畢業(yè)設計范本

1、本科畢業(yè)設計（論文） 4MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱力系統(tǒng)設計學 院 材料與能源學院 專 業(yè) 熱能與動力工程（熱電方向） 年級班別 2011級1班 學 號 學生姓名 指導教師 柯秀芳 2015年 6 月 4MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱力系統(tǒng)設計 材料與能源學院 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)設計及分析摘要燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)有效地利用了能量，使不同品質的能量得到了充分利用，一方面，能量的梯級利用大大提高了電廠的熱效率，另一方面，清潔的燃氣發(fā)電減少了對環(huán)境的污染。因此燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術在全世界得到了快速發(fā)展。本設計主要對燃氣-蒸汽循環(huán)熱力系統(tǒng)進行熱平衡計算以及利用多參數(shù)進行簡單的優(yōu)化，設計好系統(tǒng)后，對系統(tǒng)進行

2、全面的熱經濟分析。本設計主要分為三大部分，第一部分是對熱力系統(tǒng)進行選型，根據已知條件進行燃機、余熱鍋爐、汽機進行熱平衡計算以及熱經濟性分析；第二部分是對電廠的局部系統(tǒng)進行介紹以及簡單的設計；最后部分是對閥門管道進行簡單選型與計算。關鍵詞：聯(lián)合循環(huán)，熱效率，梯級利用，余熱鍋爐 AbstractGas - steam combined cycle makes use of energy effectively and makes full use of different quality of energy.On the one hand, the cascade utilization of e

3、nergy has greatly increased the thermal efficiency of power plants;on the other hand, using the clean gas to generate electricity reduces the pollution to the environment.So the gas - steam combined cycle power generation technology get a rapid development in the world. This design is mainly ca

4、rried out on the gas - steam cycle thermal system heat balance calculation and the use of multiple parameters for simple optimization.After finishing the design of system,make a comprehensive thermal economic analysis for the system.This design is mainly divided into three parts,the first part is th

5、e type selection of thermal system and according to the known conditions to calculate the heat balance of gas turbine,heat recovery boiler, turbine and give a heat economic analysis.The second part is to give out a sample introduction and design of the local system.The last part is to give a sample

6、type section and calculation of the value and pipe.Key words:combined cycle,thermal efficiency,cascade utilization,heat recovery boiler目 錄1 緒論11.1題目設計的背景與意義11.2國內外的發(fā)展狀況以及趨勢21.2.1中國汽輪機的發(fā)展歷程21.2.2國外汽輪機的發(fā)展歷程21.2.3汽輪機的發(fā)展趨勢31.2.4中國燃氣輪機的發(fā)展歷程31.2.5國外燃氣輪機的發(fā)展歷程41.2.6燃氣輪機的發(fā)展趨勢51.3設計內容和設計方法52 聯(lián)合循環(huán)熱平衡計算62.1燃氣輪機

7、熱平衡計算62.2余熱鍋爐熱平衡計算112.2.1余熱鍋爐的介紹122.2.2未來余熱鍋爐的發(fā)展132.3蒸汽輪機的熱平衡計算182.4凝汽器熱力計算203 管道與閥門計算223.1主蒸汽管道設計223.1.1高壓蒸汽管道設計223.1.2低壓蒸汽管道設計233.2凝結水管道設計243.3給水管道設計253.4閥門選型254 電廠局部系統(tǒng)264.1主蒸汽系統(tǒng)274.2凝結水系統(tǒng)284.3凝汽器真空抽氣系統(tǒng)284.4汽輪機機組的潤滑油系統(tǒng)294.5發(fā)電機氫冷系統(tǒng)30結論32參考文獻33致謝341 緒論1.1題目設計的背景與意義自然界中天然形態(tài)的煤炭、石油、天然氣、核能、水能、風能、太陽能等等一次

8、能源，除了極少數(shù)能直接為人類所使用外，絕大多數(shù)都要再轉換成電能、汽油、熱水等等二次能源后才能使用，在各種各樣的二次能源中，電能由于清潔且便于遠距離輸送而受到人們的青睞。目前，全世界的電能已占終端能源消費總量的40%左右，隨著科學技術的進步和社會文明程度的提高，這個比例還會進一步提高。電能的生產方式大體有兩種類型：一類是熱力發(fā)電，即先將一次能源轉換成電能，然后轉化為機械功，再通過發(fā)電機轉換為電能；另一類是非熱力發(fā)電，即將一次能源不經過熱能而直接轉換成電能，前者如火力發(fā)電，核能發(fā)電、地熱發(fā)電、太陽能發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、海水溫差發(fā)電等；后者如水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等。目前，熱力

