燃气轮机基础知识

燃气轮机基础知识
Baidu Nhomakorabea第一章 绪论
三、 GE公司燃气轮机产品系列及其编号 GE公司可提供重型和航机改型燃气轮机以作发电和工业应用。重型燃气轮机有 简单循环环和回热循环，由五个系列组成:MS3002.MS5000，MS600l,MS7001和 MS9001。有单轴和双轴结构，用于带动发电机发电或机械驱动，以符号LM标志的 航机改型燃气轮机也用于机械驱动和发电机驱动。 带动发电机发电的燃气轮机产品系列其额定功率大致在10000～226000KW。 表1-1列举了一些典型机组的出力和热耗等性能参数。机械驱动用的机组额定功率在 14600～10800Ohp. 见表1-2所列。 表1-1和表1-2所列机组中各代号的含义如下： M 5 32 2 R （B） - --(1) (2) (3) (4) (5) (6) (1)用途:M-机械驱动;GD-发电设备;PG-箱装式发电设备 (2)系列号:3,5,6,7,9等相应表示MS3002,MS5000,MS6001等中申的系列号 (3)输出功率:大致为几百、几千、或几万马力 (4)轴数:是单轴还是双轴(即1或2) (5)循环方式:R－回热循环，如此项空缺，则为简单循环 (6)型号
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第一章 绪论
二、燃气轮机发展史 燃气轮机是继汽轮机和内燃机问世以后，吸取了二者之长而设计出来的。 它是内燃的，避免了汽轮机需要庞大锅炉的缺点；又是回转式的，免去了内 燃机中将往复式运动转换成旋转运动而带来的结构复杂，磨损件多，运转不 平稳等缺点。但由于燃气轮机对空气动力学和高温材料的要求超过其他动力 机械，因此，发展燃气轮机并使之实用化，人们为之奋斗了很长时间。从 1891年英国人约翰· 巴贝尔申请登记第一个燃气轮机设计专利算起，经过了 半个世纪的奋斗，到1939年，一台用于电站发电的燃气轮机(400kW)才由瑞 士BBC公司制成，正式投运。同时Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机 试飞成功，这标志着燃气轮机发展成熟而进入了实用阶段，在此以后，燃气 轮机的发展是很迅速的。由于燃气轮机本身固有的优点和其技术经济性能的 不断提高，它的应用很快地扩展到了国民经济的很多部门。 首先在石油工业中，由于油田的开发和建设，用电量急剧增加。油田有 充足的可供燃用的气体和液体燃料燃气轮机装置被广泛应用，除用于发电外， 还在多种生产作业申用燃气轮机带动压缩机(例如天然气管道输送，天然气 回注，气田采油等)和泵(例如原油管道输送和注水等)。
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第一章 绪论
先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修和更换都比 较方便，而且广泛地应用了孔探仪、振动、温度监控、焰火保护等措施，其 可靠性和可用率大为提高，指标已超过了蒸汽轮机电站的相应指标。此外， 在环保方面，出于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧的碳氢化合 物，CO、S0X，等排放物一般的都能够达到严格的环保标准，再结合应用 干式低NOX燃烧室、排气烟道中安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施， 可施使NOX的排放低至9ppm，满足最严格的环保要求。因此，燃气轮机发 电机组，特别是燃气-蒸汽联合循环机组已作基本负荷机组或备用机组得到 了迅速的应用。 燃气轮机的发展主要还是圈绕着增加单机功率，提高效率和经济性，燃 用多种燃料和廉价燃料，减少对环境的有害影响来进行的。诸如加强高温材 料的开发，提高冷却技术，发展闭回路蒸汽冷却燃气轮机，发展新型航空改 型燃气轮机，开发先进的燃气轮机循环，进一步发展清洁煤技术等等。燃煤 的燃气-蒸汽联合循环是“煤的清洁燃绕”技术中最为令人瞩目的项目，是九十 年代到下世纪之初最有发展前途的方式。到目前为止最具竞争力的方案有三 个，即(1)增压流化床方案(PFBC);(2)增压流化床加炭化炉加顶置燃烧室方 案(简称CPFBC燃气· 蒸汽联合循环);(3)整体煤气化联合循环(IGCC)。
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第二章 燃气轮机的热力学基础知识
