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1、 燃气轮机燃气轮机中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）热能与动力工程系热能与动力工程系2008-042008-04 n教材：教材：n燃气轮机史魁玺编 校内胶印n参考书：参考书：n燃气轮机燃气轮机， 朱梅林编，华中工学院出版社。朱梅林编，华中工学院出版社。n燃气轮机燃气轮机，翁史烈编，机械工业出版社。，翁史烈编，机械工业出版社。n燃气轮机装置燃气轮机装置，沈炳正编，机械工业出版社。，沈炳正编，机械工业出版社。本课程主要学习内容本课程主要学习内容n燃气轮机热力循环；燃气轮机热力循环；n燃气轮机三大件的基本构造、工作原理；燃气轮机三大件的基本构造、工作原理；n燃气轮机变工况特性；燃气轮机变工况特
2、性；n燃气轮机调节原理。燃气轮机调节原理。第一章第一章 燃气轮机及其热力循环燃气轮机及其热力循环1-1 概述概述 燃气轮机简介、分类、特点及应用；燃气轮机简介、分类、特点及应用；1-2 燃气轮机热力性能指标燃气轮机热力性能指标 热力参数（压比、温比）；热力参数（压比、温比）； 性能参数（比功和功率、热效率、耗油率和热耗率等）性能参数（比功和功率、热效率、耗油率和热耗率等）1-3 燃气轮机的简单循环燃气轮机的简单循环1-4 燃气轮机热力循环计算燃气轮机热力循环计算 (自学为主自学为主)1-5 提高燃气轮机热力性能的途径提高燃气轮机热力性能的途径1-1 概述一、燃气轮机简介n1 1、功能、功能n燃
3、气轮机是一种以燃气轮机是一种以空气和燃气空气和燃气为工作介质、为工作介质、将热能将热能转变为机械能转变为机械能的高速回转式动力机械。的高速回转式动力机械。n与内燃机、蒸汽轮机一样，为与内燃机、蒸汽轮机一样，为原动力机原动力机。2 2、组成、组成n一般由一般由压气机、燃烧室、涡轮（透平膨胀机）压气机、燃烧室、涡轮（透平膨胀机）、控制、控制系统及基本的辅助设备组成。系统及基本的辅助设备组成。n 压气机压气机 Compressor：完成气体压缩过程；：完成气体压缩过程；n 燃烧室燃烧室 Burner ：完成燃烧过程；：完成燃烧过程；n 涡轮（透平膨胀机）涡轮（透平膨胀机） Turbine： 完成高温
4、高压燃气的膨胀作功过程。完成高温高压燃气的膨胀作功过程。三大件三大件什么是燃气轮机装置（机组）什么是燃气轮机装置（机组）?n燃气轮机及其负荷。燃气轮机及其负荷。n负荷：负荷：燃气轮机输出的机械功率用来驱动的燃气轮机输出的机械功率用来驱动的发电机、发电机、泵、鼓风机、螺旋桨或车轮等泵、鼓风机、螺旋桨或车轮等。 BCT负荷最简单的燃气轮机装置最简单的燃气轮机装置 3 3、工作原理、工作原理n压气机从外界中吸入空气（压气机从外界中吸入空气（吸气吸气），），压缩压缩到一定压力；到一定压力；n送入燃烧室中，与喷入的燃料混合，进行送入燃烧室中，与喷入的燃料混合，进行燃烧燃烧；n生成的高温高压的燃气进入透平
5、涡轮中生成的高温高压的燃气进入透平涡轮中膨胀做功膨胀做功，推动涡，推动涡轮带动压气机一起旋转；轮带动压气机一起旋转；n做功后的废气排入大气中或加以利用（做功后的废气排入大气中或加以利用（排气排气）。）。n燃料中的化学能燃料中的化学能热能热能机械功。机械功。n燃气在涡轮中所做的机械功，燃气在涡轮中所做的机械功，大约大约2/3用来带动压气机用来带动压气机；其余其余1/3机械功机械功则通过机组的输出轴去则通过机组的输出轴去带动各种负荷带动各种负荷。 4 4、循环方式、循环方式n燃气轮机完成工作，可以采用多种循环方式。燃气轮机完成工作，可以采用多种循环方式。（1）开式等压循环开式等压循环n以空气为工质
