燃气轮机原理概述及热力循环

燃气轮机原理概述及热力循环第1页，共83页，2023年，2月20日，星期一主要教学内容第一章概述第二章燃气轮机热力循环第三章燃气轮机主机及主要部件第四章燃气蒸汽联合循环装置第五章燃气轮机发电机组的调节与控制第2页，共83页，2023年，2月20日，星期一学习参考书选用教材：《燃气轮机发电动力装置及应用》.林汝谋，金红光主编.北京：中国电力出版社，2004.9[1]、《燃气轮机及其联合循环发电》.姚秀平编著.北京：中国电力出版社，2004.10[2]、《整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC）》.焦树建编著.北京：中国电力出版社，1996.12[3]、《燃气-蒸汽联合循环的理论基础》.焦树建主编.北京：清华大学出版社，2003.11第3页，共83页，2023年，2月20日，星期一焦树建2007.8黄庆宏2005.11第4页，共83页，2023年，2月20日，星期一第一章概述第一节燃气轮机简介第二节国外燃气轮机的发展和应用概况第三节我国燃气轮机的简况

第5页，共83页，2023年，2月20日，星期一第一节燃气轮机简介一、燃气轮机的定义及组成1、定义：

燃气轮机（GasTurbine，GT）是以连续流动的燃气作为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的化学能转变为有用功的内燃式动力机械。第6页，共83页，2023年，2月20日，星期一2、组成：三大基本机械组成部分+辅助传动装备压气机：Compressor--C

燃烧室：CombustionChamber--CC

涡轮：Turbine--T第7页，共83页，2023年，2月20日，星期一GasTurbineEngine第8页，共83页，2023年，2月20日，星期一第9页，共83页，2023年，2月20日，星期一BraytonCycleCOMPRESSORAIRCOMBUSTIONCHAMBEREXHAUSTWORKFUELTURBINE第10页，共83页，2023年，2月20日，星期一第11页，共83页，2023年，2月20日，星期一第12页，共83页，2023年，2月20日，星期一典型航空发动机示意图单晶第13页，共83页，2023年，2月20日，星期一第14页，共83页，2023年，2月20日，星期一第15页，共83页，2023年，2月20日，星期一二、燃气轮机的工作原理及过程

1、工作原理：

压气机从外部吸入空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行燃烧，生成的高温、高压烟气进入透平（涡轮）膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而使得转子旋转做功。转子做功的大部分（现时情况下约2/3左右）用于驱动压气机，另约1/3的功被输出用来驱动机械设备，如发电机、泵、压缩机等等。透平出来的烟气温度很高，可再利用（如利用余热锅炉进行余热回收利用）或直接排入大气（如航空发动机）。第16页，共83页，2023年，2月20日，星期一第17页，共83页，2023年，2月20日，星期一2、工作过程：布雷登循环（BraytonCycle）吸气压缩燃烧加热膨胀做功排气放热

比较：蒸汽轮机：朗肯循环（RankineCycle）柴油机：狄塞尔循环（DiselCycle）第18页，共83页，2023年，2月20日，星期一朗肯循环：

——最简单的蒸汽动力循环，由给水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。

1-2过程：等熵膨胀

2-3过程：定压（定温）放热

3-4过程：等熵压缩程

4-1过程：定压吸热第19页，共83页，2023年，2月20日，星期一狄塞尔循环：

——为描述内燃机工质的热力学过程建立的循环。狄塞尔循环由绝热压缩、定压加热、绝热膨胀和定容放热过程组成的气体可逆循环。柴油机按这种模式工作。

第20页，共83页，2023年，2月20日，星期一三、燃气轮机的主要特点优点：

1）重量较轻，体积小；

2）装置经济性较高；

3）启动快，维修方便，运行可靠，自动化程度高，造价低等；

4）不用水或少用水；

5）可燃用多种燃料，污染排放低等。缺点：

1）单机功率较小；

2）运行寿命较短（有所延长，可达20年）；

3）对燃料种类有较高的要求（液体和气体燃料为主）。第21页，共83页，2023年，2月20日，星期一第二节国外燃气轮机的发展及应用

概况一、发展简史

1、雏形：中国南宋高宗时的走马灯；15世纪末，意大利的L.达·芬奇设计出的烟气转动装置。第22页，共83页，2023年，2月20日，星期一2、1791年，英国J.巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；3、1872年，德国F.施托尔策设计了一台燃气轮机。4、1872年，德国F.施托尔策设计了一台燃气轮机。5、1920年，德国H.霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机。6、1936年，瑞士制成第一台能量回收装置。它是利用生产中排放的气体在透平中膨胀作功的装置。7、1939年，瑞士制成了效率达18％的4兆瓦发电用燃气轮机(简单循环)；德国生产装有涡轮喷气发动机的第一架飞机试飞。8、1941年，瑞士BBC制造的第一辆燃气轮机车通过了交货试验。9、1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水。10、1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。

