燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

燃?xì)廨啓C電站技術(shù)培訓(xùn)學(xué)習(xí)資料（基礎(chǔ)篇）

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第一章：燃?xì)狻羝?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(chǎn)生灰、渣、二氧化硫等有害物質(zhì)，天然氣是世界公認(rèn)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(yuǎn)距離運輸。采用LNG為原料，采用“燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)”技術(shù)來發(fā)電的電廠稱為燃?xì)狻羝?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?xì)狻羝?lián)合循環(huán)”技術(shù)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。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第二節(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燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第三節(jié)：燃?xì)廨啓C發(fā)展史中國在公元十二世紀(jì)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(jì)末，意大利人列奧納多·達芬奇設(shè)計出煙氣轉(zhuǎn)動裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀(jì)中葉，透平原理在歐洲得到了較多應(yīng)用。1791年，英國人巴伯首次描述了燃?xì)廨啓C的工作過程。1920年，德國人霍爾茨瓦特制成第一臺實用的燃?xì)廨啓C，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。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義燃?xì)廨啓C發(fā)展史隨著空氣動力學(xué)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(shè)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?xì)獬鯗兀谑堑葔杭訜嵫h(huán)的燃?xì)廨啓C終于得到成功的應(yīng)用。

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

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義燃?xì)廨啓C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?xì)獬鯗刂鸩教岣?，使燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C，最高能達到130兆瓦。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第二章：燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的流程

下圖是燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備與生產(chǎn)流程圖，顯示了天然氣發(fā)電的主要流程

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

在經(jīng)過加熱后的天然氣進入燃?xì)廨啓C的燃燒室，與壓氣機壓入的高壓空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣流推動燃?xì)廨啓C旋轉(zhuǎn)做功。從燃?xì)廨啓C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。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

第三章：燃?xì)廨啓C概述

第

一節(jié)、燃?xì)廨啓C工作原理及工作過程1、燃?xì)廨啓C的工作原理燃?xì)廨啓C的原理與中國的走馬燈相同，據(jù)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(fēng)車一樣，當(dāng)燈點燃時，燈內(nèi)空氣被加熱，熱氣流上升推動燈上面的葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動下面的小馬一同旋轉(zhuǎn)。燃?xì)廨啓C是靠燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動燃?xì)馊~輪旋轉(zhuǎn)

如下圖：燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

燃?xì)廨啓C是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。燃?xì)廨啓C的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃?xì)廨啓C屬于內(nèi)燃機，所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C。燃?xì)廨啓C是利用氣體作為工質(zhì)在燃燒室里燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的內(nèi)能。在噴嘴里，氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，燃?xì)飧咚賴姵觯瑳_擊葉輪轉(zhuǎn)動燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義2、燃?xì)廨啓C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?xì)?，隨即流入燃?xì)馔钙街信蛎涀鞴?，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)加熱后的高溫燃?xì)獾淖鞴δ芰︼@著提高，因而燃?xì)馔钙皆趲訅簹鈾C的同時，尚有余功作為燃?xì)廨啓C的輸出機械功。燃?xì)廨啓C由靜止起動時，需用啟動設(shè)備，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義3、燃?xì)廨啓C工作過程的分類燃?xì)廨啓C的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環(huán)；此外，還有回?zé)嵫h(huán)和復(fù)雜循環(huán)。燃?xì)廨啓C的工質(zhì)來自大氣，最后又排至大氣，是開式循環(huán)；此外，還有工質(zhì)被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。例如：燃?xì)狻羝旌涎h(huán)電廠。燃?xì)廨啓C與其他熱機相結(jié)合的稱為復(fù)合循環(huán)裝置。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義4、影響效率的主要因素燃?xì)獬鯗睾蛪簹鈾C的壓縮比，是影響燃?xì)廨啓C效率的兩個主要因素。提高燃?xì)獬鯗兀⑾鄳?yīng)提高壓縮比，可使燃?xì)廨啓C效率顯著提高。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

下面是一臺燃?xì)廨啓C模型，通過它來了解燃?xì)廨啓C的工作過程。

模型的前端是空氣進入口；環(huán)繞燃?xì)廨啓C安裝的是燃燒室；在燃燒室端面有天燃?xì)獾娜肟?；燃?xì)廨啓C的后面是燃燒后的高溫氣體排出口。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義把燃?xì)廨啓C剖去1/4，可以看到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

燃?xì)廨啓C由三大部分組成，左邊部分是壓氣機，有進氣口，內(nèi)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(cè)是燃?xì)馀懦隹凇?/p>

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第二節(jié)、燃?xì)廨啓C的設(shè)備結(jié)構(gòu)

