燃氣輪機蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

燃氣輪機蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章：燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電簡介

第一節(jié)、天然氣是綠色能源天然氣的主要成分是甲烷（CH4），其分子由一個碳原子（C）與四個氫原子（H）組成。天然氣無色、無味、無腐蝕性，天然氣燃燒生成水（H2O）與二氧化碳（CO2），不產生灰、渣、二氧化硫等有害物質，天然氣是世界公認的清潔能源。LNG就是液化天然氣，液化后的天然氣體積是氣體形態(tài)的六百份之一，方便大量儲存和遠距離運輸。采用LNG為原料，采用“燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)”技術來發(fā)電的電廠稱為燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。采用天然氣發(fā)電可大大減少對環(huán)境的污染，采用“燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)”技術發(fā)電，發(fā)電效率高達57%，燃煤電廠為40%左右，發(fā)同樣的電能CO2排放量僅為燃煤電廠的40%左右。第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、液化天然氣（LNG）燃機發(fā)電廠與燃煤發(fā)電廠性能比較示意圖第3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)：燃氣輪機發(fā)展史中國在公元十二世紀的南宋高宗年間就已有走馬燈的記載，它是渦輪機(透平)的雛形。15世紀末，意大利人列奧納多·達芬奇設計出煙氣轉動裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀中葉，透平原理在歐洲得到了較多應用。1791年，英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程。1920年，德國人霍爾茨瓦特制成第一臺實用的燃氣輪機，其效率為13％、功率為370千瓦，按等容加熱循環(huán)工作，但因等容加熱循環(huán)以斷續(xù)爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。

第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月燃氣輪機發(fā)展史隨著空氣動力學的發(fā)展，人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設計高效率軸流式壓氣機的問題，因而在30年代中期出現(xiàn)了效率達85％的軸流式壓氣機。與此同時，透平效率也有了提高。在高溫材料方面，出現(xiàn)了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能采用較高的燃氣初溫，于是等壓加熱循環(huán)的燃氣輪機終于得到成功的應用。

1939年，在瑞士制成了四兆瓦發(fā)電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國制造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階段，并開始迅速發(fā)展。

第5頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月燃氣輪機發(fā)展史隨著高溫材料的不斷進展，以及透平采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果，燃氣初溫逐步提高，使燃氣輪機效率不斷提高，單機功率也不斷增大。在70年代中期出現(xiàn)了數種100兆瓦級的燃氣輪機，最高能達到130兆瓦。

第6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章：燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的流程

下圖是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設備與生產流程圖，顯示了天然氣發(fā)電的主要流程

第7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

在經過加熱后的天然氣進入燃氣輪機的燃燒室，與壓氣機壓入的高壓空氣混合燃燒，產生高溫高壓氣流推動燃氣輪機旋轉做功。從燃氣輪機排出的氣體溫度高達攝氏600度，仍然具備很高的能量，把這些高溫氣體送到鍋爐，把水加熱成蒸汽去推動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三章：燃氣輪機概述

第

一節(jié)、燃氣輪機工作原理及工作過程1、燃氣輪機的工作原理燃氣輪機的原理與中國的走馬燈相同，據傳走馬燈在唐宋時期甚是流行。走馬燈的上方有一個葉輪，就像風車一樣，當燈點燃時，燈內空氣被加熱，熱氣流上升推動燈上面的葉輪旋轉，帶動下面的小馬一同旋轉。燃氣輪機是靠燃燒產生的高溫高壓氣體推動燃氣葉輪旋轉

如下圖：第9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變?yōu)橛杏霉Φ膬热际絼恿C械，是一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動機。燃氣輪機的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃氣輪機屬于內燃機，所以也叫內燃氣輪機。燃氣輪機是利用氣體作為工質在燃燒室里燃燒，將燃料的化學能轉變?yōu)闅怏w的內能。在噴嘴里，氣體的內能轉變?yōu)闅怏w的動能，燃氣高速噴出，沖擊葉輪轉動第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2、燃氣輪機的工作過程壓氣機(即壓縮機)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮。壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉加熱后的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時，需用啟動設備，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3、燃氣輪機工作過程的分類燃氣輪機的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環(huán)；此外，還有回熱循環(huán)和復雜循環(huán)。燃氣輪機的工質來自大氣，最后又排至大氣，是開式循環(huán)；此外，還有工質被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。例如：燃氣—蒸汽混合循環(huán)電廠。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合循環(huán)裝置。

