燃气轮机与天然气发动机

1、第五章第五章 天然气发动机天然气发动机 天然气发动机是一种以天然气或其它混合气体为燃料，天然气发动机是一种以天然气或其它混合气体为燃料，靠火花塞点燃的活塞式内燃机。靠火花塞点燃的活塞式内燃机。5.1 天然气发动机的分类天然气发动机的分类 天然气发动机可按工作循环、吸气方式、转速以及结构天然气发动机可按工作循环、吸气方式、转速以及结构等的不同，分为多种型式。等的不同，分为多种型式。一工作循环分类一工作循环分类1四冲程循环四冲程循环 四冲程循环四冲程循环包括进气包括进气、压缩压缩、燃烧及膨胀燃烧及膨胀、排气等四个冲排气等四个冲程程，需要有两个完整的活塞行程来完成，其示功图如图，需要有两个完整的活塞

2、行程来完成，其示功图如图5-1所所示示。2二冲程循环二冲程循环 二冲程循环的进气和排气集中在很短的一个时期内进行，二冲程循环的进气和排气集中在很短的一个时期内进行，只有压缩和膨胀二个冲程完成一个循环。只有压缩和膨胀二个冲程完成一个循环。 图图5-2是燃油二冲程工作循环的示功图。是燃油二冲程工作循环的示功图。 图中图中12为压缩过程为压缩过程 23为燃烧过程为燃烧过程 34燃气膨胀燃气膨胀 56，61新鲜工质新鲜工质空气的充气过程空气的充气过程二吸气方式分类二吸气方式分类 天然气发动机的吸气方式分为从大天然气发动机的吸气方式分为从大气自然吸气和增压冷却式吸气。气自然吸气和增压冷却式吸气。 图图5

3、-3表示一台废气涡轮增压式发表示一台废气涡轮增压式发动机组。它主要由发动机本体动机组。它主要由发动机本体1，废，废气涡轮气涡轮4及增压器及增压器5所组成。发动机的所组成。发动机的排气经排气阀排气经排气阀2进入废气涡轮继续膨进入废气涡轮继续膨胀作功，废气涡轮所得的功用以带动胀作功，废气涡轮所得的功用以带动压缩机压缩机5，使产生一定压力的压缩空，使产生一定压力的压缩空气由进气阀气由进气阀3充入发动机气缸。充入发动机气缸。 天然气发动机利用增压器可以增大天然气发动机利用增压器可以增大单机功率单机功率。发动机按转速分类为：发动机按转速分类为：高速高速大于大于1500r/min；中速中速7001500r

4、/min；低速低速小于小于700r/min。 高速发动机在重量和尺寸上占优点，但通常比中速、低高速发动机在重量和尺寸上占优点，但通常比中速、低速发动机需要更多的维修。高速发动机常应用于备用或临时速发动机需要更多的维修。高速发动机常应用于备用或临时使用机组。一般说来，低速发动机使用寿命长。使用机组。一般说来，低速发动机使用寿命长。 发动机的压缩比，即发动机的压缩比，即活塞运动时气缸的最大容积与气缸活塞运动时气缸的最大容积与气缸的最小容积之比的最小容积之比。发动机的压缩比分为高压缩比和低压缩比。发动机的压缩比分为高压缩比和低压缩比。五结构型式分类五结构型式分类 天然气发动机根据与压缩机的联接方式，

5、可分为组合式和天然气发动机根据与压缩机的联接方式，可分为组合式和单独发动机。组合式即发动机与压缩机共用机身，组成天然气单独发动机。组合式即发动机与压缩机共用机身，组成天然气发动机发动机-压缩机组，如图压缩机组，如图5-4所示。所示。14为左侧缸，为左侧缸，58为右侧缸。为右侧缸。 为压缩机的气缸。为压缩机的气缸。5.3 燃料气系统燃料气系统一燃料气选择一燃料气选择 燃气热值在燃气热值在29.896.7MJ/m3，丁烷含量不大于，丁烷含量不大于10%（体（体积）的各种燃料气均可以作为天然气发动机的燃料。积）的各种燃料气均可以作为天然气发动机的燃料。 燃料气的组成不同，不仅表现在热值上有差异，其临

6、界燃料气的组成不同，不仅表现在热值上有差异，其临界压缩比、辛烷值也不一样。压缩比、辛烷值也不一样。 表表5-1 燃料气的临界压缩比和辛烷值燃料气的临界压缩比和辛烷值 从表从表5-1中可以看出甲烷和丁烷之间在临界压缩比和辛烷中可以看出甲烷和丁烷之间在临界压缩比和辛烷值上有较大的差异，这种差异说明了值上有较大的差异，这种差异说明了工业用的丁烷或丙烷工业用的丁烷或丙烷-丁烷混合物，在任何情况下都不能应用于高压缩比的发动机丁烷混合物，在任何情况下都不能应用于高压缩比的发动机上作燃料气。上作燃料气。 发动机的爆燃主要受压缩比、点火时间和进气温度的影响。发动机的爆燃主要受压缩比、点火时间和进气温度的影响。