6、，以空气为工质，用内燃的方式用内燃的方式在燃烧室中加热，在燃烧室中加热，并并把废气放回大气来排热把废气放回大气来排热。n热力循环中的压缩、加热与膨胀过程，分别由压热力循环中的压缩、加热与膨胀过程，分别由压气机、燃烧室和透平分工完成，连续不断地工作。气机、燃烧室和透平分工完成，连续不断地工作。n燃气轮机是一种续流式热机，结构轻小。燃气轮机是一种续流式热机，结构轻小。n大多数燃气轮机采用大多数燃气轮机采用。 （2）闭式循环闭式循环n工质在加压后，工质在加压后，用外燃方式加热用外燃方式加热（空气锅炉、原（空气锅炉、原子能反应堆或其它换热器），膨胀作功后，子能反应堆或其它换热器），膨胀作功后，用热交换
7、用热交换器排热器排热，周而复始，循环工作。，周而复始，循环工作。n闭式气轮机闭式气轮机可采用非空气工质，如氦气。可采用非空气工质，如氦气。n少数燃气轮机采用。少数燃气轮机采用。n蒸汽轮机蒸汽轮机实质上是闭式气轮机的一种变相形式，实质上是闭式气轮机的一种变相形式，以水及水以水及水蒸气为工质、用水泵代替压气机加压、用锅炉代替燃烧室加热，蒸气为工质、用水泵代替压气机加压、用锅炉代替燃烧室加热，用冷凝器排热。用冷凝器排热。半闭式循环半闭式循环：排出部分废气，排出部分废气，同时从外界补充等量的新空气。同时从外界补充等量的新空气。 （3）工业过程式循环工业过程式循环n工质同其它工业设备有联系的燃机循环，工
8、质同其它工业设备有联系的燃机循环，是综合用能或强化工艺过程的是综合用能或强化工艺过程的联合循环联合循环。n燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环n整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环n流化床燃烧联合循环流化床燃烧联合循环等等二、燃气轮机的分类（一）按工质的热力循环来分（一）按工质的热力循环来分n1开式循环 n2闭式循环n3工业过程式（二）按结构分类（二）按结构分类n1固定式燃气轮机 n一般是指一般是指2000kW以上不能整体移动而固定的大、中以上不能整体移动而固定的大、中功率燃气轮机装置。可以是重载荷型燃气轮机，也可功率燃气轮机装置。可以是重载荷型燃气轮机，也可以是航机改型燃气轮机。以是航机改型燃
9、气轮机。n固定式航机改型燃气轮机应用广泛，市场不断扩大。固定式航机改型燃气轮机应用广泛，市场不断扩大。n2运输式燃气轮机 n包括大中小型海陆空运输工具的燃气轮机发动机，以包括大中小型海陆空运输工具的燃气轮机发动机，以及箱装式、移动式和便携式燃气轮机。及箱装式、移动式和便携式燃气轮机。n它们大都是航机改型或轻结构工业型燃气轮机。它们大都是航机改型或轻结构工业型燃气轮机。（三）按燃气轮机的用途分类（三）按燃气轮机的用途分类n1发电发电 n基本负荷、中间负荷和尖峰负荷，移动电站（列车电站、卡车电站或船舶电站）燃气轮机。n2机械动力机械动力 n供应泵、压气机、鼓风机、风机或其它机械轴功率的燃气轮机。n
10、3总能利用总能利用 n一台燃气轮机可以同时提供或利用不同能量。n 如除发电和提供机械动力发电和提供机械动力外，还能：n（1 1）附带供热（）附带供热（2 2）供给压力气体（）供给压力气体（3 3）参与工业过程）参与工业过程 n4航空用航空用 n涡轮喷气式、涡轮螺桨式，涡轮风扇式、涡轮桨扇式、涡轮轴式、供气或供热式机上或机场辅机。n5舰船用舰船用 n舰艇巡航机、加力机、水翼艇、远洋船、油船。n6机车用机车用 n客货机车、调度机车、高速动车。n7坦克、汽车用坦克、汽车用 n坦克、装甲车、无轨列车、大型客货车、载重车、越野车、专用车和小客车。n不论是运输式还是固定式燃气轮机都需采用轻型的结构设计，才
