8燃气轮机

燃气轮机原理-1燃气轮机简介功能•燃气轮机是由高速旋转的叶轮构成的、以空气和燃气为工质、将燃料燃烧产生的热能转换成机械能的回转式动力机械。•与内燃机、蒸汽轮机一样,为原动力机。压缩吸热膨胀放热空气废气燃气高压气体对外做功任何热机必须依靠工质经过一系列热力过程完成一个循环。（燃料燃烧）冷源（通常是大气环境）热源燃气轮机简介系统组成•主要部件：•压气机Compressor：完成气体压缩过程；•燃烧室Burner：完成燃烧、加热过程；•透平Turbine：完成高温高压燃气的膨胀作功过程。高速旋转的叶轮机械（轴）；能量转换的关键部件。附属系统及辅助设备•燃料系统•润滑系统•冷却水及冷却空气系统•起动系统•调节及保护系统•进气系统//排气系统•盘车装置•通流部分清洗设备•空气滤清、消声设备•防火灭火设备等负荷（又称负载）——利用燃气轮机输出的机械功率来驱动——如发电机、泵、风机、压缩机、螺旋桨或车轮等。完善可靠燃气轮机装置示意图BCTL单轴1234空气排气燃气燃料t3*燃气初温负荷（单轴简单循环）工作过程CBT旋转轴膨胀做功压缩耗功工作过程简介：•压气机从外界中吸入空气(进气)，压缩升压；•送入燃烧室中，与喷入的燃料混合燃烧加热；•高温高压的燃气进入透平中膨胀做功；•做功后的废气排入大气中(排气)放热。•燃料燃烧产生的热能→机械能压力近似不变等压燃烧加热循环•燃气在透平中所做的机械功：•约2/3用于带动压气机；•其余1/3机械功，通过机组输出轴去带动负荷。压缩耗功膨胀做功工作过程：CBT进气排气进气排气B工人轴轴轴流式压气机和轴流式透平系统组成：系统组成：CBBT轴轴轴流式压气机和轴流式透平进气进气排气排气压气机燃烧器透平系统组成：系统组成：环形燃烧室绝大多数燃气轮机采用：开式等压循环——以空气为工质，采用内燃方式（压力近似不变）在燃烧室中加热，废气排回大气中放热。——燃气轮机是一种续流式热机，结构轻小。简单循环在工质流动的主要流程中，只有压气机、燃烧室和透平三大件组成。（具有多种不同的轴系方案）回热器复合循环：燃气-蒸汽联合循环余热锅炉轴系布置类型压气机、透平可分为：H-高压；I-中压；L-低压。HC-高压压气机；IC-中压压气机；LC-低压压气机。HT-高压透平；IT-中压透平；LT-低压透平。单轴方案•压气机、涡轮及负荷共用一轴。恒速负荷分轴方案•压气机C与高压透平HT共用一根轴(C-HT)；•低压透平LT与负荷L共用一根轴(LT-L或PT-L)。分轴(2/L)(PT)独立转轴数目功率输出轴变速负荷PT-动力透平；-所做机械功仅带动负荷。双轴方案•高压压气机HC由高压透平HT带动（HC-HT）；•低压压气机LC由低压透平LT带动（LC-LT）。•负荷L的带动有两种形式：平行双轴(2/HH)（1）以高压轴带动负荷HC-HT-L，高压轴HH低压轴LL宜用于恒速负荷。（2）以低压轴带动负荷LC-LT-L，宜用于变速负荷。套轴平行双轴(2/LL)双轴方案三轴方案三轴(3/L)套轴H-高压；I-中压；L-低压。负荷由动力透平PT带动。燃气轮机分类•1．固定式燃气轮机•一般是2000kW以上不能整体移动而固定的大、中功率燃气轮机装置。•可以是重型燃气轮机，也可以是航机改型燃气轮机。•固定式航机改型燃气轮机应用广泛，市场不断扩大。•2．运输式燃气轮机•包括大中小型海陆空运输工具的燃气轮机发动机及箱装式、移动式和便携式燃气轮机。•大都是航机改型或轻结构工业型燃气轮机。•1．发电•发电是燃气轮机最主要的应用。•基本负荷、中间负荷和尖峰负荷，移动电站(列车电站、卡车电站或船舶电站)燃气轮机。•2．机械动力•供应泵、压缩机、风机或其它机械轴功率的燃气轮机。•3．总能利用•一台燃气轮机可以同时提供或利用不同能量。•如除发电和提供机械动力外，还能：•（1）附带供热（2）供给压力气体（3）参与工业过程燃气轮机分类•4．航空用•涡轮喷气式、涡轮螺桨式，涡轮风扇式、涡轮桨扇式、涡轮轴式、供气或供热式机上或机场辅机。