2、压力 垂直作用在单位面积上的力称为压力，以符号P表示，这就是物理学上 所称的压强。按分子运动论的观点，压力是气体的大量分子向容器壁面撞击 所产生的平均结果。若气体作用在器壁面积A上的垂直作用力为F，那么该 壁上的压力为: P=F/A 压力通常用各种压力计来测定。这些压力计的测量原理部是建立在力的 平衡的基础上。由于压力计本身处于大气压力B作用下，因此压力计上测得 的压力是工质的真实压力和大气压力B的差值，是一个相对压力，称为表压 力或工作压力，用符号Pg表示，而工质的实际压力称绝对压力，用P表示。 P, Pg 和B之间的关系是： P=B+ Pg 有时工质的压力低于大气压力B时，此时压力计上测得的压力称为"真空 度"，用H表示，则 H=B - P
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第二章 燃气轮机的热力学基础知识
绝对压力P，表压力Pg，真空度H和大气压B的关系可用下图说明：
只有绝对压力才能表征工质的状态，在热力学中均以工质的绝对压力作 为状态参数，在工程计算中亦以绝对压力作为计算的依据。
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第二章 燃气轮机的热力学基础知识
(1)按我国的法定计量单位，压力的单位采用牛/米2(N/m2)，即1米2面积 上作用1牛顿的力，称为帕斯卡，符号为帕(Pa)，工程上因这个单位太小， 常采用兆帕(MPa) 1 MPa=106 Pa 暂时与国际单位制压力并用的有巴(bar) 1 bar=105 Pa=0.1 MPa (2)工程大气压，它的单位是公斤力/厘米2 (kg/cm 2) ，即1厘米2面积上施 加1公斤的作用力。用符号at表示。 (3)标准大气压，又称物理大气压，把纬度45。，大气温度为0℃的海平面 上的大气常年平均气压定为标准大气压，用符号atm表示，它的大小是， 1标准大气压(atm)=1.033公斤力/厘米2 =1.033工程大气压(at) =1.0133 bar
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第一章 绪论
其他工业部门，如炼油厂、石油化工厂、化工厂、造纸厂等等；它们不仅 需要机械动力，而且需要大量热(例如蒸汽)。这时用燃气轮机来功热联供，在满 足这两方面需要的同时，还能有效地节能，故应用发展较快。 实践证明，燃气轮机作为舰船推进动力，其优点显著，特别是排水量为数 千吨的军舰，近一、二十年来所建造的大多是用燃气轮机作为推进动力的，飞 机上应用涡轮喷气发动机等航空燃气轮机时，不仅重量轻，功率大，且迎风面 积小，效率高，适宜于高速飞行，故早在50年代就基本上取代了活塞式航空发 动机。 近二十年来，燃气轮机在电站中得到了迅速的发展，这是要引起我们足够 重视的。由于燃气轮机起动迅速，且能在无外界电源的情况下起动，机动性好， 用它带尖峰负荷和作为紧急备用机组，可保证电网的安全运行，因而被广泛地 应用。在进入八十年代以后，燃气轮机技术获得了迅速的发展，技术性能大幅 度提高。 GE公司于2011年发布最新9FB机型，单机功率291MW，联合循环功率444MW； 简单循环燃机效率38.4％，联合循环效率达59.1%，并正在向60％迈进。
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第一章 绪论
一、燃气轮机发电装置的组成 燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。现广泛应用的是按 开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在 燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入 透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因 此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了 燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。
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第二章 燃气轮机的热力学基础知识
