燃气轮机进风过滤设计与选用若干问题
蔡杰,2012修改稿(2008一稿)
cai4jie@https://www.doczj.com/doc/0012857423.html,
目录
1过滤器的作用和过滤效率 (2)
2过滤器的大小 (4)
3传统过滤系统中的过滤元件 (6)
4模块设计 (9)
5整体组合 (10)
6占地 (12)
7噪声 (13)
8运行能耗 (13)
9更换备件的费用 (14)
10更换过滤元件的操作 (15)
11板框式与自洁式过滤器的对比 (15)
12过滤效率分级动态 (18)
13其他信息 (19)
14结语 (23)
表
表1板框式过滤器与自洁式过滤器的比较 (17)
图
图1过滤器效率规格比较 (2)
图2典型F7过滤器效率试验 (3)
图3典型自洁式过滤器效率 (4)
图4一般通风用无隔板过滤器 (6)
图5一般通风用袋式过滤器 (7)
图6平板过滤器,不推荐选用 (8)
图7考虑铁路运输时的模块 (9)
图8典型布置图 (11)
图9结构示意案例 (11)
图10横向滤筒的反吹效果示意 (12)
图11夸张的吸风口 (21)
1过滤器的作用和过滤效率
1.1作用
燃气轮机进风过滤器的作用是阻挡灰尘。灰尘颗能导致:·叶片和气流通道积灰,导致运行效率降低,喘振曲线漂移;·磨损;
·
腐蚀,腐蚀性粉尘造成叶片的腐蚀破坏。
1.2麻烦
一个大型燃气轮机项目,进风过滤系统的费用可能占项目总投资的0.2%~0.5%,运行能耗与燃气轮机出功的比值约为0.15%~0.3%。但对现场管理者来说,过滤器可能是他们全部麻烦的5%。1.3过滤效率
采用什么效率的过滤器,这是经验决定的,是理想和现实的妥协结果。从保护设备的角度考虑,效率越高,保护效果越好,设备故障率越低,但初投资高,运行能耗和备件费用高。
目前的实践,常见的末级过滤是F7规格过滤器,即美国ASHRAE 比色法80%~90%,中国制冷空调工业协会CRAA 430-2008规格F7(等效欧洲EN 779规格F7)。
欧洲EN 779:2012
美国冷暖空调工程师协会A S H R A E
中国制冷空调工业协会CRAA 430-2008
中效medium
亚高效sub-HEPA
高效HEPA
超高效ULPA
粗效coarse
美国环境科学技术学会IEST-RP-CC001.5
m 和)
μm)国际标准
国标分类
图1过滤器效率规格比较
近些年,国内燃机故障频繁。燃机供货商说,部分原因是进风过滤器效率偏低。为此,他们建议将效率规格提高到F8或F9。
日本有些燃气轮机,进风过滤器用到了HEPA(对0.3μm粒子过滤效率99.97%,图1最中的H13)。其过滤效果大致相当于5道F7过滤器串联在一起。那儿的用户不差钱。中国引进的个别日本燃机项目(马鞍山钢厂),也有使用H13过滤器的。
20年前,国外燃机过滤的常用规格是F6(美国ASHRAE比色法60%~80%)。而那时中国燃机过滤的效率规格大致相当于现在的G4(美国ASHRAE计重法90%,比色法20%)或更低。上世纪90年代中期,国内个别燃气轮机仍在使用检测不出过滤效率的浸油链板。那是挡蚊子的家什,拦不住粉尘。现在,很少有燃气轮机用户继续要求F6。
2典型F7过滤器效率试验
以试验期间对0.4μm粒子的加权平均效率值(图中为81%)对过滤器分级。
自洁式过滤器,滤材上累积的粉尘是重要过滤材料。过滤元件的初始效率很低,但很快就达到高效率。目前国际上没有对自洁式过滤器效率进行分级的试验方法。经常,供需双方需要个简单的代号来表示效率,而自洁式过滤器没那个代号。有的供货商1就按用户接受的常见规格标上F7。他知道用户肯定没有检测手段去证实他标的规格。
从长期的使用经验看,自洁式过滤系统的过滤效果相当于F7效率的传统板框式过滤系统。按积灰后的情况看,自洁式过滤器的试验效率远远高于F7。如果按初始性能评价,它的试验曲线甚至不如F5的好看。
典型自洁式过滤的过滤效率见图3。同一只过滤元件,积灰程度不同,过滤效率不同。例如,对1μm颗粒物的过滤效率,可以是40%~99.99%。您提什么指标,若不指明方法和条件,他有的是办法来对付你。
有的滤纸制造商在木浆或化纤滤纸表面附着某种超细纤维,滤纸的初始效率(对0.4μm 粒子)从以前的不足20%提高到40%甚至高于50%。
1例如,笔者1995年就是这么编造的。而后国内许多制造商甚至用户都照他的抄,尚无人出来纠正他。
图3典型自洁式过滤器效率
单只滤筒过滤风量900m3/h时的试验数据
2过滤器的大小
过滤器就是个“口罩”。大号口罩喘气容易(运行能耗低),可以容纳的灰尘多(使用寿命长),但一次性购买的价格高。小号的喘气费力(阻力大,运行能耗高),更换频繁,但便宜。
风量大小对过滤效率没多大影响,影响的主要是阻力。
过滤器的所谓“额定风量”,是为了方便交流的一种省事的符号。当然,不同行业可能有约定俗成的不同“额定”值。同样大小过滤元件,或同样数量过滤元件的系统,供货商给出的“额定风量”可能相差甚远。
燃气轮机行业和空气分离2行业,进风过滤器的形式和过滤元件基本相同,过滤器的供货商也还是那几家。但实践中,单只过滤元件的实际过滤风量却存在很大差别。
空分项目承包商和最终用户经常属于同一利益集团。了解过滤器麻烦的用户参与过滤器的选型,他们经常要求选用大号过滤器,即增加过滤元件的数量。设计师或供货商提出一套方案,买方在此基础上要求过渡配置(over designed)或双倍配置(double designed)。其结果,过滤元件多了,单只元件的过滤风量小了,过滤器运行的麻烦少了。靠提供小号口罩获得订单的战术在空分行业行不通。
2钢铁厂等氧气用户管它叫“制氧机”,化肥厂等氮气用户管它叫“制氮机”,供货商同样东西伺候不同用户,叫他“空气分离”。
燃气轮机行业,供货商、承包商和用户各打各的算盘。用户说了个风量,剩下的工作就是砍价。供货商应付价格要求的最简便方法就是提高过滤器“额定风量”值,“口罩”自然就小了一号。便宜过滤器卖出去了,麻烦是最终用户日后的事。您投诉说过滤器元件的使用寿命低,供货商可以摆出很多理由来对付你,常见的推辞是您那里环境条件太差。过滤器一旦安装完成,供货商的利益已经实现了。承包商夹在供货商和用户中间,承包商并不那么在乎供货商靠什么手段让价,也不那么在乎用户日后的麻烦。靠提供小号便宜“口罩”的战术在燃气轮机行业盛行。
板框式(static type,或译成“固定式”、“传统式”、“非自洁式”)过滤器中,过滤元件与一般通风的过滤元件一样。它在通风领域的额定值是3400m3/h(2000cfm),移植到空分领域,额定值还是3400m3/h,但用到燃气轮机上,它就成了4250m3/h。数值膨胀了。制造商可能在元件的强度上下了点功夫,可靠性提高了,但这并不说明过滤性能有任何改变。
自洁式过滤器的最常见元件是外径324mm,长度660mm的滤筒。同样滤筒,有些厂商给出的额定风量是1250m3/h,现场使用时,最大风量者曾高达1700m3/h。笔者1996年研制自洁式过滤器时,有意将产品说明书上的“额定风量”值压缩倒900m3/h。10多年的实践表明,这个缩小的额定值效果不错。遇到只谈价格而不在乎使用效果的客户,一模一样的滤筒,我就将风量提到1200m3/h,使用效果(阻力、使用寿命)仍不比进口产品差。偶尔有客户要求在单只滤筒900m3/h基础上double designed(使用双倍过滤元件),在很恶劣的环境条件下,过滤元件的使用寿命达到了3~4年。额定值高,业务员省事,日后技术服务人员倒霉;额定值给的低,业务员费口舌,技术服务部门麻烦少。
例如,目前的设计中,25万千瓦燃气轮机(美国通用公司规格9F,其他公司产品可能有其他名称,但国内习惯称9F)设计风量约1800000m3/h,自洁式过滤系统配置700对滤筒设计,相当于上述滤筒1400只,每只滤筒的过滤风量高达1360m3/h。若换成笔者设计,滤筒数量需增加50%,即1000对滤筒,过滤元件的使用寿命才可能达到声称的2年左右。
国内数十台9F机组,使用自洁式过滤器时,最多的滤筒配置为700多对,滤筒使用寿命一般仅为半年,几乎没有超过1年的业绩。国外用户介绍,就是在迪拜沙漠,800对滤筒的9F机组自洁式过滤器,滤筒的使用寿命也就半年,从未达到过滤器供货商谈合同时承诺的连续运行16000小时或两年。
“石油换食品”项目中,南京汽轮机厂曾为伊拉克制作了数台自洁式过滤器,设计者接受了笔者的风量理念,滤筒使用寿命达到4年(其实2年就该换了,但欧美控制伊拉克采购,没有及时更换,凑合用了4年)。
近年来国内燃气轮机项目中,过滤元件的使用寿命普遍低于供货商声称值,最突出的是自洁式过滤器。没见到哪台自洁式过滤器中滤筒能挺过制造商声称的2年。过滤元件的优劣会影响使用寿命,但主要原因是当初“口罩”选小了。
除了单只元件的使用寿命外,过滤风量的设计还涉及到运行能耗,抗极端环境的能力等。
在过滤器国产化过程中,选用合适大小的过滤器,或选用大号过滤器(增加过滤元件的数量),是用户和供货商应优先考虑的改进。除了初投资可能高一些外,这种改进没有什么难度。用户参与过滤系统的规划,是这种改进的重要手段。
过滤系统一旦建成,日后扩容改进几乎不可能。如果单只过滤元件的处理风量过大,日
后对提高过滤效率改进也几乎不可能实现。
3传统过滤系统中的过滤元件
各级过滤元件的额定尺寸均为611mm×610mm(24”×24”)。传统供货商表明的额定风量为3400m3/h。
建议的过滤系统为3级过滤:初级过滤→第2级预过滤→末级过滤。
末级过滤器的效率决定了整个过滤系统的效率。他之前的其他过滤器,其作用是延长末级过滤器的使用寿命。
3.1末级过滤
建议的末级过滤为无隔板式过滤器,边框尺寸592mm×592mm,深292mm。见图4。
效率规格F7(中国制冷空调工业协会规格,CRAA430-2008,平均计数效率80%~90%,相当于欧洲F7,美国Merv13,美国旧规格Dust-spot80%~90%)。
这种规格的过滤器,是目前燃气轮机与大型空压机最常用过滤器。
玻璃纤维滤材,金属或塑料外框,单只重量约5~9kg。为了增加可靠性,燃气轮机用的过滤器上,滤芯的出风面上带有护网。