此后燃气轮机的功率不断增大，应用逐渐广泛，与此同时，也出现了燃气轮机与其它热机相结合的复合装置。第23页，共83页，2023年，2月20日，星期一二、应用概况

1、航空领域

2、发电用燃气轮机

3、工业用燃气轮机

4、船用燃气轮机

5、机车用燃气轮机（法国、加拿大）

6、车辆用燃气轮机坦克的动力装置（军事）；汽车发动机：研制中第24页，共83页，2023年，2月20日，星期一航空用第25页，共83页，2023年，2月20日，星期一发电用第26页，共83页，2023年，2月20日，星期一

工业用第27页，共83页，2023年，2月20日，星期一舰船用第28页，共83页，2023年，2月20日，星期一火车机车用第29页，共83页，2023年，2月20日，星期一汽车用第30页，共83页，2023年，2月20日，星期一军事用第31页，共83页，2023年，2月20日，星期一三、发展趋势与前景

1、不断向高参数、高性能、大型化方向发展；

2、重视系统集成与总能系统广泛应用；

3、积极采用新技术、新材料、新工艺；四大集成技术：

高温合金冷却技术气动热力设计燃烧技术

4、燃料能源多元化和燃煤联合循环商业化；

5、积极开拓新型热力循环与总能系统。第32页，共83页，2023年，2月20日，星期一第一代：

时间：20世纪40年代-80年代初期；性能参数：燃气初温1000℃、压比4～10、单机功率100MW、简单循环效率30%。第二代：

时间：20世纪80年代-90年代末期；性能参数：燃气初温1350℃、单缸压比15-30、单机功率100-250MW、简单循环效率40%，联合循环效率60%。四、世界工业燃气轮机及联合循环技术的

发展阶段第33页，共83页，2023年，2月20日，星期一第三代：

时间：2000年及其后若干年；性能参数：燃气初温1400-1600℃、单机功率250-350MW、简单循环效率≥40%，联合循环效率≥60%。典型代表：GE“H”型机组第四代：燃气轮机处在或接近于理论燃烧空气量条件下工作，燃气初温1600～1800℃，冷却系统可能被取消，采用新的高温材料-密度更小、高温性能更好（如陶瓷材料）

——基于革命性新材料的构思中的更新一代的燃气轮机。第34页，共83页，2023年，2月20日，星期一微型燃气轮机

（Microturbine或Micro一turbines）一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW。基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构特别是电力系统的放松控制（Deregulation）以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视，特别是在美、欧等国发展迅猛，大有与大中型燃气轮机共占市场的势头。第35页，共83页，2023年，2月20日，星期一先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃气轮机的技术特点及其优越性，微型燃气轮机将在我国得到广泛的重视与应用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输（混合动力汽车）以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也非常重要。第36页，共83页，2023年，2月20日，星期一五、当前世界上发电用工业型燃气轮机

技术派系--四大体系公司国家世界排名备注GE美国1（53.5%）1、各燃机公司燃机产量占全世界总产量的百分比（1989-1992统计数据）；2、20世纪90年代后期，ABB公司的燃气轮机部分并入Alsthom公司；WH公司燃气轮机部分并入Siemens公司。WH/MHI美国/日本2（19.2%）ABB瑞士3（14.4%）Siemens德国4（9%）第37页，共83页，2023年，2月20日，星期一目前，世界上只有美、英、俄、法、德、日本等几个少数发达国家具备独立研制燃气轮机的能力，其核心技术一直被这些国家所垄断。第38页，共83页，2023年，2月20日，星期一第三节我国燃气轮机的简况建国前：空白建国后：（1）先后研制过的燃气轮机型号多达数十种，积累实际使用的经验；（2）地面用燃气轮机轻型燃气轮机：航改机组重型燃气轮机：自行设计、测绘仿制或国际合作生产。第39页，共83页，2023年，2月20日，星期一目前概况（1）燃气轮机占发电设备的比例将逐渐增大；（2）以燃机为核心的总能系统将成为我国新世纪火电动力的主要发展方向，中国将成为世界最大的燃机潜在市场。第40页，共83页，2023年，2月20日，星期一思考题第41页，共83页，2023年，2月20日，星期一第二章燃气轮机热力循环第42页，共83页，2023年，2月20日，星期一前章知识回顾燃气轮机简介国外燃气轮机的发展和应用概况我国燃气轮机的简况基本组成工程原理工作过程应用领域发展趋势与前景解放前、解放后和目前的发展情况第43页，共83页，2023年，2月20日，星期一本章学习内容第一节燃气轮机热力循环基础原理第二节燃气轮机的理想简单循环第三节改善燃气轮机性能的热力循环措施第44页，共83页，2023年，2月20日，星期一第一节燃气轮机热力循环基础原理1.1热力循环的概念和功能