7、 燃烧速度与燃料气的辛烷值有关，燃烧速度与燃料气的辛烷值有关，辛烷值越低，燃烧速度辛烷值越低，燃烧速度越快，点火时间要延迟较长。越快，点火时间要延迟较长。 发动机的压缩比主要是通过增加压缩燃气温度来影响爆燃。发动机的压缩比主要是通过增加压缩燃气温度来影响爆燃。 当发动机的压缩比高于燃料气的临界压缩比时，燃料气在当发动机的压缩比高于燃料气的临界压缩比时，燃料气在气缸内会自燃。气缸内会自燃。 使用湿燃料气对动力气缸有许多害处，即易发生机械损使用湿燃料气对动力气缸有许多害处，即易发生机械损伤、爆燃。因此，对于湿燃料气必须先进行冷凝和过滤，伤、爆燃。因此，对于湿燃料气必须先进行冷凝和过滤，将游离水在进

8、入发动机之前分离将游离水在进入发动机之前分离。二燃料气量二燃料气量 发动机的燃料气消耗量是考核发动机性能的一个重要指发动机的燃料气消耗量是考核发动机性能的一个重要指标，用燃料消耗比或消耗率（也称耗热率）表示，其值为标，用燃料消耗比或消耗率（也称耗热率）表示，其值为1113.4MJ/(kWh)（高热值）。（高热值）。四冲程自然吸气式发动机燃料气供应系统如图四冲程自然吸气式发动机燃料气供应系统如图5-5。图图5-6为美国库伯能源服务公司生产的为美国库伯能源服务公司生产的GMVA-10A发动机燃发动机燃料启动气供应系统示意图。图中主要指示燃料气压力的变化。料启动气供应系统示意图。图中主要指示燃料气压

9、力的变化。5.4 冷却系统冷却系统 发动机的冷却系统是机组的重要组成部分，冷却发动机的冷却系统是机组的重要组成部分，冷却系统运行正常，不仅能保证发动机正常运行还可以延系统运行正常，不仅能保证发动机正常运行还可以延长发动机的使用寿命。长发动机的使用寿命。一冷却水需要量一冷却水需要量 冷却水的需要量，随着动力气缸夹套、油冷却器、冷却水的需要量，随着动力气缸夹套、油冷却器、排出汇管、涡轮增压空气后冷却器（适用于涡轮增压排出汇管、涡轮增压空气后冷却器（适用于涡轮增压式发动机）等处的散热速度，以及冷却水进出口温升式发动机）等处的散热速度，以及冷却水进出口温升而变化。需要由冷却水带走的热量，一般为发动机燃

10、而变化。需要由冷却水带走的热量，一般为发动机燃料消耗率的料消耗率的30%左右。左右。二冷却方式二冷却方式 发动机的冷却方式分为开式和闭式冷却。发动机的冷却方式分为开式和闭式冷却。开式系统开式系统指由外部供水冷却指由外部供水冷却。 闭式冷却闭式冷却是指机组配带冷却系统，冷却系统包括循是指机组配带冷却系统，冷却系统包括循环泵、机油冷却器、进出发动机管汇、水温调节器、环泵、机油冷却器、进出发动机管汇、水温调节器、散热器或装在发动机上的膨胀箱和换热器等组成完整散热器或装在发动机上的膨胀箱和换热器等组成完整的系统。图的系统。图5-7为冷却系统的一种配置系统示意图。为冷却系统的一种配置系统示意图。 闭式冷

11、却系统中冷却水换热后温度升高导致体积膨胀，闭式冷却系统中冷却水换热后温度升高导致体积膨胀，接受增加的体积的方法有两种：接受增加的体积的方法有两种：一种是系统中液体的膨胀量一种是系统中液体的膨胀量进入膨胀箱；另一种是膨胀箱与系统组成闭合回路，即膨胀进入膨胀箱；另一种是膨胀箱与系统组成闭合回路，即膨胀箱串接在系统中。箱串接在系统中。图图5-7所示为前一种。所示为前一种。 膨胀箱的另一个作用是脱出冷却介质中的空气。膨胀箱的另一个作用是脱出冷却介质中的空气。 美国卡特皮勒公司生产的发动机冷却系统配置。对于自然美国卡特皮勒公司生产的发动机冷却系统配置。对于自然吸气式发动机冷却系统配置见图吸气式发动机冷却