应当指出,近些年来,燃气轮机入口过滤器的效率不断提高。有的燃机供货商要求改用F8或F9过滤器,个别用户要求提高至H12。
如果用户需要提高效率,可以很方便地改变过滤元件的效率规格。但代价是运行能耗和备件费用的提高。末级过滤器效率提高,前面的预过滤也要相应调整,以延长末级过滤器的使用寿命。
燃气轮机过滤系统的过滤效率在不断提高,20年前,F6效率已经很高了,10年前,F7是常见规格。近些年,相当多新系统选用F8。最高的用到H13(对0.1μm~0.2μm粒子过滤效率不低于99.95%)。
图4一般通风用无隔板过滤器
3.2预过滤
预过滤为袋式过滤器,边框尺寸592mm×592mm,袋长500mm~600mm。见图5。
效率规格F5(中国制冷空调工业协会规格,CRAA430-2008,对0.4μm粒子平均计数效率40%~60%,相当于欧洲F5,美国Merv9,美国旧规格Dust-spot40%~60%)。
这一级过滤器的安装形式与末级过滤器完全相同。
这级过滤器的作用是保护末级过滤器,使其达到足够的使用寿命。
这一级过滤元件的效率可以调整。如果想让末级过滤元件的使用寿命提高一倍,可以将这一级过滤器的效率提高到F6。
这一级过滤元件的关键是使用寿命,同样结构、同样有效过滤面积,不同材料的容尘量可能相差3倍,即使用寿命可能差了3倍。
采用相同材料时,增加过滤面积(例如增加袋长、袋的数量),可以明显提高过滤器的使用寿命,反之亦然。
图5一般通风用袋式过滤器
3.3初级过滤
初级过滤推荐袋式过滤器,边框尺寸592mm×592mm,袋长350mm~500mm。其结构与图5所示大致相同。
效率规格G3(中国制冷空调工业协会规格,CRAA430-2008,计重效率80%~90%,相当于欧洲G3,美国Merv5,美国旧规格Arrestance80%~90%)。
一般情况下,这级过滤器的作用是保护第二级预过滤器,使其达到足够的使用寿命。此外,这级过滤器对整个系统起到重要保护作用。扬尘和沙尘暴主要被这一级过滤器挡住。水雾被它挡住。这级过滤器的材料疏松,它能挡住冰雨、杨柳絮等而不会被其封死。
对于一般城市的大气粉尘,这一级的过滤效率可能只有20%,但对阻挡极端情况时的大颗粒粉尘和雨雪水雾,它的作用无可替代。
这级过滤元件很便宜,有些还可以冲洗后重复使用。
很多设计中,初级过滤为平板过滤元件。本方案不推荐那类元件,其原因有几个。首先,那种元件的有效过滤面积太小,因此很容易堵塞。第二,那种元件经常附在被保护的过滤原件前面,当阻力显示偏高时,难以判断哪一级过滤元件应该更换。此外,遇到雨、雪、大雾,第一级过滤器具有挡水作用,当它紧靠第二级过滤器时,污水被气流运送到被保护的过滤器,而不是在初级过滤器后面滴落。如果它保护的就是末级过滤,末级过滤浸水后的性能难以预测。
平板过滤器的最主要好处有两条。第一,初装的价格便宜,第二,节省过滤室的造价或节省空间。这两条好处的受益者是供货商,不是用户。
图6平板过滤器,不推荐选用
多一级过滤需要多一些操作空间,过滤室的造价也相应提高一些。如果用户的场地允许,建议采用单独的初级过滤。
4模块设计
过滤断面按模块化设计。模块在工厂加工,在用户现场拼装。
模块可以有多种形式。考虑火车运输的方便时,模块的高度可以是5层和4层过滤元件,横放时宽度为3200mm 和2590mm (铁路运输限制为3300mm )。若考虑汽车运输,其模块高度不应超过4层。
在工厂制作的典型模块如图7
所示。
模块3×5×6,额定风量306,000 m 3
/h 模块2×5×6,额定风量204,000 m 3/h 模块3×4×6,额定风量244,800 m 3/h 模块2×4×6,额定风量163,200 m 3/h 模块3×5×5,额定风量255,000 m 3/h
模块2×5×5,额定风量170,000 m 3/h
模块2×4×5,额定风量136,000 m 3
/h
图7考虑铁路运输时的模块
5整体组合
根据客户的场地情况,可以进行各种组合。可以向高度方向发展,宽度方向发展,如果愿意,也可以布置成三面进风或两面进风,以节省场地。
GE(美国通用电气)给出9F机组的进气量为1,910,866m3/h。按每只过滤元件额定风量3400m3/h设计时,需要562只元件。过滤迎风面积210m2。
图8是按照图7所示模块拼装的几种典型布置。
过滤元件570只,额定风量1,938,000 m3/h
a)
过滤元件576只,额定风量1,958,400 m3/h
b)
过滤元件576只,额定风量1,958,400 m 3/h
c)
图8
典型布置图
图9为按图8a
设计的一个方案。
末级过滤
第二级过滤
初级过滤
图9结构示意案例
上述布局只是多种可能方案中的几种。客户可能对场地、审美等有自己的要求。建议用户在最初的规划阶段,与设计师和供货商一起讨论布局。
如果条件允许,建议在最初设计时尽可能地选择“大号”过滤器,即增加过滤元件的数量,见第2章的介绍。
6占地
如果都是正常设计,而不是目前燃机行业普遍存在的小号“口罩”,传统板框式过滤系统比自洁式过滤系统的占用空间相差不大。
两者的迎风面大小基本一样,但板框式过滤器一般为2级或3级,每一级需要1.5m~2m的检修空间,因此深度方向会比自洁式过滤系统长2m~3m。
板框式过滤系统的整体布置灵活,用户可以在早期参与整体布置。自洁式过滤系统的整体布置有很多局限性。
自洁式过滤系统的原始设计是滤筒垂直吊放,那种系统是美国Donaldson公司1976年发明的。10多年前,自洁式过滤器出现了一种新的布置形式:过滤元件横向放置。这种形式的最大卖点是节省场地。对于土地昂贵的城市地区,横向滤筒的布置尤其受到青睐,尤其是中国的燃气轮机用户。
横向放置的滤筒有两个致命弱点。其一,灰尘积在折叠的滤纸表面,滤筒上半部的积灰不可能被吹落。其二,滤筒下部和侧部的积灰被吹落后,灰尘的直接接收体是下面的滤筒,而且是灰尘难以吹落的滤筒上部。示意见图10。
图10横向滤筒的反吹效果示意
实际上,反吹这个清灰功能更多地是压缩空气反吹导致的振动。正常设计中,反吹发生
在0.1s 之内,反吹造成瞬时反向气流,这股气流导致的滤筒反向阻力是正常正向阻力的1.2~1.5倍。这样短时间的反吹,即使将滤筒上部的灰尘吹松脱,反吹过后灰尘仍然回到原位。
7噪声
设计中,主要关注的是通过进风管道传出的燃气轮机设备内部噪声。这是消声段的事,而不是过滤器本身需考虑的事。消声段紧挨着过滤器。有的过滤器制造商具有设计制造消声段的能力,大多数不具备。
说到过滤效果时,本文提到,使用再新再好的技术,不如将过滤器放大一号更有效。此处的情况类似,利用再新再好的消声技术,不如将消声段加长一些更有效。消声效果取决于消声段的长度,2.5m 和3.5m 长的消声段效果肯定不一样。
与其他声音相比,过滤元件本身的气流噪声可忽略不计。
自洁式过滤器的压缩空气反吹产生噪声。那种噪声是自洁式过滤器本身自带的,几乎没有什么手段可以消除。有的用户要求,在30m 外测量,反吹造成的峰值噪声不应大于90分贝。这个指标是一种无奈的文字游戏。更靠近些,或限值再小些,自洁式过滤器只好出局。板框式过滤器没这个问题。
8运行能耗
过滤器的能耗是风量与阻力的乘积。
对于板框式过滤器,若每只过滤元件的设计风量≤3400m 3/h ,末级过滤器的初阻力约为110Pa ,终阻力建议设在400Pa 之内。
第二级预过滤器初阻力约为55Pa ,建议终阻力设在250Pa 之内。第一级预过滤器初阻力约为35Pa ,建议终阻力设在150Pa 。
若取初阻力与终阻力的平均值计算平均运行阻力,三级过滤的平均运行阻力为:
Pa 5002
400
110225055215035=+++++(1)
若过滤系统的体积风量为1,910,000m 3/h ,其能耗为:
日
日时日日时365/24kW 265.3365/24s/h
3600/h
m 000,910,1Pa 5003××=×××≈2,320MW ·h
(2)
上述是本文推荐风量下的情况。若过滤元件少于或多于570只,运行阻力会相应增减。自洁式过滤器的运行阻力比上述高很多。以北京地区近几年新建燃机为例,滤筒数量约700对,过滤器的运行阻力长期保持在600Pa ~900Pa 。若取中间值计算,其平均阻力为750Pa 。这比本设计的板框式过滤器阻力大250Pa 。
日
日时日日时365/24kW 265.4365/24/h m 000,910,1Pa 7503××=×××≈3,490MW ·h
(3)
应当指出,国内和国外燃气轮机系统的现有过滤器普遍偏小,国内使用的系统则尤其的小。例如,滤筒横放的自洁式过滤器,设计700对滤筒时,GE 9F 燃机的每对滤筒过滤风量为2730m 3/h 。而根据笔者过去的经验,每对滤筒的额定风量最好不大于1800m 3/h 。若达到这种设计,滤筒应增加50%,即1000对滤筒。
若按1000对滤筒设计,反吹与终止反吹的上下限可控制在700Pa 和450Pa ,其平均阻力可按这两者的平均值计算,即575Pa ,能耗损失相应减少,但仍会高于正常设计的板框式过滤器。这里所说的所谓“正常设计”,是指单只过滤元件的风量不大于3400m 3/h 的设计,而不是近几年燃气轮机行业进口过滤器的设计。
现在已经运行的燃机中,板框式过滤器的设计也普遍存在过滤元件偏少的情况。每只过滤元件的风量达到3700m 3/h ~4000m 3/h 。
一般说来,过滤元件本身可以承受很高的阻力而不损坏,但这不意味着高阻力运行合理。上述估算中,自洁式过滤器(700对滤筒方案,近几年进口过滤系统常见配置)与板框式过滤器的运行阻力差别为250Pa ,则每年的能耗损失(按满负荷计算)差别为:1162MW ·h ,比正常设计的板框式过滤器系统能耗高了50%。
能源从初始到过滤器消耗至少要经历:热能变机械能、机械能变电能、远程输变电、电能变回机械能(风机)。每次转换都有损失,例如,最后的一次的电能向机械能(风机)的转换,风机效率为30%~70%,这就是说,大约一半能源在这次转换中损失掉了。对于燃气轮机进风过滤,燃气轮机将热能转换成机械能,过滤系统直接消耗那些机械能,其他用户要经历的走州过府全免了。同样过滤系统,燃机用户需要付出的能源费用可能只是其他用户的10%~20%。燃机行业不那么在乎进风过滤系统的阻力,而所有其他行业对过滤系统的阻力纠缠不休。燃机过滤系统的过滤元件使用寿命短,其中一个原因是燃机用户不在乎能耗。