9、發(fā)電占據著統(tǒng)治地位，其發(fā)電量約占世界總發(fā)電量的80%。熱力發(fā)電的核心技術是熱機，熱機是用于將熱能轉換為機械功的機械裝置。迄今為止，已經發(fā)展成熟且最適合大規(guī)模發(fā)電應用的熱機主要是汽輪機和燃氣輪機。汽輪機是一種依靠由各種熱源產生的高溫高壓蒸汽推動安裝在輪軸上的葉輪而旋轉的機械裝置。燃氣輪機是一種依靠由燃料和與空氣混合燃燒而形成的高溫高壓燃氣推動輪軸上的葉輪而旋轉的機械裝置。在汽輪機和燃氣輪機發(fā)電技術逐步發(fā)展并走向成熟的同時，人們還發(fā)展并大量推廣使用了一種更為先進的熱力發(fā)電技術，這就是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)不是一種獨立的熱機，而是一種將汽輪機和燃氣輪機耦合在一起的發(fā)電系統(tǒng)，這項技術將

10、很快在發(fā)電領域占據重要的地位，因為第一，它比單獨的燃氣輪機或者蒸汽輪機有著更高的熱效率；第二，它可以在很大程度上保留燃氣輪機機動靈活的特性；第三，它雖然目前與燃氣輪機一樣主要用在燃用油、天然氣的場合，但經過進一步發(fā)展之后，完全可以低污染的燃用煤炭等固體燃料，并可以與燃料電池等新型發(fā)電技術相結合派生出各種各樣其他形式的發(fā)電系統(tǒng)1。 我國火電機組主要為燃煤發(fā)電機組，存在污染嚴重，供電煤耗高的問題，不能滿足新世紀電力工業(yè)發(fā)展需要，必須依靠科技進步，促進我國資源環(huán)境相互協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。采用高參數(shù)大容量機組，超臨界壓力機組是火電機組發(fā)展的主要方向外，發(fā)展清潔燃煤技術，煤氣化聯(lián)合循環(huán)和整體氣化燃料電池等以

11、燃氣輸機為技術基礎的發(fā)電技術，亦是提高我國火電熱效率的突破口方向。為此，今后發(fā)展燃氣蒸汽循環(huán)發(fā)電將具有戰(zhàn)略意義。燃氣蒸汽輪機聯(lián)合環(huán)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)是一項先進的供能技術。1.2國內外的發(fā)展狀況以及趨勢1.2.1中國汽輪機的發(fā)展歷程汽輪機是將蒸汽的能量轉換成為機械功的旋轉式動力機械。主要用作發(fā)電用的原動機，也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽滿足生產和生活上的供熱需要。中國汽輪機發(fā)展起步比較晚。1955年上海汽輪機廠制造出第一臺6MW汽輪機；1964年哈爾濱汽輪機廠第一臺100MW機組在高井電廠投入運行；1972年第一臺200MW汽輪機在朝陽電廠投入運行；

12、1974年第一臺300MW機組在望亭電廠投入運行。1987年采用引進技術生產的300MW機組在石橫電廠投入運行；1989年采用引進技術生產的600MW機組在平圩電廠投入運行；2000年從俄羅斯引進兩臺超臨界800MW機組在綏中電廠投入運行；上海汽輪機廠是中國第一家汽輪機廠，在1995年開始與美國西屋電氣公司合作成立了現(xiàn)在的STC，1999年德國西門子公司收購了西屋電氣公司發(fā)電部，STC相應股份轉移給西門子；哈爾濱汽輪機廠1956年建廠，先后設計制造了中國第一臺25MW、50MW、100MW和200MW汽輪機，1986年制造成功了中國第一臺600MW汽輪機，目前自主研制的三缸超臨界600MW汽輪

13、機已經投入生產；東方汽輪機廠1965年開始興建，1971年制造出第一臺汽輪機，目前的主力機型為600MW汽輪機；1987年，山東淄博汽輪機廠開發(fā)生2006000KW小型汽輪機，2006年09月，淄博汽輪機廠優(yōu)化聚合成淄博慎德汽輪機有限公司，使我國小型汽輪機的發(fā)展邁上了一個新的臺階。目前中國四大動力廠以600MW和1000MW機組為主導產品。1.2.2國外汽輪機的發(fā)展歷程1883年瑞典工程師拉瓦爾設計制造出了第一臺單級沖動式汽輪機，隨后在1884年英國工程師帕森斯設計制造了第一臺單級反動式汽輪機，雖然當時的汽輪機和我們現(xiàn)在的汽輪機相比結構非常簡單，但是從此推動了汽輪機在世界范圍內的應用，被廣泛應

14、用在電站、航海和大型工業(yè)中。在60年代，世界工業(yè)發(fā)達的國家生產的汽輪機已經達到500600MW等級水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW雙軸全速汽輪機在美國投入運行，設計參數(shù)達到24Mpa，蒸汽溫度538，3600rpm；1974年西德KWU公司制造的1300MW單軸半速1500 rpm飽和蒸汽參數(shù)汽輪機投入運行；1982年世界上最大的1200MW單軸全速汽輪機在前蘇聯(lián)投入運行，壓力24Mpa，蒸汽溫度540。目前世界各國都在研究大容量、高參數(shù)汽輪機的研究和開發(fā)，如俄羅斯正在研究2000MW汽輪機。1.2.3汽輪機的發(fā)展趨勢大型汽輪機組的研制是汽輪機未來發(fā)展的一個重要方向，這其中研制

