燃机原理与结构讲稿

燃气轮机原理与结构概念——刘丰1、定义：燃气轮机（GasTurbine）是以连续流动的高温高压空气作为工质，带动叶轮高速旋转，将燃料的化学能转变为有用功的，内燃式动力机械。2、燃气轮机的组成：进气道、压气机、燃烧室、透平、排气管3、燃气轮机主要部件的功能：①进气道：将周围的空气导入压气机，气流通过进气道的速度比较低，对进气道的形状要求不是很严格，只要求流动损失小；在进气道装有进气过滤系统，进气消音器。②压气机：连续不断地向燃烧室提供高压空气，对压气机要求：效率高，压气机效率的高低对燃机的性能影响很大，在同样的压比下，提高压气机效率可增加机组的出力，减少机组重量和金属消耗；单级压比高，提高单级压比可减少压气机的级数；单位面积流通能力大，可缩短压气机进口叶片的高度和降低燃气轮机的重量；稳定工况区宽，燃气轮机运行线到压气机的喘振线应有一定的裕度；③燃烧室：将加入的燃料与压气机来的高压空气混合，经过等压燃烧，形成高温燃气进入透平膨胀作功；其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，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缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作功，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。对燃烧室基本要求：点火可靠，燃烧稳定，不发生大幅度脉动；燃料燃烧要完全，燃烧效率要高；压力损失要小；火焰要短，排气温度场均匀；排气无黑烟，含Nox等有害成分少；结构紧凑，使用寿命长；④透平：把来自燃烧室高温高压燃气中的热能转化为机械功；透平在高温、高压燃气条件下工作，并且高温燃气含有腐蚀气体成分，因此必须提高透平高温部件的高温强度和使用寿命，并且要选择恰当的冷却方式，燃烧室出口的温度场要均匀；⑤排气管：使排出的燃气继续扩压，同时使排气速度降下来；一方面可以减少流动损失，另一方面使透平背压进一步降低，增加透平的焓降，输出更多功率。在排气管上也装有排气消音器。4、燃气轮机的工作过程：经除尘加压的高炉煤气与加压的空气混合后进入燃烧室并燃烧，所产生的高温高压燃气进入燃气透平机组膨胀作功，燃气轮机通过减速齿轮传递到燃气轮机发电机组发电，作功后的排气进入余热锅炉，产生蒸汽使蒸汽轮机作功，带动发电机组发电。5、压缩比：指压气机出口的气体压力p2与进口的气体压力p1之比值，用∏表示，即∏=p2/p1.6、温比：循环最高温度T3（燃气初温）与最低温度T1之比值。用i表示，即i=T3/T1.7、比功：指进入燃气轮机的每1kg空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的功。8、过量空气系数：指燃烧时实际空气量与理论需要的空气量的比值。9、透平静叶：又称喷嘴，它的作用是使高温燃气在其中膨胀加速，把燃气的内能转化为动能，然后推动转子旋转作功。10、透平动叶：它的作用是把高温燃气的能量转变为转子的机械功。11、当环境温度越高时，空气的密度越小，进入燃气轮机作功的空气流量随着环境温度的提高而降低，因此燃气轮机的出力随着环境温度的升高而显著降低，热耗上升。12、透平的膨胀功约2/3用于带动压气机，1/3左右才是驱动外界负荷的有用功。13、燃气轮机的热力循环：①回热循环：燃气轮机的高温排气加热压气机出口的空气，以提高它进入燃烧室的温度，可使加入燃烧室的燃料量减少，从而提高热效率。②再热循环：在燃气膨胀过程中，把工质引出至再热燃烧室加热后，再到下一级透平中继续膨胀作功。③间冷循环：在压缩的过程中把气体引出来冷却降温，然后在进行压缩，以此达到减少压气机耗功而增大比功的目的，这种在压缩段对工质进行冷却的热力循环叫间冷循环。15、冲动式透平级：透平级中工质主要在静叶（喷嘴）中进行膨胀；反动式透平级；工质在静叶和动叶中都进行膨胀；动叶的膨胀焓降与整个透平级膨胀焓降的比值称为透平级的反动度；冲动式透平级的反动度为0。