第一讲燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数.docx

1、第一讲燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数第一讲：燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数 授课内容： 第一章：绪论1）：燃气轮机发电装置的组成2）：燃气轮机发展史3）：我国燃气轮机工业慨况4）：GE公司燃气轮机产品系列及其编号 第二章：燃气轮机热力学基础知识1）：工质的状态参数2）：理想气体状态方程3）：功和热量 第三章：燃气轮机热力循环1）：燃气轮机热力循环的主要技术指标2）：燃气轮机理想简单循环3）：燃气蒸汽联合循环 第四章：9E燃机性能型号参数1）：PG9171E型燃机型号简介2）：PG9171E型燃机性能参数简介 第一章 绪论第一节 燃气轮机发电装置的组成燃气轮机是近几十年迅速发展起

2、来的热能动力机械。现广泛应用的是按开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。(幻灯)第二节 燃气轮机发展史 燃气轮机是继汽轮机和内燃机问世以后，吸取了二者之长而设计出来的，它是内燃的，避免了汽轮机需要庞大锅炉的缺点;又是回转式的，免去了内燃机中将往复式运动转换成旋转运动而带来的结构复杂，磨损件多，运转不平稳等缺

3、点。但由于燃气轮机对空气动力学和高温材料的要求超过其他动力机械，因此，发展燃气轮机并使之实用化，人们为之奋斗了很长时间。如果从1791年英国人约翰巴贝尔(John Baber)申请登记第一个燃气轮机设计专利算起，经过了半个世纪的奋斗，到1939年，一台用于电站发电的燃气轮机(400OkW)才由瑞士BBC公司制成，正式投运。同时Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功，这标志着燃气轮机发展成熟而进入了实用阶段在此以后，燃气轮机的发展是很迅速的。由于燃气轮机本身固有的优点和其技术经济性能的不断提高，它的应用很快地扩展到了国民经济的很多部门 首先在石油工业中，由于油田的开发和建设，用电量急

4、剧增加建造大功率烧煤电站不具备条件(没有煤炭，交通不便，水源紧张，施工困难等)，周期也不能满足要求而燃气轮机电厂功率不受限制，建造速度抉，对现场条件要求不高，油田有充足的可供燃用的气体和液体燃料不少油田还利用开发过程中一时难以利用的伴生气作燃气轮机燃料，价格便宜，发电成本低，增加了燃气轮机的竞争力，所以在油田地区，燃气轮机装置被广泛应用，除用于发电外，还在多种生产作业申用燃气轮机带动压缩机(例如天然气管道输送，天然气回注，气田采油等)和泵(例如原油管道输送和注水等)。 其他工业部门，如炼油厂、石油化工厂、化工厂、造纸厂等等;它们不仅需要机械动力，而且需要大量热(例如蒸汽)。这时用燃气轮机来功热

5、联供，在满足这两方面需要的同时，还能有效地节能，故应用发展较快。 实践证明，燃气轮机作为舰船推进动力，其优点显著，特别是排水量为数千吨的军舰，近一、二十年来所建造的大多是用燃气轮机作为推进动力的，飞机上应用涡轮喷气发动机等航空燃气轮机时，不仅重量轻，功率大，且迎风面积小，效率高，适宜于高速飞行，故早在50年代就基本上取代了活塞式航空发动机。近十多年来，燃气轮机在电站中得到了迅速的发展，这是要引起我们足够重视的由于燃气轮机起动迅速，且能在无外界电源的情况下起动，机动性好，用它带尖峰负荷和作为紧急备用机组，可保证电网的安全运行，因而被广泛地应用。在进入八十年代以后，燃气轮机技术获得了迅速的发展，技

6、术性能大幅度提高。单机功率已240MW(GT26)，简单循环燃气轮机的效率达43.86(STIG-IM5O00)，已超过了大功率、高参数的汽轮机电站的效率，而燃气-蒸汽联合循环电站的效率更高达55，并正在向60迈进。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。此外，在环保方面，出于燃气轮机的燃烧效率很离，排气千净，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

7、安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施，可施使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基本负荷机组或备用机组得到了迅速的应用。1987年，英国燃气轮机的产量首次超过了汽轮机的产量，据统计，从1968年初到1992年5月，世界范圈内出售的燃气轮机发电机组有了9801台，总装机容量达2.38亿KW,而92年的订货达635台，3174万KW，目前全世界的装机容量正以约20000MW的速度增长。燃气轮机的发展重要还是圈绕着增加单机功率，提高效率和经济性，燃用多种燃料和廉价燃料，减少对环境的有害影响来进行的。诸如加强高温材料的开发，提高

