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1、燃气轮机装置 燃气轮机装置 概述燃气轮机循环燃气轮机的结构和工作原理燃气轮机变工况燃气轮机的主要系统 2 1 燃气轮机的组成和任务2 燃气 蒸汽联合循环3 燃气轮机的发展简史4 我国燃气轮机技术的发展与应用5 燃气轮机发电装置的分类和命名 第一章概论 3 一 燃气轮机的组成燃气轮机 GasTurbine 主要由压气机 Compressor 燃烧室 Comburstion 燃气透平 Turbine 三大部分组成 燃气轮机的组成和任务 4 燃气轮机的组成和任务 二 燃气轮机的任务燃气轮机是以空气和燃气作为工作介质 即工质 将其热能转换为机械能的高速旋转式动力机械 其任务就是将燃料的化学能转变为燃气
2、的热能 又将燃气的热能部分转变成旋转机械能 燃气轮机及其外负荷通称为燃气轮机装置或燃气轮机机组 外负荷 压气机 升压站 船舶飞机 螺旋桨 车辆飞机 发动机 及发电机等 5 燃气轮机的组成和任务 三 燃气轮机工作过程在压气机中空气从外界连续被吸入 并使之增压 同时其温度也相应提高 在燃烧室中高压空气与燃料 天然气 煤气或油 混合燃烧形成高压高温燃气 在燃气透平中燃气膨胀做功 压力降低 温度降低 将燃气的热能转变为透平转子的机械能 透平转子带动压气机和外负荷转子高速旋转 从透平中将做完功的燃气 乏气排至大气中放热 6 GE公司9FA燃气轮机机剖面图 7 GE公司9FA燃机转子实物图 8 V94 2
3、燃气轮机 9 燃气轮机的组成和任务 四 燃气的轮机优点与内燃机相比 优点 单机功率较大 重量轻 体积小 启动快 排气污染小 缺点 油耗高 制造成本高 与汽轮机相比 优点 装置简单 紧楱 重量轻 体积小 启动快 带负荷快 不需大量冷却水 缺点 单机功率较小 效率较低 运行寿命短 10 燃气 蒸汽联合循环 一 燃气 蒸汽联合循环的特点燃气 蒸汽联合循环由燃气轮机 余热锅炉和蒸汽轮机组成 将燃气轮机循环透平排出的工质 排气温度较高 约为450 600 大型机组排气量达100 600kg s 燃气透平产生的一部分能量用于驱动压气机 而其余部分能量用于驱动发电机 膨胀后的气体则通过余热锅炉从主烟囱排入大
4、气 进入余热锅炉将水加热成过热蒸汽 过热蒸汽进入蒸汽轮机中做功 对于燃气轮机循环 排气温度T2受排气压力限制 排气温度T2限制了其效率的提高 等效卡诺循环 t 1 T2 T1 一般可达到36 40 11 燃气 蒸汽联合循环 对于蒸汽轮机循环 平均吸热温度T1受到了汽轮机材料的耐温耐压的限制 汽轮机进汽温度一般为450 600 平均吸热温度T1限制了其效率的提高 等效卡诺循环 t 1 T2 T1 一般循环效率可达到40 采用燃气 蒸汽联合循环 发电或热电联产 系统中能源从高品位到中低品位逐级利用 即形成能源的阶梯级利用 一般效率可达58 60 12 燃气 蒸汽联合循环 二 燃气 蒸汽联合循环发电
5、的主要优点 1 电厂整体循环效率高 2 对环境污染小 无SO2排放 NOx和CO排放低 3 在相同条件下 单位容量投资小 4 调峰性能好 启动快捷 燃气轮机从启动到带满负荷运行一般不到20min联合循环从启动到带满负荷运行热启60min 温启90min 冷启120min 蒸汽轮机循环热启90min 温启180min 冷启300min 5 占地少 火电厂的30 40 6 耗水量少 燃机循环为火电厂2 10 的用水量 联合循环为同容量火电厂1 3的用水量 7 建厂周期短 8 自动化程度高 总之 从电网运行的机动性 调峰灵活 和安全可靠 可实现黑启动 性出发 15 20 的燃气轮机循环机组是必要的