•5．舰船用•舰艇巡航机、加力机、水翼艇、远洋船、油船。•6．机车用•客货机车、调度机车、高速动车。•7．坦克、汽车用•坦克、装甲车、无轨列车、大型客货车、载重车、越野车、专用车和小客车。燃气轮机分类•不同的用途对各类动力装置的要求各不相同•对功率、结构、重量、尺寸、热效率及部分负荷性能、投资、燃料品质、用水量、寿命、控制方式、转速、转矩、起动时间以及维护检修方式等。燃气轮机分类29战斗机简介30第一代喷气式发动机（20世纪40年代）离心式涡轮发动机战斗机简介31F-104第二代喷气式发动机（20世纪50～60年代）•轴流式加力涡喷发动机米格－21战斗机简介32轴流式加力涡喷发动机战斗机简介33F-15F-16第三代喷气式发动机（20世纪70～2020）•推重比8的一级的涡轮风扇发动机•推重比＝推力(十牛)／重量(千克)战斗机简介34涡轮风扇发动机战斗机简介35战斗机简介幻影2000苏－27第三代喷气式发动机（20世纪70～2020）36战斗机简介37战斗机简介美F/A-22第四代喷气式发动机（在研）•推重比10一级的小涵道比涡扇发动机38FanIPcompressorHP(core)compressorHPturbineLPturbineGE90-115B1942TodayThrust1,250lbs.115,000lbs.BellXP-591942GEI-ATurbojetF/A-18E/FAdvancedHornetGE90-115BBoeing7772002(1)结构紧凑，质量轻•重型结构机组单位功率质量为2～5kg/kW，轻型结构机组则低于lkg/kW。(2)体积小，占地面积小。•用于车、船等运输机械时可节省空间。(3)起动快•从冷态起动至带满负荷，视机组功率的大小及结构型式的不同在数分钟至半小时之间，在紧急情况下机组的起动时间可缩短约一半。燃气轮机特点(4)安装周期短•对于燃气轮机电站，可在1-2月内安装完成并并投入运行。(5)运行平稳，可靠性高•可靠性达99%，机组的事故停机率仅为1%。(6)效率高•简单循环燃气轮机效率最高已达42.9%；而联合循环效率最高已达58%，是目前各种热力机械中效率最高值。(7)污染排放低•其NOx和CO2等的排放低于最新规定的严格标准。(8)耗水少或者不用水。燃气轮机特点燃气轮机特点燃气轮机汽轮机内燃机机组效率-40%35-45%-40%单机功率10-300MW10-1500MW40MW转速rpm较高较高较低体积紧凑庞大紧凑燃料油/气煤/油油/气启动速度快慢快用水较少大量较少维修方便复杂方便•①油气集输：油气分离、原油稳定处理、气体处理—利用燃气轮机驱动压缩机。•②油气管道输送—长输管线，燃气轮机用于驱动泵和压缩机组进行管道增压；还可利用废气加热原油或天然气降粘。•③原油开采：注气与气举采油—利用燃气轮机驱动压缩机；注水—燃气轮机驱动注水泵；稠油热采—燃气轮机热电联供；油井压裂—燃气轮机驱动压裂泵。•④海洋油田：海洋平台—燃气轮机提供各种动力，发电、注气、注水、气举采油和油气管道输送等。•⑤作为油田的备用电源。燃气轮机的应用油气管道增压用燃气轮机•输气增压站常用离心式压气机来增压，原动机功率小的几百千瓦，大的为数千到数万千瓦，中小型的常用电动机、天然气发动机、柴油机和燃气轮机，其中较大功率者以燃气轮机最为合适，尤其是功率大于6MW。•输油管道采用功率为数百至数万千瓦的离心泵来增压，常用燃气轮机或电动机驱动，特别是大功率时以燃气轮机为宜。燃气轮机的应用•燃气轮机适合燃用原油或天然气，故油气管道增压是应用燃气轮机最多的部门之一。•截至1987年1月1日的数据统计，仅美国GE公司的大型重载荷型燃气轮机用于油气管道增压者已有1000台以上，总功率达12.23×103MW，已运行50×106h，航空改型燃气轮机LM2500系列用于油气管道增压者也有37台，总功率达820MW。•近年来航机改型的燃气轮机更具有吸引力。