燃气轮机 (2)

1、 燃气轮机与联合循环期末总结 学 号姓 名： 余鹏坤 指导老师： 夏云春 时 间： 2016年6月18日 （2015）-（2016）学年 第（2）学期 前言一学期的时间眨眼就过了，在夏云春老师的带领下，我们完成了燃气轮机与联合循环这本书的学习。我们知道，燃气轮机联合循环，又称燃气蒸汽联合循环，是指将燃气轮机和蒸汽轮机组合起来的一种发电方式，主要由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机和其他许多热力设备按照一定的功能和工艺要求组合在一起的庞大的复杂度系统。现在我对本书中部分知识点做出自己归纳和整理。总共分为三章。第一章分析燃气轮机的发展历史、现状、应用和基本原理；第二章包括联合循环

2、这一转换效率最高的发电方式，分析其原理和分类；整理前，在夏云春老师的帮助下，搜集很多的文献和论文，这些资料对我的整理产生了很大的帮助，谨向老师致敬！敬请读者批评指正。 编者 2016年6月 目录前言绪论1第 一 章 燃气轮机的发展历史、现状以及工作原理2第一节 燃气轮机在我国工业的发展现状2第二节 燃气轮机的工作原理3第 二 章 联合循环概论5第一节 汽轮机循环和燃气轮机循环的局限性5第二节联合循环的热力学原理7第 三 章 联合循环的分类9第一节 余热锅炉型联合循环9第二节 补燃余热锅炉联合循环9第三节 增压锅炉型联合循环10参考文献12绪论在自然界中有很多种能源，如煤、石油、天然气、核燃料、

3、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能，大都不能直接被人类直接应用，绝大部分都要在转换成电能、汽油、柴油、焦炭、煤气、蒸汽、热水、氢等二次能源后，才能被人类所方便的利用。在这些二次能源中，最常用的属于清洁方便可远距离传输的电能。目前，全世界电能消费占终端能源消费总量的40%左右。随着电能的需求增加，发电技术也在不断的进步中。分为热力发电和非热力发电，前者包括火力发电、核能发电、地热发电、太阳能热发电、垃圾焚烧发电、海水温差发电等；热力发电的技术核心是热机。至今位置热力发电主要靠汽轮机和燃气轮机。汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动

4、机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 。燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。蒸汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸气的热能转化为机械功的旋转机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。这种装置出现的很早，公元690年左右，我国张遂就曾用燃气使铜轮转动；至公元959年前后，我国民间已经流行用蜡烛燃烧热气流推动的走马灯；1550年，意大利的达芬奇设计出了利用壁炉烟气推动叶轮转动的装置。到十八世纪末，人们已经开始主动利用热力循环知识来设计燃气轮机，

5、1791年，巴贝尔建议过有往复式压气机的汽轮机；1872年，侨居英国的美国工程师布雷顿创造了一种把压缩缸和膨胀缸分开的煤气机。然而，直到二十世纪的四十年代，燃气机才开始从试验模型发展成为具有工业价值的动力装置。1939年，BBC公司制成了第一台用于发电的燃气轮机，功率4000kw，效率18%；同年，EW公司制成了第一台闭式循环汽轮机。不过，直到二十世纪八十年代，燃气轮机才开始被广泛的应用于发电领域，并逐步发展到了与汽轮机分庭抗礼的地步。在我国，基于各种资源的限制，石油天然气时代可能永远也不会到来，我国一次能源的演化趋势可能是：以煤炭为主，到煤炭和各种资源并存，再到以核聚变能和各种可在生能源为主

6、演化。基于此，估计我国的发电技术可能会从以汽轮机发电为主，过渡到燃煤的联合循环和各种发电技术并存，再过渡到核聚变能和各种可再生能源为主。无论如何，燃气-蒸汽联合循环发电都将是一种重要的发电技术，我们应该认真学习。 第 一 章 燃气轮机的发展历史、现状以及工作原理 第一节燃气轮机在我国的发展状况 我国解放前没有燃气轮机工业，解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。1956年我国制造的第一批喷气式飞机试飞，1958年起又有不少工厂设计试制过各种燃气轮机。1962年上海汽轮机厂试制船用燃气轮机，1964年与上海船厂合作制成550KW燃气轮机，1965年制成6000KW列车电站燃气轮机，