9更换备件的费用
按本文推荐的过滤元件额定风量(3400m 3/h )设计时,以北京市区为例,末端过滤器的使用寿命应不低于6个月(满负荷运行),一般可达9个月或更长。第二级过滤的使用寿命不低于3个月,一般可达4~6个月。第一级过滤的使用寿命为2~4个月。
目前的市场价格,末级过滤器元件的单价为500~1000元/只,第二级过滤器150~300元,第一级100~150元。取中间值,末级750元/只,第二级225元,第一级125元。
按570只过滤元件计算,新过滤器中过滤元件的费用为:
()元
000,627125225750570=++×(5)
运行过程中,若考虑各级过滤器的更换周期(按满负荷运行计算),末级9个月,第二级4个月,第一级3个月,则每年过滤元件的费用为:
年
元/750,239,1125312225412750912570=??
?
???×+×+××(6)
相比之下,一对滤筒的目前市场价格为1200~2000元。尽管供货商声称使用寿命为2年,但就近几年环渤海、长三角、珠三角地区的运行情况来开,全年不停机运行时,极少有达到一年的情况。按1年计算,过滤元件的费用为:
年
元/000,120,11600700=×(7)
自洁式过滤器节省备件费用之说,在上述估算中很勉强。
自洁式过滤器的一个卖点是更换过滤元件的频率低,因此节省更换的人工费用。与发达国家相比,中国的人工费用低,节省人工费用没太大意义。
若自洁式过滤器的设计为1000对滤筒,过滤元件的使用寿命或可达到2年。此时,过滤元件的年费用为:
年元/000,8002
1600
1000=×(8)
10更换过滤元件的操作
板框式过滤系统中,预过滤器的更换操作没有特别需要注意的地方。一般技能的操作工即可完成更换作业。更换可随时进行,停机或待机时均可。
末级过滤器的更换最好由有经验、经过培训的工人完成。更换时不要破坏滤材,不要让碎物进入过滤器下游。待机操作时更要小心。
待机更换末级过滤器时,未过滤空气短路进入燃气轮机。因此应尽快完成更换任务。但一年中几个小时的局部短路气流不会伤害燃气轮机。如果过滤效率99%,换句话,就是说透过率是1%,即1%的粉尘仍然进去了,您认可了。一年8千多小时,如果因为末级过滤器的更换而气流短路8小时,相当于全年平均透过率高了0.1%,无所谓的。
更换初级过滤器和第2级预过滤器时,被它们保护的下一级过滤器面对的粉尘多了些,但总体过滤效率基本上没变化。
是否允许待机更换过滤元件,这在国内存在争议。有人认为绝对不允许,有人认为这样做很正常。本文作者属于后者。
制氧机与燃气轮机的过滤器形式大致相同。制氧机经常数年不停机,最多达8年。如果过滤器制造商说他的产品不允许待机更换过滤元件,他在空分领域可能一台也卖不动。
待机更换过滤元件,系统的制造商需要在安全保险上下一些功夫。例如,消声器前必须设置很好的防护网,以免手套等轻飘的杂物进入主风道;过滤室的底面应高出主风道,以防不小心降落在过滤器下游的物件随气流进入主风道。
近些年,国内一些燃机用户禁止待机更换过滤元件。这条规定是用户自己加上的,或燃气轮机厂添加的。多数燃气轮机无需常年不间断运行,加上这条无所谓。但有些燃机电厂必须不间断运行的,例如,有的燃机为北京城区供热,采暖期停机成了政治问题。要想不犯政治错误,您要么撤销那条不许待机更换元件的规定,拆除过滤系统,换一个声称可以待机更
换的系统。
11板框式与自洁式过滤器的对比
蔡杰曾在1996年主持过当时国产最大自洁式过滤器的设计(为亚洲最大制氧机组配套设备),而后主持了多台小型自洁式过滤器的设计。自洁式过滤器使他受益,但他不喜欢那种过滤形式,作为长期与过滤器打交道的工程师,他反对在长三角、珠三角、环渤海地区使用自洁式过滤器。
自洁式过滤器适用于干旱地区,例如大西北,在风沙大降水少的地区具有一些优势。此外,自洁式过滤器的一个卖点过滤元件不需要经常更换,这尤其适用于人工费高的地区。
长三角和珠三角地区不是那种地区,那种地区使用自洁式过滤器是个错误。
中国自上世纪80年代末和90年代初进口制氧机组和燃气轮机中出现了少量自洁式过滤器。当时国内的过滤器过滤效率很低,自洁式过滤器的效率高于当时燃气轮机和大型空压机使用的绝大多数过滤器。由于过滤效率提高了,设备的故障率就降低了。有些人将设备故障率的降低归功于自洁式过滤器。其实,板框式过滤器的效率可以更高,只是板框结构过滤器很容易制作,因此国内有大量供货商,他们当时能够提供的大都是些过滤效率低的产品。
根据经验以及上述分析,传统板框式过滤器与自洁式过滤器的粗略比较汇总见表1。
表1的比较中,自洁式过滤器700对滤筒的方案的元件更换周期按1年计,1000对滤筒的元件更换周期按2年计。这是按长三角、珠三角、环渤海等多雨和多雾环境的实际使用经验估计的。
自洁式过滤器的初始效率很低,很快过滤器集尘,集尘后效率明显提高。设计中,当阻力高到某个限度时反吹,低到某个下限时停止反吹。频繁反吹缩短过滤元件的使用寿命。反吹时,并非所有脱落的灰尘落到过滤器上游,部分粉尘可能脱离滤材而进入下游。
国内的实际使用中,用户一般采用持续反吹的方式。这是运行中的一个误区。
过滤器运输基本相同
12过滤效率分级动态
12.1国家标准
国家标准GB/T14295-2008《空气过滤器》推出了一套效率分级,图1中的旧国标分级作废。新体系中,数码大的效率低。以前的“粗效”过滤器细分成了粗4、粗3、粗2、粗1,以前的“中效”过滤器分成中3、中2、中1,改制后的“高中”不变。
由于笔者缺少对比试验数据,也找不到相关对比信息,所以本文无法列出那套体系中的哪个规格与燃气轮机常用的F7接近。感兴趣的读者可以去找国标制定者咨询。
12.2行业标准
2008年,中国制冷空调工业协会颁布了一套过滤器标准。那套标准的分级体系和试验方法基本上照搬欧洲标准。
笔者是那套标准的发起人和组织者,因此不亦多说。关于过滤器分级的标准见CRAA 430-2008《空气过滤器分级与标识》。感兴趣的读者可以自己去查询。
12.3国际标准3
国际标准化组织的一个技术委员会ISO/TC142正在制定空气过滤器的国际标准。该委员会中的第9工作组WG9负责起草有关燃气轮机进风过滤器的标准。WG9于2011年提出燃机进风过滤板框式过滤器的试验方法和分级国际标准草案。WG9自2010年开始筹备起草自洁过滤器的试验方法和分级国际标准,但至今尚未形成可以扩散讨论的文件。
ISO/TC142/WG9工作组中倾向于使用对0.4μm粒子的“最低过滤效率”来对过滤器分级。自洁式过滤器的厂家争辩,自洁式过滤器中使用木浆滤纸,那个最低效率(通常是初始效率)只有13%,最好的也不到30%。您的分级方法对自洁式过滤器不公平。大家搪塞说,我们现在还没起草自洁式过滤器标准,等起草那份标准时再处理它的麻烦。
ISO/TC142的另一个工作组WG3负责编制一般通风过滤器的国际标准。工作组内,由于欧美对分级方法达不成一致意见,所以草案中只规定试验方法而回避了分级。2008年,国际标准《一般通风过滤器试验方法》在最终表决中被枪毙。2009年,那份倒霉文件被ISO 颁布为“技术规范”ISO/TS21220-2009。针对带静电的化学纤维过滤器,那份文件规定了一种消除静电的方法,并规定必须向用户报告静电消除后的过滤效率值。这种针对化纤材料的歧视性方法遭到化纤派的强烈反对。
12.4欧洲标准
消除静电的方法源于2002年版的欧洲标准EN779。2012年颁布的EN779:2012中,那种令化纤行业讨厌的消静电法得到进一步的发挥。新标准草案规定,不仅要进行那个消静电试验,而且要将其纳入分级依据。
根据新版EN779,以前的玻纤F7过滤器仍是F7,但以前的化纤F7可能要降至M6(以前的F6)。如果燃气轮机行业仍规定F7过滤器,以前的化纤F8过滤器也许能凑合达标成F7,
3笔者是ISO/TC142/WG3和WG9的中国专家。专家只代表个人,不代表国家。
或者连F7也达不到。
12.5咋办
过滤效率分级,本来就乱套。各国家之间乱套,一个国家的行业之间乱套。搞标准的专家们试图统一,可他们自己先乱套了。
什么时候您不再为效率指标的混乱而发愁?近几年内没指望。
国际标准从制定到正式颁布的周期约5年,条件是最终表决时75%赞成票。第一份空气过滤器国际标准就是最终表决时就被否掉了。关于燃气轮机过滤器的国际标准,幸运的话,也许您2015年能看到正式文本。
国家标准的新分级体系和试验方法,凭空想出来的。好像没有国内和国外的实践基础,出笼后也缺少市场的响应。什么时候大家接受那套国标分级体系,不好说。
中国制冷空调工业协会,图章小了一号。它出的标准,名不正言不顺,讨厌那套标准的人们这样认为。
本文提供的信息,不足以使读者明白过滤器分级是怎么回事。但了解上述背景,也许对技术和商务谈判有所帮助。谈判前,您先要明确您到底想要谁规定的什么规格、什么方法测量的什么效率的过滤器。谈判时您就可以引导话题,而不是被对方牵着鼻子走。
顺便多说几句。国家标准、协会标准、国际标准、欧洲标准,制定过程中均没有燃气轮机行业的人参与。那是些过滤器制造商(卖方)制定的文件,体现的是卖方利益。商业活动中,用户(买方)是“老大”,如果您不喜欢卖方制定的标准,请理直气壮地提出您自己的技术要求。
13其他信息
13.1喷雾
有些燃气轮机的进风处带有喷雾系统,以提高设备的出功能力。很多人将其理解为“喷雾降温”,其实,降温只是喷雾带来的一个间接效果,喷雾的最重要作用是提高工质(空气)的质量。
正确的喷雾段应设在末级过滤器之后,消声器之前。在末级过滤器后留出一段空间即可。
若设计中不设喷雾功能,但考虑日后可能增设喷雾,用户应要求在过滤段下游留出足够空间。
有的用户,系统建成后自行增设喷雾系统,由于空间限制,将喷雾系统设在过滤元件之前。改造后,过滤元件带水,过滤性能难以保证。
不论干旱还是潮湿地区,喷雾都能增加工质的质量。干旱地区的效果可能更好些。有人曾试图直接向燃烧室内注水以提高工质的质量。这确实明显提高了出功率,但因种种原因尚未得到工业应用。
13.2自洁式过滤器的反吹模式