6、13 燃气 蒸汽联合循环 14 燃气轮机装置的分类和命名 一 燃气轮机装置的分类 1 按用途分燃气轮机装置可分为地面燃气轮机 船 车辆 用燃气轮机和航空燃气轮机 地面燃气轮机可分为工业用燃气轮机和发电用燃气轮机 2 发电用燃气轮机按结构形式可分工业型和航机改装型两大类 工业型燃气轮机是目前应用较广泛的机组 它具有寿命长 能长期连续安全运行 效率高 节省贵重金属材料等优点 缺点机组重而大 15 燃气轮机装置的分类和命名 3 按循环分按燃气轮机热力循环特点可分为简单循环 中间冷却循环 再热循环和回热循环 4 按燃气轮机转子结构分按燃气轮机转子结构分可分为单轴 双轴或三轴燃气轮机装置 16 燃气轮机
7、装置的分类和命名 二 燃气轮机装置命名规则燃气轮机的命名规则各制造厂各不相同 现以GE公司的重型和航机改装型燃气轮机为例介绍我国JB T2783 1992的燃气轮机命名规则与GE的类似 各代号的含义规定如下 含义用途 燃气轮机系列号 输出功率 轴式 循环方式 压气机改型号 1 用途 以大写字母表示M 机械驱动GD 发电设备PG 箱装式发电设备 17 燃气轮机装置的分类和命名 2 燃气轮机系列号 3 5 6 7 9相应表示 MS3002 MS5000 MS6001 MS7001和MS9001等系列 3 输出功率 大致为几百 几千或几万hphp表示英制马力 1hp 0 7457kW 4 轴式 单轴
8、用 1 双轴用 2 5 循环方式 R 表示回热循环 此项缺省表示简单循环 6 压气机改型号 代表压气机型号及相关技术 18 燃气轮机装置的分类和命名 举例PG9171E 表示箱装式发电机组 PackageGenerator MS9001系列E型 简单循环 单轴机组 其出力约为17万hp 19 燃气轮机装置的分类和命名 三 联合循环命名规则 GE公司产品为例 含义联合循环代号 燃气轮机数量 0 无意义 燃气轮机系列号 压气机改型号 1 联合循环代号 用 S 表示 S是STAG SteameandGas 蒸汽与燃气 的缩写 2 燃气轮机数量 是指一套联合循环装置中燃气轮机的台数 用1 2 3 表示
9、 举例S309E 表示配备3台MS9001系列E型燃气轮机和1台汽轮机的燃气 蒸汽联合循环机组 20 第二章燃气轮机热力循环 1 概述2 理想简单燃气轮机循环3 实际简单燃气轮机循环4 燃气轮机回热循环5 复杂燃气轮机循环6 闭式燃气轮机循环 21 概述 以理想简单燃气轮机循环为例燃气轮机的工质视为理想气体 理想简单燃气轮机循环为可逆循环 组成循环的过程分别为 在压气机中实现工质可逆绝热压缩过程1 2 在燃烧室中实现工质可逆定压吸热过程2 3 在燃气透平中实现工质可逆绝热膨胀过程3 4 燃气透平排气 乏气 排入大气实现工质可逆定压放热过程4 1 循环由布雷顿 Brayton 于1872年提出
10、也被称为布雷顿循环 22 概述 23 概述 24 概述 25 概述 燃气轮机发电装置循环的主要性能指标一 压缩比 增压比 压缩比 指压气机出口的气体压力与进口气体压力之比 表示工质被压缩的程度 一般情况下 压气机进气压力即为大气压力 26 概述 二 温比 循环的加热比 温比 是指燃气轮机循环中所达到的最高温度T3 与最低温度T1 之比 T3 亦为燃气的初温 可定义如下 1 燃烧室出口处燃气的温度 2 燃气透平第一级喷嘴叶栅后燃气的温度 3 以进入燃气透平的所有空气流量计算的平均温度 T3 是一个参考性的透平入口燃气温度 一般根据试验测得的相关参数 进行燃烧系统热平衡计算而得到 27 概述 28
11、 概述 三 比功比功是指相应于进入燃气轮机的1kg空气 在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的功 用符号 wt 表示 单位的符号kJ kg空气wt PGT G式中 PGT 燃气轮机输出的额定功率 kW G 单位时间流入压气机的空气质量 kg s 比功的大小在一定程度上反映了机组尺寸的大小 因为当燃气轮机装置输出功率一定时 比功越大 则流经压气机的空气质量流量越少 装置尺寸就可以小些 比功是航空燃气轮机的重要性能指标 29 概述 地面电站燃气轮机对装置的重量没有严格要求 因此对比功不做特别的限制 而将燃气轮机发电装置的输出电功率作为主要的性能指标 四 单机功率 1 标准额定功率标准额定功率是指
