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燃气轮机作业 2017年11月燃气轮机余热锅炉联合循环简单的燃气轮机余热锅炉联合循环联合循环系统图一、例子:热效率和功比率是联合循环的两个基本特性参数，以常规的余热锅炉型联合循环（一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台汽轮机，电动机可以一台，也可以两台，也称“一拖一”方案）为例，说说这两个参数。余热锅炉型联合循环的热效率指通过燃气轮机获得的轴工和通过汽轮机获得的轴功之和在加入系统的燃料热中所占的比例，记为cc。联合循环的功比率是指蒸汽轮机与燃气轮机的轴功之比，记为Scc。设燃料全部从燃气轮机燃烧室加入的，设单位时间内从燃气轮机燃烧室加入的燃料热为Q_f（kJ/s）；通过燃气轮机获得的轴功为P_gt（kW）；通过气轮机获得的轴功为P_st（kW）；则，_cc=(P_gt +P_st)/Q_f （5）S_cc=P_st/P_gt （6）设燃汽轮机效率为gt，汽轮机循环的热效率为st，余热锅炉的热效率为h，则通过燃气轮机转化为轴功的部分应为Pgt=gt Qf；通过燃气轮机排气进入余热锅炉的部分为（1-gt）Qf；在余热锅炉中被转移到蒸汽的部分应为（1-gt）hQf；通过汽轮机转化为轴功的部分为Pst=（1-gt）_h_stQ_f，将以上式子代入（5）（6）中，则cc=gt+（1-gt）h st（7）Scc=（1-gt）_hst/gt （8）对于不补燃的余热锅炉，h=(Tp1-Tp2)/(Tp1-T1)；式中，Tp1为燃气轮机的排气温度，Tp2为余热锅炉的排烟温度，T1为环境温度。联合循环机组发电效率：ccG=gt+Cst=gt（1+Pst/Pgt），其中C=（r1-gt/(Mgt Ggt )）h供电效率：ccN=ccG （1-e）式中，Mgt为燃气轮机系统的机械效率；Ggt为燃气轮机发电机的效率；e为联合循环的厂用电耗率；r1为燃气轮机燃烧室的燃烧效率，查阅设计资料可得出该值。二、原理：将燃气轮机的排气通至余热锅炉中，加热锅炉中的水产生蒸汽驱动汽轮机作功。该方案中蒸汽部分完全是利用燃气轮机排气余热产生的，故又称纯余热利用型。余热锅炉是一种气-水、气-汽两种热交换器的组合件。水在蒸发器内由燃气轮机排气加热变为饱和蒸汽，再进入过热器变成过热蒸汽。因此，蒸汽参数及汽轮机的容量取决于透平的排气参数，在通常燃气轮机排气参数下，得到的是中温中压的蒸汽。三、燃气轮机概况：燃气轮机的基本结构燃气轮机（Gas Turbine）是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。Saturn 20燃气轮机效果图压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2 到2/3 左右用来带动压气机，其余的1/3 左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动时，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立开始工作。燃气轮机的主要优点：(1)与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量:重型燃气轮机一般为25kg/kW，而航机一般低于0.2kg/kW。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。(2)燃气轮机的启动时间很短，一般从启动到带满负荷不到30min。如果加上联合循环的蒸汽部分，在热态下启动，也不超过7omin，所以在停机后采取保温措施，机组可以迅速启动带负荷；(3)排烟温度高，一般为480580；(4)发电电压等级高、功率大，供电半径大；(5)发电机输出功率受环境温度影响较大；(6)功率范围大，品种齐全；(7)烟气对大气污染小，NOz排放比燃气内燃机小；(8)余热利用系统简单、高效。燃气轮机的主要缺点：(1)效率不够高。(2)燃气轮机低负荷运行时，效率会大幅度下降。燃气轮机利用压气机进气导叶的开度来调节空气进气量，调节范围为75%100%。当负荷小于75%时，只能通过控制燃料来控制燃气轮机的出力。