第12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月4、影響效率的主要因素燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫，并相應提高壓縮比，可使燃氣輪機效率顯著提高。第13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

下面是一臺燃氣輪機模型，通過它來了解燃氣輪機的工作過程。

模型的前端是空氣進入口；環(huán)繞燃氣輪機安裝的是燃燒室；在燃燒室端面有天燃氣的入口；燃氣輪機的后面是燃燒后的高溫氣體排出口。

第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月把燃氣輪機剖去1/4，可以看到內部的結構。

燃氣輪機由三大部分組成，左邊部分是壓氣機，有進氣口，內部一排排葉片是壓氣機葉片；中間部分是燃燒器段，圍繞一圈的是燃燒室；

右邊部分是燃機透平，其中有透平葉片，右側是燃氣排出口。

第15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、燃氣輪機的設備結構

燃氣輪機構造有三大部分：空氣壓縮機，燃燒室，燃氣透平系統(tǒng)。1、燃氣輪機之空氣壓縮機。壓氣機負責從周圍大氣中吸入空氣，增壓后供給燃燒室。為了生成高壓空氣，壓氣機裝有多級葉輪，若干葉輪固定在壓氣機的轉軸上構成壓氣機轉子,轉子上的葉片稱為動葉。如下圖所示：

第16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月在每兩級動葉之間有一組靜止的葉片（簡稱靜葉），一組動葉與后面相鄰的靜葉，稱為壓氣機的一個級。多數燃氣輪機的壓氣機有十幾級，高速旋轉的動葉把空氣從進氣口吸入壓氣機，經過一級又一級的壓縮，變成高壓空氣。由于壓氣機內氣體流動方向與旋轉軸平行，稱為軸流式壓氣機。如下圖所示

。燃氣輪機啟動時，先把發(fā)電機當作電動機帶動壓氣機旋轉，把空氣壓入燃燒區(qū)。燃機點火后，則逐漸轉變至由透平帶動壓氣機旋轉壓氣

第17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月壓氣機有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機效率較高，適用于大流量的場合。在小流量時，軸流式壓氣機因后面幾級葉片很短，效率低于離心式。功率為數兆瓦的燃氣輪機中，有些壓氣機采用軸流式加一個離心式作末級，因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。第18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2、燃氣輪機之燃燒室燃氣輪機一般有十幾個燃燒室，安裝在燃機外圍。如下圖所示：

第19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月下面是一個燃燒室的剖面模型。燃燒室由外殼與火焰筒組成，在外殼端部有天然氣入口，在火焰筒尾部聯(lián)接過渡段，在燃燒室內裝有燃料噴嘴。

A第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月天然氣通過燃燒室端部燃氣入口進入燃燒室，噴入的天然氣與壓氣機壓入的空氣在燃燒室火焰筒里混合燃燒。燃燒使氣體體積劇烈膨脹，生成高溫高壓燃氣從燃燒室過渡段噴出，進入透平做功。

第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3、燃氣輪機之透平系統(tǒng)燃氣透平也稱為燃氣輪，從燃燒室噴出的高壓燃氣推動透平葉輪旋轉，把燃氣的內能轉化為透平的機械能燃氣推動旋轉的葉輪上的葉片稱為動葉，在每級動葉的前方還安裝一組靜止的葉片（靜葉），靜葉起著噴嘴的作用，使氣流以最佳方向噴向動葉。一組靜葉加一組動葉為透平的一級。為了充分利用燃氣的熱能，透平一般為3級或4級。如下圖所示：第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月透平葉輪安裝在透平轉軸上構成透平轉子。（如下圖所示）壓氣機轉子與透平轉子是安裝在同一根轉軸上，稱為燃氣輪機轉子，透平旋轉時也就帶動壓氣機旋轉工作。透平轉子帶動發(fā)電機發(fā)電，額定轉速是每分鐘3000轉。

