燃气轮机蒸汽轮机联合循环讲义

燃气轮机蒸汽轮机联合循环讲义第一页，共四十九页，2022年，8月28日第一章：燃气—蒸汽联合循环发电简介

第一节、天然气是绿色能源天然气的主要成分是甲烷（CH4），其分子由一个碳原子（C）与四个氢原子（H）组成。天然气无色、无味、无腐蚀性，天然气燃烧生成水（H2O）与二氧化碳（CO2），不产生灰、渣、二氧化硫等有害物质，天然气是世界公认的清洁能源。LNG就是液化天然气，液化后的天然气体积是气体形态的六百份之一，方便大量储存和远距离运输。采用LNG为原料，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术来发电的电厂称为燃气—蒸汽联合循环发电厂。采用天然气发电可大大减少对环境的污染，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术发电，发电效率高达57%，燃煤电厂为40%左右，发同样的电能CO2排放量仅为燃煤电厂的40%左右。第二页，共四十九页，2022年，8月28日第二节、液化天然气（LNG）燃机发电厂与燃煤发电厂性能比较示意图第三页，共四十九页，2022年，8月28日第三节：燃气轮机发展史中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程。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。

第四页，共四十九页，2022年，8月28日燃气轮机发展史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，透平效率也有了提高。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。

第五页，共四十九页，2022年，8月28日燃气轮机发展史随着高温材料的不断进展，以及透平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。

第六页，共四十九页，2022年，8月28日第二章：燃气—蒸汽联合循环发电系统的流程

下图是燃气—蒸汽联合循环发电系统设备与生产流程图，显示了天然气发电的主要流程

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在经过加热后的天然气进入燃气轮机的燃烧室，与压气机压入的高压空气混合燃烧，产生高温高压气流推动燃气轮机旋转做功。从燃气轮机排出的气体温度高达摄氏600度，仍然具备很高的能量，把这些高温气体送到锅炉，把水加热成蒸汽去推动蒸汽轮机，带动发电机发电。第八页，共四十九页，2022年，8月28日

第三章：燃气轮机概述

第

一节、燃气轮机工作原理及工作过程1、燃气轮机的工作原理燃气轮机的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧产生的高温高压气体推动燃气叶轮旋转

如下图：第九页，共四十九页，2022年，8月28日

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的基本原理与蒸汽轮机很相似，不同处在于工质不是蒸汽而是燃料燃烧后的烟气。燃气轮机属于内燃机，所以也叫内燃气轮机。燃气轮机是利用气体作为工质在燃烧室里燃烧，将燃料的化学能转变为气体的内能。在喷嘴里，气体的内能转变为气体的动能，燃气高速喷出，冲击叶轮转动第十页，共四十九页，2022年，8月28日2、燃气轮机的工作过程压气机(即压缩机)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，随即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用启动设备，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

第十一页，共四十九页，2022年，8月28日3、燃气轮机工作过程的分类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。例如：燃气—蒸汽混合循环电厂。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。

第十二页，共四十九页，2022年，8月28日4、影响效率的主要因素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。第十三页，共四十九页，2022年，8月28日

下面是一台燃气轮机模型，通过它来了解燃气轮机的工作过程。

模型的前端是空气进入口；环绕燃气轮机安装的是燃烧室；在燃烧室端面有天燃气的入口；燃气轮机的后面是燃烧后的高温气体排出口。

第十四页，共四十九页，2022年，8月28日把燃气轮机剖去1/4，可以看到内部的结构。

燃气轮机由三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，内部一排排叶片是压气机叶片；中间部分是燃烧器段，围绕一圈的是燃烧室；

右边部分是燃机透平，其中有透平叶片，右侧是燃气排出口。

第十五页，共四十九页，2022年，8月28日第二节、燃气轮机的设备结构

燃气轮机构造有三大部分：空气压缩机，燃烧室，燃气透平系统。1、燃气轮机之空气压缩机。压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室。为了生成高压空气，压气机装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子,转子上的叶片称为动叶。如下图所示：

第十六页，共四十九页，2022年，8月28日在每两级动叶之间有一组静止的叶片（简称静叶），一组动叶与后面相邻的静叶，称为压气机的一个级。多数燃气轮机的压气机有十几级，高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。如下图所示