自洁式过滤器,新过滤元件的阻力很低,效率也很低。运行一段时间后,滤材表面积灰,灰尘成为过滤材料的一部分,过滤效率达到期望值,此时,阻力也比初始时高得多。
当阻力达到某个上限值时,反吹开始,阻力下降,效率也略有下降。阻力低至某个下限值时,反吹停止。这种反吹方式称“自动反吹”。
许多用户采用的是“持续反吹”模式,即,不管阻力大小,持续反吹。这种模式有诸多弊病,如下:
1,明显地缩短过滤元件的使用寿命
间断反吹时,灰尘大多在滤材表面,容易吹落。而反吹过滤频繁时(例如持续反吹),灰尘过快地渗入滤材,那些灰尘难以脱落,导致元件的阻力过早地居高不下。
2,降低过滤效率
任何抖动,过滤元件上的灰尘都会脱落,其中,脱落的一个方向是过滤器下游。即,抖动(反吹)时,部分已经被过滤器挡住的灰尘进入下游风道。
过滤器脱尘的问题是一个难以避免的难题,也是目前国际标准化组织ISO制定国际标准的一个重要争议问题。目前,没有对这类脱尘的量化试验方法。多数过滤器供货商根本不向用户提及过滤器脱尘的事。
ISO于2008年和2009年组织的2次实验室间对比试验表明,即使不带人为抖动的板框式过滤元件,过滤器脱尘客观存在,且任何抖动都会使脱尘加剧。
3,增加能耗
压缩空气就是能源。反吹消耗压缩空气。持续反吹模式毫无疑义地消耗能源。
13.3过滤器不是挡水板
过滤器过滤一切颗粒物,包括水滴。
雨、雪、雾,过滤器都能阻挡。问题是,过滤元件带水后性能如何。
多级过滤系统,第一级过滤器可以是某种蓬松材料过滤元件。它起到很好的挡水作用。在它之后应有某种空间,使水滴落,而不侵入下一级过滤元件。
自洁式过滤器,只有一层怕水的滤纸,雨雪雾可能导致阻力迅速升至报警值。为了防雨雪,进风口应有很好的防雨设施。遇到持续大雾,谁也救不了它。
北方地区,春季的清晨偶尔可能出现“冻雨”。天上下的是毛毛雨,落到地上结成冰。沾到过滤元件上,整个糊死,谁也没办法。
板框式过滤器,初级过滤段是蓬松滤材过滤元件,挺的时间可能长一些。清晨冻雨的时间一般比较短,大多数板框式过滤器能挺过去,没必要采取措施。自洁式过滤器,遇到冻雨只剩一招儿:拆去部分滤筒,让未经过滤的空气短路进入燃气轮机。
13.4滤筒套“袜子”
自洁式过滤器中的滤筒阻挡所有粉尘,不论大小。但从脱灰效果来说,灰尘颗粒越大,脱灰越利落。
滤筒之前,可能设置些防止杨柳絮和昆虫等接触滤筒的网子,因为轻浮的杨柳絮不易清除。
没必要在滤筒之前设置任何称得上“过滤器”的东西。粗过滤器的存在可能挡住了大颗粒粉尘,使滤筒对付的全都是些反吹不易清除的小颗粒粉尘。
使用中,由于某些原因,滤筒的使用寿命可能很短。为此,有些用户或过滤元件供货商可能在滤筒外面套上一层无纺布,俗称“袜子”,以减轻滤筒的负担。特殊场合,例如杨柳
燃气轮机在船用动力方面的应用与发展 邵高鹏 (清华大学汽车系,北京 100084) 摘要:介绍船用燃气轮机的工作原理和特点,对比燃气轮机和内燃机性能的优缺点,总结燃气轮机应用于船用动力的现状和未来的发展方向。 关键词:船用燃气轮机;原理;应用;发展方向; 1.引言 燃气轮机动力装置在50年代开始用于船舶,在此之前,水面舰艇都已蒸汽轮机和内燃机作为其动力装置,大型舰船以蒸汽轮机为其主要的动力装置,蒸汽轮机的优势在于技术相对简单,制造相对容易,但是其同样存在油耗大,占用空间大等等劣势,而柴油机的单机功率有限,必须采用多机并用。并且由于燃气轮机汽固有的一些优点,使得它逐渐向柴油机动力在船舶动力上的统治地位发起了挑战。最初的燃气轮机还只能应用与军用舰艇,但是随着燃气轮机技术的发展,燃气轮机在商船上也逐步得到了推广。 2.船用燃气轮机的工作原理 船用内燃机的循环模式可以分为简单开式循环,其工作过程同内燃机类似,也可以分为吸气、压缩、做功及排气四个工作行程,但是与内燃机又有很大的不同,下图中是一种燃气轮机的结构示意图。 轴流压气机的转子高速回转,在压气机的进口处产生吸力,将新鲜空气吸入压气机,对应着吸气的过程。空气在轴流压气机中增压,压力和温度都有升高,空气继续流动经过扩压器,减速增压进入燃烧室中,此时的空气温度和压力都较高,比容很小,这就实现了空气的压缩过程。在空气进入燃烧室的同时,燃油同时喷入与空气混合形成可燃混合气,点燃后迅速燃烧,温度继续升高,而压力变化不大(由于流动损失的存在);高温高压的燃气,经过涡轮的静叶的导向之后冲击涡轮的动叶叶片,推动叶片使涡轮转子高速转动而产生转矩。涡轮常分为两级,第一级涡轮(高压涡轮)上产生的转矩用于驱动与之联动的压气机,第二级涡轮(动力涡轮)上产生的转矩经过传动轴和减速箱输出,这就是燃气轮机的燃烧和做工过
燃气轮机系统建模与性能分析 摘要:燃气轮机机组具有超强的北线性,人们掌握它的具体实施工作过程运行 规律是很难得。在我过电力工业中对它的应用又不断加强。为了更加透彻的解决 这个问题,本文将通过建立燃气轮机机组系统建模及模拟比较研究机组设计和运 行中存在的问题,从而分析它的性能。 关键词:燃气轮机;系统建模;性能 1模拟对象燃气轮机的物理模型 在标准IS0工况条件(15℃101.3kpa及相对湿度60%)下,压气机不断从大气中 吸入空气,进行压缩。高压空气离开压气机之后,直接被送入燃烧室,供入燃料 在基本定压条件下完成燃烧。燃烧不会完全均匀,造成在一次燃烧后局部会达到 极高的温度,但因燃烧室内留有足够的后续空间发生混合、燃烧、稀释及冷却等 复杂的物理化学过程,使得燃烧混合物在离开燃烧室进入透平时,高温燃气的温 度己经基本趋于平均。在透平内,燃气的高品位焙值(高温、高压势能)被转化为功。 1.1燃气轮机数值计算模型与方法 本文借助于 GateCycle软件平台,搭建好的燃气轮机部件模块实现燃气轮机以上物理模型的功能转化,进行燃气轮机的热力学性能分析计算的。在开始模拟燃 气轮机之前,首先对燃气轮杋部件模块数学模型及计算原理方法进行简单介绍。1.2压气机数值计算模型 式中,q1 、q2 、ql 分别为压气机进、出口处空气、压气机抽气冷却透平的 空气的质量流量; T1*、 p1* 分别为压气机进出口处空气的温度、压力; T2*、 p2* 分别为压气机出口处空气的温度、压力 ηc、πc分别为压气机绝热压缩效率,压气机压比 γa为空气的绝热指数;ρa为大气温度;?1为压气机进气压力损失系数 ιcs、ιc分别为等只压缩比功和实际压缩比功 i*2s、i*2、i*1分别为等只压缩过程中压气机出口处空气的比焓,实际压缩过程中压气机出日处空气的比烩和压气机进日处空气的比焓; 当压气机在非设计工况下工作时,一般计算方法是将压气机性能简单处理编制成 数表,通过插值公式求得计算压气机的参数,即在压气机性能曲线上引入多条与 喘振边界平行的趋势线,这样可以把压比,流量,效率均视为平行于喘振边界的 等趋势线和转速的函数。本文采用了同样的计算方法,在计算燃气轮机变工况性 能过程中引入无实际物理涵义的无量纲参变量CMV(compressor map variable),仅相当于引入的平行于压气机喘振边界的趋势线,压气机的质量流量、压力和效 率计算是通过上下游回馈的热力计算结果,插值寻找能够使得上下游热力参数 (压力,温度,输出功率,转速,流量)计算收敛的工作点,即压气机的变工况 工作点。 1.3燃烧室数值计算模型 其中 式中: α为过量空气系数: L0为燃料的理论空气量:
军舰动力装置概况——燃气轮机美国FT-8舰用燃气轮机 (一)研制背景和研制打算 FT-8燃气轮机由普拉特?惠特尼(P&W)公司的JT8D-219航空涡扇发动机派生。JT8D-219是JT8D系列中的最新型号,1985年开始投入使用。研制时充分利用了FT-4燃气轮机的成功体会,并移植了普拉特?惠特尼公司的PW2037和PW4000航空发动机的先进技术。在设计上突出了机组的高效率、高寿命和高可靠性。JT8D系列是一型成熟的航空发动机,20余年来已生产14000余台,并装在3000多架民航飞机上,如波音727、737、DC-9、MD-82等。累计运行了两亿八千五百万飞行小时,平均单台寿命超过1 8000h。 FT-8是1986年开始设计的。派生时将低压压气机改为8级,前两级用JTSD的风扇改成,第3级至第8级除对第3级压气机叶型作修改外,其他5级不变。进口导流叶片与前2级静子叶片可调。高压压气机共7级,7级高压压气机不变,重新设计了燃烧室和燃料系统。高、低压涡轮叶片加大了冷却,并设计了涡轮间隙操纵结构。动力涡轮4级,涡轮效率93.6%,燃气轮机总效率38.7%,是当代同等功率燃气轮机中最高的。 (二)系统组成和要紧性能 FT-8燃气轮机由进气道、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮、排气装置和操纵系统等部套组成。 高压涡轮。单级轴流式。涡轮叶片和导向叶片为气冷,涡轮叶片材料为MAR-M-247,导向叶片为MAR-M-509,轮盘为In718。叶片涂层为N iCoCrAly。 低压涡轮。2级轴流式,第1级气冷。所有叶片材料皆为MAR-M-247,轮盘皆为Was-paloy。除第2级导向叶片涂层为PtAl外,其余叶片涂层皆为NiCoCrAly。 动力涡轮。4级轴流式,叶片材料除第3和第4级导向叶片为In7 18外,皆为In738。轮盘为Ing01。第1和第2级涡轮叶片及导向叶片涂层为PW A73铝硅,轴采纳PW All0铝涂层。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920534460.0 (22)申请日 2019.04.18 (73)专利权人 新奥能源动力科技(上海)有限公 司 地址 201406 上海市浦东新区新元南路600 号上海临港新兴产业园A区7幢厂房 101室 (72)发明人 秦高雄 白生玮 王威威 李雨亭 郭荣荣 刘亚东 张泽文 (74)专利代理机构 北京同达信恒知识产权代理 有限公司 11291 代理人 黄志华 (51)Int.Cl. F28D 21/00(2006.01) F02C 6/18(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称一种回热装置和燃气轮机(57)摘要本实用新型涉及能源技术领域,公开了一种回热装置和燃气轮机,其中,回热装置包括:分流通道,前端和后端分别设有开口;换热核心,围绕所述分流通道设置,前端和后端分别设有烟气流道开口;烟气入口罩,罩设在所述分流通道和所述换热核心的前端,且设有烟气进口;烟气混合罩,罩设在所述分流通道和所述换热核心的后端,且设有烟气出口。上述回热装置,可以通过分流通道和换热核心的尺寸设计,得到不同的烟气分流比例,进而满足设定的烟气输出温度需求;并且,由于没有外接管路,该回热装置的压力和热量损失都较低、工作效率和温度利用率较高,而且整体体积很小,安装和使用过程便捷性很好;从而,可以有效提升回热循环燃气轮机的整 体性能。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 210128649 U 2020.03.06 C N 210128649 U
