[教学]燃气轮机装置的工作原理

[教学]燃气轮机装置的工作原理 燃气轮机装置的工作原理 燃气轮机装置是一种比较新型的动力装置。最简单的燃气轮机装置包括三个主要部件:压气机、燃气轮机和燃烧室，下图是其流程示意图。空气和燃料分别经压气机与泵增压后送入燃烧室，在其中燃料与空气混合并燃烧，释放出热能。燃烧所产生的燃气吸热后温度升高，然后流入燃气轮机边膨胀边作功，作功后的气体排向大气并向大气放热。重复上述升压、吸热、膨胀与放热过程，连续不断地将燃料的化学能转换成热能，进而转换成机械能。 第一章 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(见图1—1)是燃气轮机的雏形，我国在11世纪就有走马灯的记载，它靠蜡烛在空气中燃烧后产生的亡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置，其原理与走马灯相同。 现代燃气轮机发动机主要山压气机、燃烧室和透平三大部件组成。当它正常丁作时，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转化的热力循环。图1—2所示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人空气，并逐级压缩(空气的温度与压力也将逐级升高);压缩空气被 送到燃烧室与喷人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 图l—1 走马灯是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热没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。一般，透平的膨胀功约2,3用于带动压气 第1页 机，1,3左右才是驱动外界负荷的有用功。 燃气轮机有重型与轻型两类结构型式，重型的零部件较厚重，设计寿命与大修寿命都长;轻型的结构紧凑而轻，所用的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 较好，但寿命较短。图1—3所示为南京汽轮电机厂研制的1000kW发电用的燃气轮机剖视图，机组为水平中分的重型结构。 燃气轮机动力装置是指包括燃气轮机发动机及为产生有川的动力(例如电能、机械能或热能)所必需的基本设备。为了保证整个装置的正常运行，除了主机的三大部件外，还应根据不同情况配置控制调节系统、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:一是发动机部件的运动方式，它为高速旋转且丁质气流朝一个方向流动(不必来回吞吐)，这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，因此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来处理，以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，故可不用或少用水;二是多为内燃方式，使它免除庞 第2章 燃气轮机热力循环 2.1 概述 2(1(1 热力循环的概念 热力循环是指热力系统经过一系列的状态变化，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环;将机械功转换为热能的循环，称为逆向循环。 通过工质的热力状态变化过程，可以将热能转化成机械能而做功，而要做出功—般必须通过工质的膨胀过程，但是任何一个热力膨胀过程都不可能一直进行下去，并连续不断地做功。这是因为工质的状态将会变化到不适宜继续膨胀做功的情况，而且任何热力设备，其尺寸也都是有限的。例如，通过定温膨胀或绝热膨胀过程做功时，工质的压力将降低到不能做功的水平，而工质的容积V又将增大到设备尺寸不能允许的程度，典型的例子是封存于气缸内的一定质量的气体，当其膨胀做功时，压力将不断下降，容积不断增加，而这个膨胀过程可能由于压力降得太低以至于无法继续做功，或者由于 受到气缸尺寸的限制使得容积不能无限制地增大。因此，为使连续做功成为可能，工质在膨胀后还必须经历某种压缩过程，使它回复到原来状态，以便重新进行膨胀做功的过程。这种使工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的所有热力过程的组合就叫做一个循环。在状态参数的平面坐标图(如压容图或温熵图)上，循环的全部过程必定构成一条封闭曲线，其起点和终点重合(见图2—1)。整个循环可以 看作一个闭合过程，所以也称循环过程，简称循环。