所以燃气轮机低负荷运行时，效率会大幅度下降，50% 负荷时效率下降5%7%，故燃气轮机不适宜于带部分负荷运行，空载时的燃料消耗量高。对于以商业建筑为主的燃气冷热电分布式能源系统，由于空调负荷变化幅度较大，因此采用燃气轮机发电装置时需要充分考虑负荷的调节方法，避免出现效率大幅度下降的现象。(3)燃气轮机出力随环境温度变化。V94.2燃气轮机燃烧室外观四、典型燃气轮机制造商和产品：典型的燃气轮机组制造商有索拉、GE、西门子/西屋、阿尔斯通/ABB、罗罗、三菱和俄罗斯的制造商等。(1)索拉。索拉为美国的大型企业，成立于1927年，总部美国圣迭戈，是美国最大50家企业之卡特彼勒的子公司，专门生产1.0-50MW工业型燃气轮机组，占有世界10MW 以下机组60%以上的市场，在业界和技术上居领先地位。(2)GE。GE公司制造燃气轮机有较然久的历史。20世纪40年代末就将航空燃气发动机技术用于发电，并开始了燃气轮机发电机组的研究、设计和制造。20世纪60年代后期，生产出燃气一蒸汽联合循环发电机组。20世纪90年代后期最大的燃气轮联合循环总出力达300.3MW，热效率高达52.9%。(3)西屋。西屋主要生产500、700 系列燃气轮机，500系列60Hz，包括700系列50Hz,501G、701D、701F、701G，都是单轴机，501G流量比501F大，燃气温度1399C，功率230MW，燃气轮机效率38.5%，联合循环效率58%。(4)三菱。三菱燃气轮机系列包括MF501H；701是50Hz机，有701D、501、501D、501D5、501F、501G、501F2、60Hz机，有701F2、701G、701H等。(5)西门子。典型燃气蒸汽联合循环机组特征：五、国内外燃气轮机技术发展现状国际燃气轮机技术发展状况当今世界70年来重型燃气轮机燃气温度由早期的550提高到1600，单循环效率由17%提高到40%，单机功率由1.5MW到460MW，实现了巨大的技术跨越。世界重型燃气轮机制造业目前已形成了高度垄断的局面，基本形成了以GE、西门子、三菱、ALSTOM公司为主的重型燃气轮机产品体系，基本代表了当今世界燃气轮机制造业的最高水平。国内燃气轮机产业技术发展现状总体来说，60年来我国重燃气轮机行业呈“马鞍型”发展。中国燃气轮机的发展现状是：起步不晚，进展不快；性能不高，拐棍难扔；投入不大，摇摆不定；机型不少，所占市场份额不大。国内重型燃气轮机产业制造方面，分别以哈电集团、上电集团、东方电气集团、南京汽轮电机（集团）有限公司为核心，形成了相应的燃气轮机制造产业群，目前全行业具备了年产四十套左右燃用天然气的F和E级重型燃气轮机以及与之配套的燃气蒸汽联合循环全套发电设备的能力，可以基本满足我国电力工业的市场需求。我国燃气轮机产业发展走的是一条分散、重复、曲折而艰难的道路，缺乏产业发展基础，尚未形成科学的产业体系。其差距主要表现在以下方面：（1）燃气轮机产业研发技术较弱由于历史原因，我国至今没有掌握具有自主知识产权的燃气轮机的设计与制造技术。虽然我国发电设备制造业通过打捆招标与合资引进天然气重型燃气轮机发电机组制造技术，但外方坚持不转让燃气轮机设计技术和高温部件制造等技术，燃气轮机的核心关键技术目前还受制于人。（2）燃气轮机产业能力相对较弱。燃气轮机的开发需要具备一套完整的设计、制造和试验体系。燃气轮机轮机开发体系需要基础科学能力、制造工艺水平、材料研发能力以及试验技术的支撑。这些支撑，是燃气轮机研发所必须具备的条件能力。我国发展燃气轮机的产业基础力量相对薄弱，在设计能力、试验能力、加工能力和材料四大要素中，薄弱的环节是设计能力、试验验证能力、高温合金材料体系和能力，相对较好的是加工能力，但是也缺乏关键核心部件的加工能力。（3）燃气轮机产业配套体系不全。为满足核心企业燃气轮机产品制造的需求，我国对燃气轮机产业部分配套能力进行了发展，主要集中于燃气轮机制造配套能力建设方面，以冷端部件制造需求和辅助系统需求方面为主。但是已形成的配套能力中，均不具备关键核心热部件原材料、锻件、加工制造配套能力，不具备完整的燃气轮机研发设计配套体系，不具备完整的燃气轮机材料配套体系。与发达国家相比，存在巨大的差距。世界重型燃气轮机技术发展遵循热效率提高的路线，正由当代级（E/F）向先进级（G/H）、未来级（J）发展，部分国外燃气轮机制造商的燃气轮机技术已达到H级水平。