图说燃气涡轮发动机的原理与结构 曹连芃 摘要:文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理;对燃气轮机的主要部件轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍;对燃气涡轮发动机的整体结构也进行了介绍。 关键字:燃气涡轮发动机,燃气轮机,轴流式压气机,燃烧室,轴流式涡轮 1. 燃气涡轮发动机的工作原理 燃气涡轮机发动机(燃气轮机)的原理与中国的走马灯相同,据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮,就像风车一样,当灯点燃时,灯内空气被加热,热气流上升推动灯上面的叶轮旋转,带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转,见图1。 图1-走马灯与燃气涡轮 燃气轮机属热机,空气是工作介质,空气中的氧气是助燃剂,燃料燃烧使空气膨胀做功,也就是燃料的化学能转变成机械能。图2是一台燃气轮机原理模型剖面,通过它来了解燃气轮机的工作原理。 从外观看燃气轮机模型:整个外壳是个大气缸,在前端是空气进入口;在中部有燃料入口,在后端是排气口(燃气出口)。 燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成,左边部分是压气机,有进气口,左边四排叶片构成压气机的四个叶轮,把进入的空气压缩为高压空气;中间部分是燃烧器段(燃烧室),内有燃烧器,把燃料与空气混合进行燃烧;右边是涡轮(透平),是空气膨胀做功的部件;右侧是燃气排出口。
图2-模型燃气轮机结构 在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程:空气从空气入口进入燃气轮机,高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气,其流向见浅蓝色箭头线;燃料在燃烧室燃烧,产生高温高压空气;高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功;做功后的气体从排气口排出,其流向见红色箭头线。 图3-燃气轮机工作过程 在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转,压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子,如图4所示。
燃气轮机简介 1、燃气轮机发展史 1939年世界上第一台燃气轮机投入使用以来,至今已有65年的历史。在这65年中燃气轮机的发展非常快,其性能、结构不断地提高和完善。燃气轮机的用途已从过去的军事领域扩展到铁路运输、移动电站、海上平台、机械驱动和各种循环方式的大中型电站等。例如:简单循环、回热循环、间冷循环、再热循环、燃气—蒸汽联合循环(单压、双压、三压再热)、增压硫化床燃烧—联合循环(PFBC—CC)、整体式煤气化联合循环(IGCC)等。由于燃气轮机具有用途广泛、启动快、运行方式灵活、用水量少、热效率高、建设周期短以及对燃料的适应性非常广(各种气体燃料、液体燃料和煤)等特点,因此可以这样说,燃气轮机已经成为热机中的一支劲旅,汽轮机长期独霸发电行业的格局已经开始动摇。 近二十年来,燃气轮机在电站中的应用得到了迅猛发展。这是因为燃气轮机启动速度快、运行方式灵活,且能在无电源的情况下启动(黑启动Black),机动性能好且有极强的调峰能力,可保障电网安全运行。进入八十年代以后,燃气轮机技术得到了迅猛发展,技术性能大幅度提高。到目前为止单机容量已达334MW,简单循环的燃气轮机热效率达43.86%,已超过大功率、高参数的汽轮机电站的热效率。而燃气—蒸汽联合循环电站的热效率更高达60%。先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构,使其运输、安装、维修和更换都比较方便,而且广泛应用了孔探仪定期检查、温度控制、振动保护、超温保护、熄火保护、超速保护等措施,使其可靠性和可用率大为提高。此外,由于燃气轮机的燃烧效率很高,未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化硫等排放物一般都能达到严格的环保要求。注水/蒸汽燃烧室和DLN燃烧室的应用使NO X的排放降至9-25ppm。 2、我国燃气轮机工业概况 我国解放前没有燃气轮机工业,解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。1956年我国制造的第一批喷气式飞机试飞,1958年起又有不少工厂设计试制过各种燃气轮机。 1962年上海汽轮机厂试制船用燃气轮机,1964年与上海船厂合作制成 550KW燃气轮机,1965年制成6000KW列车电站燃气轮机,1971年制成3000KW卡车电站。在这期间还与703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等几种船用燃气轮机。 1969年哈尔滨汽轮机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机,1973年与703研究所合作制成4410KW船用燃气轮机,与长春机车车辆厂合作制成3295KW机车燃气轮机。 1964年南京汽轮电机厂制成1500KW电站燃气轮机;1970年制成37KW 泵用燃气轮机;1972年制成1000KW电站燃气轮机;1977年制成21700KW快装式电站燃气轮机;1984年与GE公司合作生产了PG6541B型36000KW燃气轮机;从1984年至2004年已生产了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四种型号燃气轮机,功率由36000KW上升到现在的43660KW。2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与GE公司进一步扩大
中冷回热循环燃气轮机技术原理 摘要 中冷回热循环(ICR)燃气轮机是在简单循环的基础上,增加压缩空气中间冷却器和排气回热器组成的复杂循环燃气轮机,具有优良的油耗和变工况特性,是舰船的理想动力装置。本文讨论了ICR的发展过程和技术特点,对其关键部分中冷器、回热器和可变几何导叶做了具体分析。 前言 2003年3月31日,Rolls—Royce和日本Kawasa—ki重工共同庆祝WR21燃气轮机在日本首次运行,这是WR21燃气轮机在开拓海外市场方面又迈出的坚实一步。以WR21为代表的中冷回热循环燃气轮机,具有低油耗和出色的变工况性能,特别适于作为舰船动力装置,美国已将其作为未来舰船电力推进系统的主动力装置。ICR是在简单循环的基础
上,增加压缩空气中间冷却器和排气回热器组成的复杂循环燃气轮机,其在宽广的功率范围内有平坦的油耗曲线,能大幅度降低部分负荷时的燃油消耗量,是一种很有发展前景的动力装置。WR21的成功开发,使ICR技术成为当今研究热点,我国也已经开始了这方面的研究工作。 l ICR技术发展历史 早在1946年,Rolls&Royce公司就与英国海军签订了生产舰用中冷回热燃气轮机RM60的合同,并与次年开始研制,要求机器在整个功率范围内有低的耗油率(尤其是部分负荷)。RM60设计功率4400kW,寿命lO00h,燃气初温827℃,增压比18,这在当初都是比较高的。1954年在“灰鹅”号炮艇上进行航行试验。试验结果表明RM60虽然达到了良好的部分负荷性能,却使发动机的购置成本大大提高,且体积庞大,换热器方面也存在问题,像燃气侧烟灰沉积使回热器效率下降,中冷器凝出的水滴对压气机叶片产生侵蚀等等。另一方面,由于简单循环燃气轮机在结构和布置的紧凑性方面有显著的优点,加之当时人们对巡航一加速相结合方案的强烈兴趣,ICR技术未能获得进一步的发展。 从那以后,舰用燃气轮机均采用简单循环,第二代燃气轮机也发展起来,其工作参数(燃气初温,增压比)及各项性能指标比第一代均有很大提高。然而,继续提高燃气轮机的工作参数遇到了更大的困难,且无论工作参数多高,其低负荷时燃耗率的恶化趋势也不会发生本质的变化,这是简单循环难以克服的缺点。因此,从八十年代开始,美国转向了对中冷回热循环燃气轮机的研究,此时,由于燃气轮机和热交换器方面的技术进展,使中冷回热循环在达到最高的循环效率、优良的变工况性能的同时仍能使装置结构紧凑,特别适于舰用。
1985年10月美国海军同时与美国GE和英国Rolls-Royce公司(联合Allison、Garrett公司)签订了两个研制中冷回热燃气轮机的合同。同时,德国的MTU公司慕尼黑分部也在论证研制ICR燃气轮机。 1991年12月,美国海军将WR21中冷回热燃气轮机机组的设计和发展合同授与Westinghouse Electric Coporation分部(以此分部为主体,后来组建了Northrop Grumman船用系统公司,成为新的总承包商),分承包商主要有Rollse&Royce公司工业与船用燃气轮机分部(负责燃气轮机),A1一liedSignal公司航空系统和设备集团(负责回热器和中间冷却器)和CAE电子公司(负责控制设备)。 1994年1995年,英国和法国分别加入该合同,分担一部分开发经费。 2000年2月,WR21的开发和前期试验完成,进行3000小时耐久试验和其他一系列为实际服役准备的性能试验,2002年底基本完成。
