9E燃机结构与原理

LOGO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CompanyLogo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CompanyLogo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CompanyLogo透平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）。CompanyLogo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。CompanyLogo燃机转子实物图：V94.2燃气轮机CompanyLogo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。CompanyLogo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ηt=1-T2/T1）一般可达到36－40%CompanyLogo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ηt=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%CompanyLogo燃气－蒸汽联合循环二、燃气－蒸汽联合循环发电的主要优点（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。CompanyLogo燃气－蒸汽联合循环CompanyLogo可燃气体天然气空气燃气轮机蒸汽轮机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。CompanyLogo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。CompanyLogo燃气轮机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CompanyLogo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CompanyLogo－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。CompanyLogo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。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。CompanyLogo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，也被称为布雷顿循环。CompanyLogo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。CompanyLogo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。CompanyLogo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。CompanyLogo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CompanyLogo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。ηGT＝wt/q=PGT/Gf.Hu（2）装置效率ηMGT＝wMt/q=ηGTηM（3）发电效率ηGGT＝wGt/q=ηGTηMηGCompanyLogo概述六、热耗率HRGT=3600Gf.Hu/PGTG七、有用功系数λ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“λ”。λ＝wt/wTCompanyLogo理想简单燃气轮机循环一、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。CompanyLogo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。CompanyLogo实际简单燃气轮机循环一、实际简单燃气轮机循环比功CompanyLogo实际简单燃气轮机循环二、实际简单燃气轮机循环效率CompanyLogo实际简单燃气轮机循环三、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—0.92CompanyLogo实