工质在完成一个循环之后，就可以重复进行下一个循环，如此周而复始，就能连续不断地把热能转化为机械能。 循环可以沿着两个方向进行，即上述的正向循环和逆向循环，本章侧重讨论正向循环，也称热力循环。汽轮机、燃气轮机等热机都是按正向循环工作的。循环的全部过程可以在一个气缸内进行，如柴油机循环(又称狄塞尔循环);也可以分别在几个部件内进行，如燃气轮机循环(布雷顿循环)。各种热动力设备采用的循环各不相同，各具特点，但他们的基本特征是相同的。现以闭口系统中1kg工质的正向循环为例，说明正向循环的性质。图2—1在p—。图上示出厂该循环，这个循环是一个抽象的、任意确定的正向循环。 正向循环在状态参数坐标图上是按顺时针方向进行的。压容图上的循环过程，以循环的左、右两个端点(即比体积。最小的点1和最大的点2)为分界，把该循环分成上、下两段。在上边一段，从1—a—2的过程为膨胀过程，该过程的膨胀功以面积1—a—2—3—4—1 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。为了能使工质继续做功，必须将上质沿另一过程从2压缩回到1。显然，为了使工质在一个循环中能够对外界有净功输出，该压缩过程必须沿着一条较低的过程线，如图2—1中2—b—1曲线所示，将工质从2压缩到1点，该过程消耗外功，消耗功的绝对值以面积2—b—1—4—3—2表示，其代数值为负值。这样，从1—a—2—b—1就完成了一个循环。唯位工质完成一个循环对外做出的净功以w表示。显然，在图形上，表示该净功的面积为面积1—a—2—3—4—1减去面积2—b—1—4—3—2，这正好就是封闭的循环过程曲线1—a—2—b—1所包围的面积。为了使工质在完成一个循环之后能够对外作出正的 第3章 燃气轮机主机及主要部件 3.1 主机概述 燃气轮机主机(发动机)是把热能转换为机械功的组件，通常包括压气机、燃烧室和透平等三大部件(如图1—3所示)。透平是利用工质的膨胀产生机械动力的功能部件;压气机是利用机械动力使工质的压力增加并伴有温度升高的功能部件;燃烧室是使燃料(热源)与工质发生反应，以提高工质温度的功能部什。在燃气轮机主机中把这三大部件有机整合，以实现预定的热功转换功能。 本章介绍燃气轮机主机三大部件的概况，重点是论述压气机、燃烧室和透平的基本工作原理。另外，还简要介绍燃气轮机主机的总体结构。 3.2 燃气透平 3(2(1 轴流透平与径流透平 燃气透平又称为燃气轮，它在整台燃气轮机中的作用是把蕴储在来自燃烧室的高温高压燃气中的能量转化成为机械功。按照工质在透平内部的流动方向，可以把透平区分为轴流式与径流式两大类型(如图3—1和图3—2所示)。 一般来说，径流式(又称向心式)透平适宜在小功率燃气轮机中应用。通常所见的大多数燃气透平则是做成轴流式的，因为这种透平容许流过比较大的工质流量，而效率也较高，结构上又 第52页 第4章 燃气蒸汽联合循环装置 4.1 概述 4(1(1 联合循环的概念 热机是通过热力学循环将热能转变为机械功的机械装置。热力学第二 定律表明，热机将一定量的热能转变为有用功(机械能)的数量，将随着工质的加热温度的升高和放热温度的降低而增加。通常，加入热机的热能是加入燃烧室的燃料通过燃烧反应而释放出来的，工质的加热温度可高达20凹?以上;而工质的放热可以接近环境的大气温度或水温。也就是说，燃用化石燃料热机的热力循环可利用的工作区域，在理论上是相当大的。 但是，目前热机多采用简单循环，且多采用一种工质，由于所采用的工质性质和金属材料耐温性等限制，无法充分利用上述工作温度区域，只能局限于狭窄的温度区间内工作，热转功的效率比较低。若将具有不同工作温度区间的热机循环联合起来，互为补充，即把高温循环热机的排热作为低温循环的加热，就可以大大降低总的排放热损失，而提高整体循环效率，这种联合装置就叫做联合循环。通常狭义理解的联合循环是指最常用的也就是燃气轮机和汽轮机串联在一起的联合循环，但广义的联合循环应该包括所有可能的有效形式，例如以活塞式内燃机作为顶部与以燃气轮机作为底部的联合循环，其退化形式为底部循环不输出功，而只给循环顶部提供压力的涡轮增压内燃机，其应用也很普遍。现在大型动力装置(含大型发电机组)应用的热力循环主要有两类:一是朗肯循环(汽轮机)，它的排汽温度可以低到接近 大气温度，但是由于设备受到材料限制，蒸汽初温不能很高(550?左右)，且水的相变潜热大，热效率的提高受限制;二是布雷顿循环(燃气轮机)，它的燃气初温目前已达1430?，但是燃气轮机的排气温度很高(一般在450—600?)，而且燃气工质的流量又很大，致使大量热能随排气进人大气而损失掉，热效率也不高(35,-40,)。考虑到它们各自的工作温度区间，若将它们申联在一起，用燃气轮机的排气来产生蒸汽，再去驱动汽轮机做功，将会大幅度地提高热效率。 