11、能符合燃气轮机本身的发展要求。n不同的用途不同的用途对各类动力装置的要求对各类动力装置的要求各不相同各不相同n例如对功率、结构、重量、尺寸、热效率及部分负荷例如对功率、结构、重量、尺寸、热效率及部分负荷性能、投资、燃料品质、性能、投资、燃料品质、用用水量、寿命、控制方式、水量、寿命、控制方式、转速、转矩、起动时间以及维护检修方式等，各有不转速、转矩、起动时间以及维护检修方式等，各有不同的要求。同的要求。三、燃气轮机的特点及应用三种动力装置的比较项目项目机组机组效率效率单机单机功率功率转速转速rpm体积体积燃料燃料启动启动速度速度用水用水结构结构操作操作维修维修内燃机内燃机较高较高40% 较小较
12、小120MW高高庞大庞大煤煤/油油慢慢大量大量简单简单复杂复杂燃气轮机燃气轮机较高较高40%中中数数10MW高高紧凑紧凑油油/气气快快不用不用或少用或少用简单简单方便方便1、燃气轮机特点特点n优点优点：（1）重量轻、体积小、投资省。）重量轻、体积小、投资省。n燃气轮机的重量及容积一般只有汽轮机装置或内燃机的几分之一燃气轮机的重量及容积一般只有汽轮机装置或内燃机的几分之一或几十分之一，因此耗材少、投资低、建设周期短。或几十分之一，因此耗材少、投资低、建设周期短。（2）启动快、自动化程度高、操作方便。）启动快、自动化程度高、操作方便。n从冷态启动到满载，只需几十秒或几十分钟，而汽轮机装置或大从冷态
13、启动到满载，只需几十秒或几十分钟，而汽轮机装置或大功率内燃机则需几分钟到几小时。功率内燃机则需几分钟到几小时。n同时，燃气轮机结构简单、辅助设备少，运行时操作方便，能实同时，燃气轮机结构简单、辅助设备少，运行时操作方便，能实现遥控，自动化程度较高，现场可不需运行人员。现遥控，自动化程度较高，现场可不需运行人员。n（3 3）水、电、润滑油消耗少，少用或不用水。）水、电、润滑油消耗少，少用或不用水。n可在缺水地区运行；辅助设备用电少，润滑油消耗少，通常只可在缺水地区运行；辅助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料费的占燃料费的1%1%左右，而汽轮机或内燃机要占左右，而汽轮机或内燃机要占6%6%。n
14、（4 4）燃料适应性强、公害少）燃料适应性强、公害少n可燃用较便宜的燃料，同一机组可燃不同的液体和气体燃料；可燃用较便宜的燃料，同一机组可燃不同的液体和气体燃料；n排气较干净，除了排气较干净，除了NOxNOx需要采取措施外，对空气污染较少；需要采取措施外，对空气污染较少；n噪声可控。噪声可控。n（5 5）维修快、运行可靠）维修快、运行可靠n设备简单、磨损件少，系列化、标准化、通用化程度高。设备简单、磨损件少，系列化、标准化、通用化程度高。n缺点缺点：nA. 热效率较低。热效率较低。 （因受高温材料的限制）（因受高温材料的限制）nB.使用使用的经济性和可靠性较差。的经济性和可靠性较差。n（采用比
15、较优质的合金材料；高温元件的使用寿命又较短）（采用比较优质的合金材料；高温元件的使用寿命又较短） 2、燃气轮机应用 非常广泛非常广泛n（1）航空领域）航空领域n燃气轮机小而轻、启动快，马力大，故在该领域已占燃气轮机小而轻、启动快，马力大，故在该领域已占绝对优势绝对优势。涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡。涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机都是以燃气轮机做主机或启动辅机。轮风扇发动机都是以燃气轮机做主机或启动辅机。n（2）舰船领域）舰船领域n目前，燃气轮机在高速水面舰艇、水翼船、气垫船等目前，燃气轮机在高速水面舰艇、水翼船、气垫船等占占压倒优势压倒优势，在巡航舰、特种舰队中得到，
