毕业设计范本

1、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学 院 材料与能源学院 专 业 热能与动力工程（热电方向） 年级班别 2011级1班 学 号 学生姓名 指导教师 柯秀芳 2015年 6 月 4MW燃气-蒸汽联合循环机组热力系统设计 材料与能源学院 联合循环系统设计及分析摘要燃气-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

2、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 AbstractGas - steam combined cycle makes use of energy effectively and makes full use of different quality of energy.On the one hand, the cascade utilization of e

3、nergy has greatly increased the thermal efficiency of power plants;on the other hand, using the clean gas to generate electricity reduces the pollution to the environment.So the gas - steam combined cycle power generation technology get a rapid development in the world. This design is mainly ca

4、rried out on the gas - steam cycle thermal system heat balance calculation and the use of multiple parameters for simple optimization.After finishing the design of system,make a comprehensive thermal economic analysis for the system.This design is mainly divided into three parts,the first part is th

5、e type selection of thermal system and according to the known conditions to calculate the heat balance of gas turbine,heat recovery boiler, turbine and give a heat economic analysis.The second part is to give out a sample introduction and design of the local system.The last part is to give a sample

6、type section and calculation of the value and pipe.Key words:combined cycle,thermal efficiency,cascade utilization,heat recovery boiler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

7、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341 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

8、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

9、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

10、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，发展清洁燃煤技术，煤气化联合循环和整体气化燃料电池等以

11、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；

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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，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

18、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。

19、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

20、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。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

21、；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、

22、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

23、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

24、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，作用是提高工质的压力；燃烧室的作用与汽轮机循环中锅炉的作用类似，是提高工质的温度，将燃料的化学能转化为工质的热能；透平与汽轮机循环中的汽轮机的作用类似，是通过工质的膨胀将其热能转换为机械功。 燃气轮机的工作过程是，压气机连续地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，随后进入透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转。燃气轮机由静止起动时

25、，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。 燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末,压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200左右，航空燃气轮机的超过1350。 压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几

26、级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。 燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。燃气轮机有重型和轻

27、型两类。重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑、最轻，但寿命较短。与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为25千克/千瓦，而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而3040兆瓦以上的几乎全部用于

28、发电。燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。燃气轮机组有以下优点:1）发电品质好，燃气轮机发电机组工作时只有旋转运动，电调反应速度快，工作平稳，使发电机组输出电压和频率稳定、输出精度高、波形失真小。2）抗过载能力强，燃气轮机是高速旋转运动，所以可依其惯性来应付过载。3）自动化程度高，燃气轮机发电机组的电调系统对机组的待起动状态、起动、带载运行及停机的全部过程实行自动调节和监控，机组的所有运行参数均由计算机控制。4起动可靠，燃气轮机是对已雾化的燃料点火，所以点火可靠，具有良好的低温起动性能，即使

29、在寒冷的气象条件下，起动的成功率也在99.5%以上。5）加载时间快，燃气轮机发电机组的起动时间尽管比柴油机长，但起动后可以立即加载100%的额定负荷，这样可以消除暖机的时间，以便及时供电。6）噪声低，由于燃气轮机工作时只有高速旋转，所产生的噪声为高频噪声，易于减弱，因此吸声箱体的结构简单。7）操作简单，维护方便，燃气轮机发电机组采用电调自动控制，装有自动报警和自动保护系统，可确保发电机组的安全运行，操作简单、维护方便。8）燃料多样化，燃气轮机发电机组可使用多种燃料，如柴油、煤油、天然气、煤气都可使用，用户可任选燃料。9）机动、灵活，由于燃气轮机特有的工作原理，故可做成移动式发电机组，根据需要可

30、随意到达任何区域进行供电。表2.1 压气机热力计算结果名称参数单位数值燃气轮机功率Pgtkw2850.0000理想进汽温度TaK288.0000进汽压力PaMPa0.1013压气机进口温度T*1K288.0000多变系数Ka-1.3860压缩比-9.0000压气机理想出口温度T*2sK531.0658理想温升TcsK243.0658压气机内效率c-0.9000实际温升TcK270.0731压气机实际出口温度T*2K558.0731空气比热容CpakJ/(kg·K)1.0300压缩机压缩功ckJ/kg278.1753（1）压气机压缩过程 取大气条件Ta=15，pa=0.1013MPa，