16、透平后面都装有排气扩压器，也就是一种截面积逐步增大的排气管道，其目的是进一步减小燃气离开透平的速度，从而间接地减少余速损失。17、燃气轮机中压气机的级数比透平的级数多，主要是因为压气机中气体是从低压到高压，透平中的气体是从高压到低压。18、压气机在一定的转速下运行时，如果空气流量减小到一定程度，整台压气机不能稳定地工作。空气流量忽大忽小，压力会时高时低，甚至会出现气流向压气机进口方向倒流的现象，同时还发生巨大声响，机组伴随有强烈的振动，这种现象通称为喘振。高转速喘振情况一般不会发生，而经常可能在燃气轮机启动和低速过渡运行状态时发生。防喘振的措施：放气，可调导叶，双转子。空气压缩机：进口1级导叶角度可调，6级低压放气，11级高压放气；高炉煤气压缩机：入口侧5级导叶角度可调，设有低压放气阀，中压放气阀，高压放气阀。19、①“一次空气”：指为了保证燃料完全燃烧所必须供应到燃烧区中去的那部分燃烧用的空气；②“冷却空气”：穿过开启火焰筒壁上的冷却鱼鳞孔，逐渐进入火焰筒中，并沿着火焰筒内壁流动，这股空气在火焰筒壁面附近形成一个温度较低的空气冷却膜，它具有冷却高温管壁，使其免遭火焰烧坏的作用。③“二次空气或混合空气”：是由开在火焰筒后段的混合射流孔，射到由燃烧区流来的高温燃气中去，它对高温燃气掺冷，使其温度比较均匀地降到透平进口的平均温度值。20、燃气轮机主机可看作由“燃气透平”和“燃气发生器”组成，燃气透平由高温高压气体驱动，将工质的能量转化为机械功通过输出轴供给需要动力的工作机械。燃气发生器则通常由空气压缩机、燃烧室和驱动压气机的透平组成，它的功能就是将燃料的能量转化为高温高压工质的能量，再供燃气透平使用。21、在余热锅炉型联合循环中，不仅要考虑燃气轮机本身热力性能和安全，而且还要考虑循环部件的热力性能和安全，采用排气温度T4调节（借助于调整压气机进口导叶IGV）22、燃气轮机工作的安全性和稳定性：安全性是指在启动过程和任何工况下，压气机不发生喘振；透平不超温，即燃气初温T3应低于透平所允许的最大温度值Tmax；转动部件不超速，即转速应低于转子强度所允许的最大值。而机组的稳定性则主要指压气机喘振问题。23、大气温度升高时，吸入压气机的空气质量流量及压气机的压比都降低了，促使燃气轮机功率降低。发展高压比、大流量的压气机是燃气轮机的关键技术之一。24、温度控制系统是通过控制燃料流量来限制燃气轮机的透平的进口燃气温度。25、热效率：净输出功率与基于燃料净比能的热消耗量之比；热耗率：（燃气轮机）每单位时间所消耗的净燃料能量与所输出的净功率的比值。26、冷却和密封空气系统的功能：①对热通道内的高温部件进行冷却。②冷却透平气缸和透平排气缸。③提供燃气轮机轴承密封所需要的空气，必要时还需对其他轴承提供密封用空气。④为压气机防喘振提供放气通道。⑤为机组其他需使用压力空气的地方提供气源。27、进气系统通常由进气过滤室、消声器和必要的管道、弯头、膨胀节及支架组成。其中的关键部件是进气过滤室和消声器。对进气系统的主要要求是气流压力损失小，其次是使压气机进口气流均匀。简单循环燃气轮机的排气系统由排气管道、消声器、膨胀节、烟囱和支架等部件组成。28、对机组运行与维护的要求，主要是不超温、不超速、不喘振、不超振，同时定期的检查与维护。29、燃气轮机的命名：用途——输出功率——轴式——循环方式——压气机改型用途——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；输出功率——单位为WM；轴式——是指单轴还是双轴，用1或2表示；循环方式——S（steamandgas——蒸汽与燃气）的缩写；M251S30、燃气轮机分类：分为地面工业型燃气轮机（重型燃气轮机）和航空型燃气轮机。重型燃气轮机，寿命长，能长期安全运行，少用贵重合金材料。轻型燃气轮机的主要特点是结构比重型轻巧，启动快，改变负荷快，燃气初温高，机组效率高。31、燃气轮机工作过程1）、燃气轮机的启动过程①按下启动按钮后，首先由起动机带动燃气轮机转子转动，转子转速开始上升，转速上升快慢的程度决定于燃气轮机结构以及起动机功率的大小，起动功率主要消耗于带动转子加速。