燃氣輪機發(fā)電原理

一種雙燃氣輪機發(fā)電機組，它由兩臺并聯(lián)的燃氣輪機作為動力源，兩臺燃氣輪機通過兩個疊片式聯(lián)軸器與超越離合式并車機構聯(lián)接，超越離合式并車機構再通過疊片式聯(lián)軸器與發(fā)電機聯(lián)接，并車機構與發(fā)電機間的疊片聯(lián)軸器、發(fā)電機等核心部件，置于具有隔聲裝置的集裝箱體內，構成了主機艙，主機艙內各主要設備及隔聲箱體安裝在機組整體式底盤上，本實用新型實現(xiàn)了用一種型號燃氣輪機配套較高額定發(fā)電功率燃氣輪機發(fā)電機組及根據(jù)用戶用電情況選擇單臺或雙燃氣輪機工作達到提高機組發(fā)電效率、節(jié)約燃料的目的，適用于各級城市的大中型電信局、大型企、事業(yè)單位、賓館、飯店及要害部門在停電時作為備用應急電源，可廣泛推廣應用。

以高溫氣體為工質，按照等壓力加熱循環(huán)工作燃料中的化學能轉變?yōu)闄C械能和電能的工廠。燃氣輪機發(fā)電廠用液體和氣體燃料通過燃氣輪機轉變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。燃氣輪機的絕熱壓縮、等壓。

由燃氣輪機和發(fā)電機獨立組成的循環(huán)系統(tǒng)，也稱為開式循環(huán)。其優(yōu)點是裝機快、起停靈活，多用于電網調峰和交通、工業(yè)動力系統(tǒng)。目前的最高效率的開式循環(huán)系統(tǒng)是GE公司LM6000PC 輕型燃氣輪機，效率為43%。

由燃氣輪機及發(fā)電機與余熱鍋爐共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它將燃氣輪機排出的功后高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收，轉換為蒸汽或熱水加以利用。主要用于熱電聯(lián)產，也有將余熱鍋爐的蒸汽回注入燃氣輪機提高燃氣輪機出力和效率。最高效率的前置回注循環(huán)系統(tǒng)是GE公司LM5000-STIG120 輕型燃氣輪機，效率為43.3%。前置循環(huán)熱電聯(lián)產時的總效率一般均超過80%。為提高供熱的靈活性，大多前置循環(huán)熱電聯(lián)產機組采用余熱鍋爐補燃技術，補燃時的總效率超過90%。

燃氣輪機及發(fā)電機與余熱鍋爐、蒸汽輪機或供熱式蒸汽輪機(抽汽式或背壓式)共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它將燃氣輪機排出的功后高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收轉換為蒸汽，再將蒸汽注入蒸汽輪機發(fā)電，或將部分發(fā)電作功后的乏汽用于供熱。形式有燃氣輪機、蒸汽輪機同軸推動一臺發(fā)電機的單軸聯(lián)合循環(huán)，也有燃氣輪機、蒸汽輪機各自推動各自發(fā)電機的多軸聯(lián)合循環(huán)。主要用于發(fā)電和熱電聯(lián)產，發(fā)電時的最高效率的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是ABB公司GT26-1，效率為58.5%。

由煤氣發(fā)生爐、燃氣輪機、余熱鍋爐和蒸汽輪機共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，也稱為IGCC。主要解決使用低廉的固體化石燃料代替燃氣輪機使用氣體、液體燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。可作為城市煤氣、電力、集中供熱和集中制冷、以及建材、化工原料綜合供應系統(tǒng)。目前，GE公司使用 MS7001F技術組成的整體循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率可達到42%。

由燃氣輪機、余熱鍋爐和核反應堆、蒸汽輪機共同組成的發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)。通過燃氣輪機排出的煙氣再熱核反應堆輸出的蒸汽，主要為提高核反應堆蒸汽的溫度、壓力，提高蒸汽輪機效率，降低蒸汽輪機部分的工程造價。目前處于嘗試階段。

在以煤、油等為燃料的后置循環(huán)發(fā)電汽輪機組中，使用小型燃氣輪機作為電站輔助循環(huán)系統(tǒng)，為鍋爐預熱、鼓風，改善燃燒，提高效率，并將動力直接用于驅動給水泵。1947年美國第一臺工業(yè)用途燃氣輪機就是采用該種方式參與發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)運行的。

由燃氣輪機和煙氣輪機組成的循環(huán)系統(tǒng)，利用燃氣輪機排放煙氣中的剩余壓力和熱焓進一步推動煙氣輪機發(fā)電。該系統(tǒng)與燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比較可完全不用水，但煙氣輪機造價較高，還未能廣泛使用。