燃气轮机 燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载,它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末,意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置,其原理与走马灯相同。至17世纪中叶,透平原理在欧洲得到了较多应用。 概述 1791年,英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程;1872年,德国人施托尔策设计了一台燃气轮机,并于1900~1904年进行了试验,但因始终未能脱开起动机独立运行而失败;1905年,法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机,但效率太低,因而未获得实用。1920年,德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机,其效率为13%、功率为370千瓦,按等容加热循环工作,但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热,存在许多重大缺点而被人们放弃。随着空气动力学的发展,人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点,解决了设计高效率轴流式压气机的问题,因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。与此同时,涡轮效率也有了提高。在高温材料方面,出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢,因而能采用较高的燃气初温,于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。1939年,在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机,效率达18%。同年,在德国制造的喷气式飞机试飞成功,从此燃气轮机进入了实用阶段,并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展,以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果,燃气初温逐步提高,使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大,在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机,最高能达到130兆瓦。与此同时,燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验;1947年,英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水,它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力;1950年,英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后,燃气轮机在更多的部门中获得应用.在燃气轮机获得广泛应用的同时,还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置;50~60年代,出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置,但由于笨重和系统较复杂,到70年代就停止了生产。此外,还发展了柴油机燃气轮机复合装置;另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统,可有效地节约能源,已用于多种工业生产中。 燃气轮机的工作过程是,压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气涡轮中膨胀作功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的作功能力显著提高,因而燃气涡轮在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时,需用起动机带着旋转,待加速到能独立运行后,起动机才脱开。燃气轮机的工作过程是最简单的,称为简单循环;此外,还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气,最后又排至大气,是开式循环;此外,还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。燃气初温和压气机的压缩比,是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温,并相应提高压缩比,可使燃气轮机效率显著提高。70年代末,压缩比最高达到31;工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右,航空燃气轮机的超过1350℃。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等组成。压气机有轴流式和离心式两种,轴流式压气机效率较高,适用于大流量的场合。在小流量时,轴流式压气机因后面几级叶片很短,效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中,有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级,因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。 燃烧室和涡轮不仅工作温度高,而且还承受燃气轮机在起动和停机时,因温度剧烈变化引起的热冲击,工作条件恶劣,故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命,这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等,须用镍基和钴基合金等高温材料制造,同时还须用空气冷却来降低工作温度。对于一台燃气轮机来说,除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统,此外还需要配备良好的附属系统和设备,包括:起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重,大修周期长,寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻,所用材料一般较好,其中以航机的结构为最紧凑、最轻,但寿命较短。与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较,燃
燃气轮机起动过程原理 (2007-12-25 22:02:35) 转载▼ 标签: 杂谈 燃气轮机起动过程原理 2.1 燃气轮机启动运行原理 燃气轮机主机由压气机,燃烧室和透平三大部件组成。压气机需要从外部输入机械功才能把空气压缩到一定的压力供入燃烧室。透平则用高温高压的燃气做工质将其热能转变为机械能从而对外输出机械功。在正常运行的时候,压气机是由燃气透平来驱动的。一般讲,透平功率的2/3要用来拖动压气机,其余的1/3功率作为输出功率。显然存在一个问题,在启动过程中点火之前和点火之后透平发出的功率小于压气机所需的功率这一段时间内,必须由燃气轮机主机外部的动力来拖动机组的转子。换言之,燃气轮机的启动必须借助外部动力设备。在启动 之后,再把外部动力设备脱开。机组启动扭矩变化,如图3-1所示。图中MT曲线为透平自点心后所发出的扭矩;Mc曲线是压气在被带转升速过程中的阻力矩变化;Mn 是机组起动时所需要的扭矩特性,即由起动系统所提供的扭矩;n1为机组点火时的转速,即由起动带转机组转子所达到的转速。在n1转速下,进入燃烧室的空气在其规定参数下,由点火器并藉联焰管快速且可靠地点燃由主喷油嘴喷射出来的燃料,并且在机组起动升速过程中,不会发生熄火、超温和火焰过长等现象。n1转速通常为15%~22%SPD范围内,机组不同,n1数值亦不同。图3-1 机组启动扭矩变化 燃气轮机的起动是指机组从静止零转速状态达到全速空载并网状态,在起动过程中要求机组起动迅速、可靠、平稳和不喘振。为了防止压气机在起动过和中喘振,机组起动前和起动过程中某一阶段内气机进口导叶处于34度,即所谓关闭状态,放气阀处于打开放气位置。压气机进口可转导叶角度关小,能使压气机喘振边界线朝着流减小的方向变动,扩大了压气机的稳定工作范围。同时由于空气流量减小,因而减小了起动力矩,使起动机功率减小;在起动功率不变的情况下,可以缩短起动加速时间。防喘放气阀的放气是在于减小压气机高压级的空气流量而不致阻塞,同时又能增加压气机放气口前的气流流量,从而提出高了流速,也使压气机避免喘振。 机组起动过程中,压气进口导叶(IGV)角度,不能总在34度关闭状态;放气阀也不能总在放气位;因机组起动时工质设计参数的需要,6型机当转速为87%SPD时,IGV由34度打开增至57度,当机组转速达到满转速并且加负荷,直到所带负荷达到在约1.54万KW时,IGV继续打开直到84度。而放气防喘阀,当机组转速达到97.5%SPD(转速继电器具14HS 动作)时,即关闭停止放气。 机组起动运行包括起动、带负荷、遥控起动和带负荷。起动包括正常起动和快速起动。带负荷又分自动和手动进行。在起动运行过程中的控制调节又分转速控制、同期控制和温度控制阶段。 燃气轮机的起动过程可以分段进行,亦可以自动按程序控制进行,要分步调试过程中,可以分段进行。一旦分步调试正常后,便无需再分段进行机组起动,而是采用自动程序控制。机组起动过程分以下几步。