15、更長的末級葉片，是進一步發(fā)展大型汽輪機的一個關鍵；研究提高熱效率是汽輪機發(fā)展的另一方向，采用更高蒸汽參數(shù)和二次再熱，研制調峰機組，推廣供熱汽輪機的應用則是這方面發(fā)展的重要趨勢。目前，由于電能需求量增長速度的下降，世界范圍內對于超出10萬千瓦等級的汽輪機定貨不多。但對于核電站大型全速飽和蒸汽汽輪機的開發(fā)已付諸實踐，如BBC公司為瑞士哥拉賓原子能電站制造了一臺功率為123萬千瓦的全速汽輪機2。其次，世界上各主要汽輪機制造廠家并未放松對二次再熱、超臨界參數(shù)大功率機組開發(fā)研究工作。例如KWU公司同美國動力公司一直在探索把汽輪機單機功率提高到160萬千瓦或更高水平的設計方案。1.2.4中國燃氣輪機的發(fā)展

16、歷程1962年上海汽輪機廠試制船用燃氣輪機，1964年與上海船廠合作制成550KW燃氣輪機，1965年制成6000KW列車電站燃氣輪機，1971年制成3000KW卡車電站。在這期間還與703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等幾種船用燃氣輪機。1966年哈爾濱汽輪機廠制成2200KW機車燃氣輪機和1000KW自由活塞式燃氣輪機，1973年與703研究所合作制成4410KW船用燃氣輪機，與長春機車車輛廠合作制成3295KW機車燃氣輪機。1964年南京汽輪電機廠制成1500KW電站燃氣輪機；1970年制成37KW泵用燃氣輪機；1972年制成1000KW電站燃氣輪機；1977

17、年制成21700KW快裝式電站燃氣輪機；1984年與GE公司合作生產了PG6541B型36000KW燃氣輪機；從1984年至2004年已生產了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四種型號燃氣輪機，功率由36000KW上升到現(xiàn)在的43660KW。2003年國家發(fā)改委決定南京汽輪電機集團有限責任公司與GE公司進一步擴大合作生產范圍，在南京汽輪電機集團有限責任公司生產S209E型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中的燃氣輪機、汽輪機和發(fā)電機。1978年東方汽輪機廠制6000KW燃氣輪機；1972年杭州汽輪機廠制成200KW燃氣輪機；1972年青島汽輪機廠制成1500KW卡車電

18、站燃氣輪機。2003國家發(fā)改委決定在秦皇島建一座燃氣輪機生產基地，與美國GE公司合作生產MS9001FA型燃氣輪機。該生產基地隸屬于哈電集團，與哈爾濱汽輪機廠、哈爾濱電機廠共同生產S109FA-SS型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備。2004年8月在秦皇島組裝的第一臺MS9001FA型燃氣輪機已發(fā)運到杭州半山電廠。1.2.5國外燃氣輪機的發(fā)展歷程1791年，英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程；1872年，德國人施托爾策設計了一臺燃氣輪機，并于19001904年進行了試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗；1905年，法國人勒梅爾和阿芒戈制成第一臺能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，因而未獲得實用。

19、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。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，渦輪效率也有了提高。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

20、輪機進入了實用階段，并開始迅速發(fā)展。隨著高溫材料的不斷進展，以及渦輪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(shù)種100兆瓦級的燃氣輪機，最高能達到130兆瓦。與此同時，燃氣輪機的應用領域不斷擴大。1941年瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗；1947年，英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力；1950年，英國制成第一輛燃氣輪機汽車。此后，燃氣輪機在更多的部門中獲得應用。在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時，還出現(xiàn)了燃氣輪機與其他熱機相結合的復合裝置。最早出現(xiàn)的是與活塞式內燃機相結合的裝置

21、；5060年代，出現(xiàn)了以自由活塞發(fā)氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置，但由于笨重和系統(tǒng)較復雜，到70年代就停止了生產。此外，還發(fā)展了柴油機燃氣輪機復合裝置；另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱的全能量系統(tǒng)，可有效地節(jié)約能源，已用于多種工業(yè)生產中。1.2.6燃氣輪機的發(fā)展趨勢燃氣輪機中的高溫部件是燃氣輪機工作作環(huán)境最惡劣、結構最復雜的零件之一。也是燃氣輪機斷裂故障多發(fā)部件之一。苛刻的運行環(huán)境使得高溫部件的組織退化、可靠性和壽命降低，并可能產生突發(fā)性事故。相對于航空發(fā)動機而言，重型燃氣輪機要求機組具有更長的使用壽命、可靠性和穩(wěn)定性，而在重型燃氣輪機高溫部件運行過程中高溫合金基體材料機械性能降低、

22、高溫合金涂層高溫氧化及熱障涂層熱沖擊疲勞性能是引起高溫部件失效的決定性因素。各個國家都在鎳基超級合金葉片材料與制造技術上不遺余力地投人研究開發(fā)。目前已有的制造工藝包括常規(guī)(多晶)、定向結晶和單晶技術3。故燃氣輪機的未來發(fā)展趨勢是提高效率、采用鎳基超級合金葉片材料與制造高溫陶瓷材料、利用核能和發(fā)展燃煤技術。提高效率的關鍵是提高燃氣初溫，即改進渦輪葉片的冷卻技術，研制能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比，研制級數(shù)更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。1.3設計內容和設計方法利用燃氣燃燒產生的高溫煙氣在燃氣輪機中做功，將一部分熱能轉變?yōu)楦咂肺坏碾娔?，再利用燃氣輪機排煙中的余熱在廢熱

