燃气轮机及其联合循环发电技术介绍

联合循环机组热平衡图（GTPRO计算结果）
余热锅炉型式
余热锅炉岛构成
• 余热锅炉由省煤器（凝结水加热器）、蒸发器、过热器 以及联箱和汽包等换热管簇和容器等组成。在省煤器中 锅炉的给水完成预热的任务，使给水温度升高到接近于 饱和温度的水平；在蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽； 在过热器中饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；
MS3002,MS5000,MS6001等的系列号
•
(3)输出功率:大致为几百、几千、或几万马力
•
(4)轴数:是单轴还是双轴(即1或2)
燃机命名规则
• 西门子燃气轮机主要有3种系列:V64 、V84 、V94。 • 1) V 表示燃气轮机; • 2) V 后的第一个数字表示转速,其中:6 表示后带齿轮箱,
余热锅炉的参数
• 如果设计时接近点温差取得过小，或者未予考虑 ，那么，在部分负荷工况下，省煤器内就会发生 部分给水蒸发汽化的问题．这会导致部分省煤器 管壁过热现象，甚至出现故障。因而在设计余热 锅炉时，通常取接近点温差为5-20℃。联合循环设 备采购国际标准规定，省煤器的接近点温差为5℃ 。就窄点温差和接近点温差(欠温)来说，温差小则 蒸发量增加，余热锅炉的效率也随之上升，而所 需受热面积也就更大；燃气轮机的负荷降低，节 点温差和接近点温差也会变小，但易造成省煤器 的汽化，因此要综合考虑选择它们合适的值 。
燃气轮机及其联合循环 发电技术介绍
发电事业部机务室 2014.7.11
一、燃气轮机发展状况
燃气轮机发展状况
• 燃气轮机（Gas Turbine）是20世纪40年代兴起的一种新型动 力机械，具有功率大、重量轻、尺寸小、起动快等优点。它 先广泛应用于航空和宇航领域，随后迅速向能源（发电）、 石化、冶金以及海陆交通等诸多领域发展。
• 卧式余热锅炉：燃气水平地流过过热器、蒸发器、省煤 器等，燃气呈“横向流动”,而与其相配的传热管束为垂 直布置，并通常采用自然循环。
• 立式余热锅炉：锅炉中燃气由下向上顺序流过过热器、 蒸发器、省煤器等，燃气呈“纵向流动”,与其相配的传 热管束为水平布置。在蒸发段，借助循环泵把水压入蒸 发器管束，形成了强制循环。
• 先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修 和更换都比较方便，而且广泛地应用了孔探仪，振动和温度 监控、焰火保护等措施，其可靠性和可用率大为提高，指标 已超过了蒸汽轮机电站的相应指标。
• 9E、9F级重型燃气轮机已在发电领域得到广泛地应用。GE和 西门子公司都已研发了H级燃气轮机。其中GE公司基于空气冷 却透平技术的9H级燃气轮机其联合循环效率约61%，联合循环 出力可达到592MW。西门子公司全内空冷H级燃机单机出力约 400MW，联合循环出力约600MW ，效率也在60%以上，自2011 年以来全球已投产9台，首台投产于德国巴伐利亚州。
• 附属系统和设备，包括：启动装置、燃料系统、润滑油系 统、进气系统、排气系统等。
• 燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃 气轮机一般为2～5千克/千瓦，而航机一般低于0.2千克/ 千瓦。
燃气轮机的结构
9
燃气轮机转子结构
燃气轮机整体结构
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燃气轮机主要辅助模块
• 启动装置，指启动电机； • 压气机清洗装置； • 燃料前置模块，指天然气前置模块或燃油
成:MS3002，MS5000，MS6001，MS7001和MS9000。有单轴 和双轴结构，用于带动发电机发电或机械驱动。
• 机组中各代号的含义如下：
•
M
5 32 2
•
-
- -- -
•
(1) (2) (3) (4)
百度文库
•
(1)用途:M-机械驱动;GD-发电设备;PG-箱装式发电设
备
•
(2)系列号:3,5,6,7,9等相应表
• 当前国内主要有三种F级燃气轮机可生产，分别是东方电 气集团引进三菱公司的M701F3，F4机型；哈尔滨电气集团 引进GE公司的PG9351FA机型；上海电气集团引进西门子公 司的SGT5-4000F机型。