燃气轮机发电案例介绍-天然气应用 1 案例背景 燃气轮机热电(冷)联产系统可同时提供电能和热(冷)能,相比传统能源解决方式,系统效率高,简单可靠,应用灵活,节能环保,且受国家政策鼓励,可广泛应用于各种场合,为用户降低能耗并改善当地环境,以下是以天然气为燃料,应用于工业用户的典型案例介绍。 1.1 现场条件(以上海为例) 海拔高度5m 设计大气温度14℃ 设计大气压力101.3Kpa 设计大气相对湿度60% 1.2 燃料 以天然气为燃料 燃气热值:8400 KCal/Nm3 燃气压力:0.3Mpa(假设) 1.3 热电负荷及运行时数 最大蒸汽流量:29t/hr 蒸汽压力: 1.0 Mpa 蒸汽温度:185℃ 年供热时间:7000小时 年运行小时数:7000小时 2 方案 燃气轮机热电联产系统一般根据以热定电的原则进行设计和设备选择,该项目选用1台索拉公司大力神130(TITAN 130)燃气轮机,配1台余热锅炉,两台燃气压缩机(1用1备),整个系统可布置在简易厂房内,总占地面积约3200平方米。 2.1 燃气轮机 每台大力神130机组在项目现场主要参数如下: 铭牌功率:15000KW 发电机出力:14556 KW 燃烧空气进口温度:14℃ 燃机工况点:满负荷运行 燃料流量:4339Nm3/hr 涡轮排气温度:500 ℃ 尾气流量:177882 Kg/hr
2.2 余热锅炉 每台余热锅炉在项目现场主要参数如下: 蒸汽温度:185.5℃ 蒸汽压力: 1.03 Mpa 蒸汽流量:29245 kg/hr 2.4 系统总容量及实际出力 总装机铭牌功率:15000 KW 现场实际净输出功率:14556 KW 总蒸汽流量:29245 Kg/hr 总燃气消耗量: 4339 Nm3/hr 3 索拉中国业绩 索拉公司进入中国已经超过30年,在国内已经有超过260台机组,其中金牛60机组超过70台,大力神130超过70台。在项目执行过程中和国内的许多设计院建立了良好的合作关系,他们也对索拉机组有充分的了解,可以非常快速地和可靠地完成设计任务。 此外,上海力顺燃机科技有限公司作为索拉在中国工业发电行业的代理,已在国内完成了多个燃气轮机热电联产项目,可以为项目的规划、建设提供技术服务。 在国内已经建设成功、投入使用的索拉燃气轮机天然气热电联产项目有:浦东国际机场能源中心热电联产项目和成都国际会展中心热电联产项目,其中浦东机场项目运行已经超过十年,目前运行情况良好。 ●浦东国际机场能源中心(1×4000KW)1999年建成并投入使用。 ●成都国际会展中心(1×10690KW,1×5670KW)分别于2005年11月 和2009年4月建成并投入使用。 此外,针对中低热值燃气应用,索拉燃气轮机热电联产项目清单: 1)山东金能煤气化有限公司一期项目(1×5670KW 热电联产),2006 年4 月 投产,目前运行情况良好。 2)内蒙古太西煤集团乌斯太项目(2×5670KW 热电联产),2008 年10 月投产, 目前运行情况良好。 3)山东金能煤气化有限公司二期项目(3×5670KW 联合循环),2008 年4 月 投产,目前运行情况良好。 4)河南顺成集团煤焦有限公司一、二项目(2×15000KW 热电联产),分别于
第8章船舶汽轮机和燃气轮机 涡轮机(也称透平)是以连续流动的蒸汽或燃气为工质,以叶片为主要工作部件,通过工质在叶片机构中膨胀将热能转换成机械功的旋转机械。汽轮机和燃气轮机都是涡轮机,前者以蒸汽为工质,后者以燃气为工质,尽管两者所用的工质不一样,但都是属于旋转式热力发动机,其基本工作原理是一样的,都是利用高速流动的工质推动叶轮转动而对外输出机械功的。涡轮机和往复式热力发动机相比,最突出的特点是运转平稳、单机功率大。 8.1 涡轮机概述 涡轮机械按其使用的功用,通常可以分成两大类: 1)用作产生动力的涡轮机,如蒸汽轮机、燃气轮机; 2)消耗机械的涡轮机械,如各种泵、压缩机、风扇等涡轮机械。 上述每一大类,又可以按照流体通过机器的流道特征,再分成三类。工作流体的流向与旋转轴基本平行的涡轮机械,称为轴流式涡轮机械;工作流体主要在与旋转轴垂直的平面上流动的涡轮机械,称为径流式涡轮机械;转子出口处径向与轴向速度分量兼有的涡轮机械,称为混流式涡轮机械,分别见图8-1 a)、b)、c)。不论是涡轮机、泵、还是压缩机,都可以设计成轴流式、径流式或混流式。 图8-1涡轮机三种型式 研究船用涡轮机的热力设计和工作特性,它的主要理论依据是热力学和气体动力学。所运用的基本定律是质量守恒定律、动力学定律、能量守恒定律等基本定律,这些定律与气体的特定性质无关,适用于任何气体,是揭示涡轮机中工质流动及其能量转换的基本方程。具体的研究包括: 1)阐述涡轮机中能量转换以及工质流动所遵循的基本规律; 2) 分析通流部分中的能量损失以及各种气动热力参数、几何参数对效率的影响; 3) 气动热力设计和试验研究的理论和方法; 4)分析非设计工况的工作特性。 但是,涡轮机通流部分中气体的运动是一种性质极为复杂的,同时又伴随能量传递和热交换的高温可压缩粘性气体的,三元不定常的流动过程。在实际工程设计计算和试验研究中,通常假定气体在涡轮机中的流动,包括在静叶片内的绝对运动和动叶片内的相对运动,都是定常流动,在附面层外的主流区可以忽略粘性力的,与外界绝热的,轴对称流动。在流道横
第2章航空燃气轮机的工作原理 Principle of Aero Gasturbine Engine 第2.1节概述 Introduction 涡轮喷气发动机是航空燃气轮机中最简单的一种,它是飞机的动力装置。涡轮喷气发动机在工作时,连续不断地吸入空气,空气在发动机中经过压缩、燃烧和膨胀过程产生高温高压燃气从尾喷管喷出,流过发动机的气体动量增加,使发动机产生反作用推力(图2.1.1) 图2.1.1 单轴涡轮喷气发动机 涡轮喷气发动机(图2.1.2)作为一个热机,它将燃料的热能转变为机械能。涡轮喷气发动机同时又作为一个推进器(,它利用产生的机械能使发动机获得推力。
图2.1.2 表示热机和推进器的单轴涡轮喷气发动机 涡轮喷气发动机,作为热机,它和工程中常见的活塞式发动机一样,都是以空气和燃气作为工作介质。它们的相同之处为: 均以空气和燃气作为工作介质。它们都是先把空气吸进发动机,经过压缩增加空气的压力,经过燃烧增加气体的温度,然后使燃气膨胀作功。燃气在膨胀过程中所作的功要比空气在压缩过程中所消耗的功大得多。这是因为燃气是在高温下膨胀的,于是就有一部分富余的膨胀功可以被利用。 它们的不同之处为: ?进入活塞式发动机的空气不是连续的;而进入燃气轮机的空气是连续的。 ?活塞式发动机中喷油燃烧是在一个密闭的固定空间里,称为等容燃烧,而燃气轮机则在前后畅通的流动过程中喷油燃烧,若不计流动损失,则燃烧前后压力不变,故称为等压燃烧。 下面给出了涡轮喷气发动机的简图,图中标出了发动机各部件名称和各个截面的符号。 对于单轴和双轴涡轮喷气发动机的尾喷管,若为收敛性喷管,其出口截面9在临界或超临界状态下成为临界截面,故也可以标注为8。 0---远前方,1---发动机进气道入口,2---压气机入口,3---燃烧室入口, 4---涡轮入口,5---尾喷管入口,8---尾喷管临界截面,9---尾喷管出口 图 2.1.3涡轮喷气发动机各部分名称 请记住上图涡轮喷气发动机各个截面符号的含义。
国内燃气轮机现状 2010-05-19 15:59 燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种,离心式一级或两级,适合1MW以下小型燃气轮机。轴流式多级,效率较高,流量大,大、中型燃气轮机中普遍应用。重型结构燃气轮机的零件较为厚重,大修周期长,寿命可达10万小时以上。轻型结构燃气轮机紧凑,材料较好,并以航空发动机最紧凑,但寿命较短,航机改型的燃气轮机都是轻型结构。 10MW以上燃气轮机多用于发电,30~40 MW以上几乎都用来发电。油田等工业用燃气轮机通常带动各种泵等,石油化工厂可用之发热。一些车辆、舰船、机车、坦克也使用燃气轮机。 我国燃机工业按苏联模式建立,分属机械、航空、造船、兵器、航天等工业部门,50年代仿制测绘与自行研制过数种燃气轮机。轻型燃机集中在航空系统,发展了5大类。 1.航机改工业燃机,有WP6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G等。60年代技术水平,已经生产上百台。2.专利生产航机改工业燃机,有斯贝和WZ8,其中斯贝两种改型燃机没有完成研制。另有引进生产许可证的GT25000舰用燃气轮机。 3.合作生产燃机,有FT8、QD10B、QY40等。 4.正在改进中的航机改燃机,有QD128、QD70、QD185等。 5. 863燃气轮机专项,R0110重型燃机和微型燃机。 燃气轮机制造从50年代末开始,上海汽轮机厂仿制了BBC公司的6200KW列车电站。利用苏联技术,设计制造了R-650-3型3000KW燃气轮机、 R-700-6型6000KW燃气轮机、R-750/750-25 型25000KW燃气轮机。南京汽轮机厂仿制苏联燃气轮机制造了R-600-1.5型 1500KW燃气轮机和50马力消防用超小型燃气轮机,自行研制了R-700-1型1000KW燃气轮机。70年代开始研制发电用重型燃气轮机,南京汽轮机厂测绘仿制了RG5301,生产了PG5301。1983年引进GE公司燃机技术,南京汽轮机厂可以生产MS6001、MS5001、MS3002等机组。东方汽轮机厂研制过6000KW 燃气轮机发电机组,青岛汽轮机厂研制过200KW小型燃气轮机发电机组。1969年大同机车厂试制一台长征一型 2205KW燃气轮机铁路机车,长春机车厂1977年试制一台长征二型2940KW机车,株洲电力机车厂1985年试质一台燃气轮机机车。航改燃机从 1974年的WJ6G1燃气轮机开始。航改燃机到1990年生产了74台,供油田等使用。东安生产了WJ5G1燃机、黎明生产了WP6G燃机,常州兰翔生产了WZ6G。成都发动机公司1986年联合开发25000KW的FT8燃气轮机,为JT8D-219涡扇发动机改型。 [航改燃机资料 “十五”期间实施市场换技术战略,发改委进行了三次捆绑招标,引进了GE、西门子与三菱3种F级大型燃机54套,直接跨入9F系的生产。其中哈尔滨动力集团与GE共同生产109FA机,东方电气集团与三菱联合生产M701F机,上海电气集团与西门子联合生产V94.3A机。另外,南京汽轮电机集团与GE启动了9E系列大型燃机的国产化生产,如120MW的MS9001E。 目前有多种航改燃机投入使用或开始研制。昆仑涡喷发动机改QD128燃气轮机借西气东输工程诞生。QD128由黎明航空发动机公司与沈阳发动机研究所(606所)等联合研制,燃气发生器由昆仑改进,动力涡轮使用成熟技术,利用了90%以上的昆仑部件。机组输出功率12800KW,热效率30%。 2003年7月28日建成中原油田采油一厂热电联产示范电站,2006年第二台发电机组于大庆油田投入使用。
