現(xiàn)代大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)容提要

書中根據(jù)當(dāng)前世界上不同公司生產(chǎn)的最新型號的大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)("FA"技術(shù)等級)，闡述了燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能、本體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子形式、低排放燃燒室、冷卻系統(tǒng)、冷卻葉片等主機(jī)關(guān)鍵部分，并對之進(jìn)行了初步的歸納與分析。在總體設(shè)計、壓氣機(jī)、燃燒室等關(guān)鍵技術(shù)及性能試驗、相關(guān)的輔助系統(tǒng)方面結(jié)合國內(nèi)的發(fā)展經(jīng)驗作了比較全面的總結(jié)與分析。本書對制造廠、燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)電站等企業(yè)的技術(shù)、運行和管理人員以及有關(guān)科研機(jī)構(gòu)、管理機(jī)關(guān)、電廠設(shè)計與高校的人員培訓(xùn)和學(xué)習(xí)有重要的參考價值。

序主要符號表

第1章 概論1

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)的基本知識1

1.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理2

1.1.2 燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用3

1.1.3 燃?xì)廨啓C(jī)的燃料4

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展6

1.2.1 我國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的簡述6

1.2.2 國外燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的簡要歷史10

1.2.3 現(xiàn)代大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)12

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)有關(guān)的一些名詞和概念的說明23

1.3.1 ISO條件(與NEMA條件)及機(jī)組設(shè)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?xì)廨啓C(jī)30

1.3.4 透平進(jìn)氣溫度T3的幾種習(xí)慣用法33

1.3.5 "F"技術(shù)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?xì)廨啓C(jī)的起動45

第2章 燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)中直接進(jìn)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(jī)的熱平衡(理論表達(dá)式)63

2.4.1 理論上的透平壓氣機(jī)的熱平衡方程64

2.4.2 使用壓氣機(jī)與透平效率的表達(dá)式65

2.4.3 理論表達(dá)式實用化的問題66

2.5 穩(wěn)態(tài)熱平衡方程的實用表達(dá)式66

2.5.1 自己設(shè)計機(jī)組時，對冷卻空氣量影響的考慮66

2.5.2 應(yīng)用于核算機(jī)組的熱平衡69

2.6 當(dāng)量冷卻空氣量的計算方法69

2.6.1 設(shè)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(jī)的熱平衡計算73

2.7.1 起動過程運行點參數(shù)的半經(jīng)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?xì)獾臒嵛镄?6

第3章 結(jié)構(gòu)與材料82

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計概述83

3.2 20世紀(jì)80年代前燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展84

3.2.1 了解歷史是了解現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)84

3.2.2 第一階段機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點的補充分析93

3.3 20世紀(jì)70年代前國內(nèi)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(jié)性的話107

3.5 冷卻系統(tǒng)107

3.5.1 國外燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展第一階段的冷卻系統(tǒng)舉例108

3.5.2 國外燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展第二階段的冷卻系統(tǒng)112

3.6 轉(zhuǎn)子115

3.6.1 不可拆式轉(zhuǎn)子116

3.6.2 可拆式的轉(zhuǎn)子118

3.6.3 葉輪的預(yù)應(yīng)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(jī)支架與底架126

3.8.4 從檢修角度看結(jié)構(gòu)的一些問題126

3.8.5 本體隨機(jī)測點127

附錄3A典型的GE公司MS9001FA機(jī)組各主要部件的材料128

第4章 壓氣機(jī)130

4.1 概述130

4.1.1 本章 的重點130

4.1.2 設(shè)計思想中重要的一點131

4.1.3 從總體角度看壓氣機(jī)131

4.1.4 現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)用的壓氣機(jī)主要指標(biāo)132

4.2 壓氣機(jī)的外特性132

4.2.1 流動相似的條件132

4.2.2 壓氣機(jī)特性曲線134

4.2.3 壓氣機(jī)的?；?37

4.2.4 加級后的壓氣機(jī)及其對母型壓氣機(jī)的影響137

4.2.5 關(guān)于壓氣機(jī)效率的問題139

4.3 壓氣機(jī)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 ?；蛹壏椒?41

4.3.4 其他提高壓比與流量的辦法142

4.3.5 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉與放氣143

4.3.6 "可控擴(kuò)壓"問題144

4.3.7 全三維設(shè)計145

4.4 壓氣機(jī)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(diào)整150

4.5 國外大功率燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)的統(tǒng)觀分析152

4.5.1 國外壓氣機(jī)使用的原始葉型152

4.5.2 國外相關(guān)壓氣機(jī)的簡況154

4.5.3 關(guān)于整臺壓氣機(jī)試驗160

4.6 已有壓氣機(jī)的綜合分析與壓氣機(jī)加級的目標(biāo)值161

4.7 進(jìn)一步發(fā)展壓氣機(jī)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(jī)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(biāo)170

