燃氣輪機原理概述及熱力循環(huán)

主要教學內容第一章概述第二章燃氣輪機熱力循環(huán)第三章燃氣輪機主機及主要部件第四章燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置第五章燃氣輪機發(fā)電機組的調節(jié)與控制現(xiàn)在是1頁\一共有82頁\編輯于星期日學習參考書選用教材：《燃氣輪機發(fā)電動力裝置及應用》.林汝謀，金紅光主編.北京：中國電力出版社，2004.9[1]、《燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電》.姚秀平編著.北京：中國電力出版社，2004.10[2]、《整體煤氣化燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)（IGCC）》.焦樹建編著.北京：中國電力出版社，1996.12[3]、《燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的理論基礎》.焦樹建主編.北京：清華大學出版社，2003.11現(xiàn)在是2頁\一共有82頁\編輯于星期日焦樹建2007.8黃慶宏2005.11現(xiàn)在是3頁\一共有82頁\編輯于星期日第一章概述第一節(jié)燃氣輪機簡介第二節(jié)國外燃氣輪機的發(fā)展和應用概況第三節(jié)我國燃氣輪機的簡況

現(xiàn)在是4頁\一共有82頁\編輯于星期日第一節(jié)燃氣輪機簡介一、燃氣輪機的定義及組成1、定義：

燃氣輪機（GasTurbine，GT）是以連續(xù)流動的燃氣作為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的化學能轉變?yōu)橛杏霉Φ膬热际絼恿C械。現(xiàn)在是5頁\一共有82頁\編輯于星期日2、組成：三大基本機械組成部分+輔助傳動裝備壓氣機：Compressor--C燃燒室：CombustionChamber--CC渦輪：Turbine--T現(xiàn)在是6頁\一共有82頁\編輯于星期日GasTurbineEngine現(xiàn)在是7頁\一共有82頁\編輯于星期日現(xiàn)在是8頁\一共有82頁\編輯于星期日BraytonCycleCOMPRESSORAIRCOMBUSTIONCHAMBEREXHAUSTWORKFUELTURBINE現(xiàn)在是9頁\一共有82頁\編輯于星期日現(xiàn)在是10頁\一共有82頁\編輯于星期日現(xiàn)在是11頁\一共有82頁\編輯于星期日典型航空發(fā)動機示意圖單晶現(xiàn)在是12頁\一共有82頁\編輯于星期日現(xiàn)在是13頁\一共有82頁\編輯于星期日現(xiàn)在是14頁\一共有82頁\編輯于星期日二、燃氣輪機的工作原理及過程1、工作原理：

壓氣機從外部吸入空氣，壓縮后送入燃燒室，同時燃料（氣體或液體燃料）也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在受控方式下進行燃燒，生成的高溫、高壓煙氣進入透平（渦輪）膨脹做功，推動動力葉片高速旋轉，從而使得轉子旋轉做功。轉子做功的大部分（現(xiàn)時情況下約2/3左右）用于驅動壓氣機，另約1/3的功被輸出用來驅動機械設備，如發(fā)電機、泵、壓縮機等等。透平出來的煙氣溫度很高，可再利用（如利用余熱鍋爐進行余熱回收利用）或直接排入大氣（如航空發(fā)動機）?，F(xiàn)在是15頁\一共有82頁\編輯于星期日現(xiàn)在是16頁\一共有82頁\編輯于星期日2、工作過程：布雷登循環(huán)（BraytonCycle）吸氣壓縮燃燒加熱膨脹做功排氣放熱

比較：蒸汽輪機：朗肯循環(huán)（RankineCycle）柴油機：狄塞爾循環(huán)（DiselCycle）現(xiàn)在是17頁\一共有82頁\編輯于星期日朗肯循環(huán)：

——最簡單的蒸汽動力循環(huán)，由給水泵、鍋爐、汽輪機和冷凝器四個主要裝置組成。

1-2過程：等熵膨脹2-3過程：定壓（定溫）放熱3-4過程：等熵壓縮程4-1過程：定壓吸熱現(xiàn)在是18頁\一共有82頁\編輯于星期日狄塞爾循環(huán)：