31、压气机进口温度T1*=Ta=288K，取压缩空气的平均多变系数Ka=1.386，平均比热容cpa=1.03kJ/（kg·K)由于中小功率的燃气轮机主要采用离心式压气机，离心式压气机的空气流量为数公斤至数十公斤每秒。亚音速离心式压气机的增压比约为4.5，超音速离心式压气机可达810，选择选择超音速离心式压气机取压缩比=9；压气机理想出口温度 （2.1）压气机理想温升 （2.2）压气机内效率c=0.80.92，故选取c=0.90压气机实际温升 （2.3）压气机实际出口温度 （2.4）压气机压缩功 （2.5）表2.2 空气的定压比热容、定容比热容与多变系数温度（T/K）Cp（kJ/(kg.

32、K)）Cv(kJ/(kg.K)2501.0030.7161.4013001.0050.7181.4005001.0290.7421.3876001.0510.7641.3762881.00450.7181.4005581.0420.7551.380平均值1.0290.7421.387由表2.2可以看出压气机压缩过程的定压比热容与多变系数与由经验得出的数值相差不大，故取压缩空气的平均多变系数Ka=1.386，平均比热容cpa=1.03kJ/（kg·K)合理。（2） 燃烧过程表2.3 透平热力计算结果燃烧初温T*3K1200.0 燃气比热容CpgkJ/(kg·K)1.20进汽吸

33、热量qbkJ/kg865.1847 天然气发热值Qnetkcal8000.0燃气热量HukJ/kg46688.5977 燃烧室效率b-0.98燃料空气比fkg（燃料）/kg（空气）0.0189 进气道压损率c-0.01燃烧室压损率b-0.03排气道压损率t-0.03透平膨胀比t-8.3834 透平多变系数KgkJ/(kg·K)1.3150 透平理想排气温度T*4sK721.0768 透平理想温差TtsK478.9232 透平内效率tn-0.9400 透平实际温差TtK450.1878 透平实际排气温度T*4K749.8122 透平膨胀功tkJ/kg540.2254 燃气轮机总效率m-

34、0.9900 燃气轮机比功nkJ/kg259.4296 燃气轮机轴功Pwkw2850.0空气流量qmkg/s10.9856 燃料流量qmfkg/s0.2077 循环热效率gt-0.2939 抽引空气比率cl-0.05过量空气系数-1.1烟气流量qmgskg/s10.64408611 选取中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司生产的型号为D049R型发动机改装成的燃气轮机，D049R型发动机可以快速投入运行，效率高，节省燃料，电子自动控制系统使该发动机可应用于无人生产技术，D049R的额定功率为2.85MW，热效率为28.5%，排气温度为460，输出转速为14000r/min。对于轻型的燃气轮机，用于

35、发电时，燃气的燃烧初温相对较低，故选取燃气燃烧初温，选取燃气平均比热容燃气的进汽吸热量为 （2.6）取广东天然气的低位发热量8000kcal，主要成分为CH4=98%，C3H6=0.4%，C3H8=0.3%，C4H10=0.3%，N2=1%，标准状态下密度为=0.7174kg/m3即Hu=46688.6kJ/kg，燃烧室效率b=0.960.99，取b=0.98,取燃气平均多变系数kg=1.315则燃料空气比 （2.7）（3） 膨胀过程进汽道的压损率c=0.010.015，取c=0.01；燃烧室的压损率b=0.030.06，取b=0.03；排气道的压损率t=0.0250.07，取t=0.03；透

36、平膨胀比与压气机的增压比有以下关系： （2.8）透平理想排气温度 （2.9）透平理想温差 （2.10）透平内效率t=0.870.94，取t=0.94透平实际温差 （2.11）透平实际排气温度 （2.12）透平膨胀功 （2.13）(4） 整体性能燃气轮机总效率取m=0.99燃气轮机比功 （2.14）燃气轮机轴功Pw=2850kw空气流量 （2.15）燃料流量 （2.16）燃气轮机热效率 （2.17）从压气机抽引空气的比率cl=0.020.10，取cl=0.05过量空气系数取=1.1烟气流量 （2.18）2.2余热锅炉热平衡计算2.2.1余热锅炉的介绍 世界发达国家利用余热发电的电量占总发电量的比