由燃氣輪機和煙氣熱泵，燃氣輪機、煙氣輪機和煙氣熱泵，或燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽熱泵，以及燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機和蒸汽(煙氣)熱泵組成的能源利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)在燃氣輪機、煙氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機等設備完成能量利用循環(huán)后，進一步利用熱泵對煙氣、蒸汽、熱水和冷卻水中的余熱進行深度回收利用，或將動力直接推動熱泵。這一工藝可用作熱電聯(lián)產、熱電冷聯(lián)產、熱冷聯(lián)產、電冷聯(lián)產、直接供熱或直接制冷使用，該系統(tǒng)熱效率極高，如果用于直接供熱，熱效率可達150%，是未來能源利用的主要趨勢之一。

美國能源部近日宣布開發(fā)出了世界第一個將燃料電池和燃氣渦輪機結合在一起的發(fā)電設備，這種設備能更有效地產生電力并大大減少環(huán)境污染。據(jù)了解，這一設備的燃料電池由1152個陶瓷管構成，每個陶瓷管就像一塊電池。電池以天然氣為燃料，能放出高溫高壓的廢氣流，燃氣渦輪機則用燃料電池產生的熱廢氣流制第二輪電力。由于燃料電池中沒有燃燒過程，只是通過化學分解天然氣燃料來產生電力，因此可以大幅度減少污染。設備不會產生二氧化硫，其反應產物中的氮氧化物含量不及目前天然氣發(fā)電設備的2%，二氧化碳排放量則減少了15%。而且，只要有天然氣和空氣存在，燃料電池就能工作。新型發(fā)電設備的發(fā)電功率為220千瓦，能為200戶人家提供電力。其發(fā)電效率達到55%，這意味著來自天然氣燃料的能量中有55%轉化成了電能，遠遠高于燃煤發(fā)電設備的35%發(fā)電效率，也高于燃氣渦輪機50%的發(fā)電效率。