——為描述內燃機工質的熱力學過程建立的循環(huán)。狄塞爾循環(huán)由絕熱壓縮、定壓加熱、絕熱膨脹和定容放熱過程組成的氣體可逆循環(huán)。柴油機按這種模式工作。

現(xiàn)在是19頁\一共有82頁\編輯于星期日三、燃氣輪機的主要特點優(yōu)點：

1）重量較輕，體積??；2）裝置經濟性較高；3）啟動快，維修方便，運行可靠，自動化程度高，造價低等；4）不用水或少用水；5）可燃用多種燃料，污染排放低等。缺點：

1）單機功率較??；2）運行壽命較短（有所延長，可達20年）；3）對燃料種類有較高的要求（液體和氣體燃料為主）?，F(xiàn)在是20頁\一共有82頁\編輯于星期日第二節(jié)國外燃氣輪機的發(fā)展及應用

概況一、發(fā)展簡史

1、雛形：中國南宋高宗時的走馬燈；15世紀末，意大利的L.達·芬奇設計出的煙氣轉動裝置?，F(xiàn)在是21頁\一共有82頁\編輯于星期日2、1791年，英國J.巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程；3、1872年，德國F.施托爾策設計了一臺燃氣輪機。4、1872年，德國F.施托爾策設計了一臺燃氣輪機。5、1920年，德國H.霍爾茨瓦特制成第一臺實用的燃氣輪機。6、1936年，瑞士制成第一臺能量回收裝置。它是利用生產中排放的氣體在透平中膨脹作功的裝置。7、1939年，瑞士制成了效率達18％的4兆瓦發(fā)電用燃氣輪機(簡單循環(huán))；德國生產裝有渦輪噴氣發(fā)動機的第一架飛機試飛。8、1941年，瑞士BBC制造的第一輛燃氣輪機車通過了交貨試驗。9、1947年，英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水。10、1950年，英國制成第一輛燃氣輪機汽車。

此后燃氣輪機的功率不斷增大，應用逐漸廣泛，與此同時，也出現(xiàn)了燃氣輪機與其它熱機相結合的復合裝置?，F(xiàn)在是22頁\一共有82頁\編輯于星期日二、應用概況1、航空領域2、發(fā)電用燃氣輪機3、工業(yè)用燃氣輪機4、船用燃氣輪機5、機車用燃氣輪機（法國、加拿大）6、車輛用燃氣輪機坦克的動力裝置（軍事）；汽車發(fā)動機：研制中現(xiàn)在是23頁\一共有82頁\編輯于星期日航空用現(xiàn)在是24頁\一共有82頁\編輯于星期日發(fā)電用現(xiàn)在是25頁\一共有82頁\編輯于星期日工業(yè)用現(xiàn)在是26頁\一共有82頁\編輯于星期日艦船用現(xiàn)在是27頁\一共有82頁\編輯于星期日火車機車用現(xiàn)在是28頁\一共有82頁\編輯于星期日汽車用現(xiàn)在是29頁\一共有82頁\編輯于星期日軍事用現(xiàn)在是30頁\一共有82頁\編輯于星期日三、發(fā)展趨勢與前景1、不斷向高參數(shù)、高性能、大型化方向發(fā)展；2、重視系統(tǒng)集成與總能系統(tǒng)廣泛應用；3、積極采用新技術、新材料、新工藝；四大集成技術：

高溫合金冷卻技術氣動熱力設計燃燒技術4、燃料能源多元化和燃煤聯(lián)合循環(huán)商業(yè)化；5、積極開拓新型熱力循環(huán)與總能系統(tǒng)?，F(xiàn)在是31頁\一共有82頁\編輯于星期日第一代：

時間：20世紀40年代-80年代初期；性能參數(shù)：燃氣初溫1000℃、壓比4～10、單機功率100MW、簡單循環(huán)效率30%。第二代：

時間：20世紀80年代-90年代末期；性能參數(shù)：燃氣初溫1350℃、單缸壓比15-30、單機功率100-250MW、簡單循環(huán)效率40%，聯(lián)合循環(huán)效率60%。四、世界工業(yè)燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)技術的