37、例为: 荷兰在1955年占25% ，1980年降至10%，而1985年又增至14%;英国虽然在1973年后,余热发电量不断下降, 但现今上升到占总发电量的6%，其中利用工业余热所发的电量为三分之二。美国1984年利用工业余热的发电装置总电功率为11800MW，占美国电站总容量的2%,1985年余热发电量达12.8x1010kw·h。可见利用余热发电己成为各国二项重要的节能手段。随着经济的快速发展，社会对能源的需求和对环保的要求越来越高。在近10年来，大型燃机的效率和排放水平得到提高，联合循环发电厂的热效率( 目前已经达到58%) 比传统的火电厂( 35% 40%，最高45%) 高很多

38、。联合循环电厂在安装成本和安装时间方面与常规火电相比，具有不可比拟的优势，借此减少成本费用和开发者投资风险。联合循环电厂能够提供最低水平NOx和CO的排放，尤其是在安装低NOx燃烧器和SCR、CO催化剂情况下更是如此，这就使高效、节能、低排放的联合循环电站( CCPP)市场得到迅猛发展，也促使余热锅炉技术必需予以发展，并使余热锅炉供应商能够提供更低的价格，使用户的经济效益也越来越大5。为了提高朗肯循环的效率，有效地与高温燃气轮机相匹配，余热锅炉设计必须在相当高的烟气温度下运行，同时还要考虑匹配越来越大的联合循环中燃气轮机容量的跳跃性增大。为从燃机尾气的余热中回收更多的热量，使得烟囱排烟温度更低

39、，余热锅炉从单压发展到双压锅炉，这个发展将联合循环的热效率提高了近4个百分点，再从双压发展到三压，整个循环的效率又提高了1个百分点。目前，所有的余热锅炉制造商都能提供三压加再热蒸汽系统以达到最高效率。余热锅炉分为立式余热锅炉和卧式余热锅炉两种。立式余热锅炉起源于欧洲，因欧洲要求占地面积较小，而且对调峰循环运行所产生的热应力敏感度较低; 卧式余热锅炉通常在北美地区应用。随蒸发器设计水平的提高，立式余热锅炉不再需要强制循环泵，和卧式余热锅炉相同，属于完全自然循环。立式和卧式锅炉的效率相同。燃油、燃气、燃煤经过燃烧产生高温烟气释放热量，高温烟气先进入炉膛，再进入前烟箱的余热回收装置，接着进入烟火管，

40、最后进入后烟箱烟道内的余热回收装置，高温烟气变成低温烟气经烟囱排入大气。由于余热锅炉大大地提高了燃料燃烧释放的热量的利用率，所以这种锅炉十分节能。余热锅炉按燃料分为燃油余热锅炉、燃气余热锅炉、燃煤余热锅炉及外媒余热锅炉等。按用途分为余热热水锅炉、余热蒸汽锅炉、余热有机热载体锅炉等。要使用户在电厂使用寿命期内获得满意的余热锅炉，综合当前的需求和限制条件，有以下需要关注:(1) 通过计算循环应力得到运行允许的温度和压力梯度，然后来决定厚壁元件的直径和壁厚。(2) 对循环工况进行动态分析，对局部故障区域，比如多管列联箱、接管和压力元件间管接头进行有限元分析和恰当的设计，并对循环中冷凝水的形成进行动态

41、分析，比如吹扫或保温以及恰当的排放设计，可以预防低循环周期疲劳。(3) 如果不可避免对带分隔板的联箱进行有限元分析，通过适当的设计将会避免低循环疲劳。(4) 在过热器区段里对蒸汽流动进行模型计算，得出管接头数量和直径，将会避免性能缺陷。(5) 补燃时烟气流动模型和适当的烟道设计将会避免性能缺陷。2.2.2未来余热锅炉的发展首先，基于今天的和预期的经验，客户和供应商将会得到余热锅炉对联合循环电厂的整体RAMS性能作用很大的结论，这将会导致彼此更密切的合作和调整。余热锅炉供应商应通过透明的项目管理、设计控制和整个供应链的优化，以满足客户需要。其次，由于联合循环电厂的发展，余热锅炉技术在RAMS方面

