燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环

机性能的热力循环措施

专业:热能与动力

姓名:张露

学号:1151903

燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热

力循环措施

摘要: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。本文主要介绍了燃气轮机的工作原理，基本结构，热力循环的分类及热力循环措施。

关键词:燃气轮机分类性能改善

引言 :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。燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。

正文:

燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环，

通称为简单循环，如图1。大多数燃气轮机均采用简单循

环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮

机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却

水等一系列优点。

一、工作原理

压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压

气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高;压

缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温

高压的燃气;然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。

二、热力循环分类

按不同热力循环区分燃机类型，是由于任何热机都必须借助一定的媒介物质(工质)，经历一系类热力过程，才能实现热转功的循环而对外。按照循环工质流动与组织方式的不同，燃气轮机会在性能、总体布局及结构上有很大差异。为了提高燃机性能(热效率和比功)，除了一般简单循环外，探索和采用很多种热力循环方式。详细的热力循环类型如图2。

简单循环,

,回热循环, ,复杂循环再热循环,

,中冷循环

,无补燃余热锅炉型,,,

,,,补燃余热锅炉型,,, 常规联合循环(燃气、蒸汽联合循环)补气全燃型,,,,,增压锅炉型 ,,,,,给水加热型 ,,

,,,,,,注蒸汽燃气轮机联合循环程式循环STIG,, ,,,湿空气透平HAT循环,,,,,卡林那底联合循环, ,,联合循环,,,氢氧联合循环 ,,,,,,,,燃料电池联合循环FG?CC ,,新联合循环,,化学键燃烧CISA的动力循环 ,,,,,,,,直接燃煤联合循环DFCC,,,,,,,,外燃式燃煤联合循环EFCC,,,, ,,燃煤联合循环常压流化床燃煤联合循环(AFBC?CC),,,,,增压流化床燃煤联合循环(PFBC?CC),,,,,

,,,,,,整体煤气化联合循环IGCC

图2 三、性能指标

(1)燃机的热效率?，?是装置输出功与输入的燃料比能之比，即燃机的净能量输出

与按燃料的净比能(低热值)计算的燃料输入之比

,,3600?=== ,,,,,, ,0,,

,=,, 0,

,,,f= ,,,式中:,:燃机的比功，kW?s/kg;

,:每秒每千克空气流量消耗的燃料所具有的热能; 0

,:燃料空气比，即燃料流量,与空气流量,之比; ,,,,,:燃料净比能(燃料低热值); ,

,,,:燃料消耗率，即单位输出功每小时的燃料消耗量，kg/(kW?h)。

实际上，针对所指系统范围的不同，燃机热效率有三种定义，三者分母都是外界给工质

的热量Q =qH，而分子(输出功)是扣除不同的耗功损失后的输出功。 mfu

a(循环效率?中的输出功就是当工质完成一个循环时，将外界给工质的热量全部转化为x

机械功，没有考虑其他损失。

b(装置效率?考虑了机械效率?m，因此

?=?? ,,

c(机组有效效率?。还考虑了所驱动的负载效率，如发电机效率?G，则 e

?=??=??? ,,,,,

装置的热效率越高，热耗率就越低，发出相同的功率所需消耗的燃料就越少，因此热效率是表征燃机的经济性，也是衡量装置能源利用率高低的热力性能指标

(2)燃机的比功,比功是单位质量工质所做的功，也就是燃机净输出功率与压气机进气质量流量的比值，即

,,=,, ,,,

如果忽略压力、透平中流量的差别及机械损失，则装置的比功近似等于透平比功ω与压气,机比功ω之差 ,

ω?ω?ω ,,

装置比功越大，发出相同功率所需工质流量越少，装置尺寸越小，因此比功是从热力性能方面衡量燃机尺寸大小的一个指标。

四、改善热力循环措施

在燃气轮机上采用先进的热力循环，充分利用余热能，是不断提高燃气轮机性能的一个着力点，如果采用复杂循环、联合循环，燃机的热效率和比功有大幅度提高。

(1)回热循环它是利用余热提高机组热效率的一个途径。一般是在简单循环基础上增加一个换热器。它可以利用涡轮排出的废气对进入燃烧室的高压空气预热(可增加温度200?以上)，预热后的高压空气进入燃烧室参加燃烧，如图3所示。这样在保持相同涡轮进口条件下可以减少燃料消耗量，增加热效率150%~200%。对于高增压比、高燃气温度的燃机效果更好。