23、鍋爐內產生蒸汽來帶動蒸汽輪機進一步發(fā)出部分電能，同時供熱和制冷。從而實現(xiàn)了能源的高效梯級利用，同時也降低了燃氣供熱的成本，是城市，特別是大氣污染嚴重的大城市中值得大力發(fā)展的系統(tǒng)。本設計采取余熱鍋爐型的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。其原理是用余熱鍋爐吸收燃氣輪機排氣的熱量產生蒸汽，然后汽輪機的將蒸汽的熱量轉換為機械功，由于燃氣輪機的排氣溫度比較高，而汽輪機能夠利用的蒸汽溫度又比較低，故這一原理在實際情況中是可以實現(xiàn)的。該設計過程是先聯(lián)合循環(huán)進行熱力選型，然后對該聯(lián)合循環(huán)中各個部分的裝備裝置進行熱力計算，最后算出整個聯(lián)合循環(huán)的熱效率，針對各熱力設備的參數(shù)進行熱力參數(shù)優(yōu)化，以便使聯(lián)合循環(huán)的熱效率達到更高，同時確保系

24、統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全的運行。 2 聯(lián)合循環(huán)熱平衡計算2.1燃氣輪機熱平衡計算 燃氣輪機是以空氣和燃氣為工質的熱機。它由壓氣機、燃燒室和透平三大部件組成，其中，壓氣機的作用就相當與汽輪機循環(huán)中的給水泵的作用類似，作用是提高工質的壓力；燃燒室的作用與汽輪機循環(huán)中鍋爐的作用類似，是提高工質的溫度，將燃料的化學能轉化為工質的熱能；透平與汽輪機循環(huán)中的汽輪機的作用類似，是通過工質的膨脹將其熱能轉換為機械功。 燃氣輪機的工作過程是，壓氣機連續(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，隨后進入透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉。燃氣輪機由靜止起動時

25、，需用起動機帶著旋轉，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。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)。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合循環(huán)裝置。 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。70年代末,壓縮比最高達到31；工業(yè)和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200左右，航空燃氣輪機的超過1350。 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

26、級葉片很短，效率低于離心式。功率為數(shù)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。 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。燃氣輪機有重型和輕

27、型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長，壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機的結構為最緊湊、最輕，但壽命較短。與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較，燃氣輪機的主要優(yōu)點是小而輕。單位功率的質量，重型燃氣輪機一般為25千克/千瓦，而航機一般低于0.2千克/千瓦。燃氣輪機占地面積小，當用于車、船等運輸機械時，既可節(jié)省空間，也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高，在部分負荷下效率下降快，空載時的燃料消耗量高。不同的應用部門，對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數(shù)用于發(fā)電，而3040兆瓦以上的幾乎全部用于

28、發(fā)電。燃氣輪機發(fā)電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網的安全運行，所以應用廣泛。燃氣輪機組有以下優(yōu)點:1）發(fā)電品質好，燃氣輪機發(fā)電機組工作時只有旋轉運動，電調反應速度快，工作平穩(wěn)，使發(fā)電機組輸出電壓和頻率穩(wěn)定、輸出精度高、波形失真小。2）抗過載能力強，燃氣輪機是高速旋轉運動，所以可依其慣性來應付過載。3）自動化程度高，燃氣輪機發(fā)電機組的電調系統(tǒng)對機組的待起動狀態(tài)、起動、帶載運行及停機的全部過程實行自動調節(jié)和監(jiān)控，機組的所有運行參數(shù)均由計算機控制。4起動可靠，燃氣輪機是對已霧化的燃料點火，所以點火可靠，具有良好的低溫起動性能，即使

29、在寒冷的氣象條件下，起動的成功率也在99.5%以上。5）加載時間快，燃氣輪機發(fā)電機組的起動時間盡管比柴油機長，但起動后可以立即加載100%的額定負荷，這樣可以消除暖機的時間，以便及時供電。6）噪聲低，由于燃氣輪機工作時只有高速旋轉，所產生的噪聲為高頻噪聲，易于減弱，因此吸聲箱體的結構簡單。7）操作簡單，維護方便，燃氣輪機發(fā)電機組采用電調自動控制，裝有自動報警和自動保護系統(tǒng)，可確保發(fā)電機組的安全運行，操作簡單、維護方便。8）燃料多樣化，燃氣輪機發(fā)電機組可使用多種燃料，如柴油、煤油、天然氣、煤氣都可使用，用戶可任選燃料。9）機動、靈活，由于燃氣輪機特有的工作原理，故可做成移動式發(fā)電機組，根據需要可