8、冷却技术，发展闭回路蒸汽冷却燃气轮机，发展新型航空改型燃气轮机开发先进的燃气轮机循环进一步发展清洁煤技术等等。燃煤的然气-蒸汽联合循环是“煤的清洁燃绕技术中最为令人瞩目的项目，是九十年代到下世纪之初最有发展前途的方式。到目前为止最具竞争力的方案有三个，即（1）增压流化床方案(PFBC)；（2）增压流伙床加炭化炉加顶置燃烧室方案(简称CPFBC燃气蒸汽联合循环)；（3）整体煤气化联合循环(IGCC)。PFBC燃气蒸气联合循环从八十年代开始开发，到1991年世界上已有三个示范性的PF-BC电厂投运或调试;91年9月15日ABB Carbon公司建立在瑞典首都斯德哥尔摩市区的凡登电站的PFBC热电联

9、供电厂己进入商业性运行。该电厂是由二套P20O型PF配模块组成其电功率达到137MW，供热当量功率为22OMW，全厂的利用率为88.7%，该厂调试运行情况况良好，达到了预期效果，令人鼓舞。由千增压流化床锅炉的排气温度一般不超过90O，因此电厂效率很难超过42。为进一步提高效率，改善经济性，正在开发第二代PFBC联合循环，即由碳化妒十增压流化床锅炉十顶置燃烧室构成。该系统可将燃气轮机的透平进气温度提高到115O以上，如与目前的1260进口温度的燃气轮机配合应用，可获得4748的热效率。随着PFBC蒸汽系统和碳化炉的改进，再配合高温高压比的航改型燃气轮机，近期内该系统的热效率还可能突破50。自19

10、84年美国Coolwater电厂建成和投运以来，整体煤气化联合循环(IGCC)发电设备的优越性及其发展前景己为世人所共识。据不完全统计，正在兴建和规划中的ICCC电站项目共有27项，电站总功率8613MW预期在近期内它们的供电效率有望达到4346，其比投资费甩亦将大幅度地降低。据美国某些部门的乐观估计，认为到2015年时，美国烧媒电厂装机容量中大约有35.850的机组将为IGCC和PFBC类型的燃煤的燃气-蒸汽联合循环机组所取代 燃气轮机的应用发展现已提高到总能系统的高度，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

11、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。 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，国外在六十八十年代的生产竞争申，燃气轮机的制造企业通过兼并和协作，以GE，SIMS,GEC-RR,ABB,KWU，PW,WH六家大公司为中心形成若千跨国生产集团，有些工厂同时和两个以上集团挂钩，上述六个最大集团的产量占世界大中型燃气轮机的绝大部分。第三节 我国燃气轮机工业概况 我国解放前没有燃气轮机工业，解放后，从无到有，全国各地试制过数十种型号的陆海空用途的燃气轮机。1956年我国自制的第一批喷气式飞机试飞，195

12、8起年全国各地又有不少工厂单位设计试制过各种燃气轮机，下面作一概略的介绍(不包括航空发动机): 上海汽轮机厂1962年试制船用燃气轮机，1964年与上海船厂合作制成750hp(550kW)自由活塞燃气轮机，1965年制成600OkW列车电站燃气轮机，1971年制成自行设计的300OkW卡车电站燃气轮机，另外同703所合作制造了400Ohp(3295kW)、600Ohp(441OkW)、改装喷气发动机成250OOhp(18380kW)等几种船用燃气轮机组。 哈尔滨汽轮机厂1969年制成自行设计的300Ohp(2.24MW)机车燃气轮机，制成lMW的自由活塞燃气轮机，另外，改装航空发动机成100O

13、Ohp(7.35NlW)及220OOhp(16.18MW)燃气轮机，1973年与703所合作设计制造成6000hp(4.4lMW)船用机组，与长春机车车辆厂合作设计制成400Ohp(3.295MW)机车燃气轮机。80年代又试验重油燃烧和匹配紧凑式回热器以改善其技术经济性指标。 南京汽轮电机厂1964年制成15OOkW电站燃气轮机；1970年试造了5Ohp(37kW)泵用燃气轮机，1972年制成自行设计的1OOQkW电站燃气轮机，1977年制成2OMW快装电站燃气轮机，80年代，同GE公司技术协作，生产出PG6541B型36.6MW燃气轮机，其申已有三垂在深圳地区作为调峰电站投运发电，现正在开发

