燃气轮机及其辅助系统-培训课件

燃气轮机及其辅助系统2目录1.

燃气轮机基本原理2.

燃气轮机基本结构3.

燃机辅助系统与运行4.

燃机技术的最新发展3目录第一章燃气轮机基本原理41.1

燃气轮机基本原理理想简单循环四过程：燃料2①绝热压缩过程透平3压气机

1负载②等压燃烧过程③绝热膨胀过程④等压放热过程4理想简单循环压容图和温熵图51.1

燃气轮机基本原理k

-1系数：m

=k空气：k

=1.4*2*pp压比：π

=1*温比：τ

=

T3*T1l

=

c

(T*2−T*1)

=

c

T*p

1(πm−1)绝热压缩过程1→2

：面积12

p

*p

*1就是绝热压缩耗功yspss

21=*

−q

c

(T

T

)*2等压燃烧过程2

→

3：面积2

3s

s

2

就是空气从外界吸入的热能1p3ss3

1

s1π

m绝热膨胀过程3→4

：面积34

p

*p

*3就是透平膨胀做功

l

c

(T

T

)

c

T

(1=*

−

*

=*

−)ss

12tsp34p

3q

c

(T

T

)=*

−

*等压放热过程

4

→

1：面积4

1s

s

4

则是燃气排气耗能2p41ss1

3

s

1

π

l

=

c

Tts

ys

cs*p

1τ

1−−

(π

mm−1)面积34

12

3=面积34

p

*p

*3-面积12

p

*p

*1=l

-l

=l

sss12s

21cs

lts

−lysq

q−q1循环效率：ηc

===1−

=1−122πmq1q1q161.1

燃气轮机基本原理由于：1）压气机的叶型损失、环端面损失及二次流损失；2）燃烧过程中的滞止压力降低

；

3）燃气透平中的型阻损失、端部损失、轮盘摩擦损失、余速损失等

；

4）透平的排气总压p4*要比大气压压力略高等。透平的膨胀功l

减少了，而压气机的压缩功l

增大

，对外界输出的实际循tys环净功l

=l

-l

减少了，实际循环的循环效率减少cs

ts

ys实际简单循环压容图和温熵图71.1

燃气轮机基本原理实际循环中循环热效率ηgt与τ和ε*的变化关系实际循环中比功率lcs/c

Tp

a与τ和ε*的变化关系81.1

燃气轮机基本原理几点结论：

就燃气轮机简单理想循环来说：1，循环的出力与压比和温比都有关系；2，循环的效率只压比有关。

就燃气轮机实际循环来说：1，随着温比的增加，循环出力和效率均有所增加；2，一定的温比条件下，存在一个最佳压比，此时循环的出力达到最大。91.1

燃气轮机基本原理某燃机功率和效率与压比、燃烧室温度关系图101.1

燃气轮机基本原理提高燃气轮机热效率和比功的措施：

就简单循环燃气轮机来说，提高温比、透平效率、压气机效率和燃烧室效率，或是减少机组各部分的流阻损失，都可以提高燃气轮机热效率和比功；

为了使机组的热效率和比功达到最大值，还必须合理选择最佳压比；

提高燃气轮机机组热效率的措施还有采用回热循环和燃气-蒸汽联合循环的方案；

提高燃气轮机机组比功的种措施还有采用间冷循环和再热循环。比功：所谓比功就是指进入燃气轮机压气机的1kg的空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的机械功（或电功）或净功。回热循环：采用高温排气来加热从压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度。(可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而可提高热效率)间冷循环:在压缩过程中间，把工质引至冷却器冷却后，再回到压气机继续压缩以完成压缩过程，此即间冷循环。再热循环L在膨胀过程中间，把工质引出至再热燃烧室中加热后，再回到透平中继续膨胀以完成膨胀过程，此即再热循环。111.2

叶轮机械原理121.2

叶轮机械原理压气机级中气流的增压过程：1.

外界通过工作叶轮把一定数量的压缩轴功传递给流经动叶栅的气体，一方面使气流绝对速度的动能增高，同时让气流相对速度的动能降低，以促使气体的压力增高一部分。2.

