燃气轮机动力循环分析王天龙文继勇谢栋汇总.docx
《燃气轮机动力循环分析王天龙文继勇谢栋汇总.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃气轮机动力循环分析王天龙文继勇谢栋汇总.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
燃气轮机动力循环分析王天龙文继勇谢栋汇总
燃气轮机动力循环分析
组长：
王天龙
组员：
文继勇、谢栋
2014.05.16
一．应用现状
燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。
作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。
发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。
由于多方面的原因，我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的产业。
诸多领域动力落后的状态，已成为制约国民经济发展的“瓶颈”，其技术仅被世界上少数几个发达国家所控制，先进的燃气轮机在西方国家仍然限制对华出口。
目前国外已经发展了三代燃气轮机，正在全力研究第四代高效燃气轮机。
我国在研、在制的燃气轮机大多停留在第二代水平，或为一些核心部件为国外企业提供的第三代机组。
工业概况
我国解放前没有燃气轮机工业，解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。
1956年我国制造的第一批喷气式飞机试飞，1958年起又有不少工厂设计试制过各种燃气轮机。
1962年上海汽轮机厂试制船用燃气轮机，1964年与上海船厂合作制成550KW燃气轮机，1965年制成6000KW列车电站燃气轮机，1971年制成3000KW卡车电站。
在这期间还与703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等几种船用燃气轮机。
1969年哈尔滨汽轮机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机，1973年与703研究所合作制成4410KW船用燃气轮机，与长春机车车辆厂合作制成3295KW机车燃气轮机。
1964年南京汽轮电机厂制成1500KW电站燃气轮机；1970年制成37KW泵用燃气轮机；1972年制成1000KW电站燃气轮机；1977年制成21700KW快装式电站燃气轮机；1984年与GE公司合作生产了PG6541B型36000KW燃气轮机；从1984年至2004年已生产了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四种型号燃气轮机，功率由36000KW上升到43660KW。
2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与GE公司进一步扩大合作生产范围，在南京汽轮电机集团有限责任公司生产S209E型燃气－蒸汽联合循环发电装置中的燃气轮机、汽轮机和发电机。
1978年东方汽轮机厂制成6000KW燃气轮机；1972年杭州汽轮机厂制成200KW燃气轮机；1972年青岛汽轮机厂制成1500KW卡车电站燃气轮机。
2003国家发改委决定在秦皇岛建一座燃气轮机生产基地，与美国GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。
该生产基地隶属于哈电集团，与哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂共同生产S109FA-SS型燃气－蒸汽联合循环发电设备。
2004年8月在秦皇岛组装的第一台MS9001FA型燃气轮机已发运到杭州半山电厂。
2004年12月15日，中国具有自主知识产权的第一台重型燃气轮机、中航工业黎明R0110重型燃气轮机在中海油深圳电力有限公司现场完成72小时带负荷试验运行考核。
此次运行考核验证了R0110重型燃气轮机的设计状态，是重型燃机研制过程的重要里程碑，为未来实现商业化运行打下了良好基础。
2、燃气轮机的优势
1.动力性能
（1）效率高。
微型燃气轮机发电效率可达30%，联合发电和供热后整个系统能源利用率超过70%。
（2）运行灵活。
微型燃气轮机可并联在电网上运行，也可独立运行，并可在两种模式间自动切换运行。
由软件系统控制两种运行模式之间的自动切换。
体积小，功率大，启动速度快。
（3）系统配置灵活。
可根据实际需要灵活配置微型燃气轮机的数量，并能够进行多单元成组控制，其中一台检修时不影响整个系统的运行。
2.经济性
（1）维护少。
微型燃气轮机采用独特的空气轴承技术，系统内部不需要任何润滑，节省了日常维护。
每年的计划检修仅是在全年满负荷连续运行后更换空气过滤网。
（2）适用于多种燃料。
微型燃气轮机适用于多种气体燃料和多种液体燃料，包括天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等。
（3）节约空间。