30、隨意到達任何區(qū)域進行供電。表2.1 壓氣機熱力計算結果名稱參數(shù)單位數(shù)值燃氣輪機功率Pgtkw2850.0000理想進汽溫度TaK288.0000進汽壓力PaMPa0.1013壓氣機進口溫度T*1K288.0000多變系數(shù)Ka-1.3860壓縮比-9.0000壓氣機理想出口溫度T*2sK531.0658理想溫升TcsK243.0658壓氣機內效率c-0.9000實際溫升TcK270.0731壓氣機實際出口溫度T*2K558.0731空氣比熱容CpakJ/(kg·K)1.0300壓縮機壓縮功ckJ/kg278.1753（1）壓氣機壓縮過程 取大氣條件Ta=15，pa=0.1013MPa，

31、壓氣機進口溫度T1*=Ta=288K，取壓縮空氣的平均多變系數(shù)Ka=1.386，平均比熱容cpa=1.03kJ/（kg·K)由于中小功率的燃氣輪機主要采用離心式壓氣機，離心式壓氣機的空氣流量為數(shù)公斤至數(shù)十公斤每秒。亞音速離心式壓氣機的增壓比約為4.5，超音速離心式壓氣機可達810，選擇選擇超音速離心式壓氣機取壓縮比=9；壓氣機理想出口溫度 （2.1）壓氣機理想溫升 （2.2）壓氣機內效率c=0.80.92，故選取c=0.90壓氣機實際溫升 （2.3）壓氣機實際出口溫度 （2.4）壓氣機壓縮功 （2.5）表2.2 空氣的定壓比熱容、定容比熱容與多變系數(shù)溫度（T/K）Cp（kJ/(kg.

32、K)）Cv(kJ/(kg.K)2501.0030.7161.4013001.0050.7181.4005001.0290.7421.3876001.0510.7641.3762881.00450.7181.4005581.0420.7551.380平均值1.0290.7421.387由表2.2可以看出壓氣機壓縮過程的定壓比熱容與多變系數(shù)與由經驗得出的數(shù)值相差不大，故取壓縮空氣的平均多變系數(shù)Ka=1.386，平均比熱容cpa=1.03kJ/（kg·K)合理。（2） 燃燒過程表2.3 透平熱力計算結果燃燒初溫T*3K1200.0 燃氣比熱容CpgkJ/(kg·K)1.20進汽吸

33、熱量qbkJ/kg865.1847 天然氣發(fā)熱值Qnetkcal8000.0燃氣熱量HukJ/kg46688.5977 燃燒室效率b-0.98燃料空氣比fkg（燃料）/kg（空氣）0.0189 進氣道壓損率c-0.01燃燒室壓損率b-0.03排氣道壓損率t-0.03透平膨脹比t-8.3834 透平多變系數(shù)KgkJ/(kg·K)1.3150 透平理想排氣溫度T*4sK721.0768 透平理想溫差TtsK478.9232 透平內效率tn-0.9400 透平實際溫差TtK450.1878 透平實際排氣溫度T*4K749.8122 透平膨脹功tkJ/kg540.2254 燃氣輪機總效率m-

34、0.9900 燃氣輪機比功nkJ/kg259.4296 燃氣輪機軸功Pwkw2850.0空氣流量qmkg/s10.9856 燃料流量qmfkg/s0.2077 循環(huán)熱效率gt-0.2939 抽引空氣比率cl-0.05過量空氣系數(shù)-1.1煙氣流量qmgskg/s10.64408611 選取中船重工龍江廣瀚燃氣輪機有限公司生產的型號為D049R型發(fā)動機改裝成的燃氣輪機，D049R型發(fā)動機可以快速投入運行，效率高，節(jié)省燃料，電子自動控制系統(tǒng)使該發(fā)動機可應用于無人生產技術，D049R的額定功率為2.85MW，熱效率為28.5%，排氣溫度為460，輸出轉速為14000r/min。對于輕型的燃氣輪機，用于

35、發(fā)電時，燃氣的燃燒初溫相對較低，故選取燃氣燃燒初溫，選取燃氣平均比熱容燃氣的進汽吸熱量為 （2.6）取廣東天然氣的低位發(fā)熱量8000kcal，主要成分為CH4=98%，C3H6=0.4%，C3H8=0.3%，C4H10=0.3%，N2=1%，標準狀態(tài)下密度為=0.7174kg/m3即Hu=46688.6kJ/kg，燃燒室效率b=0.960.99，取b=0.98,取燃氣平均多變系數(shù)kg=1.315則燃料空氣比 （2.7）（3） 膨脹過程進汽道的壓損率c=0.010.015，取c=0.01；燃燒室的壓損率b=0.030.06，取b=0.03；排氣道的壓損率t=0.0250.07，取t=0.03；透

36、平膨脹比與壓氣機的增壓比有以下關系： （2.8）透平理想排氣溫度 （2.9）透平理想溫差 （2.10）透平內效率t=0.870.94，取t=0.94透平實際溫差 （2.11）透平實際排氣溫度 （2.12）透平膨脹功 （2.13）(4） 整體性能燃氣輪機總效率取m=0.99燃氣輪機比功 （2.14）燃氣輪機軸功Pw=2850kw空氣流量 （2.15）燃料流量 （2.16）燃氣輪機熱效率 （2.17）從壓氣機抽引空氣的比率cl=0.020.10，取cl=0.05過量空氣系數(shù)取=1.1煙氣流量 （2.18）2.2余熱鍋爐熱平衡計算2.2.1余熱鍋爐的介紹 世界發(fā)達國家利用余熱發(fā)電的電量占總發(fā)電量的比

