毕业设计（论文）4MW燃气－蒸汽联合循环机组热力系统设计

本科毕业设计（论文）4MW 燃气蒸汽联合循环机组热力系统设计题 目：_班 级：_学 号：_姓 名：_指导老师：_摘要燃气-蒸汽联合循环有效地利用了能量，使不同品质的能量得到了充分利用，一方面，能量的梯级利用大大提高了电厂的热效率，另一方面，清洁的燃气发电减少了对环境的污染。因此燃气-蒸汽联合循环发电技术在全世界得到了快速发展。本设计主要对燃气- 蒸汽循环热力系统进行热平衡计算以及利用多参数进行简单的优化，设计好系统后，对系统进行全面的热经济分析。本设计主要分为三大部分，第一部分是对热力系统进行选型，根据已知条件进行燃机、余热锅炉、汽机进行热平衡计算以及热经济性分析；第二部分是对电厂的局部系统进行介绍以及简单的设计；最后部分是对阀门管道进行简单选型与计算。关键词：联合循环，热效率，梯级利用，余热锅炉目 录1 绪论 .11.1 题目设计的背景与意义 .11.2 国内外的发展状况以及趋势 .21.2.1 中国汽轮机的发展历程 .21.2.2 国外汽轮机的发展历程 .21.2.3 汽轮机的发展趋势 .31.2.4 中国燃气轮机的发展历程 .31.2.5 国外燃气轮机的发展历程 .41.2.6 燃气轮机的发展趋势 .51.3 设计内容和设计方法 .52 联合循环热平衡计算 .62.1 燃气轮机热平衡计算 .62.2 余热锅炉热平衡计算 .112.2.1 余热锅炉的介绍 .122.2.2 未来余热锅炉的发展 .132.3 蒸汽轮机的热平衡计算 .182.4 凝汽器热力计算 .203 管道与阀门计算 .223.1 主蒸汽管道设计 .223.1.1 高压蒸汽管道设计 .223.1.2 低压蒸汽管道设计 .233.2 凝结水管道设计 .243.3 给水管道设计 .253.4 阀门选型 .254 电厂局部系统 .264.1 主蒸汽系统 .274.2 凝结水系统 .284.3 凝汽器真空抽气系统 .284.4 汽轮机机组的润滑油系统 .294.5 发电机氢冷系统 .30结论 .32参考文献 .33致谢 .3311 绪论1.1 题目设计的背景与意义自然界中天然形态的煤炭、石油、天然气、核能、水能、风能、太阳能等等一次能源，除了极少数能直接为人类所使用外，绝大多数都要再转换成电能、汽油、热水等等二次能源后才能使用，在各种各样的二次能源中，电能由于清洁且便于远距离输送而受到人们的青睐。目前，全世界的电能已占终端能源消费总量的 40%左右，随着科学技术的进步和社会文明程度的提高，这个比例还会进一步提高。电能的生产方式大体有两种类型：一类是热力发电，即先将一次能源转换成电能，然后转化为机械功，再通过发电机转换为电能；另一类是非热力发电，即将一次能源不经过热能而直接转换成电能，前者如火力发电，核能发电、地热发电、太阳能发电、垃圾焚烧发电、海水温差发电等；后者如水力发电、风力发电、太阳能光伏发电、潮汐发电等。目前，热力发电占据着统治地位，其发电量约占世界总发电量的 80%。热力发电的核心技术是热机，热机是用于将热能转换为机械功的机械装置。迄今为止，已经发展成熟且最适合大规模发电应用的热机主要是汽轮机和燃气轮机。汽轮机是一种依靠由各种热源产生的高温高压蒸汽推动安装在轮轴上的叶轮而旋转的机械装置。燃气轮机是一种依靠由燃料和与空气混合燃烧而形成的高温高压燃气推动轮轴上的叶轮而旋转的机械装置。在汽轮机和燃气轮机发电技术逐步发展并走向成熟的同时，人们还发展并大量推广使用了一种更为先进的热力发电技术，这就是燃气-蒸汽联合循环。燃气-蒸汽联合循环不是一种独立的热机，而是一种将汽轮机和燃气轮机耦合在一起的发电系统，这项技术将很快在发电领域占据重要的地位，因为第一，它比单独的燃气轮机或者蒸汽轮机有着更高的热效率；第二，它可以在很大程度上保留燃气轮机机动灵活的特性；第三，它虽然目前与燃气轮机一样主要用在燃用油、天然气的场合，但经过进一步发展之后，完全可以低污染的燃用煤炭等固体燃料，并可以与燃料电池等新型发电技术相结合派生出各种各样其他形式的发电系统 1。 我国火电机组主要为燃煤发电机组，存在污染严重，供电煤耗高的问题，不能满足新世纪电力工业发展需要，必须依靠科技进步，促进我国资源环境相互协调可持续发展。采用高参数大容量机组，超临界压力机组是火电机组发展的主要方向外，发展2清洁燃煤技术，煤气化联合循环和整体气化燃料电池等以燃气输机为技术基础的发电技术，亦是提高我国火电热效率的突破口方向。为此，今后发展燃气 蒸汽循环发电将具有战略意义。燃气 蒸汽轮机联合环热电冷联供系统是一项先进的供能技术。1.2 国内外的发展状况以及趋势1.2.1 中国汽轮机的发展历程汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。中国汽轮机发展起步比较晚。1955 年上海汽轮机厂制造出第一台 6MW 汽轮机；1964 年哈尔滨汽轮机厂第一台 100MW 机组在高井电厂投入运行；1972 年第一台200MW 汽轮机在朝阳电厂投入运行；1974 年第一台 300MW 机组在望亭电厂投入运行。1987 年采用引进技术生产的 300MW 机组在石横电厂投入运行；1989 年采用引进技术生产的 600MW 机组在平圩电厂投入运行；2000 年从俄罗斯引进两台超临界 800MW机组在绥中电厂投入运行；上海汽轮机厂是中国第一家汽轮机厂，在 1995 年开始与美国西屋电气公司合作成立了现在的 STC，1999 年德国西门子公司收购了西屋电气公司发电部，STC 相应股份转移给西门子；哈尔滨汽轮机厂 1956 年建厂，先后设计制造了中国第一台 25MW、50MW、100MW 和 200MW 汽轮机，1986 年制造成功了中国第一台 600MW 汽轮机，目前自主研制的三缸超临界 600MW 汽轮机已经投入生产；东方汽轮机厂 1965 年开始兴建，1971 年制造出第一台汽轮机，目前的主力机型为 600MW 汽轮机；1987 年，山东淄博汽轮机厂开发生 2006000KW 小型汽轮机，2006 年 09 月，淄博汽轮机厂优化聚合成淄博慎德汽轮机有限公司，使我国小型汽轮机的发展迈上了一个新的台阶。目前中国四大动力厂以 600MW 和 1000MW 机组为主导产品。1.2.2 国外汽轮机的发展历程1883 年瑞典工程师拉瓦尔设计制造出了第一台单级冲动式汽轮机，随后在 1884 年英国工程师帕森斯设计制造了第一台单级反动式汽轮机，虽然当时的汽轮机和我们现在的汽轮机相比结构非常简单，但是从此推动了汽轮机在世界范围内的应用，被广泛应用在电站、航海和大型工业中。在 60 年代，世界工业发达的国家生产的汽轮机已经3达到 500600MW 等级水平。