燃气轮机的应用•1985年投产的我国中沧输气管线是第一条用燃气轮机压气机增压的管线，采用美国索拉公司半人马座燃气轮机压气机组，燃气轮机功率为2.8MW，热效率27%。在东北也有两条输气管线用燃气轮机。•世界各地区的油气管线十年规划中将建成185×103km新管线，增加了0.5～10MW级的动力需要，估计每年约需450台燃气轮机供油气管道增压用。燃气轮机的应用燃气轮机的应用•2002年以后，我国管道压气站建设进入高峰期，相继投运的涩宁兰、西气东输、忠武线、陕京二线、冀宁和兰银等长距离天然气管道设计中均配置有一座或多座压气站。•1986年8月我国第一座长输天然气管道压气站在中沧输气管道濮阳站建成投产，首次采用燃气轮机驱动离心压缩机机组。•1996年11月投产的鄯乌输气管道鄯善站，是我国首次采用天然气发动机驱动往复式压缩机机组的压气站。•2000年11月投产的陕京管道应县压气站，是我国采用变频调速电机通过增速齿轮箱驱动离心压缩机机组的压气站。•2007年2月投产的西气东输管道蒲县压气站，是我国第一个投产的采用高速变频调速电机直接驱动离心压缩机机组的压气站。•目前，我国已在9条天然气管道上分别建成投产了31座压缩机站，共投运各种类型管道压缩机组72套，并计划于今后陆续建成34座压气站，投运各种类型管道压缩机组79套。燃气轮机的应用我国长输天然气管道压气站分布（2008年）序号管道名称压气站数压气站分布投产及计划(座)建设时间1中沧管道1濮阳（首次燃气轮机驱动离心式）1986年投产2鄯乌管道1鄯善（首次天然气发动机驱动往复式）1996年投产3陕京一线管道4榆林、府谷、应县、灵丘已投产（2001年）4陕京二线管道2榆林、阳曲（变频调速电机间接驱动）榆林站投产，阳曲站待定5西气东输管道22•轮南、孔雀河、四道班、鄯善、哈密、雅满苏、红柳、已投产16座压气站•柳园、玉门、酒泉、山丹、金昌、古郎、中卫、盐池、其余陆续建成•靖边、延川、蒲县、沁水、郑州、淮阳、定远2007年2月高速变频直接驱动6涩宁兰管道4涩北、羊肠子沟、乌兰、湖东已投产7忠武管道1忠县建设时间待定8冀宁管道1安平建设时间待定9兰银管道1河口2008年投产10靖西一线管道2靖边、富县已投产11靖西二线管道2延安、黄陵延安站已投产,黄陵站待定12长宁管道1靖边2006年3月投产我国长输天然气管道压缩机机组使用类型的统计数据（2008年）机组类型压气站数量机组数量总功率(座)(套)(MW)燃气轮机3651675.0驱动离心压缩机变频调速电机49135.0驱动离心压缩机天然气发动机51925.5驱动往复压缩机燃气轮机的应用•自20世纪50年代末以来至今，燃气轮机在天然气管道输送中占绝对优势。目前，世界上新建的输气管线增压站均采用燃气轮机与离心式压缩机（简称燃压机组）。•总的看来，在原油管道输送中，燃气轮机占一定份额，仅在大容量管道输送中占有优势。燃气轮机的应用燃气轮机的现状和水平机组的功率和效率•现单机功率可达334MW；•简单循环机组效率最高的则达42.9%；•功率为MW的简单循环小型机组效率已普遍达到30%以上，采用回热循环的的数十至数百kW的微型燃气轮机效率已达到30%。•联合循环的效率最高已达58%。环保性能•燃气轮机大多采用天然气，SOx排放趋于零，主要是NOx和CO排放。•对燃料燃烧过程采取措施后，NOx和CO排放可降至很低的水平。例如采用催化燃烧，NOx排放的浓度低于20mg/m3，•燃气轮机是污染排放很低的热机，能很好地满足环保的要求。燃气轮机的现状和水平可靠性•燃气轮机结构紧凑，为高速回转机械而无往复运动部件，运行平稳，且设备较少，系统较简单而使运行达到了很高的可靠性。•燃用天然气和带基本负荷的燃气轮机，可靠性达99%，相应地联合循环的可靠性可达96%，远高于蒸汽动力装置。燃气轮机的现状和水平①发电机接线端输出的功率和效率。①舰船用，燃用轻柴油。燃气轮机的发展趋势进一步提高机组效率主要途径：提高燃气初温t3*(1)研制新的耐高温材