热力循环：热力系统（工质）经过一系列的状态变化，重新 回复到原来状态的全部热力过程，简称循环。功能： 热能 机械能热力循环正向（p-v图上顺时针）热能机械能逆向（p-v图上逆时针）热能机械能动力循环(汽轮机、燃气轮机)输入外功(冰箱、空调等）热力循环p-v图第45页，共83页，2023年，2月20日，星期一主要热力参数(1)压比π(2)温比τ——压气机出口气流滞止压力p*2与进口气流滞止压力p*1之比。(反应工质在压气机内被压缩的程度。)——透平进口气流的滞止温度T*3与压气机进口气流的滞止温度T*1之比。(反应工质被加热的程度。)1.2燃气轮机装置循环的热力性能指标流体等熵减速到静止时的压力即为滞止压力，相应的温度为滞止温度。第46页，共83页，2023年，2月20日，星期一主要性能参数(1)燃气轮机的比功Wn(2)燃气轮机的热效率η——压气机吸入单位质量空气时燃气轮机输出的净功。忽略机械损失时，燃气轮机比功Wn近似等于透平比功与压气机比功之差，即：Wn=WT-Wc（反应同样工质流量和装置尺寸下燃气轮机的功率。）——装置输出功与输入的燃料能量之比，即：η=Wn/qb=Wn/(f×Hu)式中：f—燃料空气比；Hu—每千克燃料的低热值。（反应将燃料能量转化为机械功的热经济性。）第47页，共83页，2023年，2月20日，星期一按照工质流动与组织方式分类(1)开式循环（OpenCycle）(2)闭式循环（ClosedCycle）(3)半闭式循环（SemiclosedCycle）1.3热力循环的分类第48页，共83页，2023年，2月20日，星期一特点工质由大气进入燃机，再排入大气；结构最简单，紧凑轻巧、启动快；少用或不用冷却水。应用：航空燃机(1)开式循环（OpenCycle）第49页，共83页，2023年，2月20日，星期一特点工质在封闭系统中循环工作(与大气无关)；以特殊气体为工质时多采用闭式循环。应用：高温气冷堆核电站中的燃气轮机工质为氦气，其化学稳定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热安全带出，安全性能好。(2)闭式循环（ClosedCycle）第50页，共83页，2023年，2月20日，星期一特点工质从大气环境进入系统；一部分工质经历热力循环后又排出到大气环境（开式）；另外一部分再循环（闭式特点）。应用：双轴燃气轮机(3)半闭式循环（SemiclosedCycle）第51页，共83页，2023年，2月20日，星期一按照工质所经历的热力过程及其组合分类(1)简单循环（SimpleCycle）(2)回热循环（RegenerativeCycle）(3)再热循环（ReheatingCycle）(4)中间冷却循环（IntercooledCycle）(5)联合循环（CombinedCycle）第52页，共83页，2023年，2月20日，星期一——依次由压缩、燃烧和膨胀过程组成的热力循环。(1)简单循环（SimpleCycle）第53页，共83页，2023年，2月20日，星期一——利用排气余热对压气机出口的工质进行预热的热力循环。压缩回热加热燃烧膨胀回热放热工质经历的热力过程(2)回热循环（RegenerativeCycle）回热循环（开式）第54页，共83页，2023年，2月20日，星期一——在相继的膨胀段之间对工质进行再次加热的热力循环。(3)再热循环（ReheatingCycle）第55页，共83页，2023年，2月20日，星期一——在相继的压缩段之间对工质进行冷却的热力循环。(4)中间冷却循环（IntercooledCycle）燃气轮机间冷循环示意图第56页，共83页，2023年，2月20日，星期一