。燃气轮机启动时，先把发电机当作电动机带动压气机旋转，把空气压入燃烧区。燃机点火后，则逐渐转变至由透平带动压气机旋转压气

第十七页，共四十九页，2022年，8月28日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。第十八页，共四十九页，2022年，8月28日2、燃气轮机之燃烧室燃气轮机一般有十几个燃烧室，安装在燃机外围。如下图所示：

第十九页，共四十九页，2022年，8月28日下面是一个燃烧室的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒组成，在外壳端部有天然气入口，在火焰筒尾部联接过渡段，在燃烧室内装有燃料喷嘴。

A第二十页，共四十九页，2022年，8月28日天然气通过燃烧室端部燃气入口进入燃烧室，喷入的天然气与压气机压入的空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。燃烧使气体体积剧烈膨胀，生成高温高压燃气从燃烧室过渡段喷出，进入透平做功。

第二十一页，共四十九页，2022年，8月28日3、燃气轮机之透平系统燃气透平也称为燃气轮，从燃烧室喷出的高压燃气推动透平叶轮旋转，把燃气的内能转化为透平的机械能燃气推动旋转的叶轮上的叶片称为动叶，在每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为透平的一级。为了充分利用燃气的热能，透平一般为3级或4级。如下图所示：第二十二页，共四十九页，2022年，8月28日第二十三页，共四十九页，2022年，8月28日透平叶轮安装在透平转轴上构成透平转子。（如下图所示）压气机转子与透平转子是安装在同一根转轴上，称为燃气轮机转子，透平旋转时也就带动压气机旋转工作。透平转子带动发电机发电，额定转速是每分钟3000转。

第二十四页，共四十九页，2022年，8月28日下面是一个燃气轮机整体剖面图第二十五页，共四十九页，2022年，8月28日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。

第二十六页，共四十九页，2022年，8月28日第四章：余热锅炉的基本原理余热锅炉包括上升管、汽包、下降管主要部件。上升管是由密集的管道排成的管簇，由上联箱、下联箱连成一体；上联箱通过汽水引入管连通汽包，汽包再通过下降管连到下联箱；上升管管簇、汽包、下降管构成了一个环路。上升管管簇在炉膛内，汽包与下降管在炉体外面。把水注入汽包，水便灌满上升管管簇与下降管，把水位控制在靠近汽包中部的位置。当高温燃气通过管簇外部时，管簇内的水被加热成汽水混合物。由于下降管中的水未受到加热，管簇内的汽水混合物密度比下降管中的水小，在下联箱形成压力差，推动上升管内的汽水混合物进入汽包，下降管中的水进入上升管，形成自然循环。如下图所示第二十七页，共四十九页，2022年，8月28日

余热锅炉基本原理图第二十八页，共四十九页，2022年，8月28日

上图是汽包（也称锅筒）结构示意图,汽包是水受热、蒸发、过热的重要枢纽，保证锅炉正常的水循环。上升管内的汽水混合物进入汽包后，通过汽水分离器分离成饱和蒸汽与水，饱和蒸汽通过汽包上方蒸汽出口输出；分离出的水与给水管注入的水再进入下降管。（给水—汽包—下降管—蒸发器—上升管—汽包—经分离--蒸汽去过热器

--水经下降管继续循环）第二十九页，共四十九页，2022年，8月28日用来产生饱和蒸汽的上升管管簇称为蒸发器，电厂锅炉还有省煤器与过热器，它们都由管簇组成。进汽包的水先在省煤器加热，再通过汽包、下降管进入蒸发器，可以提高蒸发器的效率与锅炉的效率。蒸发器生成的饱和蒸汽经汽包输出，再进入过热器加热成过热蒸汽，用过热蒸汽推动蒸汽轮机运转能保证系统的高效与安全。第三十页，共四十九页，2022年，8月28日第一节、余热锅炉的结构