5.2.1 燃燒室的工作特點170

5.2.2 燃燒室的性能指標(biāo)171

5.2.3 燃燒室中燃燒過程的組織175

5.3 燃燒室的結(jié)構(gòu)180

5.3.1 燃燒室結(jié)構(gòu)的基本要求180

5.3.2 燃燒室的總體結(jié)構(gòu)180

5.3.3 燃燒室主要部件的結(jié)構(gòu)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(diào)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(shè)備和測試內(nèi)容206

5.5.4 燃燒室的?；囼灩r208

5.5.5 燃燒室調(diào)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)組有比照點的結(jié)構(gòu)方面230

6.2 冷卻231

6.2.1 冷卻系統(tǒng)的復(fù)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?xì)廨啓C(jī)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(jié)構(gòu)形式概述248

6.3.1 冷卻葉片與氣動方面的協(xié)調(diào)248

6.3.2 長柄葉根249

6.3.3 整體圍帶與葉片強(qiáng)度方面試驗設(shè)備250

6.3.4 其他一些相關(guān)結(jié)構(gòu)問題的概述251

6.4 關(guān)于透平結(jié)構(gòu)和材料的一些補充258

6.4.1 關(guān)于透平結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計258

6.4.2 關(guān)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(guān)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?xì)廨啓C(jī)的總體設(shè)計簡述264

7.1 概述264

7.1.1 總體設(shè)計的一般概念264

7.1.2 總體設(shè)計的內(nèi)在性質(zhì)265

7.1.3 燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的總體性概述266

7.2 大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的總體性問題268

7.3 燃?xì)廨啓C(jī)本體設(shè)計的總體性269

7.3.1 總體對燃?xì)廨啓C(jī)提出的要求269

7.3.2 燃?xì)廨啓C(jī)的初步設(shè)計270

7.4 小結(jié)276

附錄7A一些歷史事件的記錄277

第8章 燃?xì)廨啓C(jī)電站的總體布置及進(jìn)排氣系統(tǒng)部件280

8.1 關(guān)于主機(jī)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(jié)構(gòu)形式的有關(guān)問題287

8.2 主流道的主要附件的概述289

8.2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)290

8.2.2 排氣系統(tǒng)292

8.3 進(jìn)氣過濾295

8.3.1 進(jìn)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(jìn)氣加熱與冷卻309

8.4.1 進(jìn)氣加熱與冷卻的概述309

8.4.2 進(jìn)氣冷卻311

8.4.3 進(jìn)氣加熱312

8.4.4 進(jìn)氣消聲器312

8.4.5 進(jìn)氣導(dǎo)管314

第9章 燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)中以潤滑油為工質(zhì)的油系統(tǒng)317

9.2.1 油系統(tǒng)的基本任務(wù)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(jīng)濟(jì)性與油系統(tǒng)型式問題322

9.2.4 現(xiàn)代大功率燃?xì)廨啓C(jī)油系統(tǒng)的原則性系統(tǒng)圖及一些有關(guān)部件的說明325

9.3 燃?xì)廨啓C(jī)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(shè)置概述328

9.3.2 燃油系統(tǒng)及與燃油系統(tǒng)有關(guān)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(jī)組總體的其他輔助系統(tǒng)概述348

9.4.1 機(jī)組清洗系統(tǒng)348

9.4.2 其他系統(tǒng)簡述349

附錄9A關(guān)于壓氣機(jī)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(zhì)的計算354

第10章 燃?xì)廨啓C(jī)的性能驗收試驗356

10.1 概述356

10.2 驗收試驗的內(nèi)容與試驗條件的規(guī)定356

10.2.1 試驗內(nèi)容356

10.2.2 關(guān)于試驗工況達(dá)到穩(wěn)定條件的規(guī)定357

10.2.3 關(guān)于測試數(shù)據(jù)讀取的規(guī)定358

10.2.4 關(guān)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(guān)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?xì)廨啓C(jī)功率和功率因數(shù)的計算361