12、系统配置见图5-8。 低压缩比的涡轮增压后冷却式发动机采用两低压缩比的涡轮增压后冷却式发动机采用两套循环系统，如图套循环系统，如图5-9所示。所示。 高压缩比的涡轮增压后冷却器要求水温低，需要高压缩比的涡轮增压后冷却器要求水温低，需要单独由外部系统供水，如图单独由外部系统供水，如图5-10。5.5 启动系统启动系统 发动机的启动系统分压缩空气或气体和电动机发动机的启动系统分压缩空气或气体和电动机启动。压缩空气或气体启动又分为用风动马达和直启动。压缩空气或气体启动又分为用风动马达和直接将气体引入动力缸启动。接将气体引入动力缸启动。 用风马达启动如图用风马达启动如图5-11所示。它是用压缩空气推所

13、示。它是用压缩空气推动风马达转动，使风马达所带齿轮转动，再带动发动风马达转动，使风马达所带齿轮转动，再带动发动机的飞轮上的齿轮转动，这样使发动机上的动力动机的飞轮上的齿轮转动，这样使发动机上的动力缸内的活塞运动，吸入天然气和空气混合物，经点缸内的活塞运动，吸入天然气和空气混合物，经点火，发动机启动。火，发动机启动。5.6 余热回收余热回收 天然气发动机余热可回收的部分指排烟、冷却水、润滑油冷天然气发动机余热可回收的部分指排烟、冷却水、润滑油冷却三部分。目前发动机的冷却水、润滑油进出口温度均控制较却三部分。目前发动机的冷却水、润滑油进出口温度均控制较低，如发动机冷却水出水温度约低，如发动机冷却水

14、出水温度约80 C，润滑油冷却器出水温度，润滑油冷却器出水温度还低。同时考虑到机组撬装特点，冷却水采用闭路冷却系统，还低。同时考虑到机组撬装特点，冷却水采用闭路冷却系统，此部分热量一般不考虑利用。此部分热量一般不考虑利用。5.7 应用情况应用情况 适用于驱动：活塞式压缩机，直接传动的发电机，直接或通适用于驱动：活塞式压缩机，直接传动的发电机，直接或通过齿轮传动的风机、离心式压缩机和泵等。由于转速低，目前过齿轮传动的风机、离心式压缩机和泵等。由于转速低，目前国内油（气）田主要用来带动抽油机、活塞式压缩机和发电机国内油（气）田主要用来带动抽油机、活塞式压缩机和发电机等。等。第六章 燃气轮机 燃气轮

15、机是一种以空气及燃气为工质、靠连续燃气轮机是一种以空气及燃气为工质、靠连续 燃烧燃料做功的旋转式热力发动机，主要结构有三燃烧燃料做功的旋转式热力发动机，主要结构有三部分：部分：1.1.压气机（空气压缩机）；压气机（空气压缩机）；2.2.燃烧室；燃烧室；3.3.透平透平( (动力涡轮动力涡轮) )。 工作原理工作原理：轴流式压气机从外部吸收空气，压缩后送入：轴流式压气机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行定压燃烧。生成的高温高压烟缩空气混合，在受控方式下进行定压燃烧。生成

16、的高温高压烟气进入透平膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而使得转子气进入透平膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而使得转子旋转做功，转子做功的大部分（现时情况下约旋转做功，转子做功的大部分（现时情况下约2/32/3左右）用于左右）用于驱动压气机，另约驱动压气机，另约1/31/3的功被输出用来驱动机械设备，如发电的功被输出用来驱动机械设备，如发电机、泵、压缩机等等。透平出来的烟气温度很高，通常被排入机、泵、压缩机等等。透平出来的烟气温度很高，通常被排入大气中或再加利用（如利用余热锅炉进行联合循环）。大气中或再加利用（如利用余热锅炉进行联合循环）。 燃气轮机动力装置同蒸汽轮机装置和内燃机相比较，具燃

17、气轮机动力装置同蒸汽轮机装置和内燃机相比较，具有装置紧凑、轻小，燃料适应性较强（比内燃机），公害少，有装置紧凑、轻小，燃料适应性较强（比内燃机），公害少，节省水、电、润滑油，启动快，自动化程度高，余热回收后节省水、电、润滑油，启动快，自动化程度高，余热回收后可以得到高的热利用率，维修快、运行可靠等优点。因此，可以得到高的热利用率，维修快、运行可靠等优点。因此，燃气轮机的应用范围几乎遍及各个主要经济部门。燃气轮机的应用范围几乎遍及各个主要经济部门。 我国油（气）田及管道应用燃气轮机才刚刚开始，而且我国油（气）田及管道应用燃气轮机才刚刚开始，而且多数用于发电，用于驱动压缩机的台数还不多。多数用于发

