联合循环简介

第三节：燃气轮机发展史
• 中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透 平)的雏形。
• 15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马 灯相同。
• 至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。 • 1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程。 • 1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13％、功
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2019年9月5日
联合循环简介
第一章：燃气—蒸汽联合循环发电简介
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第二章：燃气—蒸汽联合循环发电系统的流程 2
第三章：燃气轮机概述
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第四章：余热锅炉的基本原理
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第五章：联合循环电站系统布置
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第六章：本厂立沙岛项目的实物图
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第一章：燃气—蒸汽联合循环发电简介
第 一节、 天然气是绿色能源
2、燃气轮机的工作过程
• 压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将 其压缩。
• 压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后 燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀 作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转
• 加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃 气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气 轮机的输出机械功。
• 燃气轮机由静止起动时，需用启动设备，待加速 到能独立运行后，起动机才脱开。
3、燃气轮机工作过程的分类
• 燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环； 此外，还有回热循环和复杂循环。
• 燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是 开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭 式循环。例如：燃气—蒸汽混合循环电厂。
联合循环机组的特点——出力和环境温度的关系
1.环境温度升高，空气密度减少，燃气轮机的吸气容积流量基本恒定，故环境 温度上高，燃气轮机的工质质量流量减小，机组出力下降。
2.燃气轮机中压气机的耗功是随环境温度的升高而增大的，而所以环境温度升 高时，燃气轮机的效率必然下降。 机组出力 PMW
环境温度 T℃
• 压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效 率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴 流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心 式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采 用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高 效率的同时又缩短了轴向长度。
2、燃气轮机之燃烧室
• 燃气轮机一Βιβλιοθήκη 有十几个燃烧室，安 装在燃机外围。如下图所示：
联合循环机组的特点——占地少
与同容量火电厂相比，联合循环电厂占地面积 只有火电厂的30-40%，建筑面积也只有火电厂的 20%。
联合循环机组的特点——耗水量少
燃气轮机不需要大量的冷却水，单循环机组只 需要火电厂冷却水的2%—10%，联合循环机组只 需要同容量火电厂的1/3左右。
联合循环机组的特点——自动化程度高，运行人员少
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速 旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机 械，是一种旋转叶轮式热力发动机。 • 燃气轮机的基本原理与蒸汽轮机很相似，不同处在 于工质不是蒸汽而是燃料燃烧后的烟气。燃气轮机 属于内燃机，所以也叫内燃气轮机。
• 燃气轮机是利用气体作为工质在燃烧室里燃烧，将 燃料的化学能转变为气体的内能。在喷嘴里，气体 的内能转变为气体的动能，燃气高速喷出，冲击叶 轮转动
14个燃烧室
把燃气轮机剖去1/4，可以看到内部的结构。 燃气轮机由三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，内部一排排 叶片是压气机叶片；中间部分是燃烧器段，围绕一圈的是燃烧室；
右边部分是燃机透平，其中有透平叶片，右侧是燃气排出口。
第二节、燃气轮机的设备结构
燃气轮机三大部件：压气机、燃烧室、透平。
• 天然气的主要成分是甲烷（CH4），其分子由一个碳原子（C）与四个氢原子 （H）组成。天然气无色、无味、无腐蚀性，天然气燃烧生成水（H2O）与二 氧化碳（CO2），不产生灰、渣、二氧化硫等有害物质，天然气是世界公认的 清洁能源。LNG就是液化天然气，液化后的天然气体积是气体形态的六百份 之一，方便大量储存和远距离运输。
率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式 加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。
第三节：燃气轮机发展史