燃气轮机功率密度大，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。
燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。
3.环保性
微型燃气轮机的废气排放少，使用天然气或丙烷燃料满负荷运行时，排放的体积分数NOx小于9×10-6；使用柴油或煤油燃料满负荷运行时，排放的体积分数NOx小于35×10-6；采用油井气做测试，排放的体积分数NOx小于1×10-6。
其他采用天然气作为燃料的往复式发电机产生的NOx比微型燃气轮机多10~100倍，柴油发电机产生的NOx是微型燃气轮机的数百倍。
3、燃气轮机的原理与结构
1.燃气涡轮发动机的工作原理燃气涡轮机发动机（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。
燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。
燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。
图2是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。
从外观看燃气轮机模型：
整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。
燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气
在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程：
空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。
在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，如图4所示。
燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢，简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。
燃气轮机在设计时就要保证涡轮机输出的功率要大于压气机所需的功率，才能使燃气轮机在带动压气机的同时还能向外输出功率。
2.轴流式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，从工作原理上讲，主要有轴流式压气机与离心式压气机。
离心式压气机工作原理与离心式鼓风机（或离心式风筒）相同，用得较少，这里介绍轴流式压气机。
轴流式压气机的叶轮由叶片与叶盘组成，工作原理如同电风扇的叶片，电风扇的叶片旋转时拨动空气流动产生风；压气机的叶轮旋转把空气推进气缸压缩。
为了生成高压空气，压气机在主轴轴向装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子，图5是一个12级压气机的转子,转子上的叶片与主轴一同旋转，称为动叶。
光有动叶还不能有效的压气，简单说，空气经过动叶后运动方向不单是轴向前进，还沿着动叶旋转的方向运动。
这会使下级动叶的压缩效率大大降低。
倘若这样一级级下去，压气机内的空气变成跟着转子旋转的气团，根本无法正常压气。
在每级动叶后每插入一级静止的叶片（静叶），可改善这种状况。
图6是运动的动叶与静叶的相对位置与气流走向示意动画（仅演示两级动叶一级静叶）。
图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示空气气流的走向。
转子旋转时，空气从轴向进入，经过一级动叶后空气运动角度转向右下方,这个角度的空气如果直接进入下级动叶,压缩效果会很差。
但通过静叶整流后，空气运动方向转回轴向，再进入二级动叶压缩，效果可大大改善，在鹏芃科艺的燃气涡轮发动机的轴流式压气机章节有压气机叶片的气流走向动画，可形象演示这个过程。
转子安装在压气机的气缸（外壳）内（见图7），静叶机匣固定在气缸内壁。
多数燃气轮机的压气机有十几级，图7是一个12级压气机的剖面图。
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。
压气机的主要参数是增压比，即压气机出口空气压力与进口空气压力之比。
理论上进入燃烧室的空气压力越高越好，实际上综合各种因素，较多为12至20。
燃气轮机的压气机由本身的涡轮机带动，燃气轮机启动时，先使用外动力带动压气机旋转，把空气压入燃烧室。
燃气轮机点火后进入运转状态，则转变至由涡轮带动压气机旋转压气。
3.环管形燃烧室
燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将压气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功，燃料为液体燃料（例如汽油）或气体燃料（例如天然气）。
图8是一个管式燃烧室的结构示意图。
燃烧室外壳前面是通往压气机的空气入口，后面是通往涡轮的高温气体出口。