随后，由动叶栅流出的高速气流在静叶栅中逐渐减速，这样，就可以使气

流绝对速度的动能中的一部分，进一步转化成为气体的压力势能，使气体的压力再进一步增高。反动度：在动叶中的理论压力势能的增升值与在整个级中的理论压力势能增升值之比

。131.2

叶轮机械原理基元级速度三角形ww1cc212c

α1aββ1α212∆wcu1uu2u1∆cu(b)C

=

w+

u141.2

叶轮机械原理

压气机基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。动叶对气体的加功都是通过改变气流绝对速度的周向分量来实现的，而气流流过动叶后静压升高则都是通过减小气流的相对速度实现的。

压气机基元级中静叶的作用：1.导向，2.增压。静叶将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，为下一级的动叶提供合适的进气方向。静叶的气流通道沿流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进一步减速和增压。151.2

叶轮机械原理气体流经压气机级的参数变化161.2

叶轮机械原理压气机基元级沿叶高的变化：基元级叶栅形状和气流流入角沿叶高不同，因此轴流压气机的工作轮叶片和导流器叶片呈扭曲状。171.2

叶轮机械原理气流进入叶片示意图攻角：压气机在工作时，气流进入叶片的流入角β1一般情况下与叶片的几何进口角β1k不相一致，它们的差值，称为攻角。181.2

叶轮机械原理

压气机喘振发生的机理：叶片槽的扩压性；空气在叶片上产生脱离；旋转失速。

避免喘振的方法：IGV和静叶可调；压气机中级放气；双转子。191.2

叶轮机械原理轴流压气机的通用特性曲线201.2

叶轮机械原理涡轮与压气机的对比涡轮压气机能量转换叶栅通道流动过程级的构成叶型焓＝》机械能收敛式机械能＝》压力势能＋热能扩散式膨胀加速静叶＋动叶厚、弯度大大扩压减速动叶＋静叶薄、弯度小小轮缘功工作环境级数高温低温少多多级流程效率扩展缩小单级：0.88-0.91多级：0.91-0.94单级：0.88-0.90多级：0.83-0.8721练习题1.

和

是两个衡量燃气轮机性能好坏的技术指标（

）。（A）热效率，压比；

（B）热效率，比功；（C）比功，压比；

（D）压比，温比。2.

轴流式压气机效率可以达到（

）左右。（A）65%；（B）75%；（C）85%；（D）95%。3.

压气机动叶栅中气流相对速度动能减小，空气压力（

）。（A）升高；（B）降低；（C）不变；（D）不确定。4.

在反动度大于零的压气机级中，气流流经动叶栅时，空气的静压力

（

）。（A）不变；（B）降低；（C）升高；（D）不确定。5.

压气机动叶栅的叶片内弧表面朝着叶片的运动方向。（

）6.

反动式压气机动叶栅和静叶栅的流道截面是渐缩的。（

）7.

气流在轴流式压气机的动叶栅、静叶栅以及出口扩压器中的流动都属于减速增压流动。（

）8.

热效率越高，燃气轮机发出同样功率所需消耗的燃料量就越少。（

）9.

压比越高的压气机越容易发生喘振。（

）10.

燃机进气滤压差过大可能导致压气机发生喘振现象。（

）11.

燃气轮机运行中，在一定的温比下，存在一个特定的压比，使比功取得最大值。（

）12.

试述提高燃气轮机机组热效率和比功的措施。13.

简述气体在轴流式压气机级中的增压过程。14.

为什么大型轴流式压气机的动叶片需做成扭叶片？15.

简述IGV的防喘原理。16.

画出压气机基元级的气流速度三角形。17.

一台燃用天然气的燃机机组的供电效率为40％，天然气的低位发热量为38000kJ/Nm3，求该台燃机的供电热耗率、供电气耗率和供电标煤耗。（天然气密度为0.707kg/Nm3）18.