在航空用涡轮轴发动机上，早已开始探索采用回热循环。至今，美国在中小发动机发展计划中已采用回热循环，作为发展高性能发动机的关键措施。有、无回热循环的涡轴发动机降低耗油率的效果如图2 -14所示。由图可见，先进工艺和高的回热度效果更好。

(2)再热循环它是通过增大涡轮膨胀功，提高

燃机的比功。一般是在高、低压涡轮之间增加一个燃烧室，对从高压涡轮流出的燃气再次供油燃烧，然后燃气进入低压涡轮，因此称为再热循环(又称中间再热循环)，如图2 -17所示。实际的再热循环比功和效率比简单循环的高多了，最佳增压比也增大了，如图2 -18所示。

实际的再热循环性能如图2 -18所示，可以看出再热循环的比功比简单循环大得多，最佳增

压比也增大了。由于再热循环需要从外界吸入更多的热量，它与比功增高的得益不能相平衡，

只有在增压比较高的情况下，采用再热循环方案才有可能使循环效率有所提高。

(3)中冷循环(ICR) 它是通过减小压气机的

压缩功来增大燃机的比功。一般是将燃机的压气

机分成高、低压两个部分，在其间增设一个中间

冷却器，利用水或其他介质对从低压压气机中流

出的空气进行冷却，然后送入高压压气机而组成

中间冷却循环(或称间冷循环)，如图2 -19所

示。间冷循环之所以能增大燃机比功，从压气机

等熵压缩计算式

,?1,ω=?,(,?1) ,,1,

可以看出，压气机进口空气温度越低，压气机所

需的压缩功越小。一般在简单循环中，压气机要消耗

涡轮膨胀功的2/3左右，间冷循环节省了压气机的压

缩功，则必然增大燃机循环净功输出。间冷循环与简

单循环比较，比功增加，热效率明显提高，如图2 - 20所示。

(4)蒸汽回注循环由于该种循环方案是美籍华人程大猷于1974年提出的，因此又称程氏循环。该种循环方案是利用燃气对换热器内经过水质处理的水加热，使其成为过热蒸汽，从不同部位(从燃烧室至涡轮前某处)注入一定量蒸汽，与压气机供入空气一起加热到涡轮进

口温度，再一同经涡轮膨胀做功，

如图2 - 21所示。由于燃机中同

时有燃气蒸汽两种工质在作功，

因此又称为双工质循环。又由于

该循环将燃气循环和蒸汽循环

耦合在一起，所以也可归类于燃

气—蒸汽联合循环。

该种循环有效地回收排气中的

能量，将排气温度降低，因而高

温段和低温段的能量都得到较好的利用，使燃机具有效率高、比功大的特点;另外省去了汽轮机及相应附属系统和设备，降低了生产成本;还因为蒸汽喷入燃烧室有利于降低火焰温度，可以减少排气中 N0排放量;其最大优点是能很好地协调机组发x

电量和产生蒸汽的矛盾。

(5)热电并供(或联产)循环该种循环方式在

设备配备上与前一种方式类似，也是在简单循

环基础上加配一台余热锅炉，但是余热锅炉产

生的蒸汽是供给化工、炼油、食品、纺织和冶

金等工业部门，满足其需要的中、低压用气。

另外燃机还可驱动发电机供电，因此称为热电

并供，或热电联产，如图2 - 23所示。采用该

循环方式的燃机机组结构简单，且投资少、见

效快，颇受欢迎，得到了较大发展。国外已有

大批机组供应，我国也引进了一些，如LM2500、OT21005等型号

(6)燃气一蒸汽联合循环该种循环方式是巧妙地将采用不同循环原理的燃气轮机和汽轮机结合起来的典范。燃气轮机的燃气初温可达1400?左右，排气温度也很高，一般为450~600C，大量余热排人大气，其效率仅为35%~40%。恰好汽轮机受设备材料限制，蒸汽初温仅为550ctC左右，排气温度可接近大气温度。将二者通过余热锅炉串联起来，即组成燃气—蒸汽联合循环，如图2 -24所示。这种联合循环是两种热机的扬长避短的组合，当燃机的T很高时，其热效率已超过50%。采用此种循环的大、中功率4

的轻、重型机组是目前及今后大型电站的主要设备。

参考文献:

[1] 李孝堂侯凌云杨敏侯晓春尚守堂.现代燃气轮机技术[M].?.北京:航空工业出版社, 2006 :1-36.