7、1971年制成3000KW卡车电站。在这期间还与703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等几种船用燃气轮机。1969年哈尔滨汽轮机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机，1973年与703研究所合作制成4410KW船用燃气轮机，与长春机车车辆厂合作制成3295KW机车燃气轮机。1964年南京汽轮电机厂制成1500KW电站燃气轮机；1970年制成37KW泵用燃气轮机；1972年制成1000KW电站燃气轮机；1977年制成21700KW快装式电站燃气轮机；1984年与GE公司合作生产了PG6541B型36000KW燃气轮机；从1984年至2004年已

8、生产了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四种型号燃气轮机，功率由36000KW上升到43660KW。2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与GE公司进一步扩大合作生产范围，在南京汽轮电机集团有限责任公司生产S209E型燃气蒸汽联合循环发电装置中的燃气轮机、汽轮机和发电机。1978年东方汽轮机厂制成6000KW燃气轮机；1972年杭州汽轮机厂制成200KW燃气轮机；1972年青岛汽轮机厂制成1500KW卡车电站燃气轮机。2003国家发改委决定在秦皇岛建一座燃气轮机生产基地，与美国GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。该生产基地隶属于哈电集团

9、，与哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂共同生产S109FA-SS型燃气蒸汽联合循环发电设备。2004年8月在秦皇岛组装的第一台MS9001FA型燃气轮机已发运到杭州半山电厂。2004年12月15日，中国具有自主知识产权的第一台重型燃气轮机、中航工业黎明R0110重型燃气轮机在中海油深圳电力有限公司现场完成72小时带负荷试验运行考核。此次运行考核验证了R0110重型燃气轮机的设计状态，是重型燃机研制过程的重要里程碑，为未来实现商业化运行打下了良好基础基础。 第二节.燃气轮机的工作原理 燃气轮机从负荷情况上划分可分为重型和轻型两类。一般工业上用于拖发电机组发电，或用于机械驱动的燃气轮机都是重型燃气轮机；

10、而用于飞机发动机的燃气轮机为轻型燃气轮机。从结构上划分，燃气轮机可分为单轴、双轴和多轴燃气轮机。单轴燃气轮机因其压气机、透平与负载共轴，负载的转速变化规律直接影响压气机转速，使吸入压气机的空气量发生变化，甚至使压气机喘振而发生事故。 为了使负载变化规律对压气机转速的影响降低到最小程度，即负载变化规律不直接影响压气机的转速，负载转速的变化规律只能通过内部气体工质的工作过程来间接影响压气机的工况，人们设法使压气机与负载不共轴，因而产生了双轴和多轴燃气轮机。由上可见，在实际选型时，选用单轴、双轴还是多轴燃气轮机，取决于系统中负载的变化情况，当系统负载变化不大时，一般选用单轴燃气轮机，如大型火力发电厂

11、用于拖动发电机的燃气轮机；当系统负荷变化较大时，可视其具体情况选用双轴或多轴燃气轮机。燃气轮机的工作过程是通过压气机（即压缩机）连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，

12、还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。20 世纪 70 年代末，压缩比最高达到 31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达 1200左右，航空燃气轮机的超过 1350。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长

13、度。燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。 第二章 联合循环概论 第一节汽轮机循环和燃气轮机循环的局限性由于燃气轮机联合循环发电机组是燃气轮机、发电机与余热锅炉、蒸汽轮机（凝汽式）或供热式蒸汽轮

14、机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统，它是将燃气轮机作功后排出的高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，送人蒸汽轮机发电，或者将部分发电作功后的乏汽用于供热。常见形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机、蒸汽轮机各分别与发电机组合的多轴联合循环。主要用于发电和热电联产，燃气轮机联合循环机组具有以下独特的优点：发电效率高：由于燃气轮机利用了布朗和朗肯二个循环，原理和结构先进，热耗小，所以，联合循环发电效率近57-58%，而燃煤电厂(0.751000)MW机组发电效率仅20%48%。环境保护好：燃煤电厂锅炉排放灰尘很多，二氧化硫多，氮氧化物为200PPM，必须加装脱硫

15、（效率90%左右）、脱硝（效率（90%左右）及电除尘后（经脱硫、脱硝装置进一步除尘后每立方米含尘小于30豪克，比在家里的灰尘还少）使排放物除二氧化碳外均高于一般环境标准。燃机电厂余热锅炉排放无灰尘，二氧化硫极少，氮氧化物为(1025)PPM。运行方式灵活：燃煤电厂启停时间长，适合作为基本负荷运行，调峰性能差。燃机电厂，不仅能作为基本负荷运行，还可以作为调峰电厂运行；燃机为双燃料(油和天燃气)时，还可以对天然气进行调峰。消耗水量少：燃气一蒸汽联合循环电厂的蒸汽轮机仅占总容量的1/3，所以用水量一般为燃煤火电的1/3，由于凝汽负压部分的发电量在全系统中十分有限，国际上已广泛采用空气冷却方式，用水量