1972 年瑞士 BBC 公司制造的 1300MW 双轴全速汽轮机在美国投入运行，设计参数达到 24Mpa，蒸汽温度 538，3600rpm ；1974 年西德KWU 公司制造的 1300MW 单轴半速 1500 rpm 饱和蒸汽参数汽轮机投入运行；1982 年世界上最大的 1200MW 单轴全速汽轮机在前苏联投入运行，压力 24Mpa，蒸汽温度540。目前世界各国都在研究大容量、高参数汽轮机的研究和开发，如俄罗斯正在研究 2000MW 汽轮机。1.2.3 汽轮机的发展趋势大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片，是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。目前，由于电能需求量增长速度的下降，世界范围内对于超出 10万千瓦等级的汽轮机定货不多。但对于核电站大型全速饱和蒸汽汽轮机的开发已付诸实践，如 BBC 公司为瑞士哥拉宾原子能电站制造了一台功率为 123 万千瓦的全速汽轮机 2。其次，世界上各主要汽轮机制造厂家并未放松对二次再热、超临界参数大功率机组开发研究工作。例如 KWU 公司同美国动力公司一直在探索把汽轮机单机功率提高到 160 万千瓦或更高水平的设计方案。1.2.4 中国燃气轮机的发展历程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。1966 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 上升到现在的 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，4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 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。1.2.5 国外燃气轮机的发展历程1791 年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872 年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于 19001904 年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905 年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。1920 年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为 13%、功率为 370 千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在 30 年代中期出现了效率达 85%的轴流式压气机。与此同时，涡轮效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受 600以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。1939 年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达 18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展，以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在 70 年代中期出现了数种 100 兆瓦级的燃气轮机，最高能达到 130 兆瓦。与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941 年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947 年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以 1.86 兆瓦的燃气轮机作加力动力；1950 年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。5在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；5060 年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到 70 年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。1.2.6 燃气轮机的发展趋势燃气轮机中的高温部件是燃气轮机工作作环境最恶劣、结构最复杂的零件之一。也是燃气轮机断裂故障多发部件之一。苛刻的运行环境使得高温部件的组织退化、可靠性和寿命降低，并可能产生突发性事故。相对于航空发动机而言，重型燃气轮机要求机组具有更长的使用寿命、可靠性和稳定性，而在重型燃气轮机高温部件运行过程中高温合金基体材料机械性能降低、高温合金涂层高温氧化及热障涂层热冲击疲劳性能是引起高温部件失效的决定性因素。各个国家都在镍基超级合金叶片材料与制造技术上不遗余力地投人研究开发。目前已有的制造工艺包括常规(多晶)、定向结晶和单晶技术 3。故燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用镍基超级合金叶片材料与制造高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。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。1.3 设计内容和设计方法利用燃气燃烧产生的高温烟气在燃气轮机中做功，将一部分热能转变为高品位的电能，再利用燃气轮机排烟中的余热在废热锅炉内产生蒸汽来带动蒸汽轮机进一步发出部分电能，同时供热和制冷。从而实现了能源的高效梯级利用，同时也降低了燃气供热的成本，是城市，特别是大气污染严重的大城市中值得大力发展的系统。本设计采取余热锅炉型的联合循环系统。其原理是用余热锅炉吸收燃气轮机排气的热量产生蒸汽，然后汽轮机的将蒸汽的热量转换为机械功，由于燃气轮机的排气温度比较高，而汽轮机能够利用的蒸汽温度又比较低，故这一原理在实际情况中是可以实现的。该设计过程是先联合循环进行热力选型，然后对该联合循环中各个部分的装备装置进行热力计算，最后算出整个联合循环的热效率，针对各热力设备的参数进行6热力参数优化，以便使联合循环的热效率达到更高，同时确保系统能够稳定安全的运行。2 联合循环热平衡计算2.1 燃气轮机热平衡计算燃气轮机是以空气和燃气为工质的热机。它由压气机、燃烧室和透平三大部件组成，其中，压气机的作用就相当与汽轮机循环中的给水泵的作用类似，作用是提高工