压气机叶片积垢或磨损对燃气轮机性能的影响？22目录第二章燃气轮机基本结构232.1

压气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。242.1

压气机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。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

。252.1

压气机

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。262.2

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：272.2

燃烧室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。282.2

燃烧室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。292.2

燃烧室燃烧器结构及工作原理302.2

燃烧室燃烧器结构及工作原理312.3

燃气透平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。322.3

燃气透平透平叶轮安装在透平转轴上构成透平转子。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。332.4

燃气轮机整体下面是一个燃气轮机整体剖面图：342.4

燃气轮机整体

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恶劣的零件如火焰筒和叶片等，须用耐高温材料制造，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、进气和排气系统等。352.4

燃气轮机整体燃气轮机缸体支撑透平产生热膨胀时，支撑臂就朝着机尾方向轻轻的转动。在透平的两侧各有一套耳轴轴承和支撑臂。有一中央支撑臂（横梁）将气缸底部和底盘连接起来。透平润滑油流过支撑臂中的油管来冷却上部的耳轴轴承。底部支撑保证透平缸不产生横向移动和转动。362.4

燃气轮机整体先进燃机-结构对比序号1型号总体单位M701F4S109FBSGT5-4000F(4)1.11.21.31.41.51.62点火转速rpmrpmrpmt约600约20003330~420~240033003961560自持转速电子超速跳闸转速重量(法兰与法兰之间)燃机转子重量尺寸(长×宽×高)压气机3240440309.64284312t93130m17.3×5.8×5.810.5×5×510.8x5.2x4.92.12.22.32.4级数级17轴流式水平1818轴流式水平15轴流式水平17类型汽缸中分面压比18.3中空轴，

叶轮由中心拉杆连接2.52.6转子结构类型可调叶片级数拉杆轮盘拉杆轮盘111372.4

燃气轮机整体编号3型号透平单位M701F4S109FBSGT5-4000F(4)3.13.2级数434喷嘴空气冷却1~3级第1、2、3级1~4级1～4级叶片叶根冷却3.34叶片空气冷却燃烧系统类型1~3级第1、2级干式低NOx

,4.14.24.3干式低NOx环形DLNDLN2.6+燃烧室数量个个2025181每个燃烧室的燃料喷嘴数量6244.44.5点火器数量个个2424242火焰监测器数量UV&IR火焰传感器4.6火焰监测器类型紫外线检测紫外线4.74.8燃烧器的空冷系统过渡段的空冷系统对流、薄膜对流、薄膜冲击冷却冲击冷却冲击、气膜不适用382.5

M701F燃机燃气轮机结构402.5

M701F燃机抽气冷却412.5

M701F燃机IGV422.5

M701F燃机一级动、静叶及其冷却技术43练习题1.

目前燃气轮机透平最广泛应用的冷却形式是（

D）。（A）对流冷却；（B）冲击冷却；（C）气膜冷却；（D）综合冷却。2.

燃气轮机启动过程中，透平产生的功率可以维持压气机所消耗功率时的转速称为（

A

）。（A）自持转速；（B）脱扣转速；（C）临界转速；（D）额定转速。3.

下列部件中工作条件最恶劣的是（

A

）。（A）透平动叶；（B）压气机动叶；（C）燃烧室；（D）IGV。4.

下列哪个部件属于燃气轮机高温部件（

A

）。（A）燃烧室；（B）IGV；（C）压气机；（D）进气滤。5.

轴流式燃气透平的一个工作叶轮与位于其后的一组静叶，组成了透平的一个级。（

）6.

燃气轮机IGV的作用只有防喘，不能调节进气流量。（

）7.

气体燃料的燃烧方式分为扩散燃烧和预混燃烧两种，由于预混燃烧混合均匀，燃烧充分，所以温度高，燃烧稳定。（

）8.

扩散燃烧的特点是燃烧产生的NOX少，低负荷时燃烧不稳定

。（

）9.