16、近乎为零。此外，甲烷(CH4)中的氢和空气中的氧燃烧还原成二氧化碳和水，每燃烧1m3天然气理论可回收约1.53kg水，每公斤可回收2.2kg水，足以满足电厂自身的用水。占地面积少：由于没有了煤和灰的堆放，又可使用空冷系统，电厂占地大大节省，占地仅为燃煤火电厂的10%30%，节约了大量的土地资源，这对地少人多的中国非常重要。建设周期短：燃气轮机系统发电的建设周期为810个月，联合循环系统发电的建设周期为1620个月，而燃煤火电厂需要2436个月，回收快。燃机所需燃料一般为液体或气机，燃料价格高，除非用于调峰，否则从经济性角度来讲不适用于带基本负荷。目前全世界正在发展整体煤气化发电技术（简称IGC

17、C），也就是将煤磨粉后不完全燃烧变成煤气后除尘进燃气轮机燃烧发电的技术，但煤粉气化装置造价高，布袋除尘器运行费用高，目前该技术正转向应用阶段，国内的华电、神华等集团正在申请IGCC项目。从中国燃料分布及拥有上，及机组效率上看发展该技术有发展前景，但该机组每千瓦造价要远高于1000MW超超临界机组，投资成为瓶井。由热力学原理知道，任何一种热机循环所能达到的最高热效率都可表示为 式中 -循环工质在高温热源的平均吸热温度，K； -循环工质在低温热源（冷源）的平均放热温度，K。 由此得，欲使热机循环达到较高热效率，必须使工质的平均吸热温度尽可能地高，同时使工质的平均放热温度尽可能地低。然而，在实际情况

18、往往是;一种单独的热机循环可能实现较低的工质平均放热温度，却不能实现较高的工质平均吸热温度；或者相反。发电行业传统上所采用的汽轮机循环和燃气轮机循环就是这样两种具有相反特征的例子。燃气轮机是以空气和燃气为工质的热机。它一般由压气机（compressor),燃烧室（combustion)和透平（turbine)三大部件构成，其中，压气机的作用与汽轮机循环中给水泵的作用类似，是提高工质的压力，燃烧室的作用与汽轮机循环中的锅炉的作用类似，将燃烧的化学能转化为工质的热能，透平的作用与汽轮机循环中的汽轮机相类似，是通过工质的膨胀将热能转化为机械功。与汽轮机中所不同的是，燃气轮机中的压气机是透平直接驱动的

19、，透平发出的机械功在抵消掉压气机的耗功之后才能带动发电机产生电能，如图2-1所示。 目前，汽轮机发电机组与燃气轮机机组的供电效率差不多处于同一水平，最高都在略高于40%的水平。但从热力学角度看，两种机组所采用的热力循环的特点则完全不同。汽轮机循环利用了蒸汽可在常温下凝结的特征，达到了较低温的工质平均放热温度，但工质平均吸热温度不高。燃气轮机的工质平均吸热温度很高，初温达到了13001500，但工质平均放热温度不低，排气温度往往在500以上，大功率燃气轮机的排气温度更是高达550640。第2节 联合循环的热力学原理 既然单独的设备效率提高越来越困难,我们想要提高热力系统的效率,就必须做到能源梯级

20、利用,来充分利用各品位的热能,提高整个系统的效率。所以，在这种背景下开始出现了各种联合循环方案。例如非补燃式余热锅炉型联合循环换、补燃式余热锅炉型联合循环、注蒸汽循环,整体煤气化联合循环,常压流化床联合循环一和增压流化床联合循环等。 如图2-5所示，燃气一蒸汽联合循环发电机组的主要设备有燃气轮机压气机,燃烧室,祸轮机,余热锅炉,汽轮机,发电机,凝汽器等。当燃气轮机工作时,压气机从外界大气中吸入空气。并把它压缩到某一压力,同时空气温度也相应提高,然后将空气送入燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气,进入燃气轮机中膨胀作功,直接带动发电机发电。燃气轮机的排气导入余热锅炉,用以产生高温高压蒸汽