序主要符號表

第1章 概論1

1.1 燃氣輪機的基本知識1

1.1.1 燃氣輪機的工作原理2

1.1.2 燃氣輪機的應用3

1.1.3 燃氣輪機的燃料4

1.2 燃氣輪機的發(fā)展6

1.2.1 我國燃氣輪機發(fā)展的簡述6

1.2.2 國外燃氣輪機發(fā)展的簡要歷史10

1.2.3 現(xiàn)代大功率發(fā)電用燃氣輪機12

1.3 燃氣輪機有關的一些名詞和概念的說明23

1.3.1 ISO條件(與NEMA條件)及機組設計的大氣條件23

1.3.2 總能系統(tǒng)和聯(lián)合循環(huán)的類型25

1.3.3 "重型"與"輕型"燃氣輪機30

1.3.4 透平進氣溫度T3的幾種習慣用法33

1.3.5 "F"技術34

1.3.6 氧化和腐蝕35

1.3.7 最佳壓比40

1.3.8 高溫材料41

1.3.9 再熱循環(huán)42

1.3.1 0NOx排放44

1.3.1 1燃氣輪機的起動45

第2章 燃氣輪機和聯(lián)合循環(huán)部件熱力外特性與熱平衡計算47

2.1 總體的簡單概述47

2.2 燃氣輪機與聯(lián)合循環(huán)中部件的熱力外特性與效率47

2.2.1 大氣條件與ISO條件的使用48

2.2.2 聯(lián)合循環(huán)三個主要部件的(熱力)外特性48

2.2.3 燃氣輪機中直接進行熱平衡計算的兩個部件的外特性56

2.3 聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)平衡方程與效率59

2.3.1 系統(tǒng)平衡方程式59

2.3.2 總體效率61

2.3.3 部件效率62

2.4 透平壓氣機的熱平衡(理論表達式)63

2.4.1 理論上的透平壓氣機的熱平衡方程64

2.4.2 使用壓氣機與透平效率的表達式65

2.4.3 理論表達式實用化的問題66

2.5 穩(wěn)態(tài)熱平衡方程的實用表達式66

2.5.1 自己設計機組時，對冷卻空氣量影響的考慮66

2.5.2 應用于核算機組的熱平衡69

2.6 當量冷卻空氣量的計算方法69

2.6.1 設計模型69

2.6.2 基本熱平衡方程式72

2.6.3 熱平衡模型的啟示73

2.7 起動過程透平壓氣機的熱平衡計算73

2.7.1 起動過程運行點參數(shù)的半經驗公式74

2.7.2 起動過程運行線上的點74

附錄2A空氣與燃氣的熱物性76

第3章 結構與材料82

3.1 結構設計概述83

3.2 20世紀80年代前燃氣輪機結構的發(fā)展84

3.2.1 了解歷史是了解現(xiàn)代燃氣輪機結構的基礎84

3.2.2 第一階段機組的結構特點的補充分析93

3.3 20世紀70年代前國內外材料的發(fā)展97

3.3.1 材料的開發(fā)與使用97

3.3.2 主要的高溫材料的壽命問題101

3.3.3 高溫部件的材料104

3.3.4 其他部件的材料106

3.4 第一階段發(fā)展的總結性的話107

3.5 冷卻系統(tǒng)107

3.5.1 國外燃氣輪機發(fā)展第一階段的冷卻系統(tǒng)舉例108

3.5.2 國外燃氣輪機發(fā)展第二階段的冷卻系統(tǒng)112

3.6 轉子115

3.6.1 不可拆式轉子116

3.6.2 可拆式的轉子118

3.6.3 葉輪的預應力處理123

3.7 燃燒室形式123

3.7.1 分管與環(huán)管型燃燒室123

3.7.2 從單筒型燃燒室到環(huán)型燃燒室124

3.8 靜子的一些問題125

3.8.1 靜子的一般問題125

3.8.2 快速起動126

3.8.3 主機支架與底架126

3.8.4 從檢修角度看結構的一些問題126

3.8.5 本體隨機測點127

附錄3A典型的GE公司MS9001FA機組各主要部件的材料128

第4章 壓氣機130

4.1 概述130

4.1.1 本章 的重點130

4.1.2 設計思想中重要的一點131

4.1.3 從總體角度看壓氣機131

4.1.4 現(xiàn)代燃氣輪機用的壓氣機主要指標132

4.2 壓氣機的外特性132

4.2.1 流動相似的條件132

4.2.2 壓氣機特性曲線134

4.2.3 壓氣機的?；?37

4.2.4 加級后的壓氣機及其對母型壓氣機的影響137

4.2.5 關于壓氣機效率的問題139

4.3 壓氣機發(fā)展的道路139

4.3.1 母型級140

4.3.2 "平面葉柵"方法141

4.3.3 模化加級方法141

4.3.4 其他提高壓比與流量的辦法142

4.3.5 可轉導葉與放氣143

4.3.6 "可控擴壓"問題144

4.3.7 全三維設計145

4.4 壓氣機的加級146

4.4.1 平均級壓比146

4.4.2 首級輪轂比147

4.4.3 子午面流道148

4.4.4 跨聲速級150

4.4.5 母型通流的調整150

4.5 國外大功率燃氣輪機的壓氣機的統(tǒng)觀分析152

4.5.1 國外壓氣機使用的原始葉型152

4.5.2 國外相關壓氣機的簡況154

4.5.3 關于整臺壓氣機試驗160

4.6 已有壓氣機的綜合分析與壓氣機加級的目標值161

4.7 進一步發(fā)展壓氣機的一些問題和前期工作的一些啟示161

4.7.1 加級工作的程序162

4.7.2 程序路線中的一些問題163

4.7.3 與現(xiàn)有參考資料的比較164

附錄4A壓氣機的喘振166

第5章 燃燒室169

5.1 概述169

5.2 燃燒室的工作特點和性能指標170

5.2.1 燃燒室的工作特點170

5.2.2 燃燒室的性能指標171

5.2.3 燃燒室中燃燒過程的組織175

5.3 燃燒室的結構180

