热能与动力工程专业英语译文-第七章译文.doc

第7章 燃气轮机和联合循环电站7.1 燃气轮机7.1.1燃气轮机的发展燃气轮机是以连续流动的气体为工质，把热能转换为机械能的旋转式动力机械。绝大多数燃气轮机的工质是空气。公元1世纪，亚历山大城的希罗发明了风车，这是人类最早的利用空气动能的装置。工业革命时进一步发展了利用运动的空气带动机器旋转的原理。依据这个原理，19世纪出现了燃气轮机的前身，一些利用压气机产生压缩空气推动的透平。这些机械的压气机和透平一般都是独立的。1872年德国工程师F. Stolze1的专利勾勒出了现代燃气轮机的原型。压缩空气由与透平共轴的轴流式压气机产生，然后与燃料混合后燃烧生成高温高压的气体推动透平。依据Stolze1的专利的设计，压气机由燃气轮机本身来带动，从而解决了压气机的所需的动力问题。如果燃料燃烧产生的高温燃气通过透平生成的功不足以带动压气机，燃气轮机就不能正常运转。因此，透平和压气机都最低需要达到80%左右的效率。另外，能量的充分利用要求气流的充分膨胀，所以对透平燃气进口温度也有最低要求。只有满足这些条件，燃气轮机才能持续运行。由于制造水平达不到要求，虽然Stolze1设计的系统已经包含了现代燃气轮机的所有特征，却不能连续运行。1903年，在巴黎制造出了第一台能连续运行的机器，但其压气机并不与透平共轴。同年晚些时候，Aegidus Elling在挪威制造出了第一台压气机与透平共轴的燃气轮机，其燃气进口温度达到了400C。20世纪初，工业应用的用来压缩空气、输出动力或同时两方面作用的燃气轮机都有了很大发展。20世纪30年代，人们认识到了燃气轮机在飞机动力上应用的前景。德国、英国和美国都已有战斗机运用涡轮喷气发动机作的成功之例。军事上的应用促进了在民航飞机上的应用，到现在，全球的航空公司的飞机的发动机基本都是燃气轮机。20世纪70年代末至80年代初期，燃气轮机开始有限的应用于发电上。由于燃气轮机发电机组能快速的启动和加载，主要作为电网尖峰负荷时的紧急备用电源，从而较好的保障电网的安全运行。此时，用来发电的燃气轮机是由航空发动机发展而来的。直到20世纪80年代末，发展了专门应用于发电的重型燃气轮机。7.1.2布雷顿循环体系燃气轮机一般都是如图7-1所示的开式循环。压气机连续的从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即进入透平在喷管叶栅内膨胀做功，推动透平叶片旋转，透平叶片带动在磁性线圈内的轴旋转，从而产生电力。开式循环中，透平的尾气排放入环境中而不再进入下次循环。 图 7-1 燃气轮机开式循环 图 7-2 燃气轮机闭式循环采用空气标准假设的开式循环燃机，可以设计为如图7-2所示的闭式循环。闭式循环的压缩过程和膨胀过程是一样的，而等压加热代替了燃烧。理想的闭式布雷顿循环中包括四个内部可逆过程：1-2 等熵压缩（在压气机中）2-3 等压加热3-4 等熵膨胀（在透平中）4-1 等压冷却空气标准假设：假定压缩过程和膨胀过程都是绝热可逆的，在加热过程没有压降，并且工质的初压与末压相等。内可逆过程：根据热力学，限定温度下，绝对可逆循环（机械和热力学都可逆）有最高的效率和功率。机械可逆是一系列机械平衡状态，如流体没有磨擦、涡流和自由膨胀。依据热力学第二定律，热力学可逆只能在循环最高温度时加热，并在最低温度时放热。等熵：过程等容或等压。压气机：高效的压缩大体积空气，是一台成功的燃气轮机的是必不可少的特征。有两种可行的压气机，轴流式压气机和离心式（径流式）压气机。大部分发电厂的压气机是轴流式的。好的压气机要求压气机级数尽可能小，可通过尽可能多的空气，并在运行工况下有最高的效率和保持空气动力稳定性。