燃气蒸汽联合循环发电简介.pdf

1、燃气蒸汽联合循环发电简介燃气蒸汽联合循环发电简介 天然气是绿色能源天然气是绿色能源 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。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

2、右，发同样的电能 CO2 排放量仅为燃煤电厂的 40%左右。燃气蒸汽联合循环发电系统的流程燃气蒸汽联合循环发电系统的流程 这是燃气蒸汽联合循环发电系统设备与生产流程图，显示了天然气发电的主要流程。经过加热后的天然气进入燃气轮机的燃烧室，与压气机压入的高压空气混合燃烧，产生高温高压气流推动燃气轮机旋转做功。从 燃 气 轮 机 排 出 的 高 温 气 体 高 达 摄 氏 600 度，进 入 余 热 锅 炉 把 水 加 热 成 高 温 高 压 蒸 汽。高温高压蒸汽推动蒸汽轮机旋转做功，将内能转换成机械能。燃气轮机、蒸汽轮机、发电机的转轴相互连接，同轴旋转，实现燃气轮机、蒸汽轮机同时推动发电机旋转发电

3、,这样的组合称为单轴系统。燃气轮机概述燃气轮机概述 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。下面是一台燃气轮机模型，通过它来了解燃气轮机的工作原理。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。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

4、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。燃气轮机之压气机燃气轮机之压气机 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。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。燃气轮机启动时，先把发电机当作电动机带动压气机旋转，把空气压入燃烧区。燃机

5、点火后，则逐渐转变至由透平带动压气机旋转压气。燃气轮机之燃烧室燃气轮机之燃烧室 燃气轮机一般有十几个燃烧室，安装在燃机外围。下面展示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。燃气轮机之透平燃气轮机之透平 燃气透平也称为燃气轮，从燃烧室喷出的高压燃气推动透平叶轮旋转，把燃气的内能转化为透平的机械能。燃气推动旋转的叶轮上的叶片称为动叶，在每级动叶的前方还

6、安装一组静止的叶片（静叶），静叶起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为透平的一级。为了充分利用燃气的热能，透平一般为 3 级或 4 级。透平叶轮安装在透平转轴上构成透平转子。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。下面是一台燃气轮机的剖面图。锅炉的基本原理锅炉的基本原理 下面是锅炉的原理模型图，模型包括上升管、汽包、下降管主要部件。上升管是由密集的管道排成的管簇，由上联箱、下联箱连成一体；上联箱通过汽水引入管连通汽包，汽包再通过下降管连到下联箱；上升管管簇、汽包

7、、下降管构成了一个环路。上升管管簇在炉膛内，汽包与下降管在炉体外面。把水注入汽包，水便灌满上升管管簇与下降管，把水位控制在靠近汽包中部的位置。当高温燃气通过管簇外部时，管簇内的水被加热成汽水混合物。由于下降管中的水未受到加热，管簇内的汽水混合物密度比下降管中的水小，在下联箱形成压力差，推动上升管内的汽水混合物进入汽包，下降管中的水进入上升管，形成自然循环。上图是汽包（也称锅筒）结构示意图,汽包是水受热、蒸发、过热的重要枢纽，保证锅炉正常的水循环。上升管内的汽水混合物进入汽包后，通过汽水分离器分离成饱和蒸汽与水，饱和蒸汽通过汽包上方蒸汽出口输出；分离出的水与给水管注入的水再进入下降管。用来产生饱

8、和蒸汽的上升管管簇称为蒸发器，电厂锅炉还有省煤器与过热器，它们都由管簇组成。进汽包的水先在省煤器加热，再通过汽包、下降管进入蒸发器，可以提高蒸发器的效率与锅炉的效率。蒸发器生成的饱和蒸汽经汽包输出，再进入过热器加热成过热蒸汽，用过热蒸汽推动蒸汽轮机运转能保证系统的高效与安全。余热锅炉的结构与流程余热锅炉的结构与流程 从燃气轮机排出的气体温度高达摄氏 600 度，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，可使发电容量与联合循环机组的热效率相对增高 50%左右。这个靠燃气轮机排出气体的余热来产生蒸汽的锅炉称为余热锅炉。从外观上看锅炉主要有进口烟道、炉

9、体、汽包、烟囱组成。炉体内有密集的管道，给水泵将要加热的水压进这些管道，燃气轮机排出的高温气体将管道内的水加热成高压蒸汽，下面就是余热锅炉的外观图。余热锅炉的结构余热锅炉的结构 余热锅炉本体采用模块化结构，以方便运输、安装。模块由管簇组成,是几十根管子组成的蛇形管组件,模块两端有上联箱与下联箱，是锅炉的受热部件，水在模块内被外部的高温气体加热。为了更好的传递热量，在管道外表焊上鳍片（也称肋片）来增大管道的传热面积，下图展示的是一小段焊有鳍片的管道。打开锅炉的侧壁，可看到内部装有多个模块，实际锅炉有近 20 个模块，其中多数是蒸发器、省煤器、过热器三类模块，除此还有再热器模块。余热锅炉汽水流程余

10、热锅炉汽水流程 大型燃机电厂采用三压再热循环余热锅炉，汽水系统主要由低压、中压、高压三部分组成，可同时产生低压过热蒸汽、中压过热蒸汽、高压过热蒸汽，分别驱动低压汽轮机、中压汽轮机、高压汽轮机，可最充分的把燃气的热能转换成机械功。低压部分由低压省煤器、低压汽包、低压蒸发器、低压过热器组成。从凝结水泵来的冷水，通过低压省煤器预热后输入低压汽包，汽包下面连接着蒸发器，水在低压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到低压汽包。饱和蒸汽从低压汽包输出再通过低压过热器加热，产生低压过热蒸汽，用来驱动低压蒸汽轮机旋转做功。中压部分由中压省煤器、中压汽包、中压蒸发器、中压过热器、再热器组成。通过低压汽包出来的水由中压给水