發(fā)展階段現(xiàn)在是32頁\一共有82頁\編輯于星期日第三代：

時間：2000年及其后若干年；性能參數(shù)：燃氣初溫1400-1600℃、單機功率250-350MW、簡單循環(huán)效率≥40%，聯(lián)合循環(huán)效率≥60%。典型代表：GE“H”型機組第四代：燃氣輪機處在或接近于理論燃燒空氣量條件下工作，燃氣初溫1600～1800℃，冷卻系統(tǒng)可能被取消，采用新的高溫材料-密度更小、高溫性能更好（如陶瓷材料）——基于革命性新材料的構思中的更新一代的燃氣輪機?，F(xiàn)在是33頁\一共有82頁\編輯于星期日微型燃氣輪機

（Microturbine或Micro一turbines）一類新近發(fā)展起來的小型熱力發(fā)動機，其單機功率范圍為25～300kW?；炯夹g特征是采用徑流式葉輪機械（向心式透平和離心式壓氣機）以及回熱循環(huán)。近年來隨著全球范圍內的能源與動力需求結構特別是電力系統(tǒng)的放松控制（Deregulation）以及環(huán)境保護等要求的變化，微型燃氣輪機得到了電力、動力等有關部門的高度重視，特別是在美、歐等國發(fā)展迅猛，大有與大中型燃氣輪機共占市場的勢頭?，F(xiàn)在是34頁\一共有82頁\編輯于星期日先進微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產、并網發(fā)電、尖峰負荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區(qū)均能適用。鑒于我國目前的電力發(fā)展及其分布不很均衡以及微型燃氣輪機的技術特點及其優(yōu)越性，微型燃氣輪機將在我國得到廣泛的重視與應用。此外，微型燃氣輪機在民用交通運輸（混合動力汽車）以及軍車以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢，受到美、俄等軍事大國的關注，因此，從國家安全看發(fā)展微型燃氣輪機也非常重要?，F(xiàn)在是35頁\一共有82頁\編輯于星期日五、當前世界上發(fā)電用工業(yè)型燃氣輪機

技術派系--四大體系公司國家世界排名備注GE美國1（53.5%）1、各燃機公司燃機產量占全世界總產量的百分比（1989-1992統(tǒng)計數(shù)據(jù)）；2、20世紀90年代后期，ABB公司的燃氣輪機部分并入Alsthom公司；WH公司燃氣輪機部分并入Siemens公司。WH/MHI美國/日本2（19.2%）ABB瑞士3（14.4%）Siemens德國4（9%）現(xiàn)在是36頁\一共有82頁\編輯于星期日目前，世界上只有美、英、俄、法、德、日本等幾個少數(shù)發(fā)達國家具備獨立研制燃氣輪機的能力，其核心技術一直被這些國家所壟斷。現(xiàn)在是37頁\一共有82頁\編輯于星期日第三節(jié)我國燃氣輪機的簡況建國前：空白建國后：（1）先后研制過的燃氣輪機型號多達數(shù)十種，積累實際使用的經驗；（2）地面用燃氣輪機輕型燃氣輪機：航改機組重型燃氣輪機：自行設計、測繪仿制或國際合作生產。現(xiàn)在是38頁\一共有82頁\編輯于星期日目前概況（1）燃氣輪機占發(fā)電設備的比例將逐漸增大；（2）以燃機為核心的總能系統(tǒng)將成為我國新世紀火電動力的主要發(fā)展方向，中國將成為世界最大的燃機潛在市場?，F(xiàn)在是39頁\一共有82頁\編輯于星期日思考題現(xiàn)在是40頁\一共有82頁\編輯于星期日第二章燃氣輪機熱力循環(huán)現(xiàn)在是41頁\一共有82頁\編輯于星期日前章知識回顧燃氣輪機簡介國外燃氣輪機的發(fā)展和應用概況我國燃氣輪機的簡況基本組成工程原理工作過程應用領域發(fā)展趨勢與前景解放前、解放后和目前的發(fā)展情況現(xiàn)在是42頁\一共有82頁\編輯于星期日本章學習內容第一節(jié)燃氣輪機熱力循環(huán)基礎原理第二節(jié)燃氣輪機的理想簡單循環(huán)第三節(jié)改善燃氣輪機性能的熱力循環(huán)措施現(xiàn)在是43頁\一共有82頁\編輯于星期日第一節(jié)燃氣輪機熱力循環(huán)基礎原理1.1熱力循環(huán)的概念和功能