燃烧室内有燃烧器，对于液体燃料，燃烧器把进入的燃料雾化从喷嘴喷出；对于气体燃料，燃烧器把进入的气体燃料扩散预混从喷嘴喷出，与压气机来的空气充分混合后燃烧，产生高温高压气体从过渡段出口喷出。
在燃烧室内有火焰筒，燃烧器喷出的火焰在火焰筒内燃烧，火焰筒前段是主燃区，保证火焰正常燃烧；中段是补燃区，在火焰筒壁上有许多进气孔，让空气进入补燃，保证完全燃烧；后段是通向涡轮叶片的燃气导管，也称为过渡段。
在燃烧室内的白色箭头线就是气流在燃烧室的流向。
目前燃气轮机的燃烧室主要有四种类型：
圆筒形燃烧室、分管形燃烧室、环管形燃烧室、环形燃烧室，后两种用得较多，下面介绍环管形燃烧室。
环管形燃烧室只有一个整体的燃烧室，环绕在燃气轮机的腰部，在燃烧室内有若干个火焰筒（包括过渡段）。
图9是由12个火焰筒组成的燃烧室剖面图，12个火焰筒共用的空间就是燃烧室的空间，也就是燃烧段气缸内环绕主轴的空间。
火焰筒绕燃气轮机主轴一周排列，过渡段出口对向涡轮叶片。
图10是一个火焰筒组件的剖面模型。
燃烧室由外壳与火焰筒组成，在燃烧室外壳端部有燃料（天然气）入口，在燃烧室内装有燃烧器，其燃料喷嘴在在火焰筒前端内部。
在火焰筒尾部联接过渡段，在过渡段上装有可控流量的补气口。
燃料（燃油或天然气）通过燃烧室端部燃料入口进入，由燃烧器喷嘴喷入火焰筒，喷入的天然气与压气机压入的高压空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。
燃烧使气体温度剧烈上升，膨胀的高温高压燃气从过渡段喷出，进入透平做功。
图11中的白色箭头线是压气机进入燃烧室的气流走向；黄色箭头线是燃烧室喷向涡轮叶片的气流走向。
一般燃气轮机有六个至十几个火焰筒组件，在一个环形燃烧室内安装多个火焰筒组件，故称为环管形燃烧室。
4.轴流式涡轮
从燃烧室喷出的高压燃气推动涡轮旋转，把燃气的内能转化为涡轮的机械能。
涡轮也称透平。
涡轮也分轴流式涡轮与径向式两类，燃气轮机大多数采用轴流式涡轮，本节介绍轴流式涡轮。
简单说轴流式涡轮的工作原理就像风吹风车旋转一样，是靠燃气流对涡轮上的叶片作用使其旋转的，由于气流主方向与涡轮轴平行，故称之为轴流式涡轮。
涡轮主要由涡轮叶片、涡轮盘（叶盘）、涡轮轴构成，涡轮上的叶片称为动叶，也就是带动涡轮轴旋转的叶片。
涡轮机一般有一至四个涡轮，大多数燃气轮机的几个涡轮共一个转轴，一同组成涡轮转子。
在涡轮每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶是燃气的导向器，起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。
一组静叶加一组动叶为一级涡轮。
图12为涡轮叶片的气流走向图，图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示燃气气流的走向。
在鹏芃科艺的燃气涡轮发动机的轴流式涡轮章节有涡轮叶片的气流走向动画，可形象演示这个过程。
为了充分利用燃气的热能膨胀做功，为获得最大的机械能，大型燃气轮机一般为3级或4级涡轮,图13是一个有4级涡轮的涡轮机剖面图，图14是这个4级涡轮机侧视剖面图。
5.环管形燃烧室燃气轮机燃气涡轮机发动机有多种结构形式，有环形燃烧室燃气轮机、环管形燃烧室燃气轮机、分管形燃烧室燃气轮机等，本文根据前面介绍的环管形燃烧室介绍环管形燃烧室燃气轮机，其他类型燃气轮机与涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等相关知识可到鹏芃科艺的燃气涡轮发动机章节查找。
图15是环管形燃烧室燃气轮机的外观图。
主要由轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮组成。
燃气轮机的压气机转子与涡轮转子共用同一根转轴，一同组成燃气轮机转子，涡轮在向外部提供动力的同时也带动压气机一同旋转，图2是燃气轮机转子。
图16-燃气轮机转子图3是燃气轮机剖面图，燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮
图3是燃气轮机剖面图，燃气轮机转子安装在机壳（气缸）内；在压气机与涡轮之间有环形燃烧室，燃烧室内安装12个管式火焰筒与12个燃烧器，由燃料管向燃烧器输送燃料。
燃气轮机工作简单过程见图4：
空气从进气口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见黄色箭头线；高压空气进入燃烧室，燃料与空气混合在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气；高温高压燃气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。
目前许多大型燃气——蒸汽联合循环发电机组使用的燃气轮机是采用环管形燃烧室燃气轮机，利用天然气作为燃料可以大大减少对环境的污染。
4、动力循环分析
图1为燃气轮机的简单循环。
燃气轮机自大气吸入空气，在压气机（即压缩机）中压缩。
压缩后的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。
加热后的高温燃气进入燃气透平（以下简称透平）膨胀作功。