燃机命名规则
• GE公司可提供重型和航机改型燃气轮机以作发电和工业应 用。重型燃气轮机有简单循环和回热循环，由五个系列组
• 热耗率：每单位时间消耗的净燃料能量与输出的净功 率的比值，单位是kJ/kWh；
• 热效率：净输出功率与基于燃料净比能的热消耗量之 比。
燃气轮机性能影响参数一览表
注：“√”表示有相应的修正曲线，“-”表示不适用，该表及以下性能曲 线均是以GE 9171E型燃机为例。
主要性能修正曲线（环境温度-出力）
三菱M701DA
9F级燃气轮机主要技术条件
GE PG9351FA
GE PG9371FB
西门子 SGT5-4000F
四、联合循环发电技术
联合循环发电技术
联合循环发电技术的优点
• 较低的单位千瓦造价，金陵2882元/KW • 建设周期短； • 低排放，NOx<25ppm；SO2及烟尘量与天然气成
主要性能修正曲线（环境温度-热耗率）
主要性能修正曲线（环境湿度-出力）
主要性能修正曲线（环境湿度-热耗率）
主要性能修正曲线（进气压损-出力）
主要性能修正曲线（进气压损-热耗率）
主要性能修正曲线（排气压损-出力）
主要性能修正曲线（排气压损-热耗率）
主要性能修正曲线（大气压-出力）
主要性能修正曲线（大气压-热耗率）
•
2： 燃气轮机的台数
•
0： 没有意义
•
9： 燃气轮机系列号
•
E： 燃气轮机型号
• 因此，S2O9E就表示配备2台9000系列E型燃气轮机的燃气蒸汽联合循环电站；S109E就表示配备1台9000系列E型燃 气轮机的燃气-蒸汽联合循环电站
9E级燃气轮机主要技术条件
SGT5-2000E剖面图
GE PG9171E
燃气轮机发展状况
• 在环保方面，由于燃气轮机的燃烧效率很高，排 气干净，未燃烧的碳氢化合物，CO、S0x，等排放 物一般的都能够达到严格的环保标准，再结合应 用注水或注蒸汽抑制燃烧、干式低NOX燃烧室，或 者在排气管路中安装选择性催化还原装置(SCR)等 技术措施，可使NOx的排放低至9ppm,满足最严格 的环保要求。因此，燃气轮机发电机组，特别是 燃气-蒸汽联合循环机组已作为基本负荷机组或备 用机组得到了迅速的应用。
前置模块； • DLN模块； • 润滑油辅助模块； • 燃气轮机控制模块； • 二氧化碳消防模块。
燃气轮机简单循环原理（布雷登循环）
温度、压力对燃机出力及效率的影响
• 温比：涡轮前进口燃气温度与压气机进口 气流温度的比值。
• 压比：压气机出口的气流压力与其进口的 气流压力的比值。
温度、压力对燃机出力及效率的影响
燃气轮机发展状况
• 燃气轮机的应用发展现已提高到降低总能耗的高 度，它是当前世界节能技术的主要发展方向之一 。能量的分级利用与综合利用的全能量系统工程 的概念被普遍重视，以热电联产及热动联供为核 心的总能系统同样有广阔的前景，今后在能量转 换过程的系统中，燃气轮机将占更重要的位置， 并将大量采用燃气轮机总能系统。
• 窄点温差：窄点温差是烟气与饱和水蒸汽温度差的最 小点。窄点温差的选择对蒸发量的影响较大，它反映 了余热锅炉的热能利用程度。窄点温差从经济性角度 有一个基本选取原则，即存在一个受热面与窄点温差 之间的平衡点。为了减少投资费用，窄点温差应取得 大些；为了提高余热锅炉的热效率，窄点温差应取得 小些。当窄点温差取得较小时，由于余热锅炉传热面 积的增加幅度较大，锅炉的总投资费用就会增大很多 。联合循环设备采购国际标准规定，单压(即只产生一 种压力等级的蒸汽供汽轮机)余热锅炉的窄点温差为 15℃ ；双压和三压(即产生2种或3种压力等级的蒸汽供 汽轮机)余热锅炉为10℃。
燃气轮机标准工况定义（ISO11086:1996）
• 燃气轮机的标准额定出力指燃气轮机在透平温度 、转速、燃料、进气温度、压力和相对湿度、排 气压力为标准参考条件，且处于新的和清洁状态 下运行时的标准或保证的出力。
• ISO工况定义：压气机进口压力为101.3kPa，温度 15℃，相对湿度60%；用来冷却工质的冷却水或空 气温度为15℃；标准气体燃料的H/C重量比为 0.333，净比能为50000kJ/kg；标准燃料油的H/C 重量比为0.1417，净比能为42000kJ/kg。
进产品。
• 5) A 表示环形燃烧室。