• 随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解 决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85％ 的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现 了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初 温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。
1、压气机。 压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后
供给燃烧室。为了生成高压空气，压气机装有多 级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压 气机转子,转子上的叶片称为动叶。如下图所示：
在每两级动叶之间有一组静止的叶片（简称静叶），一组动叶与后面相邻的静叶， 称为压气机的一个级。多数燃气轮机的压气机有十几级，高速旋转的动叶把空气 从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气 体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。如下图所示 。燃气轮机启动时， 先由启动马达带动压气机旋转，把空气压缩后送入燃烧室。燃机点火后，则逐渐 转变至由透平做功带动压气机压缩空气，启动马达退出运行。
• 下面是一个燃烧室的剖面模型。燃烧室由外壳与 火焰筒组成，在外壳端部有天然气入口，在火焰 筒尾部联接过渡段，在燃烧室内装有燃料喷嘴。
• 天然气通过燃烧室端部燃气入口进入燃烧室，喷 入的天然气与压气机压入的空气在燃烧室火焰筒
里混合燃烧。燃烧使气体体积剧烈膨胀，生成高 温高压燃气从燃烧室过渡段喷出，进入透平做功。
联合循环机组采用先进的集散式控制系统， 尤其是燃气轮机，基本实现一键启停机，机组运 行过程中无需人为操控，实现自动控制，控制人 员可以大大减少，一般只有同容量火电厂人员的 20%-25%。
第五节、燃机和联合循环机组型号
主要燃机生产厂家 • 美国GE/哈尔滨电气 • 日本三菱/东方电气 • 德国SIEMENS/上海电气 • 法国ALSTOM • 意大利安萨尔/上海电气
• 1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国 制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发 展。
• 随着高温材料的不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃 气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高，单机功率也不断增大。
第三节：燃气轮机发展史
• 燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。
4、影响效率的主要因素
• 燃气初温和压气机的压缩比，是影响 燃气轮机效率的两个主要因素。提高 燃气初温，并相应提高压缩比，可使 燃气轮机效率显著提高。
下面是一台燃气轮机模型，通过它来了解立沙岛项目燃气轮机的工作过程
模型的前端是空气进入口；环绕燃气轮机安装的是燃烧室；在燃烧室端面有天燃气 的入口；燃气轮机的后面是燃烧后的高温气体排出口。
（2） 从燃气轮机排出的气体温度高达摄氏560~620度（E级燃机560℃，F级燃机 620℃），仍然具备很高的能量，把这些高温气体送到锅炉，把水加热成蒸汽 去推动蒸汽轮机，带动发电机发电。
典型的F级燃气-蒸汽联合循环机组生产 流程简图（同轴机组）
PG9171E型燃气-蒸汽联合循环机组生产流程简图
• 采用 LNG为原料，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术来发电的电厂称为燃 气—蒸汽联合循环发电厂。采用天然气发电可大大减少对环境的污染，采用 “燃气—蒸汽联合循环”技术发电，发电效率高达57%，燃煤电厂为40%左右， 发同样的电能CO2排放量仅为燃煤电厂的40%左右。
第二节、LNG燃机发电厂与燃煤发电厂性能比较
联合循环机组的特点——效率高
• 350MW级联合循环机组效率可达到58%，比常规煤电机组 高出15~18%。
• 系统相对简单，辅机相对较少，整机可靠性高，厂用电率 低。
联合循环机组的特点——排放少
天然气发电绿色环保，CO2排放量约为煤电机 组的42%，Nox排放量则不到煤电机组的20%， SO2排放几乎为零。可明显减轻日益严重的环保 压力，为城市打赢蓝天保卫战贡献力量。
• 透平叶轮安装在透平转轴上构成透平转子。（如 下图所示）压气机转子与透平转子是安装在同一 根转轴上，称为燃气轮机转子，透平旋转时也就 带动压气机旋转工作。透平转子带动发电机发电， 额定转速是每分钟3000转。
9E.04 145 9210 9717 37.0% 216 6220 6563 54.9% 46.0% 16 38
GT13E2 210 8980 9474 38.0% 305 6189 6530 55.1% 39.0% 14 30
第四节、联合循环机组的特点
• 效率高 • 排放少 • 出力受环境温度影响大 • 可靠性高 • 占地少 • 耗水量少 • 自动化程度高，运行人员少
第三章：燃气轮机概述
第一节、燃气轮机工作原理及工作过程
• 1、燃气轮机的工作原理 • 燃气轮机的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。
走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热， 热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机
是靠燃烧产生的高温高压气体推动燃气叶轮旋转 如下图：
PG9171E型燃气-蒸汽联合循环生产流程简图
发电机
余热锅炉
凝结水泵
G
循环水泵
IS
楼
发电机
燃气轮机
燃气-蒸汽联合循环机组（9E机组）生产流程简图
压气机用于压缩空气提升工质的做功能力，空气经压气机压缩成高温高压的空气，高温高压 的空气分成两部。一部分与进入燃烧室的天然气混合进行燃烧，燃烧产生的高温高压烟气冲转 透平，带动同轴的发电机和压气机旋转，使得发电机输出电能。另一部分送至透平叶片、转子 及透平框架等区域作为冷却气体，保护热通道部件。经透平作功的烟气排至余热锅炉，加热除 盐水产生高温高压的蒸汽，输送至汽轮机冲转，带动发电机做功输出电能。从汽轮机高压缸的 六级抽出蒸汽向热用户供热。