16、在巡航舰、特种舰队中得到批量采用批量采用。n海上钻采石油平台也海上钻采石油平台也广泛采用广泛采用燃气轮机。燃气轮机。n（3）陆上领域）陆上领域n发电方面，燃气轮机主要作为尖峰负荷发电方面，燃气轮机主要作为尖峰负荷应急发电站和移动式应急发电站和移动式电站。电站。在机车、化工、汽车、坦克、在机车、化工、汽车、坦克、原油及天然气输送原油及天然气输送等工业部门应用等工业部门应用广泛。广泛。n在石油工业中的应用：在石油工业中的应用：n在海洋平台上在海洋平台上作为电源作为电源，发电直接驱动泵和压缩机，发电直接驱动泵和压缩机n在油气集输上在油气集输上长输管线，长输管线，主要用于驱动泵和压缩机组主要用于驱动泵
17、和压缩机组进行管道增压；进行管道增压；利用废气利用废气加热原油或天然气降粘。加热原油或天然气降粘。n在钻机上在钻机上直接驱动直接驱动n在油田上在油田上作为备用电源作为备用电源n西气东输西气东输n 首台首台9FA9FA重型燃气轮机（半山重型燃气轮机（半山1 1号、号、390 MW390 MW）n 浙江半山天然气发电工程浙江半山天然气发电工程1 1号机组号机组n 国内最大国内最大燃机项目燃机项目395MW 9FA395MW 9FA燃气燃气- -蒸汽联合循蒸汽联合循环发电机组在张家港建成发电环发电机组在张家港建成发电n 代表了世界代表了世界300MW300MW级燃机的最高水平；级燃机的最高水平；n
18、仅用仅用1313个月的时间实现了机组的并网发电，创造了国际个月的时间实现了机组的并网发电，创造了国际同类型机组施工的最快记录。同类型机组施工的最快记录。n北京太阳宫北京太阳宫燃气热电冷联供工程燃气热电冷联供工程n 2350MWMW级燃气蒸汽联合循环；级燃气蒸汽联合循环；1#1#机组仅用机组仅用1717个月。个月。安全可靠绿色热电2008年奥委会重点配套项目四、燃气轮机的发展方向n（1）提高效率问题。）提高效率问题。n提高燃气温度（研制耐高温材料、改进冷却技术）；提高燃气温度（研制耐高温材料、改进冷却技术）；n提高压比（提高单级压比、提高整机压比）；提高压比（提高单级压比、提高整机压比）；n余热
19、利用（回热循环燃气轮机、燃气余热利用（回热循环燃气轮机、燃气-蒸汽联合循环装置）；蒸汽联合循环装置）；n蒸汽回注技术（余热产生的蒸汽回注到燃气蒸汽回注技术（余热产生的蒸汽回注到燃气 ）。）。n（2）燃用便宜燃料同时限制污染及腐蚀问题。）燃用便宜燃料同时限制污染及腐蚀问题。n重燃料处理；使用核燃料；低污染的高温燃烧室。重燃料处理；使用核燃料；低污染的高温燃烧室。n（3）增加单机功率问题）增加单机功率问题n增加通流面积；增加流速；增加气流密度。增加通流面积；增加流速；增加气流密度。n（4）降低材料工艺成本问题）降低材料工艺成本问题教材教材P4-5 （自学）（自学）增加叶片长度；增加叶片长度；并联组
20、装并联组装采用闭式循环采用闭式循环四、我国燃气轮机工业概况n 教材教材P5-6 （自学）（自学）1-2 1-2 燃气轮机热力性能指标燃气轮机热力性能指标n性能指标性能指标n衡量一台动力装置好坏的标准。衡量一台动力装置好坏的标准。n有很多，例如经济性、动力性、可靠性、变工况有很多，例如经济性、动力性、可靠性、变工况特性以及排放性能等，需用不同的方法来分析。特性以及排放性能等，需用不同的方法来分析。n主要用热力学方法分析主要用热力学方法分析：n反映反映动力性动力性能好坏的指标，能好坏的指标，常用比功和功率；常用比功和功率；n反映反映经济性经济性好坏的指标，好坏的指标，常用常用热效率、耗油率和热耗率