②转速达到某一值时，燃烧室开始点火，透平开始产生功率，此时的转速称为点火转速，点火转速不能太低，因为在过低的转速下点火，将会使燃气温度过高，并阻塞进入压气机的空气，空气流量减少，压气机效率降低，造成转速停滞在某一转速下无法上升，这种现象称之为转速悬挂，为了避免悬挂，一般选择起动点火转速接近最小稳定工作转速。③燃烧室点火以后，透平产生的功率远不能带动压气机的转子，仍然需要起动机同时工作，随着转速上升，透平发出的功率迅速增加，当燃气轮机的转速超过最小稳定工作转速后，透平功率才大于压气机消耗功率，燃气轮机才能用透平剩余功率带动转子加速而使转速上升，因此起动机必须到最小稳定工作转速以上，起动机才能关闭。④起动机关闭后，依靠透平的剩余功率使转速继续上升，直到燃气轮机进入慢车工作状态。2）、燃气轮机的加速过程燃机从慢车状态、过渡到额定负荷状态的时间称为加速时间。重型燃机为了延长使用寿命，避免过高的燃气工作温度，其加速时间比轻型燃机加速时间长得多。燃机加速性受到一下因素的限制：①透平前最高燃气温度；②压气机喘振裕度；③燃烧室是否熄火。3）、燃气轮机循环分析I、理想燃气轮机循环分析循环过程作如下两点假设以后可称为理想循环：①工作空气可视为理想气体，整个工作过程中空气的比热为常数，不随气体的压力和温度而变化。（比热：1kg工质温度升高1℃所需的热量称为比热，用Cp表示，单位为KJ/kg.K.）②整个工作过程中没有流动损失，绝热过程为等熵，燃烧前后压力不变，没有热损失和机械损失。（熵：工质在可逆过程中微小热量dq与其温度T之比，即ds=dq/T.等熵即ds=0）II、理想简单燃气轮机循环压气机：绝热压缩过程w=h2－h1=Cp(T2－T1)燃烧室：等压加热过程q=h3－h2=Cp(T3－T2)透平：绝热膨胀过程w=h3－h4=Cp(T3－T4)排气管：等压放热过程q=h4－h1=Cp(T4－T1)（焓：焓是一个状态参数，工质的焓其数学表达式为H=U+PV,其中H的单位为J,U是工质的热能（内能），PV是工质推动功。）III、实际简单燃气轮机循环实际简单燃气轮机循环是考虑流动损失和比热变化的影响的。在总的压缩过程中，由于存在流动损失，过程中熵增加，总的绝热膨胀过程也是熵增加过程。32、燃气——蒸汽联合循环①目前燃气轮机的简单循环，其热效率已达40%，而常规的蒸汽轮机，即便是超临界参数的机组，热效率为39%左右。燃气轮机简单循环排气温度很高，一般为450~550℃，排气量也很大，因此有大量的热量未被利用而排入大气，燃料的热利用效率还可以进一步提高。蒸汽轮机由于材料、结构等种种原因，蒸汽参数一般不高于600℃，但其排汽温度却很低，约接近大气温度，因此把蒸汽轮机循环和燃气轮机循环的优点结合起来，就得到一种总热效率很高的联合循环。②联合循环中热量分配关系进入燃烧室燃气的流量为A,其低热值为Hu,其总热量为Q=A*Hu.假设燃机的热效率为40%，应有60%的热量排入余热锅炉，若余热锅炉排烟热量为20%，则余热锅炉的总加热量只有40%；同时如果余热锅炉热转换率为80%，也就是说80%*40%=36%的热量用来把水加热成蒸汽；另外蒸汽轮机也有一个热效率，假设定为30%，则有36%*30%=11%的热量用来作功。因此联合循环的总效率为40%+11%=51%。33、燃气轮机设备主要参数(1).燃气轮机机组·型号：M251S型·型式：重型、轴向排气、室外布置·燃料：主燃料：BFG·输出功率（发电机终端）：28500kW·额定状态：大气干球温度：15oC·BFG低热值：3393kJ/Nm3-dry·COG低热值：17189kJ/Nm3-dry·排出口流量：547000kg/h·排出口温度：571oC(2)空气压缩机·型式：轴流式·级数：19级·导叶类型：进口导叶角度可调·转速：5015r/min·压缩比（ISO条件）：11·吸入流量（15oC）：102.5kg/s·出口压力（15oC）：11ata（1.115MPa）(3)燃烧室·燃烧器类型：