42、将会得到提高。使用余热锅炉产生的蒸汽冷却燃机叶片的下一代燃气轮机正在研制中，已经实现了燃机与余热锅炉之间的连接，即使用余热锅炉的锅水冷却燃机冷却空气，然后将过热蒸汽送回到余热锅炉。这种新技术将会实现燃机与余热锅炉之间前所未有的连接，蒸汽不仅用作底部循环工作流体，而且作为避免燃机金属升温到破坏程度的冷却剂。对于余热锅炉设计工程师来说，热动力优化并不是真正的挑战，因为目前的三压再热设计已经代表了很高的经济性和热动力性能。提高RAMS性能再次成为目标。特定的目标尤其是: 减少低循环疲劳，提高模块化以缩短安装时间，增加车间内的可靠工作以及关键材料比如P91和T91的使用。第三，不同于传统的庞大三压再热

43、汽包型锅炉的直流式锅炉证实为可以满足市场从基荷向循环调峰运行变化中的要求。从技术上的观点来看，直流式锅炉，尤其是用于循环调峰时，必须采用立式结构。结合单压系统和大型燃机以及发展良好的直流技术，肯定将提高RAMS性能，同时达到“超过60%效率”的目标。 双压余热锅炉是指可以产生两种不同压力蒸汽的余热锅炉，相对于普通余热锅炉可以更好的利用余热。根据热力学原理和计算可以得知，蒸汽分段进入汽轮机做功发电最合理，因此在相同条件下，双压系统发电能力最高，闪蒸系统处于中等，单压系统发电能力最低。双压余热发电技术与常规余热发电系统不同之处在于为了分别实现汽水循环，以生成两种压力的过热蒸汽，针对同样一台余热锅炉

44、，配备压力级别不同的两种汽水系统，在进人不同的补汽汽轮机的时候，低压蒸汽视为补汽，中压蒸汽视为主汽，这样就能够实现汽轮机的发电做功。这样按照能量梯级利用的原理，实现了温度对口回收，使更多的低温余热被吸收利用，从而提高热回收效率。双压余热锅炉的排烟温度能降到110。目前双压余热锅炉主要有双压再热和双压不再热两种形式，其最显著的特点是：双锅筒，能产生两种不同压力的蒸汽。中、低温余热热源的温度较低，一般小于400，废气量较大，为充分利用这些中、低温热源，就要求更合理的改进发电系统。目前中、低温余热发电技术主要采用三种热力系统：单压系统、双压系统、闪蒸系统。对于温度小于400 的中低温余热资源而言，经

45、过定量的分析计算，从热利用效率以及经济效益考虑，双压余热锅炉是最佳选择的余热回收方式。故本设计使用双压无再热自然循环带整体式余热锅炉。表2.4 余热锅炉热力计算结果参数单位数值燃气轮机排烟焓（T*4）Qr=hmgskJ/kg577.0604374烟气流量Dyqt/h38.31871001余热锅炉排气温度TpyK393烟气排气焓hpykJ/kg137.6861167烟气损失q2-0.238599127气体不完全燃烧热损失q3-0固体不完全燃烧热损失q4-0散热损失q5-0.033其他损失q6-0.005锅炉总损失q-0.276599127锅炉热效率gl-0.723400873锅炉热负荷QbkJ/

46、kg4443.331428锅炉给水温度tgs104给水压力pgsMPa0.117给水焓hgskJ/kg435.95高压过热蒸汽参数：温度tgy435压力pgyMPa3.432焓值hgykJ/kg3302.92熵值S0kJ/(kg·k)6.9705流量Dgyt/h1.245低压过热蒸汽参数温度tdy180压力pdyMPa0.4焓值hdykJ/kg2817.67熵值S0kJ/(kg·k)7.1163流量Ddyt/h4.218锅炉总产气量Dt/h5.463锅炉额定蒸发量Det/h6透平实际排气温度（476.65）；由李金玉6等人编写的燃气烟气焓温表查得透平出口烟气焓；烟气流量 （