[2]百度百科

燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热力循环措施

燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮

机性能的热力循环措施

专业:热能与动力

姓名:学号:

燃气轮机热力循环的分类与改善燃气轮机性能的热

力循环措施

关键词:燃气轮机分类性能改善

正文:

通称为简单循环，如图1。大多数燃气轮机均采用简单循

环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮

机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却

水等一系列优点。

一、工作原理

压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压

气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高;压

缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温

二、热力循环分类

图2

三、性能指标

(1)燃机的热效率，是装置输出功与输入的燃料比能之比，即燃机的净能量输出与按燃料的净比能(低热值)计算的燃料输入之比

式中::燃机的比功，kW; :每秒每千克空气流量消耗的燃料所具有的热能;

:燃料空气比，即燃料流量与空气流量之比;

:燃料净比能(燃料低热值);

:燃料消耗率，即单位输出功每小时的燃料消耗量，。

实际上，针对所指系统范围的不同，燃机热效率有三种定义，三者分母都是外界给工质的热量Q =qH，而分子(输出功)是扣除不同的耗功损失后的输出功。 mfu

a(循环效率中的输出功就是当工质完成一个循环时，将外界给工质的热量全部转化x

为机械功，没有考虑其他损失。

b(装置效率考虑了机械效率m，因此

c(机组有效效率。还考虑了所驱动的负载效率，如发电机效率G，则 e

(2) 燃机的比功比功是单位质量工质所做的功，也就是燃机净输出功率与压气机进气质量流量的比值，即

如果忽略压力、透平中流量的差别及机械损失，则装置的比功近似等于透平比功与压气机比功之差

装置比功越大，发出相同功率所需工质流量越少，装置尺寸越小，因此比功是从热力性能方面衡量燃机尺寸大小的一个指标。

四、改善热力循环措施

在航空用涡轮轴发动机上，早已开始探索采

用回热循环。至今，美国在中小发动机发展计划中已采用回热循环，作为发展高性能发动机的关键措施。有、无回热循环的涡轴发动机降低耗油率的效果如图2 -14所示。由图可见，先进工艺和高的回热度效果更好。

(2)再热循环它是通过增大涡轮膨胀功，提高燃机的比功。一般是在高、低压涡轮之间增加一个燃烧室，对从高压涡轮流出的燃气再次供油燃烧，然后燃气进入低压涡轮，因此称为再热循环(又称中间再热循环)，如图2 -17所示。实际的再热循环比功和效率比简单循环的高多了，最佳增压比也增大了，如图2 -18所示。

实际的再热循环性能如图2 -18所示，可以看出再热循环的比功比简单循环大得多，最佳增压比也增大了。由于再热循环需要从外界吸入更多的热量，它与比功增高的得益不能相平衡，只有在增压比较高的情况下，采用再热循环方案才有可能使循环效率有所提高。

(3)中冷循环(ICR) 它是通过减小压气机的

压缩功来增大燃机的比功。一般是将燃机的压气

机分成高、低压两个部分，在其间增设一个中间

冷却器，利用水或其他介质对从低压压气机中流

出的空气进行冷却，然后送入高压压气机而组成

中间冷却循环(或称间冷循环)，如图2 -19所

示。间冷循环之所以能增大燃机比功，从压气机

等熵压缩计算式

可以看出，压气机进口空气温度越低，压气机所

需的压缩功越小。一般在简单循环中，压气机要消耗

涡轮膨胀功的2/3左右，间冷循环节省了压气机的压

缩功，则必然增大燃机循环净功输出。间冷循环与简

单循环比较，比功增加，热效率明显提高，如图2 - 20

所示。

(4)蒸汽回注循环由于该种循环方案是美籍华

人程大猷于1974年提出的，因此又称程氏循环。该

种循环方案是利用燃气对换热器内经过水质处理的水加热，使其成为过热蒸汽，从不同部位

(从燃烧室至涡轮前某处)注入

一定量蒸汽，与压气机供入空气

一起加热到涡轮进口温度，再一

同经涡轮膨胀做功，如图2 - 21

所示。由于燃机中同时有燃气蒸

汽两种工质在作功，因此又称为

双工质循环。又由于该循环将燃

气循环和蒸汽循环耦合在一起，

所以也可归类于燃气—蒸汽联

合循环。

该种循环有效地回收排气中的能量，将排气温度降低，因而高温段和低温段的能量都得到较好的利用，使燃机具有效率高、比功大的特点;另外省去了汽轮机及相应附属系统和设备，降低了生产成本;还因为蒸汽喷入燃烧室有利于降低火焰温度，可以减少排气中 N0排放量;其最大优点是能很好地协调机组发x