从燃气轮机排出的气体温度高达摄氏600度，仍然具备很高的能量，把这些高温气体送到锅炉，把水加热成蒸汽去推动蒸汽轮机，带动发电机发电，可使发电容量与联合循环机组的热效率相对增高50%左右。这个靠燃气轮机排出气体的余热来产生蒸汽的锅炉称为余热锅炉。余热锅炉主要有进口烟道、炉体、汽包、烟囱组成。在炉体内有密集的管道，给水泵将要加热的水压进这些管道，燃气轮机排出的高温气体将管道内的水加热成高压蒸汽。大型余热锅炉有低压、中压、高压三部分，可同时产生低压过热蒸汽、中压过热蒸汽、高压过热蒸汽，分别驱动低压汽轮机、中压汽轮机、高压汽轮机，一起带动发电机发电，可大大增加燃气轮机发电厂的发电量。大型余热锅炉与燃煤电厂锅炉原理与组成基本相同，主要少了燃料运输粉碎与燃烧系统。第三十一页，共四十九页，2022年，8月28日余热锅炉的外观结构图。

第三十二页，共四十九页，2022年，8月28日余热锅炉本体采用模块化结构，以方便运输、安装。模块由管簇组成,是几十根管子组成的蛇形管组件,模块两端有上联箱与下联箱，是锅炉的受热部件，水在模块内被外部的高温气体加热。

第三十三页，共四十九页，2022年，8月28日为了更好的传递热量，在管道外表焊上鳍(qi)片（也称肋（lei）片）来增大管道的传热面积，下图展示的是一小段焊有鳍片的管道。

第三十四页，共四十九页，2022年，8月28日打开锅炉的侧壁，可看到内部装有多个模块，实际锅炉有近20个模块，其中多数是蒸发器、省煤器、过热器三类模块，除此还有再热器模块。第三十五页，共四十九页，2022年，8月28日第二节、余热锅炉汽水流程

大型燃机电厂采用三压再热循环余热锅炉，汽水系统主要由低压、中压、高压三部分组成，可同时产生低压过热蒸汽、中压过热蒸汽、高压过热蒸汽，分别驱动低压汽轮机、中压汽轮机、高压汽轮机，可最充分的把燃气的热能转换成机械功。

低压部分由低压省煤器、低压汽包、低压蒸发器、低压过热器组成。从凝结水泵来的冷水，通过低压省煤器预热后输入低压汽包，汽包下面连接着蒸发器，水在低压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到低压汽包。饱和蒸汽从低压汽包输出再通过低压过热器加热，产生低压过热蒸汽，用来驱动低压蒸汽轮机旋转做功。第三十六页，共四十九页，2022年，8月28日大型余热锅炉汽水流程图第三十七页，共四十九页，2022年，8月28日中压部分由中压省煤器、中压汽包、中压蒸发器、中压过热器、再热器组成。通过低压汽包出来的水由中压给水泵注入中压省煤器继续加热，然后进入中压汽包，在中压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到中压汽包。从中压汽包输出的饱和蒸汽通过中压过热器加热，然后再与高压汽轮机排出来的蒸汽混合，一同经过再热器加热，产生中压再热蒸汽，用来驱动中压蒸汽轮机旋转做功。高压部分由高压省煤器、高压汽包、高压蒸发器、高压过热器组成。通过低压汽包出来的水由高压给水泵注入高压省煤器加热，然后进入高压汽包，在高压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到高压汽包。从高压汽包输出的饱和蒸汽通过高压过热器加热，产生高压过热蒸汽，用来驱动高压蒸汽轮机旋转做功。第三十八页，共四十九页，2022年，8月28日第五章：燃气电站系统布置

燃气轮机、蒸汽轮机、发电机、余热锅炉四种主要设备组成了燃气—蒸汽联合循环发电系统，实际上这四种设备的组合布置有多种方式，但主要的分类方式是按轴系布置来分，一种是多轴布置方案，一种是单轴布置方案。

第一节、多轴布置

所谓多轴即燃气轮机带动一台发电机，蒸汽轮机带动一台发电机，各自一个轴系。在电厂建设时，只要燃气轮机机组安装完毕即可发电（不必等到锅炉与蒸汽轮机安装完毕）；蒸汽轮机检修时燃气轮机仍可发电。系统启动快，燃气轮机可先启动发电（不必等到锅炉里的水加热成蒸汽）。在我国20万千瓦以下的燃气—蒸汽联合循环发电机组多数采用多轴布置。

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下面是一套多轴布置系统流程示意图第四十页，共四十九页，2022年，8月28日

第二节：单轴布置单轴布置系统为燃气轮机、蒸汽轮机、发电机串联在一根轴上，共用一台发电机发电。由于一套单轴系统只有一台发电机与相关电气设备，可节省设备费用，减少厂房面积，系统调控相对简单。目前30万千