37、例為: 荷蘭在1955年占25% ，1980年降至10%，而1985年又增至14%;英國雖然在1973年后,余熱發(fā)電量不斷下降, 但現(xiàn)今上升到占總發(fā)電量的6%，其中利用工業(yè)余熱所發(fā)的電量為三分之二。美國1984年利用工業(yè)余熱的發(fā)電裝置總電功率為11800MW，占美國電站總容量的2%,1985年余熱發(fā)電量達12.8x1010kw·h?？梢娎糜酂岚l(fā)電己成為各國二項重要的節(jié)能手段。隨著經濟的快速發(fā)展，社會對能源的需求和對環(huán)保的要求越來越高。在近10年來，大型燃機的效率和排放水平得到提高，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的熱效率( 目前已經達到58%) 比傳統(tǒng)的火電廠( 35% 40%，最高45%) 高很多

38、。聯(lián)合循環(huán)電廠在安裝成本和安裝時間方面與常規(guī)火電相比，具有不可比擬的優(yōu)勢，借此減少成本費用和開發(fā)者投資風險。聯(lián)合循環(huán)電廠能夠提供最低水平NOx和CO的排放，尤其是在安裝低NOx燃燒器和SCR、CO催化劑情況下更是如此，這就使高效、節(jié)能、低排放的聯(lián)合循環(huán)電站( CCPP)市場得到迅猛發(fā)展，也促使余熱鍋爐技術必需予以發(fā)展，并使余熱鍋爐供應商能夠提供更低的價格，使用戶的經濟效益也越來越大5。為了提高朗肯循環(huán)的效率，有效地與高溫燃氣輪機相匹配，余熱鍋爐設計必須在相當高的煙氣溫度下運行，同時還要考慮匹配越來越大的聯(lián)合循環(huán)中燃氣輪機容量的跳躍性增大。為從燃機尾氣的余熱中回收更多的熱量，使得煙囪排煙溫度更低

39、，余熱鍋爐從單壓發(fā)展到雙壓鍋爐，這個發(fā)展將聯(lián)合循環(huán)的熱效率提高了近4個百分點，再從雙壓發(fā)展到三壓，整個循環(huán)的效率又提高了1個百分點。目前，所有的余熱鍋爐制造商都能提供三壓加再熱蒸汽系統(tǒng)以達到最高效率。余熱鍋爐分為立式余熱鍋爐和臥式余熱鍋爐兩種。立式余熱鍋爐起源于歐洲，因歐洲要求占地面積較小，而且對調峰循環(huán)運行所產生的熱應力敏感度較低; 臥式余熱鍋爐通常在北美地區(qū)應用。隨蒸發(fā)器設計水平的提高，立式余熱鍋爐不再需要強制循環(huán)泵，和臥式余熱鍋爐相同，屬于完全自然循環(huán)。立式和臥式鍋爐的效率相同。燃油、燃氣、燃煤經過燃燒產生高溫煙氣釋放熱量，高溫煙氣先進入爐膛，再進入前煙箱的余熱回收裝置，接著進入煙火管，

40、最后進入后煙箱煙道內的余熱回收裝置，高溫煙氣變成低溫煙氣經煙囪排入大氣。由于余熱鍋爐大大地提高了燃料燃燒釋放的熱量的利用率，所以這種鍋爐十分節(jié)能。余熱鍋爐按燃料分為燃油余熱鍋爐、燃氣余熱鍋爐、燃煤余熱鍋爐及外媒余熱鍋爐等。按用途分為余熱熱水鍋爐、余熱蒸汽鍋爐、余熱有機熱載體鍋爐等。要使用戶在電廠使用壽命期內獲得滿意的余熱鍋爐，綜合當前的需求和限制條件，有以下需要關注:(1) 通過計算循環(huán)應力得到運行允許的溫度和壓力梯度，然后來決定厚壁元件的直徑和壁厚。(2) 對循環(huán)工況進行動態(tài)分析，對局部故障區(qū)域，比如多管列聯(lián)箱、接管和壓力元件間管接頭進行有限元分析和恰當?shù)脑O計，并對循環(huán)中冷凝水的形成進行動態(tài)

41、分析，比如吹掃或保溫以及恰當?shù)呐欧旁O計，可以預防低循環(huán)周期疲勞。(3) 如果不可避免對帶分隔板的聯(lián)箱進行有限元分析，通過適當?shù)脑O計將會避免低循環(huán)疲勞。(4) 在過熱器區(qū)段里對蒸汽流動進行模型計算，得出管接頭數(shù)量和直徑，將會避免性能缺陷。(5) 補燃時煙氣流動模型和適當?shù)臒煹涝O計將會避免性能缺陷。2.2.2未來余熱鍋爐的發(fā)展首先，基于今天的和預期的經驗，客戶和供應商將會得到余熱鍋爐對聯(lián)合循環(huán)電廠的整體RAMS性能作用很大的結論，這將會導致彼此更密切的合作和調整。余熱鍋爐供應商應通過透明的項目管理、設計控制和整個供應鏈的優(yōu)化，以滿足客戶需要。其次，由于聯(lián)合循環(huán)電廠的發(fā)展，余熱鍋爐技術在RAMS方面