——将具有不同工作温度区间的热机循环联合起来，互为补充。余热锅炉型联合循环系统(1)余热锅炉(HRSG)：HeatRecoverySteamGenerator狭义：燃气-蒸汽联合循环。广义：各种形式热机联合。(5)联合循环（CombinedCycle）第57页，共83页，2023年，2月20日，星期一余热锅炉型联合循环系统（2）第58页，共83页，2023年，2月20日，星期一燃气轮机多种热力循环的组合哪几种热力循环？间冷循环回热循环再热循环第59页，共83页，2023年，2月20日，星期一余热锅炉型联合循环模拟系统（2）第60页，共83页，2023年，2月20日，星期一理想余热锅炉型联合循环系统的特点：燃气轮机—高温区、高品位热量，平均吸热温度高；蒸汽轮机—低温区、低地品位热量，平均放热温度低；热量梯级利用，循环效率较高。理想余热锅炉型联合循环系统图和温熵图第61页，共83页，2023年，2月20日，星期一最低供电效率约53%；除KA13E2型机组，其他机组供电效率>56%。第62页，共83页，2023年，2月20日，星期一燃气蒸汽联合循环电站外景第63页，共83页，2023年，2月20日，星期一第二节燃气轮机的理想简单循环简单循环1873年，美国人布雷登（Brayton）简单循环：由压气机、燃烧室和透平三个基本部分组成的燃气轮机循环。2.1简单循环及理想循环的假定条件燃气轮机的简单循环第64页，共83页，2023年，2月20日，星期一理想循环的假定条件工质视为理想气体，即比定压热容cp和等熵过程指数k不随气体的成分、温度和压力而改变；工质在压气机中的压缩过程和在透平中的膨胀过程均为等熵过程；忽略燃烧室和燃气轮机进排气道的压力损失；忽略燃气流量与空气流量之差；忽略燃料的不完全燃烧损失和燃烧室的散热损失；忽略机械摩擦与传动损失。第65页，共83页，2023年，2月20日，星期一（布雷登循环）第66页，共83页，2023年，2月20日，星期一2.2比功、效率与压比、温比的关系理想简单循环的比功计算公式理想简单循环的效率计算公式第67页，共83页，2023年，2月20日，星期一理想简单循环的比功、效率与压比、温比的关系图形理想简单循环的比功、效率与压比、温比的关系第68页，共83页，2023年，2月20日，星期一理想简单循环的比功、效率与压比、温比的关系图形理想简单循环的比功、效率与压比、温比的关系结论1——比功与压比、温比的关系：（1）压比π一定时，温比τ越高，则比功Wn越大；（2）温比τ一定时，随压比π从小到大变化，比功Wn呈先增后减的趋势，而且存在一个使比功最大的最佳压比πWmax；（3）温比是影响最佳压比的唯一因素，温比τ越高，则最佳压比越大。结论2——效率与压比、温比的关系：（1）燃气轮机的循环效率η仅取决于压比π，而与温比τ无关；（2）效率η随压比增大而增大。第69页，共83页，2023年，2月20日，星期一2.3理想循环与实际循环的比较工况条件的差别(1)实际的压缩和膨胀过程均为有损耗的不可逆过程，不是等熵过程；(2)工质实际流动中存在压力损失，燃烧室和进排气道内的吸热和放热过程并非等压；(3)燃烧室中实际上存在不完全燃烧损失和散热损失；第70页，共83页，2023年，2月20日，星期一2.3理想循环与实际循环的比较工况条件的差别(4)实际工质的比定压热容和等熵过程指数随温度、压力等变化，并非理性气体；(5)压气机空气流量与透平燃气流量实际上不相等；(6)实际燃气轮机中存在轴承摩擦等机械损失和传动损失。第71页，共83页，2023年，2月20日，星期一2.3理想循环与实际循环的比较比功和效率变化趋势的异同(1)理想循环与实际循环的比功Wn随压比π和温比τ的变化趋势一致，但实际循环的比功相对较小；(2)理想循环与实际循环的效率η

随压比π的变化趋势一致，但随温比τ的变化趋势不同：实际循环的效率η随温比τ的增加而增加；温比一定时，随压比π从小到大变化，效率η呈先增后减的趋势，而且存在一个使效率最高的最佳压比πηmax；(3)实际燃气轮机的使效率η最高的最佳压比πηmax通常大于使比功最大的最佳压比πWmax。第72页，共83页，2023年，2月20日，星期一第三节改善燃气轮机性能的热力循环措施再热循环间冷循环回热循环其他多种热力循环组合的联合循环改善措施增大比功提高热效率目的减小尺寸改善热经济性第73页，共83页，2023年，2月20日，星期一再热循环定义：分段膨胀、中间再热的热力循环。目的：通过增加透平膨胀功来增大比功。第74页，共83页，2023年，2月20日，星期一(1)压比和温比一定时，再热循环可使比功增大；但燃料消耗量和总加热量增加，效率η有所降低。相当于在简单循环的膨胀阶段增加一个附加循环，而该附加循环的效率低于简单循环。(2)再热循环的透平总压比π在分级串联透平之间按几何平均分配，可获得最大比功。两级串联透平的压比最佳分配为：

n级串联透平之间燃气再热，则各透平的压比最佳分配为：(3)再热循环的排气温度较高，需采用回热器来提高热效率，因此适合在余热锅炉型联合循环中使用。(4)分级透平之间空间狭小，再热器布置困难。再热循环的特点第75页，共83页，2023年，2月20日，星期一间冷循环定义：