QD20燃机轮机机组 第 1章概述 1.1 燃气轮机简介 燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械,包括压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等。 走马灯是燃气轮机的雏形我国在11 世纪就有走马灯的记载,它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。15世纪末,意大利人列奥纳多〃达芬奇设计的烟气转动装臵,其原理与走马灯相同。 现代燃气轮机发动机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。当它正常工作时,工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。图1-2为开式简单循环燃气轮机工作原理图。压气机从外界大气环境吸入空气、并逐级压缩(空气的温度与压力也将逐级升高);压缩空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气;然后再进入透平膨胀做功;最后是工质放热过程,透平排气可直接排到大气、自然放热给外界环境,也可通过各种换热设备放热以回收利用部分余热。在连续重复完成上述的循环过程的同时,发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。 燃气轮机动力装臵是指包括燃气轮机发动机及为产生有用的动力(例如:电能、机械能或热能)所必需的基本设备。为了保证整个装臵的正常运行,除了主机三大部件外,还应根据不同情况配臵控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统等。 燃气轮机区别于活塞式内燃机有两大特征:一是发动机部件运动方式,它为高速旋转、且工质气流朝一个方向流动(不必来回吞吐),使它摆脱了往复式动力机械功率受活塞体积与运动速度限制的制约,在同样大小的机器内每单位时间内通过的工质量要大得多,产生的功率也大得多,且结构简单、运动平稳、润滑油耗少;二是主要部件的功能,其工质经历的各热力过程是在不同的部件中进行的,故可方便地把它们加以不同组合处理,来满足各种用途的要求。 燃气轮机区别于汽轮机有三大特征:一是工质,它采用空气而不是水,可不用或少用水;另是多为内燃方式,使它免除庞大的传热与冷凝设备,因而设备简单,启动和加载时间短,电站金属消耗量、厂房占地面积与安装周期都成倍地减少;再是高温加热高温放热,使它有更大的提高系统效率的潜力,但也使它在简单循环时热效率较低,且高温部件需更多的镍、铬、钴等高级合金材料,影响了使用经济性与可靠性。 自 20 世纪60 年代首次引进6000kW 燃气轮机发电机组以来,我国已建成不少烧油气的燃气轮机及其联合循环发电机组。但由于我国一次能源以煤为主的消费结构,并受到规定的“发电设备只准烧煤”的前燃料政策的制约,目前我国燃气轮机在现有发电设备装机容量中,占有量很小,只有700 万kW 左右,且绝大部分为进口的。但发展速度很快,正在建设和计划的就超过800 万kW,正在建设的一批大型35 万kW 级燃用天然气的联合循环电站。随 着天然气和液体燃料在一次能源中比例的上升和燃气轮机燃煤的技术成熟之后,燃气轮机在我国发电设备中的比例将会愈来愈大。研究表明,由于燃气轮机在效率,环保和成本方面的优势,我国在电站基本负荷发电、老电站技术更新改造、洁净煤发电技术、石油与天然气的输运和高效利用以及舰船、机车交通动力等领域对燃气轮机都将有较大的需求。许多专家还强调燃气轮机在西部大开发中的重要性,国家构想实施的新世纪四大工程:西气东输,西电东送,青藏铁路,南水北调,前三个都与燃气轮机有关。总之,以燃气轮机为核心的总能系统也将成为我国跨世纪火电动力的主要发展方向,我国将是世界最大的燃气轮机潜在市场。 第2章燃气轮机热力循环 2.1热力循环的概念 热力循环是指热力系统经过一系列状态变化,重新回复到原来状态的全部过程。热力循环分为正向循环及逆向循环。将热能转换为机械功的循环称为正向循
燃气轮机在商船上应用的优缺点及其现状 摘要:本文结合了近些年燃气轮机在商船上应用的情况和现状,总结了其应用上的优缺点,供相关专业人士及决策者提供参考。 关键词:燃气轮机,商船,优缺点,现状 众所周知,燃气轮机装置并不是一个新兴的动力装置,而是有着几十年发展时间的具有深厚技术积累的综合性的学科作为支撑的工业力量。首台燃气轮机是由德国人与上个世纪四十年代研制成功的,由于其良好的空气动力性能,随后在航空方面得到大量广泛的应用。水面舰艇的研制单位深受水面动力装置的困扰,在看到抑制航空燃气轮机技术抑制的前景之后,经过高性能航空发动机的改装及简单循环技术的发展、中间冷却回热复杂循环的优化、先进的余热利用式燃蒸联合循环的应用已使军用船舶燃气轮机的发展和应用进入了一个崭新的时期。然而商船基于经济利益及维修方面的考虑,一直没有大规模普及燃气轮机,其所占比例极小。近年来由于各国及各海事组织出于保护环境的考虑,对柴油机的硫氧化物及氮氧化物的排量做出严格限定,加上油价节节攀高,和一大批新兴国家新兴中产阶级的兴起,游艇业务蓬勃发展对高航速的要求,使得商船上的燃气轮机应用逐渐成为热门的话题。 一燃气轮机的优势 1,燃气轮机的噪音非常小 人们通常会从巨大的飞机噪音中推断船用燃气轮机的巨大噪音,其实不然。飞机由于要考虑起飞重量,没有加装消噪装置,而船舶凭借其体积巨大的优越性,可以合理的安排布局,相比于柴油机和蒸汽轮机的高分贝噪音具有巨大的优势。有益于常年工作的轮机员的身心健康。 2,氮氧化物,硫氧化物的排量大幅减少 随着imo的更新的主要技术指标也得到了大幅度的提高, 如简单循环效率由18% 提高到40% , 联合循环效率已经达55% 以上。为改善船舶燃气轮机的变工况性能,使其在低负荷下的耗油率曲线变化平坦, 设计中经常采用压气机可转导叶、低负荷设计、变几何动力涡轮等措施。同时, 压气机中间冷却和回热循环设计方案的采用大幅度降低了燃气轮机在部分工况时的燃油消耗。通过增加废气锅炉、蒸汽轮机装置回收能量可以进一步减少燃油费用。 3,大修时间大幅延长 早年由于燃气轮机热负荷高,动载荷大,使得其翻修寿命较柴油机、蒸汽轮机短很多。 随着新材料及新型冷却方式的应用, 船舶燃气轮机翻修寿命又有较大延长。 4,体积小, 结构紧凑。 燃气轮机结构较为紧凑,有利于船舶机舱的布置, 同时使船舶可以腾出更多的容积便营运, 也有利于高性能船舶的设计。以LM 2500+ 船用燃气轮机为例, 通过使用轻材料和凭借航空燃气涡轮机的固有功率密度, 其重量比同等柴油发动机轻74% , 所占空间约是同等动力柴油机的三分之一。 5,单机功率大,启动加速性能好。 冷启动仅需要两分钟左右。 6,可靠性好,可利用率高。 船用燃气轮机具有较高的可靠性和较大的可利用效率(大于95%)。具体事例见1985 年英阿马岛战争。 7,初期投资费用较低
燃气轮机原理与应用复习题 2013-05-28 1 同汽轮机相比,燃气轮机的特点有哪些? 优点: (1)重量轻、体积小、投资省。(2)启动快、自动化程度高、操作方便。 (3)水、电、润滑油消耗少,少用或不用水。 (4)燃料适应性强、公害少。(5)维修快、运行可靠。 缺点: A. 热效率较低。 B.使用的经济性和可靠性较差。 2 燃气轮机涡轮叶片有哪几种冷却方式?每种冷却方式的大概降温范围? 1)对流冷却可使温度降低200-250℃ 2)冲击冷却可使温度降低200-300℃ 3)气膜冷却可使温度降低400--600℃ 4)发散冷却可使温度降低500-800℃ 普遍使用前三种的混合 3航空用燃气轮机有哪几种类型? 涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机 4什么是燃气轮机循环的压比、温比? 压比π*:压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。 温比τ*:涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值。 5 什么是燃气轮机循环的比功、热效率、有用功系数? 燃气轮机的循环比功:进入压气机内1kg 空气完成一个循环后,对外界输出的有效轴功。 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。 有用功系数?:燃气轮机比功w i 与涡轮比功w T 的比值。 6燃气轮机理想简单循环的比功与哪些因素有关? 影响理想简单循环的比功ws 的重要因素:压比π*和温比τ*。 (1) 压比π*一定时,温比τ*增大,循环比功ws 增大。 (2) 温比τ*一定时,有一最佳比πL *使比功最大,且τ*增大时,πL *增大。 7燃气轮机理想简单循环的效率与哪些因素有关? (1) 理想简单循环的热效率ηs 只与压比π*有关,而与温比τ*无关。 *1*2*p p =π*1*3*T T =τT C T i w w w w -1 ==?