21、驱动汽轮机带动电动机发电。汽轮机排汽再进入凝汽器中放热,凝结水又送入余热锅炉,形成蒸汽动力循环。这样既增加了总输出功率,又利用了燃气轮机和汽轮机各自的优点,使整个循环的热效率提高。1一2表示空气在压气机中的压缩过程；2一3表示空气和燃料在燃烧室内的燃烧过程,即燃气轮机的吸热过程3一4表示燃气在燃气轮机中的膨胀做功过程4一1表示燃气轮机的排气放热过程5一6表示给水压缩过程6一9表示蒸汽循环的吸热过程9一10表示蒸汽在汽轮机中的做功过程10一5表示汽轮机的排汽在凝汽器中的放热过程。 第三章 联合循环的分类 第一节余热锅炉型 热锅炉型联合循环的热力系统表示在图2-2中。这种形式的联合循环的优点是：技

22、术成熟、系统简单、造价低、起停速度快。但在燃气轮机排气温度较低的情况下，存在着余热锅炉效率低、蒸汽参数受限的缺陷。其汽轮机功率一般占机组总功率的30%-35%。20世纪80年代以前，燃气轮机的单机效率较小，燃气初温较低，在这种情况下，余热锅炉型联合循环由于余热锅炉效率低、汽轮机的功率也低，所以人们与分别提出来了补燃余热锅炉型和增压锅炉型联合循环。 第二节补燃余热锅炉联合循环 补燃余热锅炉联合循环的热力系统图2-3中 ，所示。他与余热锅炉型联合循环的主要不同在于余热锅炉中也加入一定燃料，利用燃气中剩余的氧气燃烧，提高余热锅炉效率以及蒸汽的参数。在热力过程熵可以理解为：温度为T（4）的燃气轮机排气

23、首先被补充的燃料加热到T(12)的温度，然后用来对水给水加热，温度减低到T(5)后排向大气。燃气在余热锅炉中放出的热量可由b-5-4-12-c-b表示，它与给水在过程6-7-8-9-a-b相等。 补燃余热锅炉优点是：在燃气轮机排气温度较低的情况下，可是蒸汽参数及流量大幅度提高，从而使机组的容量增加、效率提高；同时，机组的变工况性能也能得到改善。但是，补燃余热锅炉型联合循环并不是纯粹的能量梯级利用意义上的联合循环，其在或多或少地有部分热量只参与了汽轮机循环。所以，它只是在因蒸汽参数受到限制而无法采用高参数大功率汽轮机的条件下才可能优越于纯粹能量梯阶利用意义上的余热锅炉型联合循环。 第三节增压锅炉

24、型联合循环增压锅炉型联合循环在理想条件下的温熵图如图2-4。它将产生蒸汽的燃烧室和产生蒸汽的锅炉合二为一，利用外置的锅炉省煤器来回收透平的排气余热。在热力过程上可以理解为：由压气机送来的温度为T(2)的在增压锅炉中被加热到T(13)的温度，首先经过13-3的放热过程将部分热量传给水，使其经历过程12-7-8-9变为过热蒸汽，然后再经入透平膨胀做功；燃气轮机的排气在省煤器中将热量传给给水，温度降到T(5)后排向大气；给水在省煤器中吸收燃气轮机排气的热量后，其温度从T(9)升到T(12)。燃气在增压锅炉和省煤器中放出的热量可由面积b-5-4-3-13-c-b表示，它与给水吸收的温宿，即面积b-6-

25、7-8-9-d-b相等。增压锅炉型联合循环的特点为：增压锅炉型联合循环没有燃烧室，燃烧在增压锅炉中进行，有较高的压力，所需传热面积相对较小。在燃气轮机的初温较低时，产生的蒸汽不受影响，仍可达到较高的机组容量和效率。但是，增压锅炉这种很大的耐压容器，在设计上有较高的要求，也为安全运行带来了困难。 综合上述分析，进行比较后可以发现，增压锅炉型和补燃余热锅炉型的联合循环在燃气轮机初温较低时有较高的效率，当燃气轮机的初温高于 1250时，非补燃余热锅炉型联合循环的效率明显较高。现在燃气轮机的初温已经到达了 13001500的等级。所以，非补燃余热锅炉型的联合循环将是今后联合循环机组发展的主要方向。，

26、参考文献1 燃气轮机 国家重大技术装备网 20122 蒋洪德； 任静； 李雪英； 谭勤学； 重型燃气轮机现状与发展趋势；中国电机工程学报 （2014年29期） 2014-09-01 15:50 3 Axel Riedlinger ；On the practical identifiability of a two-parameter model of pulmonary gas exchangeironment ；2015-09-04 4 张文普； 燃气轮机技术的发展与应用 ；燃气轮机技术（2002.03.005 ）5 Jones D, Bhattacharyya D, Turton R, et al. Plant-wide control system design: Primary controlled variable selectionJ. Co