10.4.2 燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的修正361

10.4.3 實測燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的計算364

10.4.4 燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的修正364

10.4.5 壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙降褥匦实挠嬎?66

10.4.6 試驗報告367

參考文獻(xiàn)368

編后話372

由燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)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(jī)快、起停靈活，多用于電網(wǎng)調(diào)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?xì)廨啓C(jī)，效率為43%。

由燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)與余熱鍋爐共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它將燃?xì)廨啓C(jī)排出的功后高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收，轉(zhuǎn)換為蒸汽或熱水加以利用。主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)，也有將余熱鍋爐的蒸汽回注入燃?xì)廨啓C(jī)提高燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)，效率為43.3%。前置循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)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(chǎn)機(jī)組采用余熱鍋爐補燃技術(shù)，補燃時的總效率超過90%。

燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)與余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)或供熱式蒸汽輪機(jī)(抽汽式或背壓式)共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它將燃?xì)廨啓C(jī)排出的功后高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收轉(zhuǎn)換為蒸汽，再將蒸汽注入蒸汽輪機(jī)發(fā)電，或?qū)⒉糠职l(fā)電作功后的乏汽用于供熱。形式有燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)同軸推動一臺發(fā)電機(jī)的單軸聯(lián)合循環(huán)，也有燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)各自推動各自發(fā)電機(jī)的多軸聯(lián)合循環(huán)。主要用于發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)，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?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)使用氣體、液體燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放?？勺鳛槌鞘忻簹?、電力、集中供熱和集中制冷、以及建材、化工原料綜合供應(yīng)系統(tǒng)。目前，GE公司使用 MS7001F技術(shù)組成的整體循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)到42%。

由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和核反應(yīng)堆、蒸汽輪機(jī)共同組成的發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)。通過燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣再熱核反應(yīng)堆輸出的蒸汽，主要為提高核反應(yīng)堆蒸汽的溫度、壓力，提高蒸汽輪機(jī)效率，降低蒸汽輪機(jī)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(jī)組中，使用小型燃?xì)廨啓C(jī)作為電站輔助循環(huán)系統(tǒng)，為鍋爐預(yù)熱、鼓風(fēng)，改善燃燒，提高效率，并將動力直接用于驅(qū)動給水泵。1947年美國第一臺工業(yè)用途燃?xì)廨啓C(jī)就是采用該種方式參與發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)運行的。

由燃?xì)廨啓C(jī)和煙氣輪機(jī)組成的循環(huán)系統(tǒng)，利用燃?xì)廨啓C(jī)排放煙氣中的剩余壓力和熱焓進(jìn)一步推動煙氣輪機(jī)發(fā)電。該系統(tǒng)與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)比較可完全不用水，但煙氣輪機(jī)造價較高，還未能廣泛使用。

由燃?xì)廨啓C(jī)和煙氣熱泵，燃?xì)廨啓C(jī)、煙氣輪機(jī)和煙氣熱泵，或燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽熱泵，以及燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)和蒸汽(煙氣)熱泵組成的能源利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)、煙氣輪機(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)等設(shè)備完成能量利用循環(huán)后，進(jìn)一步利用熱泵對煙氣、蒸汽、熱水和冷卻水中的余熱進(jìn)行深度回收利用，或?qū)恿χ苯油苿訜岜?。這一工藝可用作熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電冷聯(lián)產(chǎn)、熱冷聯(lián)產(chǎn)、電冷聯(lián)產(chǎn)、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(dá)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?xì)鉁u輪機(jī)結(jié)合在一起的發(fā)電設(shè)備，這種設(shè)備能更有效地產(chǎn)生電力并大大減少環(huán)境污染。據(jù)了解，這一設(shè)備的燃料電池由1152個陶瓷管構(gòu)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?xì)鉁u輪機(jī)則用燃料電池產(chǎn)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(xué)分解天然氣燃料來產(chǎn)生電力，因此可以大幅度減少污染。設(shè)備不會產(chǎn)生二氧化硫，其反應(yīng)產(chǎn)物中的氮氧化物含量不及目前天然氣發(fā)電設(shè)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(shè)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(dá)到55%，這意味著來自天然氣燃料的能量中有55%轉(zhuǎn)化成了電能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃煤發(fā)電設(shè)備的35%發(fā)電效率，也高于燃?xì)鉁u輪機(jī)50%的發(fā)電效率。

以高溫氣體為工質(zhì)，按照等壓力加熱循環(huán)工作燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能和電能的工廠。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠用液體和氣體燃料通過燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)的絕熱壓縮、等壓。