联合循环发展历史联合循环是由不同工质的热力循环组成的联合工作系统，是总能系统的一种常见形式。联合循环起源于20世纪初期，1925年，Emmet提出了一个“汞-蒸汽”装置整个装置的效率达到54%。该装置中由于汞的昂贵和有毒性，该循环没有获得推广。1960年Seippel和Bere Mter提出了燃气轮机和蒸汽轮机七种可能的组合，其中如seipPel Be reuter combined cyclce就发展成了现代燃气蒸汽联合循环的主要形式。研究现状目前联合循环的发展途径主要有：1提高燃气轮机的平均加热温度一般可以采用下列三种方法：（1）提高煤气透平的入口温度(TIT) 通过研制高易材料和改进冷却技术，提高透平的TIT温度，从而改善循环的效率。顶循环比功随TIT温度的提高也有同样的趋势。对于某一给定的项循环最高效率时的压比，而稍大于项循环最大比功时的压比。（2）补燃燃气轮机的排气当燃气轮机参数较低时，补燃有助于提高联益越来越小。目前补燃除用于运行峰值载荷外，一般很少采用。（3）燃气透平膨胀过程中进行喜热ABB公司的GT24/26型燃气轮机就在燃气高压透平HP和燃气低压透平LP之间采用了再热。燃气在HP中膨张后，运回燃烧室再热到循环最高温度，然后进入LP进行膨胀。该装置如保持燃气透平排气温度不变，可采用较大的压比，其值接近于顶循环最高效率时的压比；2 减小余热锅炉热传递中的不可逆损失顶、底循环匹配的理想目标是：尽量使排气放线和底循环吸热线平行，减小节点温差，争取最小的平均传热稳差。底循环的T-s图呈“三角形”形状。双压锅炉和三压锅炉能缩小循环放热线和吸热线间的平均传热温差有效地减小了余热锅炉中的不可逆损失、从而提高了蒸汽循环的蛹效率。但它对联合循环效军的堤高不是很大，如从单压锅炉受到双压强炉循环改军提高4%。Kalina循环采用变浓度的氨/水混合工质，在吸热过程中，工质为变温蒸发，改善了热源和工质的匹配性能，降低了排烟温度。空气底部循环(ABC循环)，采用空气这一工作温度区内无相变的工质，就无有点温差问题，但它对度的影响，为提高ABC循用率，需要对其压气机进行间冷。3 减少顶、底循环间的热损失Qun热损失Qun是排烟温度的函数低排烟温度能减小蒸汽循环的给水温度。在联合循环效率计算中，减小热损失QLT 能提高锅炉效率B，从而在蒸汽循环效率较低时保持联合循环的总效率不变。经济性联合循环的经济性以装置的单位发电价格为标准。装置的发电功率(kw)对比联合循环和核装置的单位发电价格，联合循环中CAP项的值较小，而M项的值较大；核装置中CAP项的值较大，而M项对应的值较小；因此联合循环的优点就在于其装置的建造资本较小。但是，效率提高时，装置的投资费用的提高有个限制。因此，在改进联合循环效率时，需要考虑装置投资费用的提高程度。展望现代联合循环已经有了很高的效率，但由于燃料价格上涨和环保要求的提高，进一步刺激了改善联合循环的效率。目前已经提出了很多新颖的联合 利用蒸汽冷却燃气、透平，冷却后蒸汽进入蒸汽透平做功该循环在较高TIT温度时效率可超过60%。并联型联合循环：（1）注蒸汽STIG循环该循环利用燃气轮机的高温排气产生蒸汽，团注到燃烧室，生成高温燃气蒸汽混合工质，然后进入透平膨胀做功。STIG循环在压缩功增长极其有限的情况下大大增加了透平的工质流量提高了循环的效率和比功，且和常规联合循环相比，省略了蒸汽轮机及其系统，简化了设备。但它的耗水量较大，而且Larson和Williams预言、比它更复杂的间冷STl6(ISTIG)循环的效率都有可能按下一代先进的常规联合循环的效率所超过。（2）湿空气透平(HAT)循环HAT循环利用系统内的余热和废热产生热水，再用热水温化手段增加透平工质流量，相对地降低了工质压缩耗功，且采用回热形式回收透平排热，传顶据环排气热的利用率受到自身压气机出口空气温度。新型燃煤系统：由于天然气价格昂贵，司采用便宜燃料煤作为能源。我国是世界产煤大国，煤炭资源极为车富，最适宜发展燃煤系统。燃煤联合循环是把洁净的燃煤技术与高效率的燃气蒸汽联合循环系统结合在一起的先进技术，它将彻底改变能源供需和消费结构，有利于生态平衡和环境保护，因而成为当今世界发电设备注意的焦点和发展方向。目前性能较好的燃煤系统有：（1）增压流化床联合循环(PFBC)PFBC与常规燃煤系统的差别是以PFBC的锅炉岛取代常炉，由于采用锅 炉增压，炉体容积较小，目其燃烧效率较高。