对压气机动叶叶片的设计主要有哪些要求？10.简述发电用燃气轮机对燃烧室的基本要求。44目录第三章燃机辅助系统与运行维护453.1

空烟系统空烟系统的作用•

空气作为介质完成燃机做功过程：环境中的空气经过入口过滤器过滤后被压气机吸入，经压气机压缩升压后排入燃烧室，在燃烧器内与天然气混合后燃烧产生高温高压烟气，进入燃机透平做功，做功后的乏气通过排气段引入余热锅炉（HRSG）。•

设置多个辅助系统保证燃机安全运行。463.1

空烟系统空气烟气系统主流程473.1

空烟系统空烟系统组成：•

1.燃机进气系统•

2.燃机排气系统•

3.压气机进口IGV•

4.燃烧器•

5.透平冷却空气系统•

6.压气机抽气系统•

7.轴承密封空气系统•

8.燃机冷却空气483.1

空烟系统燃机进气滤网493.1

空烟系统燃机进气滤作用：

通过设置两级过滤器过滤空气中的杂质，减缓压缩机叶片脏污速度，同时防止燃机热部件冷却通道被污垢堵塞。

为监视压气机进口过滤器运行情况，一般设有压差高报警。

要对压差进行记录，运行中如果进气压差出现快速变化，很可能滤芯出现问题，需要引起注意。思考：进气滤压差高的危害？怎么处理？503.1

空烟系统燃机排气系统一般设置有温度监视、排气压力监视及可燃气体含量检测。

温度监控主要是为间接反映燃烧室的工作情况，并设有相关的保护逻辑。

设有排气压力高的报警，当压力高到一定值时机组应跳闸。

当可燃气体探测仪检测到燃机排气道内可燃气含量超限时，发出报警并锁机组启动，需要启动机组高速盘车直至报警复归。513.1

空烟系统压气机进口导叶阀（IGV）：

机组启动过程中，控制空气流量，提高机组启动性能，同时，与高中低压防喘放气阀配合防止启机过程中压气机发生喘振；

机组负荷部分负荷时，通过调节IGV阀开度改变进入燃机的空气量，在相同的燃料量下，燃烧初温提高，同时燃机排气温度EXT提高，虽然燃机效率有所下降，当汽轮机侧效率保持在较高水平，使得机组联合循环效率维持较高水平。523.1

空烟系统压气机抽气系统：在压气机一般设有三级抽气，并配有抽气阀及阀门位置开关。抽气系统作用：

防止压气机在升速及降速过程中发生喘振

较少启动力矩

透平静叶片冷却533.1

空烟系统抽气阀动作OPENHP

BleedValveCLOSEOPENMP

BleedValveLP

BleedValve2838

rpm2815

rpmCLOSEOPENCLOSE0

rpm3000

rpmTURBINESPEED543.1

空烟系统轴承密封空气：轴承密封空气为燃机进气侧和排气侧轴承提供密封空气：

由于排气侧轴承处于燃机排气道高温烟气中，机组正常运行时轴承箱内为负压，轴承密封空气阻止高温烟气进入排气侧轴承箱，防止润滑油起火。

进气侧轴承处于压气机入口，处于负压区内，轴承密封空气阻止进气侧侧轴承箱内油气出来，进入压气机，污染压气机通道，加速结污。553.2

燃机水洗系统燃机水洗设置有离线水洗和在线水洗：

当燃机运行时，进入压气机中的空气所携带的细微颗粒粘附在压气机动静叶片上，经过长时间积累，压气机气流通道发生改变，影响压气机效率，结污严重危及压气机安全运行，因此燃机运行一段时间后需要进行水洗，恢复压气机正常运行。