21、等。热效率、耗油率和热耗率等。 一、热力参数一、热力参数1 1、压比、压比 *n说明工质在压气机内受压缩的程度。说明工质在压气机内受压缩的程度。n压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。n 用滞止压力（总压）表示：用滞止压力（总压）表示：决定循环性能的重要参数决定循环性能的重要参数2 2、温比、温比 *n说明工质被加热的程度。说明工质被加热的程度。n涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值n 用滞止温度（总温）表示：用滞止温度（总温）表示：决定循环性质的最重要参数决定循环性质的最重要参数*愈高，
22、性能愈好，但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。但对耐高温材料或冷却技术的要求越高。二、性能参数二、性能参数1、比功和功率n比功比功L单位质量工质所做的功，单位质量工质所做的功，kJ/kg；n LC 压气机的比功，压气机的比功， kJ/kg；n LT 涡轮比功，涡轮比功， kJ/kg。n功率功率N单位时间内工质所做的功，单位时间内工质所做的功，kW。n燃气轮机的比功燃气轮机的比功进入压气机内进入压气机内1kg空气完成空气完成 一个循环后，对外界输出的有效轴功。一个循环后，对外界输出的有效轴功。（1 1）循环比功）循环比功Li （又称（又称指示比功、内比功指示比功、内比功）n忽略机械损失忽略机械损
23、失n Li = LT - LC kJ/kgn相应的，相应的，指示功率、内比功率指示功率、内比功率 ：n Ni = Gc Li kWnLi和和Ni：反映机组循环本身动力性能的好坏。反映机组循环本身动力性能的好坏。进入压气机的空气流量，进入压气机的空气流量，kg/s。（2）有效比功）有效比功Len考虑机械损失，考虑机械损失，n设机械效率为设机械效率为 m，则，则 n Le = Li m= （LT LC） m kJ/kgn相应的，相应的，有效功率：有效功率：n Ne = Gc Le kW nLe和和Ne：反映整个机组动力性能的好坏。：反映整个机组动力性能的好坏。n 二者关系为：二者关系为： Ne =
24、 Ni mn 比功可表征机组的重量和大小。2、热效率燃气轮机输出的有用功与其所耗燃料的热量的比值。燃气轮机输出的有用功与其所耗燃料的热量的比值。（1）内效率）内效率 i 内比功与热量的比值内比功与热量的比值（2）有效效率）有效效率 e有效比功与热量的比值有效比功与热量的比值燃料的低位发燃料的低位发热值，热值，kJ/kg e = i m燃料消耗量燃料消耗量，kg/h燃料流量，燃料流量，kg/s 3、耗油率和热耗率（1）耗油率）耗油率 ge产生单位有效功率时的燃料消耗量，产生单位有效功率时的燃料消耗量，kg/（kW h）耗油率耗油率 ge与有效效率与有效效率 e成反比关系。成反比关系。 燃机效率越
25、高，同功率下所耗燃料量愈少，经济性愈好。燃机效率越高，同功率下所耗燃料量愈少，经济性愈好。（2）热耗率）热耗率 qe产生单位有效功率所耗的燃料热量，产生单位有效功率所耗的燃料热量，kJ/（kW h）热耗率热耗率 qe与有效效率与有效效率 e成反比关系。成反比关系。 4、有用功系数燃气轮机比功燃气轮机比功Li与涡轮比功与涡轮比功LT的比值，即的比值，即该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。该系数说明，涡轮发出的功有多少带动负荷。大时，时，（1 1）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些；）同功率的机组中，循环比功较大，装置可造得小些；（2 2）LC/LT比例小，则压气机对机组性能的影响小。比例小，则压气机对机组性能的影响小。愈大，装置性能愈好。n 复习内容复习内容n稳定流动、稳定流动能量方程式n滞止现象、滞止参数滞止现象、滞止参数