压气机的动叶栅在静叶栅之后，压气机的一级由一个动叶转子和一个静叶叶栅组成。动叶转子推动流体进入静叶栅，流体在静叶中增压后导向下一级动叶转子。流体相对于叶片的初速和终速的角度不同。燃烧/燃烧室：燃烧，是物质和氧化剂，通常是氧气的化合反应，并伴随着生成高温或放热的过程。燃烧室的作用是将压气机增压后的高压空气加热到透平前允许的温度，理想的过程中没有压损。在燃烧室中，空气直燃加热，少于1/3的空气与燃料燃烧，然后与余下的部分混合。开式循环燃机，燃料是在燃气轮机内部燃烧，必须解决燃料的投放，混合和燃烧问题。常见的是气体和液体的燃料，固体燃料尚在试验阶段。液体和气体燃料通常是碳氢化合物。最常用的气体燃料是天然气，成分以甲烷、丁烷和戊烷为主。从高精炼汽油到煤油和轻柴油甚至到重质残油都可以作为液体燃料。燃烧本身是一个技术难点，其难点在于如何在固定大小的燃烧室中安排燃烧，满足低压降的同时，达到高功率重量比、高输出潜力和转动元件。如果允许的压降足够大使空气和燃料可以充分混合，并且空间足够大可在必要的时间内充分燃烧，那么基本上所有的燃料都可以顺利燃烧。透平：（见图7-3，4和5）相对大量的空气在燃气轮机循环中高速运动。由于没有往复式运动，燃气轮机的力学特性是非常平滑的。高应力的转子部件是不安全，必须精确平衡，以避免高速旋转时引起破坏性振动，。叶片必须经过精密调整以避免共振。相对而言，燃气轮机的运动部件较少（没有滑行部件）并不受到振动作用力。因此，如果设计和开发恰当，能达到较高的可靠性。燃气轮机本质上是最普通的气体连续流动的热机，其过程包括从大气中吸气并压缩、等压燃烧以获得高温燃气、高温燃气的膨胀以及最后向大气中排气。燃气轮机和汽油机、柴油机的工质是一样的，并也是内燃的，而工质的稳定流动与蒸汽轮机相同。在旋转的转子中压气和膨胀，通过旋转运动进行流体和转子的能量交换，而不是利用往复式装置。图7-4 透平一级叶片图7-3 透平内部图7-5 燃气轮机横截面7.1.3 现代燃气轮机设计燃气轮机运行的关键是压气机和透平的效率。有效功必须大于本身耗功，才能保证持续运行。另外，效率越高，实际效用越大。现代燃气轮机在电力生产中广泛应用的关键原因之一，就是因为有较高的运行效率。等量的燃料，效率越高，生产的电力越多。另外，效率问题也是从环境角度考虑的。使用化石燃料的电厂效率越高，生产一单位的电力对大气的污染物越少。就这方面而言，燃气轮机具有很大的优势。效率对于航空工业同等重要，但是航空应用的涡轮必须要轻，而且要极端可靠。对于电力生产而言，需要考虑的是成本，而不是重量。因此，两种类型的燃气轮机的有着不同的发展道路。上文已经提到，最早设计的燃气轮机，压气机和透平是独立的。Stolze的设计通过将压气机和透平共轴，简化了燃气轮机的结构。采用这种结构，电厂可以直接使用透平输出的机械能来带动压气机。现代电力生产应用的燃气轮机，压气机为多级轴流式压气机，可将空气增压到15-19个大气压。这些压气机一般有10-12级，其效率大约为87%。压气机增压后的高压空气进入燃烧室，在其中与燃料混合后燃烧，形成1400C的高温燃气，一些最新的型号能达到更高的温度。高温时，氧气和氮气会生成NOx，通过设计燃烧室控制燃烧过程，使氧气充分消耗，尽量减少和氮气化合的氧气量，从而减少NOx的产生。燃烧室有不同的设计和布置。一些燃气轮机的燃烧室与涡轮是独立的；另一些燃烧室布置在压气机和透平之间；还有另外一些有多个燃烧室，环绕的布置在涡轮周围。为了防止烧坏透平的第一级，必须小心的控制燃烧室加热后的燃气温度，这是非常重要的。但是为了达到更高的效率，需要尽可能的提高温度。因此，随着材料的发展，透平进口温度也在不断提高。在1967年，透平初温大约为900C，1970年1100C，到了2000年材料的发展使得进口温度达到1425C。