（2）整体煤气化联合循环(IGCC)IGCC由煤气化炉、净化装置(除尘脱 硫)、燃气轮机发电机组、余热锅炉和蒸汽轮 机发电机组等系统组成。该技术可提供脱硫98%一99%，N0x接近烧天然气的水平，CO2量较常规燃煤系统略有减少，而吕，IGCC还是供热、供电、供煤气和供化工产品的多联 供系统，它较PFBC为优。（3）燃生物量联台循环(BIG/GTCC)生物量是农田、森林、工业过程中所产生的固体 残遗物。生物量做为一种新能源有其独特的特点。它能克服矿物燃料有限的缺点，因为生物量具有可再生性，从而能够作为一种长期、稳定的能源供应；其 次，它能减少引起温室效应的COz的排出，因为新物量的生长能吸收燃烧旧生物量产生的C02，而生物量中S、N的含量也 较少，生物量对比矿物燃料唯足是单位重量和单位体积的能量含量低。由于生物量的高燃烧效率、低费用和低环境污染，生物量作为一种新型能源具有相当的竞争力，尤其是用于航空改型燃 生物量煤气化联合循环(BIG/GTCC)首先把生物量煤气化，然后进行煤气冷却，煤气清洁，最后进入燃气轮机燃烧。蒸汽底循环则利用上述各过程的余热产生蒸汽。联合循环产生的废气(SO2、NOx、C02)引起了很大程度的环境污染。在IGCC中。高压小流量的煤气流中H2S很容易脱除，NOx产生量也可以通过先进的燃烧技术减少，COz虽然司以通过化工过程回收，但这将引起很大程度上的投资费用的增长。三种基本形式的联合循环余热锅炉型优点：成熟、简单、造价低、启停快。 缺点：燃机排气温低时，余热锅炉效率低；蒸汽参数受限， 流量不能单独调节； 此情况下，汽机功率小、效率低，机组功率小、效率低 特点：其汽轮机功率一般占3035%。补燃余热锅炉型优点：在燃机排气温低的情况下，可克服余热锅 炉型的缺点，并使变工况性能改善。 缺点：非纯粹“梯级利用”的联合循环；只在余热 锅炉型的蒸汽参数受限的条件下才更优越。增压锅炉型优点：在燃机排气温低的情况下，可克服余热锅 炉型的缺点；锅炉尺寸紧凑。 缺点：非纯粹“梯级利用”的联合循环；只在余热 锅炉型的蒸汽参数受限的条件下才更优越； 系统复杂、技术要求高、燃机不能单独运行。余热锅炉：余热锅炉包括上升管、汽包、下降管主要部件。上升管是由密集的管道排成的管簇，由上联箱、下联箱连成一体；上联箱通过汽水引入管连通汽包，汽包再通过下降管连到下联箱；上升管管簇、汽包、下降管构成了一个环路。上升管管簇在炉膛内，汽包与下降管在炉体外面。把水注入汽包，水便灌满上升管管簇与下降管，把水位控制在靠近汽包中部的位置。当高温燃气通过管簇外部时，管簇内的水被加热成汽水混合物。由于下降管中的水未受到加热，管簇内的汽水混合物密度比下降管中的水小，在下联箱形成压力差，推动上升管内的汽水混合物进入汽包，下降管中的水进入上升管，形成自然循环。 余热锅炉换热设备余热锅炉结构余热锅炉汽水流程功率效率计算例子某燃气-蒸汽联合循环如下图所示。压气机进口参数为p1=0.1MPa、T1=300K，压气机增压比为10。燃气轮机进口温度T3=1600K，最终排到大气的燃气温度t8=237。燃气轮机的工质可视为于空气的比热为定值的理想气体，其流量为50kg/s。蒸汽轮机进口参数为：p5=2.5MPa、t5=450，蒸汽轮机排气压力p6=0.01MPa。设本题的燃气动力循环为布雷顿循环（定压加热理想循环），余热锅炉中的热效率为1。若可以忽略泵功，蒸汽轮机的相对内部效率为80%，则（1）在同一个T-s图上表示此燃气-蒸汽联合循环；（2）燃气轮机和蒸汽轮机对外做功的功率（kW）；（3）此燃气-蒸汽联合循环的热效率；六、心得体会燃气轮机这门课程让感受收获颇多，在老师布置好燃气轮机的作业之后，我就开始看书，开始完成作业，一开始感觉对于燃气轮机余热锅炉联合循环，举个例子计算功率效率等比较迷茫，所以只好查阅相关资料，我将课本看了一遍又一遍，力求明白燃气轮机的原理。燃气轮机是日常生活、科学研究等各个领域不可或缺的东西，在人类的生活中起着十分重要的作用。所以这次的作业对我来说是十分有意义的。不仅可以锻炼我的实际操作设计的能力，也能让我更进一步地认识了解燃气轮机的奥秘。只有结合实际、结合生产才可以检验我们平时学习的知识是否牢固。最后感谢学校与老师给我们机会更深入的实践理论知识也感谢同学们之间的无私帮助。整体来讲，这门课程让我有了很大提高，在今后我将更注重知识的全面掌握和科学的计算方法，为将来融入实际的工程设计或运行维修打下坚实的基础。