衡量温度的标尺叫温标，在我国法定计量单位中，温度测量采用热力学 温标，符号为T，单位名称是开尔文(K)。按照国际单位制的规定，把水的三 相点温度，即水的固相、液相、汽相平衡共存的状态点作为基准点，并规定 该点温度为273·16K。 工程上还常用摄氏温标，它规定在标准大气压下纯水的冰点是0℃，汽 点是100℃，℃是摄氏温度单位的符号，摄氏温度用t表示。它与热力学温度 开尔文之间的数量关系为: t=T-273.15 摄氏温度与热力学温度的间隔完全相同，只是起点不同，在一般工程计 算中取t℃=(T－273)℃己足够精确。热力学温度通常又称为绝对温度。 在英制系统用华氏温标，也用t表示，其单位符号为F。因此摄氏温度与 华氏温度的数量关系为： T(F)=9/5×T(℃)＋32 T(℃)＝(T(F)-32) × 5/9
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第一章 绪论
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第二章 燃气轮机的热力学基础知识
一、工质的基本状态参数 一般来说，各类热机都是采用气态物质作为热功转换过程的媒介物，我 们把这种媒介物叫做工质。热能动力装置的工作就是借助于工质的吸热、膨 胀、放热等过程完成变热为功的转换。在这些过程中，工质的物理特性随时 在起变化，我们把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现宏观物理状况称 为工质的热力学状态，简称状态。为了说明热工设备中的工作过程，必须研 究工质所处的状态和它所经历的状态变化过程，在研究热力过程时常采用压 力、温度、比容、内能、熔、熵等参数来加以描述。其中温度、压力、比容 可以直接或间接用仪器测量出来，且物理意义易于理解，称为工质的三个基 本状态参数。以下我们先介绍三个基本状态参数，内能、焓、熵等参数将在 以后有关章节中分别予以介绍。 1、温度 温度是标志物体冷热程度的物理量。它反映了分子平均移动动能的大小， 可以用温度计测量。当两个温度不同的物体相互接触，它们之间将发生热量 传递，经过一段时间之后，两者温度相等，它们之间就不再有热量传递，达 到一个共同的热平衡状态。因此当温度计与被测物体达到热平衡时，温度计 指示的温度就等于被测物体的温度。
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第一章 绪论
因此，M5322R(B)即为机械驱动用MS5000系列B型，回热循环双抽机 组·其出力大致为32000马力，PG9171(E)即为箱装式发电机组MS9001系 列E型，简单循环单轴机组·出力大致为17万马力(125MW)。LM的符号用以 标志航机改型机组，其系列号有LM2500、LM5000和LM6000等，机组的型 号再在系列号后面加字母标出。如LM6000(PA)。 GE公司燃气-蒸汽联合循环产品系列的设备配置申，各种代号的含义规 定如下。 配备MS系列重型燃气轮机的，以S209E为例: S-STAG联合循环·STAG是Steam and Gas(蒸汽与燃气)的缩写 2：燃气轮机的台数 0：没有意义。 9：燃气轮机系列号 E：燃气轮机型号 因此，S209E就表示配备2台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循 环电站；S109E就表示配备1台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环 电站。
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第一章 绪论
自1984年美国Coolwater电厂建成和投运以来，整体煤气化联合循环 (IGCC)发电设备的优越性及其发展前景己为世人所共识。据不完全统计， 正在兴建和规划中的IGCC电站项目共有27项，电站总功率8613MW，预期 在近期内它们的供电效率有望达到43％～46％，其比投资费用亦将大幅度 地降低。据美国某些部门的乐观估计，认为到2015年时，美国烧媒电厂装 机容量中大约有35.8％～50％的机组将为IGCC和PFBC类型的燃煤的燃气蒸汽联合循环机组所取代。 燃气轮机的应用发展现已提高到总能系统的高度，它是当前世界节能技 术的主要发展方向之一。能量的分级利用与综合利用的全能量系统工程的概 念被普遍重视，以热电联产及冷热电联供为核心的总能系统同样有广阔的前 景，今后在能量转换过程的系统中，燃气轮机将占更重要的位置，并将大量 采用燃气轮机总能系统。 现在世界上已有20多个国家，一百多个企业生产近千种型号的燃气轮机， 国外在60～80年代的生产竞争中，燃气轮机的制造企业通过兼并和协作，以 GE、SIMS(KWU)、 ABB、西屋(WH) 、普惠(PW)、R-R公司六家大公司 为中心形成若千跨国生产集团，上述六个最大集团的产量占世界大中型燃气 轮机的绝大部分。