14、以PG6541B型机组组成的S106和S206型式的两种联合循环发电站，并拟改造PG6541B型机组以适应IGCC发电技术的需要，开发1OOMW级的IGCC发电技术，其中煤气化技术由煤炭部负责完成，通过分工合作，促进这一新的发电技术在我国尽快进入商业化阶段。 除此之外，还可以提到的是东方汽轮机厂1978年试制成6MW发电用燃气轮机杭州汽轮机厂和青岛汽轮机厂1972年制成2OOkW燃气轮机;青岛汽轮机厂还制造了15MW自由活塞卡车电站;北京重型电机厂1979年改装涡轮螺桨发动机成2MW机组，在中原、克拉玛依等油田运行;成都发动机公司与PW公司和TPM公司于1986年签订了一起研制、生产并推销PW

15、公司JT8D涡扇发动机的工业变型FT8型燃气轮机的合同，功率为24.8MW，效率为38.7%. 由以上叙述可以看出，解放以来国内不少工厂和单位为燃气轮机制造业作了不少的努力，也取得过一些成绩，但发展是缓慢的满足不了国民经济发展对它提出的要求。原因是多方面，这里不加细述。60年代末期开始，我国还是从瑞典、英国、加拿大、日本、美国等国引进了数十台燃机，分别用于尖蜂负荷电站，列车电站，基本负荷电站和输油管线上。进人80年代，随着国民经济的高速发展，特别是在经济特区、沿海和南方城市，普遍存在着电力建设跟不上国民经济发展的状况，解决电力供需矛盾已是燃眉之急，因此纷纷引进建成了一批简单循环燃气轮机和燃气蒸

16、汽联合循环电站。到80年代后期，装机总量已近1800MW)进入90年代，发展速度更快，仅1992年,就向国外订购了11台大型燃气轮机。燃气轮机电站正以其独具的优点，引起人们越来越多的关注和兴趣，不断获得应用和发展。我们深信，我国的燃气轮机事业的前途是宽广的。第四节GE公司燃气轮机产品系列及其编号(幻灯) 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环和回热循环，由五个系列组成:MS3002.MS5O00，MS600l,MS7001和MS9001。有单轴和双轴结构，用于带动发电机发电或机械驱动，以符号LM标志的航机改型燃气轮机也用于机械驱动和发电机驱动。 带动发

17、电机发电的燃气轮机产品系列其额定功率大致在10O00226000KW。表1-1列举了一些典型机组的出力和热耗等性能参数。机械驱动用的机组额定功率在1460010800Ohp.见表1-2所列。表1-1和表1-2所列机组中各代号的含义如下： M 5 32 2 R （B） - - - - - - (1) (2) (3) (4) (5) (6) (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等相应表示MS3002,MS5000,MS6001等中申的系列号 (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) (5)循环方

18、式:R回热循环，如此项空缺，则为简单循环 (6)型号 因此，M5322R(B)即为机械驱动用MS5000系列B型，回热循环双抽机组其出力大致为32000马力，PG7l1l(EA)即为箱装式发电机组MS7001系列EA型，简单循环单轴机组出力大致为11万马力。LM的符号用以标志航机改型机组，其系列号有LM250O.LM50OO和LM6000等，机组的型号再在系列号后面加字母标出。如LM600O(PA)。 GE公司燃气-蒸汽联合循环产品系列的设备配置申，各种代号的含义规定如下。 配备MS系列重型燃气轮机的，以S2O9E为例: S-STAG联合循环STAG是Steam and Gas(蒸汽与燃气)的

19、缩写 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-蒸汽联合锰环电站；S109E就表示配备1台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合锰环电站。GE公司重型燃机主要系列产品出力范围如下： 第二章 燃气轮机的热力学基础知识第一节 工质的基本状态参数 一般来说，各类热机都是采用气态物质作为热功转换过程的媒介物，我们把这种媒介物叫做工质。热能动力装置的工作就是借助于工质的吸热、膨胀、放热等过程完成变热为功的转换在这些过程中，工质的物理特性随时在起变化，我们把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现宏观物理状况

20、称为工质的热力学状态，简称状态。为了说明热工设备中的工作过程，必须研究工质所处的状态和它所经历的状态变化过程，在研究热力过程时常采用压力、温度、比容、内能、熔和熵等参数来加以描述。其中温度、压力、比容可以直接或间接用仪器测量出来，且物理意义易于理解，称为工质的三个基本状态参数。以下我们先介绍三个基本状态参数，内能、焓、熵等参数将在以后有关章节中分别予以介绍。 一、温度 温度是标志物体冷热程度的物理量。它反映了分子平均移动动能的大小，可以用温度计测量。我们都知道，当两个温度不同的物体相互接触它们之间将发生热量传递，经过一段时间之后，两者温度相等它们之间就不再有热量传递，达到一个共同的热平衡状态。