熱力循環(huán)：熱力系統(tǒng)（工質）經過一系列的狀態(tài)變化，重新 回復到原來狀態(tài)的全部熱力過程，簡稱循環(huán)。功能： 熱能 機械能熱力循環(huán)正向（p-v圖上順時針）熱能機械能逆向（p-v圖上逆時針）熱能機械能動力循環(huán)(汽輪機、燃氣輪機)輸入外功(冰箱、空調等）熱力循環(huán)p-v圖現(xiàn)在是44頁\一共有82頁\編輯于星期日主要熱力參數(shù)(1)壓比π(2)溫比τ——壓氣機出口氣流滯止壓力p*2與進口氣流滯止壓力p*1之比。(反應工質在壓氣機內被壓縮的程度。)——透平進口氣流的滯止溫度T*3與壓氣機進口氣流的滯止溫度T*1之比。(反應工質被加熱的程度。)1.2燃氣輪機裝置循環(huán)的熱力性能指標流體等熵減速到靜止時的壓力即為滯止壓力，相應的溫度為滯止溫度。現(xiàn)在是45頁\一共有82頁\編輯于星期日主要性能參數(shù)(1)燃氣輪機的比功Wn(2)燃氣輪機的熱效率η——壓氣機吸入單位質量空氣時燃氣輪機輸出的凈功。忽略機械損失時，燃氣輪機比功Wn近似等于透平比功與壓氣機比功之差，即：Wn=WT-Wc（反應同樣工質流量和裝置尺寸下燃氣輪機的功率。）——裝置輸出功與輸入的燃料能量之比，即：η=Wn/qb=Wn/(f×Hu)式中：f—燃料空氣比；Hu—每千克燃料的低熱值。（反應將燃料能量轉化為機械功的熱經濟性。）現(xiàn)在是46頁\一共有82頁\編輯于星期日按照工質流動與組織方式分類(1)開式循環(huán)（OpenCycle）(2)閉式循環(huán)（ClosedCycle）(3)半閉式循環(huán)（SemiclosedCycle）1.3熱力循環(huán)的分類現(xiàn)在是47頁\一共有82頁\編輯于星期日特點工質由大氣進入燃機，再排入大氣；結構最簡單，緊湊輕巧、啟動快；少用或不用冷卻水。應用：航空燃機(1)開式循環(huán)（OpenCycle）現(xiàn)在是48頁\一共有82頁\編輯于星期日特點工質在封閉系統(tǒng)中循環(huán)工作(與大氣無關)；以特殊氣體為工質時多采用閉式循環(huán)。應用：高溫氣冷堆核電站中的燃氣輪機工質為氦氣，其化學穩(wěn)定性好，傳熱性能好，而且誘生放射性小，停堆后能將余熱安全帶出，安全性能好。(2)閉式循環(huán)（ClosedCycle）現(xiàn)在是49頁\一共有82頁\編輯于星期日特點工質從大氣環(huán)境進入系統(tǒng)；一部分工質經歷熱力循環(huán)后又排出到大氣環(huán)境（開式）；另外一部分再循環(huán)（閉式特點）。應用：雙軸燃氣輪機(3)半閉式循環(huán)（SemiclosedCycle）現(xiàn)在是50頁\一共有82頁\編輯于星期日按照工質所經歷的熱力過程及其組合分類(1)簡單循環(huán)（SimpleCycle）(2)回熱循環(huán)（RegenerativeCycle）(3)再熱循環(huán)（ReheatingCycle）(4)中間冷卻循環(huán)（IntercooledCycle）(5)聯(lián)合循環(huán)（CombinedCycle）現(xiàn)在是51頁\一共有82頁\編輯于星期日——依次由壓縮、燃燒和膨脹過程組成的熱力循環(huán)。(1)簡單循環(huán)（SimpleCycle）現(xiàn)在是52頁\一共有82頁\編輯于星期日——利用排氣余熱對壓氣機出口的工質進行預熱的熱力循環(huán)。壓縮回熱加熱燃燒膨脹回熱放熱工質經歷的熱力過程(2)回熱循環(huán)（RegenerativeCycle）回熱循環(huán)（開式）現(xiàn)在是53頁\一共有82頁\編輯于星期日——在相繼的膨脹段之間對工質進行再次加熱的熱力循環(huán)。