42、將會得到提高。使用余熱鍋爐產生的蒸汽冷卻燃機葉片的下一代燃氣輪機正在研制中，已經實現(xiàn)了燃機與余熱鍋爐之間的連接，即使用余熱鍋爐的鍋水冷卻燃機冷卻空氣，然后將過熱蒸汽送回到余熱鍋爐。這種新技術將會實現(xiàn)燃機與余熱鍋爐之間前所未有的連接，蒸汽不僅用作底部循環(huán)工作流體，而且作為避免燃機金屬升溫到破壞程度的冷卻劑。對于余熱鍋爐設計工程師來說，熱動力優(yōu)化并不是真正的挑戰(zhàn)，因為目前的三壓再熱設計已經代表了很高的經濟性和熱動力性能。提高RAMS性能再次成為目標。特定的目標尤其是: 減少低循環(huán)疲勞，提高模塊化以縮短安裝時間，增加車間內的可靠工作以及關鍵材料比如P91和T91的使用。第三，不同于傳統(tǒng)的龐大三壓再熱

43、汽包型鍋爐的直流式鍋爐證實為可以滿足市場從基荷向循環(huán)調峰運行變化中的要求。從技術上的觀點來看，直流式鍋爐，尤其是用于循環(huán)調峰時，必須采用立式結構。結合單壓系統(tǒng)和大型燃機以及發(fā)展良好的直流技術，肯定將提高RAMS性能，同時達到“超過60%效率”的目標。 雙壓余熱鍋爐是指可以產生兩種不同壓力蒸汽的余熱鍋爐，相對于普通余熱鍋爐可以更好的利用余熱。根據熱力學原理和計算可以得知，蒸汽分段進入汽輪機做功發(fā)電最合理，因此在相同條件下，雙壓系統(tǒng)發(fā)電能力最高，閃蒸系統(tǒng)處于中等，單壓系統(tǒng)發(fā)電能力最低。雙壓余熱發(fā)電技術與常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)不同之處在于為了分別實現(xiàn)汽水循環(huán)，以生成兩種壓力的過熱蒸汽，針對同樣一臺余熱鍋爐

44、，配備壓力級別不同的兩種汽水系統(tǒng)，在進人不同的補汽汽輪機的時候，低壓蒸汽視為補汽，中壓蒸汽視為主汽，這樣就能夠實現(xiàn)汽輪機的發(fā)電做功。這樣按照能量梯級利用的原理，實現(xiàn)了溫度對口回收，使更多的低溫余熱被吸收利用，從而提高熱回收效率。雙壓余熱鍋爐的排煙溫度能降到110。目前雙壓余熱鍋爐主要有雙壓再熱和雙壓不再熱兩種形式，其最顯著的特點是：雙鍋筒，能產生兩種不同壓力的蒸汽。中、低溫余熱熱源的溫度較低，一般小于400，廢氣量較大，為充分利用這些中、低溫熱源，就要求更合理的改進發(fā)電系統(tǒng)。目前中、低溫余熱發(fā)電技術主要采用三種熱力系統(tǒng)：單壓系統(tǒng)、雙壓系統(tǒng)、閃蒸系統(tǒng)。對于溫度小于400 的中低溫余熱資源而言，經

45、過定量的分析計算，從熱利用效率以及經濟效益考慮，雙壓余熱鍋爐是最佳選擇的余熱回收方式。故本設計使用雙壓無再熱自然循環(huán)帶整體式余熱鍋爐。表2.4 余熱鍋爐熱力計算結果參數(shù)單位數(shù)值燃氣輪機排煙焓（T*4）Qr=hmgskJ/kg577.0604374煙氣流量Dyqt/h38.31871001余熱鍋爐排氣溫度TpyK393煙氣排氣焓hpykJ/kg137.6861167煙氣損失q2-0.238599127氣體不完全燃燒熱損失q3-0固體不完全燃燒熱損失q4-0散熱損失q5-0.033其他損失q6-0.005鍋爐總損失q-0.276599127鍋爐熱效率gl-0.723400873鍋爐熱負荷QbkJ/

46、kg4443.331428鍋爐給水溫度tgs104給水壓力pgsMPa0.117給水焓hgskJ/kg435.95高壓過熱蒸汽參數(shù)：溫度tgy435壓力pgyMPa3.432焓值hgykJ/kg3302.92熵值S0kJ/(kg·k)6.9705流量Dgyt/h1.245低壓過熱蒸汽參數(shù)溫度tdy180壓力pdyMPa0.4焓值hdykJ/kg2817.67熵值S0kJ/(kg·k)7.1163流量Ddyt/h4.218鍋爐總產氣量Dt/h5.463鍋爐額定蒸發(fā)量Det/h6透平實際排氣溫度（476.65）；由李金玉6等人編寫的燃氣煙氣焓溫表查得透平出口煙氣焓；煙氣流量 （