21、温度概念的建立以及温度的测定都是以热平衡为依据的。当温度计与被测物体达到热平衡时，温度计指示的温度就等于被测物体的温度。 衡量温度的标尺叫温标，在我国法定计量单位中，温度测量采用热力学温标，符号为T，单位名称是开尔文(K)。按照国际单位制的规定，把水的三相点温度，即水的固相、液相、汽相平衡共存的状态点作为基准点，并规定该点温度为27316K。因此，热力学温度单位开尔文(K)是水的三相点温度的1/273.16。 工程上还常用摄氏温标，它规定在标准大气压下纯水的冰点是0，汽点是1OO，是摄氏温度单位的符号，摄氏温度用t表示。它与热力学温度开尔文之间的数量关系为: t=T-273.15 (2-1)

22、由上式可知，t=O时，T=273.15K，所以水的三相点温度为0.0l。 摄氏温度与热力学温度的间隔完全相同，只是起点不同，在一般工程计算中取t=(T273)己足够精确。热力学温度通常又称为绝对温度。在英制系统用华氏温标，也用t表示，其单位符号为F。它规定标准大气压下纯水的冰点为32F，汽点是212F;因此可以求得摄氏温度与华氏温度的数量关系为： T（F）=9/5*T（）32 （2-2）T()5/9*（T(F)-32） （2-3） 二、压力垂直作用在单位面积上的力称为压力，以符号P表示，这就是物理学上所称的压强.按分子运动论的观点，压力是气体的大量分子向容器壁面撞击所产生的平均结果。若气体作用

23、在器壁面积A上的垂直作用力为F，那么该壁上的压力为: P=F/A (2-4) 压力通常用各种压力计来测定。这些压力计的测量原理部是建立在力的平衡的基础上。由于压力计本身处于大气压力B作用下，因此压力计上测得的压力是工质的真实压力和大气压力B的差值，是一个相对压力，称为表压力或工作压力，用符号Pg表示，而工质的实际压力称绝对压力，用P表示。P, Pg 和B之间的关系是： P=B+Pg (2-5) 有时工质的压力低于大气压力B时，此时压力计上测得的压力称为真空度，用H表示，则 H=B-P (2-6)绝对压力P,表压力Pg，真空度H和大气压B的关系可用下图说明：大气压力是随各地地纬度，海拔高度及气候

24、条件而变化的，即使绝对压力不变，表压力和真空也要随大气压力的变化而变化。因此，只有绝对压力才能表征工质的状态，在热力学中均以工质的绝对压力作为状态参数，在工程计算中亦以绝对压力作为计算的依据。(一)按我国的法定计量单位，压力的单位采用牛/米2(N/m2)，即1米2面积上作用1牛顿的力，称为帕斯卡，符号为帕(Pa)，工程上因这个单位太小，常采用兆帕(MPa) lMPa=lO00000Pa 暂时与国际单位制压力并用的有巴(bar) lbar=lO0000Pa=O.lMPa (二)工程大气压，它的单位是公斤力/厘米2，即1厘米2面积上施加1公斤的作用力。用符号at表示。 (三)标准大气压，又称物理大

25、气压，把纬度45。，大气温度为0的海平面上的大气常年平均气压定为标准大气压，用符号atm表示，它的大小是， 1标准大气压(atm)=1.033公斤力/厘米2 =1.033工程大气压(at) =1.0133 bar (四)压力的大小也可以用液柱(常用的有汞柱或水柱)的高度来表示根据压力测量设备液柱的高度，可以计算出用其它单位表示的压力， P=yA=pgH式中y为液体的重度，N/m2;H为液柱的高度，m。这样求出的压力为帕，例如， lmm水柱=9.8XlO3N/m3XlO-3m =9.8帕 lmm汞柱=1.33x1O5N/m3XlO-3m =133N/m2 =133帕 (五)在引进机组中，常常遇到

26、用英制单仪制表示的压力单位磅/英寸，(psi)，由于 1磅=0.4536公斤 1英寸=2.54厘米所以l工程大气压(at)=1公斤力/厘米2 =14.22磅力/英寸2 三、比容 单位质量的工质所占有的容积称为比容，以符号v表示。按我国法定计量单位质量用千克,长度用米，容积用米3，因此比容的单位是米3/千克(m 3/kg)若容积为V米3的气体，具有m千克的质量，则其比容为: v=V/m(m3/kg) （27） 单位容积内物质的质量称为密度，以符号p表示，单位为千克/米3(kg/m3)。若容积为V米3的气体，具有m千克的质量，则密度为 p=m/V(kg/m3) （28）显然，比容与密度互为倒数，即