燃?xì)廨啓C構(gòu)造有三大部分：空氣壓縮機，燃燒室，燃?xì)馔钙较到y(tǒng)。1、燃?xì)廨啓C之空氣壓縮機。壓氣機負(fù)責(zé)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(zhuǎn)軸上構(gòu)成壓氣機轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子上的葉片稱為動葉。如下圖所示：

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義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(shù)燃?xì)廨啓C的壓氣機有十幾級，高速旋轉(zhuǎn)的動葉把空氣從進氣口吸入壓氣機，經(jīng)過一級又一級的壓縮，變成高壓空氣。由于壓氣機內(nèi)氣體流動方向與旋轉(zhuǎn)軸平行，稱為軸流式壓氣機。如下圖所示。燃?xì)廨啓C啟動時，先把發(fā)電機當(dāng)作電動機帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)，把空氣壓入燃燒區(qū)。燃機點火后，則逐漸轉(zhuǎn)變至由透平帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)壓氣

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義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(shù)兆瓦的燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義2、燃?xì)廨啓C之燃燒室燃?xì)廨啓C一般有十幾個燃燒室，安裝在燃機外圍。如下圖所示：

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義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(nèi)裝有燃料噴嘴。

A燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義天然氣通過燃燒室端部燃?xì)馊肟谶M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?xì)鈴娜紵疫^渡段噴出，進入透平做功。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義3、燃?xì)廨啓C之透平系統(tǒng)燃?xì)馔钙揭卜Q為燃?xì)廨?，從燃燒室噴出的高壓燃?xì)馔苿油钙饺~輪旋轉(zhuǎn)，把燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為透平的機械能燃?xì)馔苿有D(zhuǎn)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?xì)獾臒崮?，透平一般?級或4級。如下圖所示：燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義透平葉輪安裝在透平轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成透平轉(zhuǎn)子。（如下圖所示）壓氣機轉(zhuǎn)子與透平轉(zhuǎn)子是安裝在同一根轉(zhuǎn)軸上，稱為燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子，透平旋轉(zhuǎn)時也就帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)工作。透平轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機發(fā)電，額定轉(zhuǎn)速是每分鐘3000轉(zhuǎn)。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義下面是一個燃?xì)廨啓C整體剖面圖燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C壽命的關(guān)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?xì)廨啓C來說，除了主要部件外還必須有完善的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，此外還需要配備良好的附屬系統(tǒng)和設(shè)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?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第四章：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(gòu)成了一個環(huán)路。上升管管簇在爐膛內(nèi)，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(dāng)高溫燃?xì)馔ㄟ^管簇外部時，管簇內(nèi)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(nèi)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(nèi)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)。如下圖所示燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

余熱鍋爐基本原理圖燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義

上圖是汽包（也稱鍋筒）結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jīng)分離--蒸汽去過熱器

--水經(jīng)下降管繼續(xù)循環(huán)）燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義用來產(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)能保證系統(tǒng)的高效與安全。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第一節(jié)、余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)

從燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C排出氣體的余熱來產(chǎn)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(nèi)有密集的管道，給水泵將要加熱的水壓進這些管道，燃?xì)廨啓C排出的高溫氣體將管道內(nèi)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(chǎn)生低壓過熱蒸汽、中壓過熱蒸汽、高壓過熱蒸汽，分別驅(qū)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?xì)廨啓C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)。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義余熱鍋爐的外觀結(jié)構(gòu)圖。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義余熱鍋爐本體采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(nèi)被外部的高溫氣體加熱。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義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。

燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義打開鍋爐的側(cè)壁，可看到內(nèi)部裝有多個模塊，實際鍋爐有近20個模塊，其中多數(shù)是蒸發(fā)器、省煤器、過熱器三類模塊，除此還有再熱器模塊。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第二節(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(chǎn)生低壓過熱蒸汽、中壓過熱蒸汽、高壓過熱蒸汽，分別驅(qū)動低壓汽輪機、中壓汽輪機、高壓汽輪機，可最充分的把燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)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(jié)水泵來的冷水，通過低壓省煤器預(yù)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(nèi)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(chǎn)生低壓過熱蒸汽，用來驅(qū)動低壓蒸汽輪機旋轉(zhuǎn)做功。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義大型余熱鍋爐汽水流程圖燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義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(nèi)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(jīng)過再熱器加熱，產(chǎn)生中壓再熱蒸汽，用來驅(qū)動中壓蒸汽輪機旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)生高壓過熱蒸汽，用來驅(qū)動高壓蒸汽輪機旋轉(zhuǎn)做功。燃?xì)廨啓C蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)講義第五章：燃?xì)怆娬鞠到y(tǒng)布置

燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機、發(fā)電機、余熱鍋爐四種主要設(shè)備組成了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實際上這四種設(shè)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?xì)廨啓C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(shè)時，只要燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C仍可發(fā)電。系統(tǒng)啟動快，燃?xì)廨啓C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?xì)狻羝?lián)