18、电，用于驱动压缩机的台数还不多。6.2 燃气轮机的分类和应用燃气轮机的分类和应用一燃气轮机按工质的热力循环一燃气轮机按工质的热力循环（1）开式循环）开式循环 工质由大气吸入燃气轮机，参与工作后再排到大气的一工质由大气吸入燃气轮机，参与工作后再排到大气的一种热力循环。种热力循环。（2）闭式循环）闭式循环 工质封闭于机内，可采用非空气工质，大部分为外燃式，工质封闭于机内，可采用非空气工质，大部分为外燃式，或利用原子能经过传热来加热工质。半闭式循环也属于这一或利用原子能经过传热来加热工质。半闭式循环也属于这一类。类。二开式循环燃气轮机按工质热力循环复杂程度分二开式循环燃气轮机按工质热力循环复杂程度分

19、（1）简单循环）简单循环 仅由压缩、一次加热和膨胀过程组成的燃气轮机热力循环，仅由压缩、一次加热和膨胀过程组成的燃气轮机热力循环，如图如图6-1a、b。 （2 2）复杂循环）复杂循环 除简单循环外采用把回热和间冷、再热等方式中的一个或除简单循环外采用把回热和间冷、再热等方式中的一个或几个组合起来的燃气轮机热力循环。几个组合起来的燃气轮机热力循环。 1 1）回热循环）回热循环 带有回热器的燃气轮机热力循环，如图带有回热器的燃气轮机热力循环，如图6-1c6-1c。回热循环比。回热循环比简单循环燃气轮机效率大约增加简单循环燃气轮机效率大约增加67%67%，但价格较高。，但价格较高。 2 2）中间冷却

20、循环）中间冷却循环 在相继的压缩级间，对工质进行冷却在相继的压缩级间，对工质进行冷却的燃气轮机热力循环，简称间冷循环，如图的燃气轮机热力循环，简称间冷循环，如图6-1d6-1d。这也是提。这也是提高燃气轮机性能的一种措施。高燃气轮机性能的一种措施。 3 3）再热循环）再热循环 在相继的膨胀级间，向工质补加热能的燃在相继的膨胀级间，向工质补加热能的燃气轮机热力循环，如图气轮机热力循环，如图6-1e6-1e。4 4）蒸汽回注循环）蒸汽回注循环 利用排烟产生的过热蒸汽喷入燃烧利用排烟产生的过热蒸汽喷入燃烧室，以增加气体流量和增大气体比热，从而提高燃气轮机性室，以增加气体流量和增大气体比热，从而提高燃

21、气轮机性能的热力循环，如图能的热力循环，如图6-1f6-1f。三燃气轮机按轴系分三燃气轮机按轴系分（1）单轴燃气轮机）单轴燃气轮机 压气机和涡轮从一根轴机械联接形成转子，直接或通过齿压气机和涡轮从一根轴机械联接形成转子，直接或通过齿轮箱输出功率的燃气轮机，如图轮箱输出功率的燃气轮机，如图6-1a。（2）多轴燃气轮机）多轴燃气轮机 至少具有两根机械上独立的涡轮轴的燃气轮机。至少具有两根机械上独立的涡轮轴的燃气轮机。（3）分轴燃气轮机）分轴燃气轮机 把单轴燃气轮机中的涡轮分为两个，一个带动压气机，一把单轴燃气轮机中的涡轮分为两个，一个带动压气机，一个带动负荷即变为分轴燃气轮机。这样，压气机与负荷就

22、不个带动负荷即变为分轴燃气轮机。这样，压气机与负荷就不再共轴，为多轴燃气轮机的一种。如图再共轴，为多轴燃气轮机的一种。如图6-1b。 （4 4）双轴燃气轮机）双轴燃气轮机 一种是高压涡轮带动高压压气机，低压涡轮带动低压压一种是高压涡轮带动高压压气机，低压涡轮带动低压压气机，称为平行双轴；后一种是高压涡轮带动低压压气机，低气机，称为平行双轴；后一种是高压涡轮带动低压压气机，低压涡轮带动高压压气机，称为交叉双轴。压涡轮带动高压压气机，称为交叉双轴。 一般所说双轴燃气轮机就是指平行双轴燃气轮机。如图一般所说双轴燃气轮机就是指平行双轴燃气轮机。如图6-26-2。（5 5）三轴燃气轮机）三轴燃气轮机 在平行双轴燃气轮机的基础上再增加一个涡轮，其中在平行双轴燃气轮机的基础上再增加一个涡轮，其中两