膨胀后的燃气排向大气。
透平排气温度还相当高（约400～550℃），而压气机吸入的空气是大气温度，相当于在大气中进行了冷却。
上述四个过程都是连续地进行的。
透平膨胀功扣去压气机消耗的压缩功之后的净功，作为燃气轮机的输出功。
1.燃气轮机的理想循环。
①简单循环:
由一个压缩过程、一个加热过程、一个膨胀过程和一个冷却过程所组成的循环。
这种循环最为简单。
1、绝热压缩1-22、定压吸热2-33、绝热膨胀3-44、定压放热4-1
再热循环
②回热循环：
简单循环中，透平排气温度T4仍相当高，带走大量热量。
而一般情况下压气机出口空气温度T2比T4低很多。
让透平排气通过回热器（即换热器）先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室，则在燃气初温不变的情况下可以节省燃烧室内加入的热量，从而提高循环效率η。
在理想情况下，回热器出口的空气温度T5可以达到透平排气温度T4的水平。
实际上由于有传热温差,T5总是低于T4。
可以用回热=（T5－T2）/（T4－T2）来衡量实际回热接近理想回热的程度。
一般可达0.7～0.9。
但是采用回热后压力损失增大，对η有不利的一面。
当温差（T4-T2）都较大，同时因回热而增加的压力损失较小时，采用回热能使η提高较多。
反之，则η提高较少，甚至有下降的可能。
采用回热还会使同一τ下的最佳πC下降，以便选用πC较低的压气机。
不过，采用回热会增加机器的质（重）量和尺寸，因而应用不太普遍，但是，汽车用燃气轮机因特别重视η的提高，都采用回热。
回热循环
③复杂循环：
在压缩过程中采用中间冷却,在膨胀过程中采用中间再热的循环。
中间冷却可以减小压缩功,但压缩终了的空气温度降低了，就使加热过程的热量增加。
中间再热可
以增加膨胀功，但要增多加热量。
这两种措施都可以显著地增加比功L，但对效率η的改善不明显。
在πC较低、压力损失较大时，可能导致η下降。
可是把中间冷却、中间再热和回热结合起来的复杂循环却能大大提高η。
不过这样会大大增加机器的质（重）量和尺寸，因而在实践中很少应用。
复杂循环也是一种开式循环。
2.实际循环
实际理想循环
实际回热循环
实际间冷循环
5．燃气轮机的发展前景
燃气轮机的未来发展趋势是高效节能。
现阶段的燃气轮机应用技术已经在提高效率方面有了很大突破，在今后的科研技术发展中，目标将进一步锁定在提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术等方面。
提高效率的关键是提高燃气初温，即改进涡轮叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。
其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机，再次是提高各个部件的效率。
除此之外，在能源危机的背景下，节能也必将是燃气轮机发展中需要不断提高和加强的方面。
下面将简要分析燃气轮机在其主要应用领域的发展前景：
（1）电力应用方面的发展。
近十年来,清洁煤技术、燃煤联合循环电站也获得巨大发展,IGCC和PFBC-CC电站也进入商业化运行阶段。
可以预计,随着我国燃机技术的开发和应用,尤其是燃煤技术的开发,加上环保要求的日益关注,燃气轮机电站（包括热电联产装置）,尤其是基于燃气轮机的联合循环电站将得到广泛的应用。
因为燃机造价低、投资小、重量轻、尺寸小,所以国外广泛地把燃气轮机用于输气、输油管线,作为压缩机和泵站,用来泵送天然气和石油。
随着国民经济的蓬勃发展和人民生活水平的不断提高,我国对石油和天然气的需求日益增长。
此外由于对环保的重视,在能源消费结构中,天然气的比重将会持续增长。
这一切都表明燃气轮机的发展将会进入一个崭新的时期。
（2）天然气输送。
就西气东输管网主干管道而言，由新疆轮南气田到上海市区，全长4000公里，沿线需造约40个增压站。
由此可见，天然气长距离输气管线将是燃气轮机的最大用户之一。
这就要求有关方面应及早着手培养燃气轮机使用管理的工程技术人员。
（3）天然气的利用[8]。
在城市天然气用户中，居民生活用气所占比例其实并不大，更多的天然气是供燃气轮机电站发电用。
把燃气轮机的排气通到余热锅炉中，加热锅炉中的水产生蒸汽，再去驱动汽轮机做功，从而形成了由燃气到蒸汽的联合循环。
联合循环机组的效率是目前各种热力机械中所能达到的最高效率值。
由于燃气轮机和联合循环电站发电效率高、污染排放低、建设周期短，因此，在世界各国诸类电站中所占的比例不断增大。
如美国早在20世纪80年代后期，燃气轮机年生产容量就已超过汽轮机。
目前，在全世界发电设备年订购量中，燃气轮机与联合循环之和大体与汽轮机相当。
而在美国、德国等一些工业发达国家，燃气轮机和联合循环之和已经超过汽轮机。
因此，燃气轮机和联合循环发电，已经在世界范围内成为电力工业中的主力军。
此外，在联合循环的基础上，还可实现热、电联供，以满足生产、生活的需要。
进而还可以实现热、电、冷三联供应，更有效地利用能源。
燃气轮机的应用市场十分广阔，技术也在不断提高和革新。
可以预见，随着燃汽轮机技术的不断发展，燃气轮机的应用前景一定会越来越广阔。
升级会员 