(3)再熱循環(huán)（ReheatingCycle）現(xiàn)在是54頁\一共有82頁\編輯于星期日——在相繼的壓縮段之間對工質進行冷卻的熱力循環(huán)。(4)中間冷卻循環(huán)（IntercooledCycle）燃氣輪機間冷循環(huán)示意圖現(xiàn)在是55頁\一共有82頁\編輯于星期日——將具有不同工作溫度區(qū)間的熱機循環(huán)聯(lián)合起來，互為補充。余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(1)余熱鍋爐(HRSG)：HeatRecoverySteamGenerator狹義：燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。廣義：各種形式熱機聯(lián)合。(5)聯(lián)合循環(huán)（CombinedCycle）現(xiàn)在是56頁\一共有82頁\編輯于星期日余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)（2）現(xiàn)在是57頁\一共有82頁\編輯于星期日燃氣輪機多種熱力循環(huán)的組合哪幾種熱力循環(huán)？間冷循環(huán)回熱循環(huán)再熱循環(huán)現(xiàn)在是58頁\一共有82頁\編輯于星期日余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)模擬系統(tǒng)（2）現(xiàn)在是59頁\一共有82頁\編輯于星期日理想余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的特點：燃氣輪機—高溫區(qū)、高品位熱量，平均吸熱溫度高；蒸汽輪機—低溫區(qū)、低地品位熱量，平均放熱溫度低；熱量梯級利用，循環(huán)效率較高。理想余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)圖和溫熵圖現(xiàn)在是60頁\一共有82頁\編輯于星期日最低供電效率約53%；除KA13E2型機組，其他機組供電效率>56%?，F(xiàn)在是61頁\一共有82頁\編輯于星期日燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站外景現(xiàn)在是62頁\一共有82頁\編輯于星期日第二節(jié)燃氣輪機的理想簡單循環(huán)簡單循環(huán)1873年，美國人布雷登（Brayton）簡單循環(huán)：由壓氣機、燃燒室和透平三個基本部分組成的燃氣輪機循環(huán)。2.1簡單循環(huán)及理想循環(huán)的假定條件燃氣輪機的簡單循環(huán)現(xiàn)在是63頁\一共有82頁\編輯于星期日理想循環(huán)的假定條件工質視為理想氣體，即比定壓熱容cp和等熵過程指數(shù)k不隨氣體的成分、溫度和壓力而改變；工質在壓氣機中的壓縮過程和在透平中的膨脹過程均為等熵過程；忽略燃燒室和燃氣輪機進排氣道的壓力損失；忽略燃氣流量與空氣流量之差；忽略燃料的不完全燃燒損失和燃燒室的散熱損失；忽略機械摩擦與傳動損失。