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准16800TP过渡段（尾筒）过渡段（尾筒）2024,000 EOH（1）或）或1,600次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准16800联焰管联焰管19对对24,000 EOH（1）或）或1,600次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准16800FN燃料喷嘴燃料喷嘴2050,000

27、 EOH（1）或）或1,800次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准35000T1S一级透平动叶一级透平动叶9650,000 EOH（1）或）或1,800次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准35000T1C一级透平静叶（每片一叶）一级透平静叶（每片一叶）4050,000 EOH（1）或）或1,800次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准35000T1RS一级分隔环一级分隔环6050,000 EOH（1）或）或1,800次启动，以先到者为准次启动，以先到者为准35000T2S二级透平动叶二级透平动叶8750,000 EOH（2）35000T2C二级透平静叶（每片二叶）二级透平静叶（每片二

28、叶）3250,000 EOH（2）35000T2RS二级分隔环二级分隔环6450,000 EOH（2）35000T3S三级透平动叶三级透平动叶11250,000 EOH（2）35000T3C三级透平静叶（每片三叶）三级透平静叶（每片三叶）1880,000 EOH（2）56000T3RS三级分隔环三级分隔环3680,000 EOH（2）56000T4S四级透平动叶四级透平动叶100100,000 EOH（2）70000T4C四级透平静叶（每片四叶）四级透平静叶（每片四叶）14100,000 EOH（2）70000T4RS四级分隔环四级分隔环28100,000 EOH（2）700003.3 燃机检

29、修燃机检修-高温部件寿命高温部件寿命583.3 燃机检修燃机检修-燃机缺陷燃机缺陷59故障原因故障原因拉杆螺栓（右侧）有拉杆螺栓（右侧）有400400左右，温度应力变化对轮盘的影响没有考虑到，左右，温度应力变化对轮盘的影响没有考虑到，冷启动中，有一小段时间温度应力超限冷启动中，有一小段时间温度应力超限发生于低周到期高周的变化中。发生于低周到期高周的变化中。故障现象：振动发生变化故障现象：振动发生变化，拉杆螺栓处检查有裂纹拉杆螺栓处检查有裂纹。压压气气机机三三级级轮轮盘盘裂裂纹纹3.3 燃机检修燃机检修-燃机缺陷燃机缺陷60处理措施：加工倒角扩大为设计值处理措施：加工倒角扩大为设计值1.51.底

30、部及直径粗加工2.底部半精加工3. 底部精加工4. 直径精加工压压气气机机三三级级轮轮盘盘裂裂纹纹3.3 燃机检修燃机检修-燃机缺陷燃机缺陷61 辅助系统：空烟、水洗、辅助系统：空烟、水洗、燃气调节燃气调节 机组运行：启动、高盘、机组运行：启动、高盘、猫拱背猫拱背 机组检修：检修周期和检机组检修：检修周期和检修内容修内容本章小结本章小结62目录目录 第第四四章章 燃机技术的最新发展燃机技术的最新发展634.1 发展趋势发展趋势2. 更大出力更大出力1. 更高效率更高效率3. 更加环保更加环保4. 安全可靠运行安全可靠运行单机效率、联合循环效率降低单位kw造价等经济成本降低NOx及CO等污染物排放节能，降低单位kw发电成本快速启动及加减负荷，满足调峰运行需要延长寿命，特别是热通道部件目目标标642. 减少损失减少损失2） 提高提高*3T1） 降低降低*1