燃机命名规则 • 三菱生产M501D, M701F系 • M501 60HZ;M701,50HZ • D, F为E型,F型代号
燃机命名规则
• 燃气-蒸汽联合循环产品系列的设备配置中，各种代号的 含义规定如下。
•
以S2O9E为例:
•
S: 联合循环,蒸汽与燃气的缩写
分有关，但很小，无需脱硫、除尘； • 可靠性高； • 联合循环热效率高，金陵工程纯凝工况51.12%。
联合循环的型式一：燃气-蒸汽联合循环发电
联合循环的型式二：燃气-蒸汽联合循环热电联产
联合循环的型式三：燃气轮机+低压余热锅炉
这种型式虽然配置了余热锅炉，但由于没有完整的朗肯循环，也被称为 “简单循环”。
可以拖动3 000 r/ min 或3 600 r/ min 的发电机;8 表 示直接拖动3 600 r/ min 的发电机;9 表示直接拖动3 000 r/ min 的发电机。
• 3) V 后的第二个数字代表压气机型号; • 4) 小数点之后数为产品改进的代数,其中:1 表示 • 第一代改进产品;2 表示第二代改进产品;3 表示第三代改
• 现在世界上已有廿多个国家，一百多个企业生产 近千种型号的燃气轮机，国内主要引进通用（GE ）、西门子、三菱技术。
二、燃气轮机组成及原理
燃气轮机组成
• 1－压气机 2－燃烧室 3－透平 4－轴承 5－发 电机
燃机组成
• 燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平组成。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，在达到较高效率 的同时又缩短了轴向长度。
余热锅炉岛构成
• 汽包 • 一体式除氧器 • 高、低压电动给水泵、凝结水再循环泵 • 烟囱，旁路烟囱 • 进出口消音器 • 烟囱出口挡板
余热锅炉的参数
• 热端温差：热端温差是指过热器出口汽温与过热器入 口烟温之间的温差。降低热端温差，可以得到较高的 过热度，从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差， 同时也会使过热器的对数平均温差降低，也就是说增 大了过热器的传热面积，加大了金属耗量。
余热锅炉的参数
• 接近点温差：接近点温差是省煤器出口水压下饱 和温度和出口水温度间的温差。在设计工况下， 当窄点温度选定后，当接近点温差增大时，余热 锅炉的总传热面积会增加。这是由于省煤器的对 数平均温差虽然有所增大．致使其传热面积有所 减小，但蒸发器的对数平均温差却会减小很多， 致使蒸发器的传热面积增大甚多的缘故。当然， 此时过热器的传热面积是保持不变的，结果是余 热锅炉的总传热面积要增大。但是，对于结构已 定的余热锅炉，当进入的燃气温度，随机组负荷 的减小或降低时，接近点温差也会随之减小。
燃机订货四工况 • 1.ISO工况：标况 • 2.性能考核工况（年均工况） • 3.夏季工况：考核最小出力 • 4.冬季工况：选电机。
名词定义
• 简单循环：依次由压缩、燃烧、膨胀过程组成的热力 循环；
• 联合循环：燃气轮机循环与蒸汽或其他流体的朗肯循 环相联合的热力循环；
• 燃料比能(热值) ：总比能是单位质量的燃料燃烧时 所释放的总热量，用kJ/kg表示，净比能是总比能减 去燃烧过程中水分蒸发所吸收的热量，也用kJ/kg表 示；
温度、压力对燃机出力及效率的影响
• 效率随温比升高而升高；对应温比有一个最佳压 比；在提高燃气温度的同时，必须提高压比；
• 燃气轮机会在1650~1700 ℃而终止燃气初温的增 长。
• 在转速、压比、燃气初温等条件均保持不变的情 况下，大气压力对燃气轮机效率没有影响，但是 影响到燃气轮机的功率。因为燃气轮机的功率与 空气流量成正比，在温度不变的条件下，空气密 度与大气压力成正比，因此燃气轮机功率与大气 压力成正比。
三、燃气轮机主要制造厂商、型 号及参数
燃机主要生产厂商及型号
• 世界上能生产大容量、高效率并体现当今工业燃气轮机制 造水平的厂家主要有GE公司、西门子公司、三菱公司和阿 尔斯通。
• 当前国内主要有三种E级燃气轮机可生产，分别是南京汽 轮电机有限公司引进GE技术生产的GE PG9171E型，上海电 气集团引进西门子技术生产的SGT5-2000E型燃机和东方电 气集团引进三菱技术生产的M701DA型燃机。