第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月下面是一個燃氣輪機整體剖面圖第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料制造，同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對于一臺燃氣輪機來說，除了主要部件外還必須有完善的調節(jié)保安系統(tǒng)，此外還需要配備良好的附屬系統(tǒng)和設備，包括：起動裝置、燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章：余熱鍋爐的基本原理余熱鍋爐包括上升管、汽包、下降管主要部件。上升管是由密集的管道排成的管簇，由上聯(lián)箱、下聯(lián)箱連成一體；上聯(lián)箱通過汽水引入管連通汽包，汽包再通過下降管連到下聯(lián)箱；上升管管簇、汽包、下降管構成了一個環(huán)路。上升管管簇在爐膛內，汽包與下降管在爐體外面。把水注入汽包，水便灌滿上升管管簇與下降管，把水位控制在靠近汽包中部的位置。當高溫燃氣通過管簇外部時，管簇內的水被加熱成汽水混合物。由于下降管中的水未受到加熱，管簇內的汽水混合物密度比下降管中的水小，在下聯(lián)箱形成壓力差，推動上升管內的汽水混合物進入汽包，下降管中的水進入上升管，形成自然循環(huán)。如下圖所示第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

余熱鍋爐基本原理圖第28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

上圖是汽包（也稱鍋筒）結構示意圖,汽包是水受熱、蒸發(fā)、過熱的重要樞紐，保證鍋爐正常的水循環(huán)。上升管內的汽水混合物進入汽包后，通過汽水分離器分離成飽和蒸汽與水，飽和蒸汽通過汽包上方蒸汽出口輸出；分離出的水與給水管注入的水再進入下降管。（給水—汽包—下降管—蒸發(fā)器—上升管—汽包—經分離--蒸汽去過熱器

--水經下降管繼續(xù)循環(huán)）第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月用來產生飽和蒸汽的上升管管簇稱為蒸發(fā)器，電廠鍋爐還有省煤器與過熱器，它們都由管簇組成。進汽包的水先在省煤器加熱，再通過汽包、下降管進入蒸發(fā)器，可以提高蒸發(fā)器的效率與鍋爐的效率。蒸發(fā)器生成的飽和蒸汽經汽包輸出，再進入過熱器加熱成過熱蒸汽，用過熱蒸汽推動蒸汽輪機運轉能保證系統(tǒng)的高效與安全。第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)、余熱鍋爐的結構

從燃氣輪機排出的氣體溫度高達攝氏600度，仍然具備很高的能量，把這些高溫氣體送到鍋爐，把水加熱成蒸汽去推動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電，可使發(fā)電容量與聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率相對增高50%左右。這個靠燃氣輪機排出氣體的余熱來產生蒸汽的鍋爐稱為余熱鍋爐。余熱鍋爐主要有進口煙道、爐體、汽包、煙囪組成。在爐體內有密集的管道，給水泵將要加熱的水壓進這些管道，燃氣輪機排出的高溫氣體將管道內的水加熱成高壓蒸汽。大型余熱鍋爐有低壓、中壓、高壓三部分，可同時產生低壓過熱蒸汽、中壓過熱蒸汽、高壓過熱蒸汽，分別驅動低壓汽輪機、中壓汽輪機、高壓汽輪機，一起帶動發(fā)電機發(fā)電，可大大增加燃氣輪機發(fā)電廠的發(fā)電量。大型余熱鍋爐與燃煤電廠鍋爐原理與組成基本相同，主要少了燃料運輸粉碎與燃燒系統(tǒng)。第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月余熱鍋爐的外觀結構圖。