现代燃气轮机的透平一般有3到5级，达到89%左右的透平效率。一些设计中，压气机和透平叶片装置在一根轴上；另外的设计有两根同心的轴，其中一根装置压气机叶片和透平的第一级或前两级叶片。第一根轴上的透平级带动压气机，第二根轴带动发电机来生产电力。发电用的35-45MW的小型燃气轮机可以达到38%的能量转换效率。更大的燃气轮机一般是应用于联合循环电站，效率传统上略低一些。但是现在，改进设计的大型燃气轮机，可以达到38.7%的效率。其功率可达到单机265MW。燃气轮机的透平初温决定最大效率，现今的大部分技术进展集中于开发可以承受更高温度的透平初级叶片材料。其中包括精密单晶体金属，陶瓷材料也是替代金属材料的选择之一。另外一些因素也会对涡轮的运行产生影响。吸入的空气必须经过严格的过滤，以除去那些在高速运动时会损坏透平和压气机叶片的固体微粒。空气中添水也可以提高效率。对于最新的高温透平，通常还需要的对叶片进行冷却。因此，燃气轮机可能是常规动力电站中最高精尖的机械设备，需要专业的设计和机械设备。7.1.4 燃气轮机改进设计燃气涡轮航空发动机要求重量轻、紧凑，大幅度的改进性能是不现实的。固定式的发电用燃气轮机则不受这个限制，性能的提高容易实现。工程师已经开发了很多能明显的提高固定式燃气轮机性能的方法。（见图7-6(a)(b)(c)）再热大型蒸汽轮机电厂传统上将透平按蒸汽压力进行分成高压缸、中压缸和低压缸。这样，可在较窄的蒸汽压力范围内分别调节各缸的运行来提高效率。另外，还可将蒸汽在从高压缸进入中压缸前（此时温度已经有所降低）进行再加热获得额外的效率。这是燃煤电厂的常见措施。图7-6(a) 改进的燃气轮机循环图示：再热燃气轮机也可以进行类似的分缸，实际应用的一般只分成两部分，称为双转子。同样的，可在高压透平和低压透平之间进行二次燃烧。和蒸汽轮机一样，再热可以带来更高的效率。已经有实际运行的再热燃气轮机电厂。墨西哥的蒙特雷的一座4机组1000MW的燃气轮机电厂，高温燃气通过透平第一级叶片后经过二次燃烧之后再进入透平余下的后4级叶片。中间冷却对压气机也可以进行类似透平的分缸，分成低压部分和高压部分。类似高压透平和低压透平之间的再热，在压气机低压部分和高压部分之间对压缩空气进行冷却可以提高效率。（压缩空气会使温度升高而占更大的体积，冷却可以减少体积从而更容易进行压缩。）这称为中间冷却。图7-6(b) 改进的燃气轮机循环图示：中间冷却中间冷缺技术在航改式燃气轮机（直接使用航空发动机的发电用燃气轮机）上有很好的表现，大约提高5%的效率，并能将其输出功率翻倍，而且极大的减少发电成本。回热回热也是提高燃气轮机性能的方法，将燃气轮机的部分排气送入压气机，可利用废气中的部分余热，从而减少燃料消耗。图7-6改进的燃气轮机循环图示：回热7.1.5 燃气轮机对环境影响至少相对于燃煤电厂，燃气轮机电厂最明显的优势之一是污染相对较小。在发达国家，排放物控制已经成为新建电厂是选择技术的关键问题之一。大部分燃气轮机电厂以清洁能源天然气作为燃料。燃气轮机要求燃料含有尽可能少的杂质，当以气化煤或生物质为燃料时，必须先经过严格的净化。但是，燃气轮机也并不是完美的。会产生较多的NOx，部分一氧化碳和少量的碳氢化合物。其中，NOx通常是需要考虑的最严重的问题。氮氧化物Nox产生于燃烧过程。燃烧产生的NOx的量直接由的温度决定，温度越高，产生的NOx越多。由于燃气轮机的设计者都急切的追求更高的透平进口温度以提高效率，NOx的问题也越来越严重。从20世纪70年代开始，发展旨在少NOx排放的燃气轮机减越来越必要。方法之一是给燃烧室注水，最终将取代控制燃料和空气混合过程的干式低NOx排放燃烧室，尽可能的降低将NOx的排放。早期的低NOx燃烧室不能证明像生产商所希望那样可靠。