47、2.19）燃燒天然氣一般排煙溫度為110130，故取余熱鍋爐排氣溫度Tpy=120，由李金玉等人編寫的燃氣煙氣焓溫表查得余熱鍋爐排出煙氣焓值hpy=137.7kJ/kg煙氣損失 （2.20）氣體不完全燃燒熱損失q3=0固體不完全燃燒熱損失q4=0鍋爐在額定蒸發(fā)量的散熱損失7： （2.21）Ded：額定蒸發(fā)量在其他蒸發(fā)量的散熱損失： （2.22）其他熱損失鍋爐總損失 （2.23）鍋爐熱效率 （2.24）鍋爐熱負荷 （2.25）余熱鍋爐給水溫度即除氧器出口溫度，采用余熱鍋爐整體式除氧器取tgs=104，查水蒸汽熱力性質表得，飽和壓力pgs=0.117MPa，給水焓值hgs=435.95kJ/kg計

48、算汽輪機高低壓蒸汽流量，余熱鍋爐中煙氣的熱量傳遞給鍋爐給水，根據能量守恒定律，汽輪機的輸出功應該等于煙氣放出的熱量8即=4443.33 KW (2.26)式中，Q1為汽機高壓缸的輸入能量，Q2為汽機低壓缸的輸入能量P=P1+P2=4000-2850=1150 KW (2.27) 式中，P1為汽機高壓缸的做功量，P2為汽機低壓缸的做功量 (2.28) (2.29) (2.30) (2.31)由（2.26）（2.27）（2.28）（2.29）（2.30）（2.31）求得Dgy=1.245t/h Ddy=4.218t/h故高壓缸做功量： (2.32)低壓缸做功量： (2.33)高溫過熱蒸汽參數(shù)：溫度

49、tgy=435（汽輪機主蒸汽溫度）壓力pgy=3.432MPa根據水蒸汽熱力性質表查得焓值hgy=3303.92kJ/kg比體積=0.09355m3/kg熵值S0=6.9705kJ/(kg·k)流量Dgy=1.245t/h低壓過熱蒸汽蒸汽，選取低壓過熱蒸汽的參數(shù)如下：溫度tdy=180壓力pdy=0.4MPa根據水蒸汽熱力性質表查得焓值hdy=2817.67kJ/kg熵值kJ/(kg·k)比體積=0.6138m3/kg流量Ddy=4.218t/h鍋爐總產氣量D=Dgy+Ddy=5.463t/h （2.34）取鍋爐額定蒸發(fā)量De=6t/h選取杭州鍋爐廠生產的余熱鍋爐，型號為Q

50、40/500-6-3.43/435，表示氣體余熱載體量為40x103m3/h，余熱載體溫度為500，額定蒸發(fā)量為6t/h，額定蒸汽溫度為435，額定蒸汽壓力為3.43MPa。2.3蒸汽輪機的熱平衡計算 汽輪機的工作原理是能將蒸汽熱能轉化為機械功的外燃回轉式機械，來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經過一系列環(huán)形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉化為汽輪機轉子旋轉的機械能。汽輪機主要由轉動部分和靜止部分組成。轉子包括主軸、葉輪、動葉片和聯(lián)軸器；靜子包括靜子包括進汽部分、汽缸、隔板和靜葉柵、汽封及軸承等。高壓過熱蒸汽做功后與低壓過熱蒸汽混合后進入低壓缸做功，高壓過熱蒸汽在高壓缸中等熵膨脹，熵不變，故從高

51、壓缸做完功出來的蒸汽參數(shù)如下：由P2=pdy=0.4MPa，S2=6.9705kJ/（kg·k），查詢水蒸汽表得h2=2761.27kJ/kg，t2=154；高低壓蒸汽匯合后平均焓值 （2.35）查水蒸汽的h-s圖可以獲得高低壓蒸汽混合后溫度t2=174混合后熵S2=7.0876kJ/（kg·k）凝汽器排氣壓力pc=0.0029MPa0.0096MPa，取pc=0.005MPa混合蒸汽在低壓缸中等熵膨脹，熵不變Sc=7.0876kJ/（kg·k）在h-s圖上查得hc=2141.4kJ/kg排氣溫度tc=32.88汽輪機輸入能量 （2.36）排氣輸出能量Q= （2.

52、37）汽輪機輸出電功率 （2.38）由計算得出的汽輪機功率1193.53KW略大于額定功率1150KW，但在誤差允許范圍內。汽輪機熱效率 （2.39）聯(lián)合循環(huán)的熱效率 （2.40）功比率 （2.41）表2.5 蒸汽輪機熱力計算結果高壓過熱蒸汽參數(shù)單位數(shù)值溫度tgy435壓力pgyMPa3.432焓值hgykJ/kg3302.92熵值S0kJ/(kg·K)6.9705流量Dgyt/h1.245低壓過熱蒸汽-溫度tdy180壓力pdyMPa0.4焓值hdykJ/kg2817.67熵值S0kJ/(kg·K)7.1163流量Ddyt/h4.218在高壓缸0.4MPa處-壓力P2MPa0.4熵值