現(xiàn)在是64頁\一共有82頁\編輯于星期日（布雷登循環(huán)）現(xiàn)在是65頁\一共有82頁\編輯于星期日2.2比功、效率與壓比、溫比的關系理想簡單循環(huán)的比功計算公式理想簡單循環(huán)的效率計算公式現(xiàn)在是66頁\一共有82頁\編輯于星期日理想簡單循環(huán)的比功、效率與壓比、溫比的關系圖形理想簡單循環(huán)的比功、效率與壓比、溫比的關系現(xiàn)在是67頁\一共有82頁\編輯于星期日理想簡單循環(huán)的比功、效率與壓比、溫比的關系圖形理想簡單循環(huán)的比功、效率與壓比、溫比的關系結論1——比功與壓比、溫比的關系：（1）壓比π一定時，溫比τ越高，則比功Wn越大；（2）溫比τ一定時，隨壓比π從小到大變化，比功Wn呈先增后減的趨勢，而且存在一個使比功最大的最佳壓比πWmax；（3）溫比是影響最佳壓比的唯一因素，溫比τ越高，則最佳壓比越大。結論2——效率與壓比、溫比的關系：（1）燃氣輪機的循環(huán)效率η僅取決于壓比π，而與溫比τ無關；（2）效率η隨壓比增大而增大?，F(xiàn)在是68頁\一共有82頁\編輯于星期日2.3理想循環(huán)與實際循環(huán)的比較工況條件的差別(1)實際的壓縮和膨脹過程均為有損耗的不可逆過程，不是等熵過程；(2)工質實際流動中存在壓力損失，燃燒室和進排氣道內的吸熱和放熱過程并非等壓；(3)燃燒室中實際上存在不完全燃燒損失和散熱損失；現(xiàn)在是69頁\一共有82頁\編輯于星期日2.3理想循環(huán)與實際循環(huán)的比較工況條件的差別(4)實際工質的比定壓熱容和等熵過程指數(shù)隨溫度、壓力等變化，并非理性氣體；(5)壓氣機空氣流量與透平燃氣流量實際上不相等；(6)實際燃氣輪機中存在軸承摩擦等機械損失和傳動損失?，F(xiàn)在是70頁\一共有82頁\編輯于星期日2.3理想循環(huán)與實際循環(huán)的比較比功和效率變化趨勢的異同(1)理想循環(huán)與實際循環(huán)的比功Wn隨壓比π和溫比τ的變化趨勢一致，但實際循環(huán)的比功相對較??；(2)理想循環(huán)與實際循環(huán)的效率η隨壓比π的變化趨勢一致，但隨溫比τ的變化趨勢不同：實際循環(huán)的效率η隨溫比τ的增加而增加；溫比一定時，隨壓比π從小到大變化，效率η呈先增后減的趨勢，而且存在一個使效率最高的最佳壓比πηmax；(3)實際燃氣輪機的使效率η最高的最佳壓比πηmax通常大于使比功最大的最佳壓比πWmax?，F(xiàn)在是71頁\一共有82頁\編輯于星期日第三節(jié)改善燃氣輪機性能的熱力循環(huán)措施再熱循環(huán)間冷循環(huán)回熱循環(huán)其他多種熱力循環(huán)組合的聯(lián)合循環(huán)改善措施增大比功提高熱效率目的減小尺寸改善熱經濟性現(xiàn)在是72頁\一共有82頁\編輯于星期日再熱循環(huán)定義：分段膨脹、中間再熱的熱力循環(huán)。目的：通過增加透平膨脹功來增大比功。現(xiàn)在是73頁\一共有82頁\編輯于星期日(1)壓比和溫比一定時，再熱循環(huán)可使比功增大；但燃料消耗量和總加熱量增加，效率η有所降低。相當于在簡單循環(huán)的膨脹階段增加一個附加循環(huán)，而該附加循環(huán)的效率低于簡單循環(huán)。(2)再熱循環(huán)的透平總壓比π在分級串聯(lián)透平之間按幾何平均分配，可獲得最大比功。兩級串聯(lián)透平的壓比最佳分配為：

n級串聯(lián)透平之間燃氣再熱，則各透平的壓比最佳分配為：(3)再熱循環(huán)的排氣溫度較高，需采用回熱器來提高熱效率，因此適合在余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)中使用。(4)分級透平之間空間狹小，再熱器布置困難。再熱循環(huán)的特點現(xiàn)在是74頁\一共有82頁\編輯于星期日間冷循環(huán)定義：對壓縮段之間的工質進行冷卻的熱力循環(huán)。目的