第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月余熱鍋爐本體采用模塊化結構，以方便運輸、安裝。模塊由管簇組成,是幾十根管子組成的蛇形管組件,模塊兩端有上聯(lián)箱與下聯(lián)箱，是鍋爐的受熱部件，水在模塊內被外部的高溫氣體加熱。

第33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月為了更好的傳遞熱量，在管道外表焊上鰭(qi)片（也稱肋（lei）片）來增大管道的傳熱面積，下圖展示的是一小段焊有鰭片的管道。

第34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月打開鍋爐的側壁，可看到內部裝有多個模塊，實際鍋爐有近20個模塊，其中多數是蒸發(fā)器、省煤器、過熱器三類模塊，除此還有再熱器模塊。第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、余熱鍋爐汽水流程

大型燃機電廠采用三壓再熱循環(huán)余熱鍋爐，汽水系統(tǒng)主要由低壓、中壓、高壓三部分組成，可同時產生低壓過熱蒸汽、中壓過熱蒸汽、高壓過熱蒸汽，分別驅動低壓汽輪機、中壓汽輪機、高壓汽輪機，可最充分的把燃氣的熱能轉換成機械功。

低壓部分由低壓省煤器、低壓汽包、低壓蒸發(fā)器、低壓過熱器組成。從凝結水泵來的冷水，通過低壓省煤器預熱后輸入低壓汽包，汽包下面連接著蒸發(fā)器，水在低壓蒸發(fā)器內加熱成飽和蒸汽上升到低壓汽包。飽和蒸汽從低壓汽包輸出再通過低壓過熱器加熱，產生低壓過熱蒸汽，用來驅動低壓蒸汽輪機旋轉做功。第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月大型余熱鍋爐汽水流程圖第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月中壓部分由中壓省煤器、中壓汽包、中壓蒸發(fā)器、中壓過熱器、再熱器組成。通過低壓汽包出來的水由中壓給水泵注入中壓省煤器繼續(xù)加熱，然后進入中壓汽包，在中壓蒸發(fā)器內加熱成飽和蒸汽上升到中壓汽包。從中壓汽包輸出的飽和蒸汽通過中壓過熱器加熱，然后再與高壓汽輪機排出來的蒸汽混合，一同經過再熱器加熱，產生中壓再熱蒸汽，用來驅動中壓蒸汽輪機旋轉做功。高壓部分由高壓省煤器、高壓汽包、高壓蒸發(fā)器、高壓過熱器組成。通過低壓汽包出來的水由高壓給水泵注入高壓省煤器加熱，然后進入高壓汽包，在高壓蒸發(fā)器內加熱成飽和蒸汽上升到高壓汽包。從高壓汽包輸出的飽和蒸汽通過高壓過熱器加熱，產生高壓過熱蒸汽，用來驅動高壓蒸汽輪機旋轉做功。第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章：燃氣電站系統(tǒng)布置

燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機、余熱鍋爐四種主要設備組成了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實際上這四種設備的組合布置有多種方式，但主要的分類方式是按軸系布置來分，一種是多軸布置方案，一種是單軸布置方案。

第一節(jié)、多軸布置

所謂多軸即燃氣輪機帶動一臺發(fā)電機，蒸汽輪機帶動一臺發(fā)電機，各自一個軸系。在電廠建設時，只要燃氣輪機機組安裝完畢即可發(fā)電（不必等到鍋爐與蒸汽輪機安裝完畢）；蒸汽輪機檢修時燃氣輪機仍可發(fā)電。系統(tǒng)啟動快，燃氣輪機可先啟動發(fā)電（不必等到鍋爐里的水加熱成蒸汽）。在我國20萬千瓦以下的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組多數采用多軸布置。

第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

下面是一套多軸布置系統(tǒng)流程示意圖第40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)：單軸布置單軸布置系統(tǒng)為燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機串聯(lián)在一根軸上，共用一臺發(fā)電機發(fā)電。由于一套單軸系統(tǒng)只有一臺發(fā)電機與相關電氣設備，可節(jié)省設備費用，減少廠房面積，系統(tǒng)調控相對簡單。目