47、2.19）燃烧天然气一般排烟温度为110130，故取余热锅炉排气温度Tpy=120，由李金玉等人编写的燃气烟气焓温表查得余热锅炉排出烟气焓值hpy=137.7kJ/kg烟气损失 （2.20）气体不完全燃烧热损失q3=0固体不完全燃烧热损失q4=0锅炉在额定蒸发量的散热损失7： （2.21）Ded：额定蒸发量在其他蒸发量的散热损失： （2.22）其他热损失锅炉总损失 （2.23）锅炉热效率 （2.24）锅炉热负荷 （2.25）余热锅炉给水温度即除氧器出口温度，采用余热锅炉整体式除氧器取tgs=104，查水蒸汽热力性质表得，饱和压力pgs=0.117MPa，给水焓值hgs=435.95kJ/kg计

48、算汽轮机高低压蒸汽流量，余热锅炉中烟气的热量传递给锅炉给水，根据能量守恒定律，汽轮机的输出功应该等于烟气放出的热量8即=4443.33 KW (2.26)式中，Q1为汽机高压缸的输入能量，Q2为汽机低压缸的输入能量P=P1+P2=4000-2850=1150 KW (2.27) 式中，P1为汽机高压缸的做功量，P2为汽机低压缸的做功量 (2.28) (2.29) (2.30) (2.31)由（2.26）（2.27）（2.28）（2.29）（2.30）（2.31）求得Dgy=1.245t/h Ddy=4.218t/h故高压缸做功量： (2.32)低压缸做功量： (2.33)高温过热蒸汽参数：温度

49、tgy=435（汽轮机主蒸汽温度）压力pgy=3.432MPa根据水蒸汽热力性质表查得焓值hgy=3303.92kJ/kg比体积=0.09355m3/kg熵值S0=6.9705kJ/(kg·k)流量Dgy=1.245t/h低压过热蒸汽蒸汽，选取低压过热蒸汽的参数如下：温度tdy=180压力pdy=0.4MPa根据水蒸汽热力性质表查得焓值hdy=2817.67kJ/kg熵值kJ/(kg·k)比体积=0.6138m3/kg流量Ddy=4.218t/h锅炉总产气量D=Dgy+Ddy=5.463t/h （2.34）取锅炉额定蒸发量De=6t/h选取杭州锅炉厂生产的余热锅炉，型号为Q

50、40/500-6-3.43/435，表示气体余热载体量为40x103m3/h，余热载体温度为500，额定蒸发量为6t/h，额定蒸汽温度为435，额定蒸汽压力为3.43MPa。2.3蒸汽轮机的热平衡计算 汽轮机的工作原理是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。汽轮机主要由转动部分和静止部分组成。转子包括主轴、叶轮、动叶片和联轴器；静子包括静子包括进汽部分、汽缸、隔板和静叶栅、汽封及轴承等。高压过热蒸汽做功后与低压过热蒸汽混合后进入低压缸做功，高压过热蒸汽在高压缸中等熵膨胀，熵不变，故从高

51、压缸做完功出来的蒸汽参数如下：由P2=pdy=0.4MPa，S2=6.9705kJ/（kg·k），查询水蒸汽表得h2=2761.27kJ/kg，t2=154；高低压蒸汽汇合后平均焓值 （2.35）查水蒸汽的h-s图可以获得高低压蒸汽混合后温度t2=174混合后熵S2=7.0876kJ/（kg·k）凝汽器排气压力pc=0.0029MPa0.0096MPa，取pc=0.005MPa混合蒸汽在低压缸中等熵膨胀，熵不变Sc=7.0876kJ/（kg·k）在h-s图上查得hc=2141.4kJ/kg排气温度tc=32.88汽轮机输入能量 （2.36）排气输出能量Q= （2.

52、37）汽轮机输出电功率 （2.38）由计算得出的汽轮机功率1193.53KW略大于额定功率1150KW，但在误差允许范围内。汽轮机热效率 （2.39）联合循环的热效率 （2.40）功比率 （2.41）表2.5 蒸汽轮机热力计算结果高压过热蒸汽参数单位数值温度tgy435压力pgyMPa3.432焓值hgykJ/kg3302.92熵值S0kJ/(kg·K)6.9705流量Dgyt/h1.245低压过热蒸汽-温度tdy180压力pdyMPa0.4焓值hdykJ/kg2817.67熵值S0kJ/(kg·K)7.1163流量Ddyt/h4.218在高压缸0.4MPa处-压力P2MPa0.4熵值