27、: pv=1 （29）从微观上讲，对于同一气体，比容和密度均是反映单位容积中气体分子数的多少及分子间平均距离的大小，即说明气体某一状态下分子聚集、疏密的物理量，式(2-9)表明两者之间的依赖关系，只要知道其中一个，就可以求出另一个。第二节 理想气体的状态方程 所谓理想气体乃是一种经科学抽象的假想气体，这种气体的分子是一些弹性的、不占有体积的质点;分子之间没有相互作用力(引力和斥力)。凡不符合这两个假设条件的气体则称之为实际气体。 热力学中引入理想气体这一概念，其目的是为了便于分析计算，因为在这两个假设条件下，气体分子运动规律可大大地简化，各状态参数之间可以得出简单的函数关系式。虽然理想气体在自

28、然界并不存在，但是对工程上常遇到的一些气体，当压力不太高，温度不太低时，分子间距离较大，因此分子本身占据的体积与气体所占体积相比是非常小的，分子间的作用力也很微弱，因此可以忽略，此时这些气体就可以近似地把它们当作理想气体来处理，使问题大为简化，同时又能达到工程上所要求的精确度。例如燃气轮机中所遇到的空气和燃气，其温度一般在0以上，压为一般不超过2MPa，如果计算精度要求不太高，就可以把它们当作理想气体来处理。而当压力较高，或温度较低时，气体的比容小，分子之间距离较近，因比分子本身体积以及分子之间相互作用力不能忽略。如蒸汽动力装置中的水蒸汽以及压缩致冷装置中的致数冷剂蒸汽等就不能作理想气体来处理

29、。 理想气体的三个基本状态参数一一一压力、温渡、比容之间存在窗一定的函数关系，这些关系可以出物理学中的波义耳马略特定律、盖吕萨克定律和查理定律来说明。 波义耳马略特定律指出:对于一定重量的气体，在状态变化时，如果温度不变，气体的压力和比容成反比，写成公式为: p1v1= p2v2=pv=常数盖吕萨克走律指出，在压力不变的条件下，气体的比容和绝对温度成正比 v1/T1= v1/T1=v/T=常数查理定律指出，在比容不变的条件下，气体的压力和绝对温度成正比: p1/T1= p1/T1=p/T=常数 以上气体三定律是根据实验得出的。它适用于可以当作理想气体的气体。如果气体状态变化时，温度、压力、比容

30、同时发生变化，则 p1v1/T1= p2v2/T2=pv/T=常数将该常数记作R，就得到 pv=RT (2-10) 式中 p : 气体的绝对压力，Pav : 气体的比容,m3/kg T : 气体的热力学温度,K R : 气体常数，J/kgK 气体常数R与气体的性质有关，而与气体的状态无关，不同性度的气体，其R值不同，R的单位是焦耳/千克开(J/kgK)，对于空气R=287J/kgK。燃气的R值取决于燃气的成分，在燃气轮机中所通到的燃气，其R值与空气差不多，大体上为287.3J/kgK。(2-10)式给出了三个基本状态参数之间的简单关系，由于对于某一指定的气体R为定值，因此在某一状态下，只要任意

31、两个状态参数一经确定，则气体的状态参数可以全部确定. 式(2-10)中的容积为比容v，即该式是对于1千克气体而言的，如果气体的质量为m千克，其状态方程则为: pmv=mRT (2-11) PV=mRT式中 V: 质量为m千克气体所占有的容积，m。 这里顺便提一下气体常数R的求法，根据阿伏加德罗定律可以得出，各种气体的千摩尔气体常数Rm都一样。为;Rm=8314.3J/kmolK，称为通用气体常数。所谓千摩尔(kmol)是指物质相当于其分子量的千克数。例如氧气的分子量U=32,则1千摩耳氧气就是32千克。因此，只要知道了某种气体的分子量，就可以求出它的气体常数R,R=R/U.氧气的气体常数R即为8314.3/32=259.82J/kgK第三节 功和热量 在热力学中常把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它通过分界面和周围物体之间热能和机械能的传递，这种分割出来作为热力学分析对象的就称为热力学系统，而其周围物体统称为外界。系统与其外界的分界面叫做边界。这边界可以是实际存在的，如固体壁面；也可以是假想的，如某一设备的进口面和出口面。 如果一个热力学系统处于平衡状态，那么它只有在外界的作用下才能发生变化，外界作用的结果，系统状态发生变化，这种变化过程称为热力过程。在该过程中将伴随着能量的传递，热力