20世纪90年代出现的第二代低NOx燃烧室有了很大的进展。最新的重型燃气轮机电厂的NOx排放一般在15 25 ppm。新一代的燃气轮机，如GE的H-Series预期可以达到9ppm。世界上绝大部分地区，NOx和一氧化碳的排放都要受到监管。日本是执行严格强制性限制的国家之一。为了达到要求，燃气轮机上安装精密的催化还原反应 (SCR) 系统。该系统使用金属催化剂催化NOx和氨或尿素反应，将NOx还原为氮气。SCR昂贵但是有效。东京电力生产公司在日本横滨建造的一部2800MW燃气联合循环机组利用SCR可将NOx排放降低至5ppm以下。二氧化碳燃气轮机也会产生大量的二氧化碳。对于燃烧天然气而言这是不可避免的。但对于同等功率容量，燃气轮机电厂产生的二氧化碳要少于常规的燃煤电厂。天然气主要成分为甲烷，决定了燃烧产物中的二氧化碳较少。每个甲烷分子含有1个碳原子和4个氢原子，在空气中燃烧放热时，生成1分子二氧化碳和2分子水。煤炭主要成分为碳，因此，煤炭在空气中燃烧时只生成二氧化碳，而没有水。事实上，各种情况的产热量和两种类型电站的情况都是复杂的。但就总体而言，根据电力研究机构(EPRI)的估算，每生一单位电力，燃气电站的二氧化碳排放量大约为燃煤电站的一半。就目前来说，燃气电站替代燃煤电站可以显著的减少二氧化碳排放。因为二氧化碳是引起温室效应的主要因素，用燃气电站替代燃煤电站是一些国家达到京都议定书排放规定的方法之一。从长远来看，要继续使用天然气作为电站燃料可能还需要一些二氧化碳捕集装置。一氧化碳和微粒燃气轮机中天然气的不完全燃烧，会生成少量大约为10ppm左右的一氧化碳和固体微粒。7.2联合循环电站7.2.1简介在本节中，我们简要的回顾一些可采用的燃气联合循环电站的模式。在这里，我们不涉及热电联产电站，限定于只生产电力的电站。并且不讨论目前联合循环电站运行中的细节问题，只对其进行简单分类。其中一些模式没有经过实际应用，还在理论阶段。然而，我们在文献中讨论许多种联合循环的组和模式的理论研究展示了联合循环发展的思路。我们首先详细说明了双循环电站，含有两个闭式循环。但类似于单工质循环，通过使用单一的工质，在它们之间进行内部耦合。接下来，我们详细说明了双工质电站，两种工质分别在一个独立的闭式循环中运行，之间有热交换（外部耦合）。自然可以延伸到三工质循环电站，使用三种工质和三个闭式循环，并外部耦合，但是这种电站还没有得到发展。第三种，开路/闭式循环电站。使用两种工质；燃料在开式循环装置（如燃气轮机）中和空气燃烧，水/蒸汽则在闭式回路循环。蒸汽轮机循环利用燃气轮机的尾气来加热（无论是否补燃）的是外部耦合；但是如果燃料供应给一个增压锅炉同时加热两个循环（共热），实际上是内部耦合。还有提议使用磁流体或热离子装置的开式回路联合循环电站，但是并没有得到发展，我们在此不进行讨论。第四种，内部耦合双开式回路联合循环电站。这种类型的一种形式是将蒸汽注入开式燃气轮机的燃烧室。本质上，是不进行蒸汽冷却的开式回路电站。这章节里，我们所讨论的联合循环电站的分类概要在表7-1中给出。注意，作为速记，我们把燃气和蒸汽闭式循环归为布雷顿和朗肯循环。严格的布雷顿循环是等压可逆燃气循环，透平和压气机的效率都为100%，并在加热和放热过程均没有压损。同样的，朗肯循环精确的定义是：液体/气体循环，工质等压加热，等压冷凝，透平和给水泵完全绝热。为了方便，我们将这些真实循环（不可逆的）用引号来表示，如“布雷顿”和“朗肯”循环。另外，我们也使用开式“布雷顿”和开式“朗肯”电站两个概念。表 7-1 联合循环电站分类_1. 