12、在ISO工况下 环境温度15 海平面高度 相对湿度60 以燃天然气的工况连续运行 发电机输出的最大功率 2 合同额定功率 3 现场额定功率 4 尖峰功率 30 概述 五 热效率 1 循环效率循环效率是指当工质完成一个循环 燃气轮机输出的比功与相应1kg空气的燃料所放出的热量的百分比 GT wt q PGT Gf Hu 2 装置效率 MGT wMt q GT M 3 发电效率 GGT wGt q GT M G 31 概述 六 热耗率HRGT 3600Gf Hu PGTG七 有用功系数 有用功系数是指相对于1kg空气的循环净功 比功 与燃气透平输出的轴功之比 wt wT 32 理想简单燃气轮机循环
13、 一 理想简单燃气轮机循环比功结论 图3 2所示 1 压比不变时 比功随着温比的增加而增加 2 温比不变时 比功随着压温比的变化有一最大值 相应于比功最大值时的压比称为比功最佳压比 图3 3所示 温比不变时 压比从小变大 循环面积先从小变大后从大变小 中间必然有一个最大的面积 即最大比功 它相应的压比为比功最佳压比 33 理想简单燃气轮机循环 二 理想简单燃气轮机循环热效率结论 图3 4所示 理想简单燃气轮机循环热效率只与压比有关 并随压比的增加单调增加 34 实际简单燃气轮机循环 一 实际简单燃气轮机循环比功 35 实际简单燃气轮机循环 二 实际简单燃气轮机循环效率 36 实际简单燃气轮机循
14、环 三 影响实际循环比功和实际循环效率的因素 1 压气机和透平的效率压气机和透平的效率 轴流式压气机效率 0 88 0 91轴流式透平的效率 0 89 0 92 37 实际简单燃气轮机循环 2 燃烧室效率燃烧室效率是工质在燃烧室实际获得的热量与加入燃烧室中的燃料完全燃烧时所放出的热量的比值 由于存在着不完全燃烧和散热损失 燃烧室效率小于1 燃烧室效率一般范围为0 96 0 99 结论 燃烧室效率主要影响循环效率 燃烧室效率对循环比功的影响是通过对工质流量的差别来影响的 38 实际简单燃气轮机循环 3 压力损失进气压力损失 进气压力损失系数 进气压力保持系数 燃烧室压力损失燃烧室压力损失系数 燃
15、烧室压力保持系数 排气压力损失 排气压力损失系数 排气压力保持系数 保持系数 压力损失使压比减小 39 实际简单燃气轮机循环 4 工质流量的差别结论 在燃气轮机中f值一般不超过0 02 cl大约为0 04 0 12 因此进入透平的燃气流量比压气机的空气流量小 导致循环比功和循环效率减小 40 实际简单燃气轮机循环 5 机械损失 6 工质热力性质的差别 41 回热循环 回热循环 利用燃气透平的排气 乏气 加热压气机出口的空气 提高它进入燃烧室温度 可使燃烧室中加入的燃料量减少 乏气对环境放热损失减少 从而提高循环热效率 在燃气轮机装置中加入回热器的循环为回热循环 结论 1 2 3 42 复杂循环
16、 一 压缩过程中间冷却循环 间冷循环 间冷循环是指在压气机中压缩过程中间 把工质引至冷却器冷却后 再回压气机中继续压缩完成压缩过程 冷却器将压气机分为低压和高压两部分 总的压比一定 压比的最佳分配 43 思考题 1 应用工程热力学理论 试分析燃气 蒸汽联合循环效率高的原因 提示 应用等效卡诺循环 2 什么是压缩比 燃气轮机循环比功 燃气轮机循环效率 标准额定功率 3 理想简单燃气轮机循环由哪些过程组成 画出理想简单燃气轮机循环装置简图 工质压力 温度变化简图及温 熵图 T s图 4 影响实际循环比功和实际循环效率的主要因素有哪些 实际循环效率与理想简单燃气轮机循环效率的根本区别是什么 5 燃气轮机循环有哪些 44 第三章燃气轮机结构及工作原理 V94 2型 1 概述2 压气机的结构及工作原理3 燃烧室的结构及工作原理4 燃气透平的结构及工作原理 45 概述 V94 2型燃气轮机 46 概述 V94 2型燃气轮机纵剖面图 47 概述 V94 2型燃气轮机 48 概述 V94 2型燃气轮机纵剖面图说明及结构特点 1压气机的轴承箱2带静叶持环的中心部分3带中心连杆的压气机和透平转子4带轴承的