一个新概念提出或新技术突破，常会萌发出新的热力循环或联合循环的构思，如总能系统概念的提出，使得热力循环研究思路发生重大变化，人们不再囿于单一循环优劣，更重视探讨把不同循环有机结合起来的各种高性能联合循环，从而把能量转换利用过程提高到系统高度和能量品位梯级利用的理念来认识，即在系统的高度上，综合考虑能量转换过程中功和热梯级利用，不同品位和形式能的合理安排以及各系统构成的优化匹配等，总体合理利川各级能，以获得最好的总效果。燃气轮机为核心的总能系统，既能充分发挥其高温加热优势，又避免较高温排热、损失大的缺陷，显示出极好的总体性能，因而得到电力、石化、冶金等部门的青睐，以联合循环、功热并供、三联供、多联产以及总能工厂等多种形式，广泛推广应川。 本章侧重讨论以燃气轮机为核心的联合循环装置。对于简单循环的燃气轮机，随着燃气初温和循环压比的提高，甲—机热效率也在不断提高。在一定的技术条件下，单机热效率提高的幅度是不会很大 的，其根本原因是排气带走的能量占很大比例。但是如果能把燃气轮机循环与其他循环结合起来，综合考虑联合循环系统的能流安排，合理利用燃气轮机的余能，就能建立更高性能的联合循环装置。联合循环中不同循环的整合原则是:按照能量品位的高低进行梯级利用，即按“温度对口，梯级利用”原理，总体安排好功、热(冷)与工质内能等各种能量之间的配合关系与转换使用;在系统的高度上，总体综合利用好各级能量，以获得 第5章 燃气轮机全工况特性 5 .1 燃气轮机全工况特性概述 燃气轮机工作的总特性不仅与组成的部件的特性有关，而且与其驱动的负荷特性规律关联。许多教科书和文章都从不同角度讨论和研究了燃气轮机的变工况特性。本章从装置总体层面讨论透平、压气机、燃烧室与外界负荷等联合工作时相互匹配关系及其总体性能特性，即全工况特性，并讨论装置性能随大气条件改变而变化的规律。 5(1(1全工况特性概念 在燃气轮机的实际运行中，由于种种原因经常偏离设计工况，处于非设计工况下运行，即所谓的变工况，而装置的所有可能运行工作状况(稳定工况和过渡态工况)的总和称为全工况。传统的做法是把全工况分为设计工况和变工况，但两者的前提和目标有很大差异。设计工况及其设计优化是在给定的设计参数与要求下，进行设计分析以得到基准工况，而整个装置和各单元部件都按设计工况的要求进行设计制造和调试运行，并在设计工况下协调各组成部件的工作，考核各单元部 件和整体装置的性能。装置偏离设计工况的其他稳态运行工况和过渡上况统称为变工况，其特性分析是在装置硬件条什确定的情况下进行，其主要目标是优化运行，即研究负荷与运行条件变化时的系统特性以及最佳控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 实际上，随着环境大气条件、外界负荷或系统本身等变动，燃气轮机总是处于非设计工况下运行。导致燃气轮机工况变化的 主要因素有: 1(装置负荷的变化 燃气轮机输出功率的变化，是导致装置运行丁况变动的一个重要原因。例如，当电网负载对功率需求变化时，电网中燃气轮机发电机组的输出功率将随之而变化，并由此引起相应的燃气初温、压比、空气流量、燃料流量和机组效率等性能参数都发生变化，因而使燃气轮机偏离了设计工况。又如，当天然气辅气管网输气量变化后，驱动天然气压缩机的燃气轮机的输出功率就会随着改变，相应的参数也都改变，机组的工况也就改变了。 2(大气环境条件的变化 在燃气轮机没计时，—般都按 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 参考大气条件(总压101(3kPa，总温15?，相对湿度60,)来计算，但实际上大气温度和压力经常偏离上述标准条件，使压气机进口空气的质量流量等参数发生变化，这是导致燃气轮机在变工况下运行的另一重要因素。例如，山于建设的需要，某燃气轮机发电机组被迁移到大气温度较高的南方沿海城市或是 海拔很高的青藏高原地区去运行，在那里即使保持透平进口温度为额定设计值，而装置输出的功率将不同于额定设计值，其他的性能参数(压气机空气流量、压比以及机组热耗率等)也都会发生相应的变化。 3(部件性能的变化 当部件性能变化后，机组也会偏离设计工况工作，如压气机或透平叶片在运行一段时间后发生积垢或磨损，相关部什性能恶化或通流道变化，达不到设计的功率和效率，也常导致燃气轮机的工况发生变动等。再如压气机或透平采用可调静叶一可变几何，在改变静叫安装角后就使压气机或透平的特性变化，于是由它们组成的燃气轮机性能也随之而变。 燃气轮机的全工况包括两种状态，一是在某一工况下稳定运行，这时燃气轮机的输出功率与驱动的负载所消耗的功率相等。两者处于平衡状态，称为平衡工况;另是从一个平衡工况变化到另一个平衡工况的过渡过程，这时燃气轮机的输出功率与负载所