双循环电站 (两个闭式循环之间使用一种工质内部耦合)(a) “布雷顿”/“朗肯” 循环(i) 理想超再生循环(ii) 菲尔德循环(iii) 桑尼菲尔德循环(b) “朗肯”/ “朗肯” 循环分体式 “朗肯” (两重) 循环 (类似于两重压力循环)(c) “布雷顿”/ “布雷顿” 循环苏尔兹 半闭合燃气轮机循环2. 双工质和三工质闭式循环电站 (使用两种或三种工质,循环之间外部耦合)(a) “朗肯”/ “朗肯” 循环（i）“顶部” 汞/水蒸汽或钾/水蒸汽循环(ii) “底部” 水蒸汽/氨或水蒸汽/有机工质循环(b) “朗肯”/ “朗肯”/“朗肯”循环汞,水蒸汽,氨循环(c) “布雷顿”/“朗肯”循环气体(例如氦气),水蒸汽循环3. 开路/闭式循环电站 (使用两种工质, 一般组和为开式回路“布雷顿”/闭式“朗肯”)(a) 利用燃气轮机废气加热蒸汽 (外部耦合)(i) 非补燃型蒸汽锅炉(HRSG)(ii) 补燃型蒸汽锅炉(iii) 完全（最大化）废气锅炉r(b) 增压锅炉(通过共同加热内部耦合)4. 双开路电站 (两种工质，内部耦合) 开式 “布雷顿”, 开式 “朗肯”电站-蒸汽注入式开式燃气轮机._注释外部耦合工质在各自的闭式回路中流动,热交换在两个循环之间进行. 内部耦合-两种形式(i) 工质一个共同的循环, 或(ii) 两种工质共同加热。7.2.2典型的联合循环电站本节我们将介绍一些实际应用的联合循环电站。这些电站在50多年的发展中，有许多不同的形式。我们这里包括一些有历史意义（现今已经过时）的旧式电站，一些已建立的并发展成熟的电站，更新的一些处于发展极端的电站。下文是我们所选取的所有主要联合电站的实例。奥地利Korneuburg的CCGT电站(B)（无额外热源HRSG）Brown Boveri 125 MW (额定) CCGT (燃气联合循环) 电站, Korneuburg B,是非补燃型开式燃气循环/闭式蒸汽循环的一个很好的实例。燃气轮机机组的功率81.1MW，蒸汽轮机机组48.7MW。采用低热值燃料（天然气），吸气温度为10，电站总体效率在发电机终端为0.470（扣除电厂备用，变压器终端为0.460）图7-7是该电站的简图，显示了流量，压力和温度。燃气轮机(Brown Boveri type 13)是开式回路，质量流量为357kg/s，压比为10.0，透平进口温度大约为1000（涡轮转子局部最高温度冷却限制为540）。以低热值天然气为燃料（36.7 MJ/ N m3）的燃气轮机的总效率为0.294.燃气轮机的排气温度为491，排气余热在蒸汽锅炉内回收，提高双压系统的蒸汽两个大气压。HRSG(余热蒸汽锅炉)的排气在较低温度95，这是允许以低硫天然气作为燃料。这意味着，蒸汽循环的给水加热只有一个过程需要添加燃料，低于大气压(4.4 bar)的水在直接接触式给水加热器中/脱氧器从28中加热到54。然后，首先在HRSG的废气余热节热器中预热。部分的水在低压(4.4bar)下蒸发,并过热到180。另外的一部分水加压(33.2bar)后，在高压余热锅炉中蒸发并过热到433.图7-7 Korneuburg B 开式 (燃气轮机)/闭式 (蒸汽轮机)联合电站该电站在一个简单循环中达到较高的热效率。最初那基荷电站设计的，现在慢慢作为中等负荷电站来运行，具有更高的实用性奥地利Korneuburg的CCGT电站(A)（额外热源HRSG）Korneuburg (Korneuburg A)的Brown Boveri CCGT电站最初75MW，包括两个25MW燃气轮机，一个补燃型余热蒸汽锅炉和一个25MW蒸汽轮机（全部为额定值）。建造于1960年，作为基荷电站运行的40多年，平均每年生产6000千瓦时的电力。Korneuburg A是利用燃气轮机余热的补燃型燃气/蒸汽联合电站（最大加热的反面）的一个实例。这个电站最大的特点的是有两个复杂的燃气轮机（有中间再冷和回