定期进行压气机水洗可保持压气机良好的状态，压气机水洗有离线清洗和在线清洗，在线清洗因效果没有离线清洗效果好。

机组长期停机后，不能马上进行压气机离线水洗操作，必须在带额定负荷运行后方可进行。563.2

燃机水洗系统Time

Schedule

ofOff-LineWashingSpeedDrying

Operation1

hourForcedCooling2

min.2

min.800rpm2

min.1

hr.**

1hr

for

drain

andrestore

the

valvepositions.Time573.3

燃气调节系统作用：接收和调节（计量、加热、过滤）来自天然气处理站的燃气，控制进入燃机的燃气压力和流量以适应燃机运行的需要。•

设有充氮系统，当燃气系统需要维修时向系统充氮。•

设有排空系统，当燃机长期停运后，排除燃气截止阀下游管线内的燃气，如果燃气截止阀泄漏，燃气可通过排空系统排出防止进入燃机及余热锅炉内。583.3

燃气调节系统燃气流量的调节Fuel

gas

pilotpressure

controlvalveFuel

gas

pilot

flowcontrolvalveCombustor

Nozzle

(Pilot)Fuel

gas

ventvalveFuel

gas

mainpressure

controlvalve(A)Fuel

gas

shut-offvalveFuel

gas

mainflow

controlvalveCombustor

Nozzle

(Main)MainFuel

gas

mainpressure

controlvalve(B)593.4

燃机的运行维护燃机的启动：防止喘振？防止热悬挂？产生热悬挂现象的主要原因：启动过程线过于靠近压气机的喘振边界线（如图所示）。同时从图中可以看到：当启动机脱扣后，机组的剩余转矩Mex明显地减小。如果在脱扣前操作不当，燃料量增加得过快，

就会比预定的数据高，致使机组的运行点趋向于喘振边界，压气机就有可能发生失速现象，压气机效率

下降，压气机所需的转矩Mc增大。因而，当启动机脱扣后，Mex有可能变为零，转子就会停止升速。机组就像被“挂”住了似的。这就是“热悬挂”现象。603.4

燃机的运行维护高速盘车：

快速冷却：缩短燃气轮机检修等候时间，燃气轮机停机后，通过高盘，可由自然冷却的72小时缩短到约10小时；高速盘车还可以有效对余热锅炉降温，缩短余热锅炉检修等候时间；机组停运后，如吹扫空气不能正常投运，上下缸温差大，造成缸体变形，动静间隙因此变小，高速盘车可以使冷却更均匀，保证动静间隙在允许范围内，为再次启动做好准备。

机组启动时，若点火失败，燃气轮机将跳机，这种情况下，机组重新启动前应高盘运行一段时间，对燃气轮机进行吹扫，以排净排气管道中可能的残余燃气。

机组检修完毕或长期停机后，在重新启动前需高盘运行，以检查启动装置是否工作正常，燃气轮机各部件是否完好。

燃气轮机水洗时采用高速盘车可加强燃气轮机内水流冲击，使水洗达到更好的效果，并且水洗完成后，采用高速盘车将燃气轮机吹干。613.4

燃机的运行维护“猫拱背”现象机组停运盘车投入后，燃机热通道仍然保持较高温度，由于自然对流作用，高温空气向上流动，低温空气向下流动，导致燃机上半缸金属温度大于下半缸温度，随着时间的推移，上下缸温差增多，燃机形成猫拱背显现。如果上下缸温差超过一定值将危及机组安全运行。623.4

燃机的运行维护应对措施：

燃机停机后投入冷却吹扫空气；

当燃机吹扫冷却空气因故无法提供时，可采用高速盘车。ACombustor

&Compressor

casingBTurbine

casingABTop

TopThermocoupleBottom

BottomAB633.4

燃机的运行维护压气机出口椭圆形变形：•

燃机停机后，由于快速冷却，导致压气机出口静叶环快速冷却收缩，由于出口静叶环在上下缸分界面处较厚，导致整个静叶环收缩不均，发生椭圆形变形。将导致燃机转子在压气机出口汽缸中分面处间隙缩小，可能发生摩擦。•

为避免摩擦发生，当快速冷却收缩完成后方允许启机，因此，限定燃机停运1小时内禁止启动机组。CompressorBladeRing64练习题1.

燃气轮机启动时高盘的目的是（

）。（A）冷却；（B）将燃气轮机内残留的可燃物吹走；（C）甩干；（D）暖机。2.

燃气轮机启动期间发生热悬挂时，应该适当（

）。（A）增大燃料量；（B）减小IGV开度；（C）增大IGV开度；（D）降低速度。3.

对压气机定期进行水洗主要是为了恢复机组性能，同时也有助于缓解通流部件受到的腐蚀。（

）4.

轴承座周围是大气时，密封的作用是防止润滑油漏出。（

）5.

燃气轮机压气机为什么需要定期水洗？6.

燃气轮机“热悬挂”的现象是什么？热力学方面原因是什么？65目录第四章燃机技术的最新发展664