5.3.1 燃燒室結構的基本要求180

5.3.2 燃燒室的總體結構180

5.3.3 燃燒室主要部件的結構183

5.4 燃料及其燃燒問題186

5.4.1 燃料的燃燒計算186

5.4.2 天然氣的燃燒191

5.4.3 液體燃料的燃燒及噴油嘴194

5.4.4 重油和原油的燃燒195

5.4.5 低熱值煤氣的燃燒201

5.5 燃燒室的試驗調整204

5.5.1 概述204

5.5.2 燃燒室試驗的目的和方案204

5.5.3 燃燒室試驗的基本設備和測試內容206

5.5.4 燃燒室的?；囼灩r208

5.5.5 燃燒室調整試驗的若干措施211

5.6 低污染燃燒室213

5.6.1 概述213

5.6.2 常規(guī)燃燒室的主要污染排放物213

5.6.3 主要污染排放物的控制方法214

5.6.4 干式低污染(DLN)燃燒室的原理216

5.6.5 四大燃氣輪機制造商的DLN燃燒室217

第6章 透平226

6.1 概述226

6.1.1 熱物性226

6.1.2 透平的級數(shù)227

6.1.3 冷卻系統(tǒng)228

6.1.4 材料229

6.1.5 由于冷卻系統(tǒng)而引起通流熱力計算的問題229

6.1.6 某些與傳統(tǒng)機組有比照點的結構方面230

6.2 冷卻231

6.2.1 冷卻系統(tǒng)的復述231

6.2.2 冷卻葉片的發(fā)展與葉片冷卻形式235

6.2.3 現(xiàn)代級燃氣輪機第1級透平葉片的冷卻形式244

6.2.4 冷卻系統(tǒng)的試驗研究247

6.3 透平的其他部件結構形式概述248

6.3.1 冷卻葉片與氣動方面的協(xié)調248

6.3.2 長柄葉根249

6.3.3 整體圍帶與葉片強度方面試驗設備250

6.3.4 其他一些相關結構問題的概述251

6.4 關于透平結構和材料的一些補充258

6.4.1 關于透平結構部分的設計258

6.4.2 關于燃燒室出口溫度場和溫度場中的最高溫度區(qū)258

6.4.3 有關透平葉片和輪盤材料的補充259

6.5 涂層262

6.5.1 涂層的概述262

6.5.2 具體的涂層262

第7章 燃氣輪機的總體設計簡述264

7.1 概述264

7.1.1 總體設計的一般概念264

7.1.2 總體設計的內在性質265

7.1.3 燃氣輪機動力裝置的總體性概述266

7.2 大功率發(fā)電用燃氣輪機的總體性問題268

7.3 燃氣輪機本體設計的總體性269

7.3.1 總體對燃氣輪機提出的要求269

7.3.2 燃氣輪機的初步設計270

7.4 小結276

附錄7A一些歷史事件的記錄277

第8章 燃氣輪機電站的總體布置及進排氣系統(tǒng)部件280

8.1 關于主機總體布置方面的一些問題280

8.1.1 從箱裝體到廠房式布置280

8.1.2 電廠總體布置的一些問題282

8.1.3 箱裝體結構形式的有關問題287

8.2 主流道的主要附件的概述289

8.2.1 進氣系統(tǒng)290

8.2.2 排氣系統(tǒng)292

8.3 進氣過濾295

8.3.1 進氣過濾的一般概念295

8.3.2 空氣過濾器的型式和性能299

8.3.3 高效過濾器304

8.4 進氣加熱與冷卻309

8.4.1 進氣加熱與冷卻的概述309

8.4.2 進氣冷卻311

8.4.3 進氣加熱312

8.4.4 進氣消聲器312

8.4.5 進氣導管314

第9章 燃氣輪機的輔助系統(tǒng)315

9.1 概述315

9.1.1 輔助系統(tǒng)分類Ⅰ315

9.1.2 輔助系統(tǒng)分類Ⅱ315

9.1.3 輔助系統(tǒng)通論316

9.2 燃氣輪機中以潤滑油為工質的油系統(tǒng)317

9.2.1 油系統(tǒng)的基本任務318

9.2.2 對油系統(tǒng)的基本要求與系統(tǒng)的基本配備318

9.2.3 系統(tǒng)經濟性與油系統(tǒng)型式問題322

9.2.4 現(xiàn)代大功率燃氣輪機油系統(tǒng)的原則性系統(tǒng)圖及一些有關部件的說明325

9.3 燃氣輪機中以燃料供給和滿足燃燒需要為其主要職能的輔助系統(tǒng)部分328

9.3.1 系統(tǒng)設置概述328

9.3.2 燃油系統(tǒng)及與燃油系統(tǒng)有關的一些系統(tǒng)329

9.3.3 霧化空氣系統(tǒng)338

9.3.4 氣體燃料系統(tǒng)(天然氣)340

9.4 屬于機組總體的其他輔助系統(tǒng)概述348

9.4.1 機組清洗系統(tǒng)348

9.4.2 其他系統(tǒng)簡述349

附錄9A關于壓氣機的定期清洗問題350

附錄9B輕柴油的規(guī)格353

附錄9C氣體燃料一些物理性質的計算354

第10章 燃氣輪機的性能驗收試驗356

10.1 概述356

10.2 驗收試驗的內容與試驗條件的規(guī)定356

10.2.1 試驗內容356

10.2.2 關于試驗工況達到穩(wěn)定條件的規(guī)定357

10.2.3 關于測試數(shù)據(jù)讀取的規(guī)定358

10.2.4 關于試驗參考條件的規(guī)定358

10.2.5 其他358

10.3 驗收試驗中有關測試儀表和測量方法的規(guī)定359

10.4 驗收試驗中試驗數(shù)據(jù)的整理和修正360

10.4.1 實測燃氣輪機功率和功率因數(shù)的計算361

10.4.2 燃氣輪機輸出功率的修正361

10.4.3 實測燃氣輪機熱效率的計算364

10.4.4 燃氣輪機熱效率的修正364

10.4.5 壓氣機和燃氣透平等熵效率的計算366

10.4.6 試驗報告367

參考文獻368

編后話372