11、泵注入中压省煤器继续加热，然后进入中压汽包，在中压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到中压汽包。从中压汽包输出的饱和蒸汽通过中压过热器加热，然后再与高压汽轮机排出来的蒸汽混合，一同经过再热器加热，产生中压再热蒸汽，用来驱动中压蒸汽轮机旋转做功。高压部分由高压省煤器、高压汽包、高压蒸发器、高压过热器组成。通过低压汽包出来的水由高压给水泵注入高压省煤器加热，然后进入高压汽包，在高压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到高压汽包。从高压汽包输出的饱和蒸汽通过高压过热器加热，产生高压过热蒸汽，用来驱动高压蒸汽轮机旋转做功。高中压汽轮机高中压汽轮机 蒸汽轮机简称为汽轮机，也称为蒸汽透平机，蒸汽轮机的工作原理与燃机透平大体

12、相同。大型燃机机组采用三压三缸双流式汽轮机，包含高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机。下面是一个高中压汽轮机模型，采用高中压合缸结构，在一个外缸内有高压汽缸（内缸）与中压汽缸（内缸），左边是高压汽缸，内装有高压汽轮机；右边是中压汽缸，内装有中压汽轮机，高压汽轮机与中压汽轮机共用同一根转轴。被蒸汽推动旋转的叶片是动叶,动叶安装在转轴上，构成转子。安装在汽缸内的叶片是静叶，起喷嘴的作用。一级动叶与一级静叶构成汽轮机的一个级。高压汽轮机由多级动叶与静叶组成，（本模型仅 4 级），中压汽轮机也由多级动叶与静叶组成（模型仅 4 级）。进入高压汽轮机的蒸汽压力约为每平方厘米 100 公斤，从高压蒸汽入口进入

13、高压汽缸，推动动叶，使转子旋转，作功后的蒸气再从高压缸出口排出，通向再热器。进入中压汽轮机的蒸汽压力约为每平方厘米 35 公斤，从中压蒸汽入口进入中压汽缸，推动转子旋转，作功后的蒸气再从中压缸出口排出。低压汽轮机与凝汽器低压汽轮机与凝汽器 低压汽轮机与凝汽器组成一个整体，上方是低压汽轮机下方是凝汽器。低压汽轮机低压汽轮机 低压汽轮机采用双分流结构，在一个外壳（汽缸）内装有对称的两个低压汽轮机。每个汽轮机的转子有多级叶片（动叶加静叶），本模型仅 4 级。进入低压汽轮机的蒸汽压力为每平方厘米 4.6 公斤，从低压蒸汽入口进入后，分向两边汽缸，推动两个汽轮机的叶片轮旋转，作功后的蒸汽排到下方的凝汽器

14、。凝汽器凝汽器 低压汽轮机排出的蒸汽已释放了绝大部分能量，但它来自高纯度的除盐水，不能排放浪费，在凝汽器把这些蒸汽冷却成凝结水，通过凝结水泵送往锅炉再利用。凝汽器就在蒸汽轮机下方，外壳与低压汽轮机汽缸连为一体。在凝汽器中排列着冷却水管，从一端到另一端，密集的冷却水管称为管束。管束的左端连通进口水室，右端连通出口水室。冷却水从进水管到进口水室，再进入管束，从管束中出来后通过出口水室的出水管流出。按一定规律排列的管束构成凝结区，低压汽轮机排出的蒸汽碰到管束凝结成水，流到下方热井，由凝结水泵送往锅炉。实际凝汽器的水室分布与管束排列并不都一样，管束非常密集，结构要复杂得多，管束要有良好的导热性能又要耐

15、腐蚀。汽轮发电机结构汽轮发电机结构 发电机主要由转子与定子组成，由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对磁极，在额定转速每分钟 3000转时输出 50 赫兹的三相交流电。这是转子铁芯构造示意图，在铁芯圆周上开有一些槽，用来嵌放励磁绕组，在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿，就是磁极。由于转子圆周上没有凸出的磁极，称之为隐极式转子。在转子槽中嵌入励磁绕组，励磁绕组两端通过集电环（滑环）接到励磁电源，在转子圆周两侧就形成北极与南极，旋转时就产生旋转磁场。为嵌有励磁绕组的转子模型，为降低发电机的温度，在转子两端还装有风扇。定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽，用来嵌放定

16、子绕组。在槽内嵌放定子的三相绕组。每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列。定子固定在发电机的机座（外壳）内，转子插在定子内部，转子由机座两端的轴承支撑，可在定子内自由旋转。集电环在机壳外侧，和碳刷架一同装在隔音罩内。在发电机外壳下方有发电机出线盒，发出的三相交流电从这里引出。主变压器主变压器 为了远距离输送电力，电网的电压很高，一般在 22 万伏至 50 万伏。发电机输出的电压为 2 万伏，需通过变压器升高至电网电压才能并网输送。电厂里把发电机输出电压升高为电网电压的变压器称为主变压器。去掉变压器外壳可看到是一个三相变压器，由铁芯与绕组组成。左边是低压输入端，右边是高压输出端。输入端通过低压绝缘套管通往变压器外，输出端通过高压绝缘套管通往变压器外。因为高压端电压很高，为减小因灰尘与雨水引起的漏电，绝缘套管较长。在变压器油箱（即外壳）里灌满变压器油，铁芯与绕组就浸在油里。变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。在油箱上部有油枕与之相通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油。为保证变压器的散热，大型变压器还装