电量和产生蒸汽的矛盾。

(5)热电并供(或联产)循环该种循环方式在

设备配备上与前一种方式类似，也是在简单循

环基础上加配一台余热锅炉，但是余热锅炉产

生的蒸汽是供给化工、炼油、食品、纺织和冶

金等工业部门，满足其需要的中、低压用气。

另外燃机还可驱动发电机供电，因此称为热电

并供，或热电联产，如图2 - 23所示。采用该

循环方式的燃机机组结构简单，且投资少、见

效快，颇受欢迎，得到了较大发展。国外已有

大批机组供应，我国也引进了一些，如LM2500、OT21005等型号

的轻、重型机组是目前及今后大型电站的主要设备。

参考文献:

[1] 李孝堂侯凌云杨敏侯晓春尚守堂.现代燃气轮机技术[M].?.北京:航空工业出版社, 2006 :1-36.

[2]百度百科

燃气轮机的原理

燃气轮机的原理燃气轮机的工作过程是，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，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮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，因而燃气涡轮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℃。联合循环发电与常规燃煤循环发电相比，其主要优点有：

3.1 电厂的整体循环效率高。常规燃煤电厂由于其循环及设备的限制，它的热效率已很难有突破性的提高。依据统计，1998年我国6000KW以上火电机组的平均供电标煤耗每千瓦时为406克，折算的平均供电效率为30.3%。目前我国最大的超临界600MW的火电机组，其供电效率约40%左右。而联合循环发电的热效率则远高于这一数据。埕岛电厂采用的MS9001E燃气轮发电机组基本负荷燃用天然气时的功率为123.4MW，热效率为33.79%，配置余热锅炉和汽轮发电机组成180MW等级的联合循环，其热效率为47%-49%。

3.2对环境污染极小。在各种型式的发电装置中，联合循环电厂的另一个主要优点是它能适应环保要求，被称为“清洁电厂”。因它采用油或天燃气为燃料，燃烧产物没灰渣，不用灰渣排放；燃烧效率高(供电效率高)能完全燃烧，由于节约燃料燃烧产物CO2少。当今，我国对发电厂污染物的排放量的要求日益严格，常规火电为了满足国家环保规定，采用烟气脱硫设备，其投资约占发电厂总投资1/4～1/3，运行费高达每度电增加3～5分。

3.3在同等条件下，单位(比)投资较低。根据国内建设不同容量燃煤电厂和联合循环电厂的有代表性的实际投资综合分析，按燃煤电厂机组的系列容量折算，单位投资比燃气蒸汽联合循环电厂贵；而且燃机目前国内仅能生产36MW级度以下的设备，若按我国目前进口设备政策，燃气机组能返包10%～30%给国内厂家生产，其价格将更低。

3.4调峰性能好，启停快捷。燃机从启动到带满负荷运行，一般不到 20分钟，快速启动时，时间可更短。若以50MW电厂为例：联合循环电厂启动热态为60分，温态为90分，冷态为120分钟可带满负荷。而汽轮机电厂启动至满负荷为：热态90分，温态180分，冷态为300分。因而燃机电厂是城市备用或调峰机组的最佳选择。

3.5占地少。燃机电厂由于无需煤场，输煤系统，除灰渣系统以及除尘、脱硫、系统……等等，所以厂区占地面积比燃煤电厂所占厂区小得多。比同容量燃煤电厂相比，燃机电厂占面积只有燃煤电厂的面积30 ～40%，且电厂建筑面积也只燃煤电厂的面积20%。

3.6耗水量少。燃机电厂不需要大量冷却水，可减少冷却水的供应，这对于干旱缺水地区建电厂尤为重要。一般比同容量燃煤电厂少得多，简单循环只需2～10%火电厂的用水量，联合循环也只有火电厂的1/3左右。

3.7建厂周期短，且可分段投产由于制造厂内完成了最大的可能装配且分部调试后直接集装运往现场，安装在预制好的现场基础上，施工安装简便，建厂周期短，投产快

3.8运行人员少由于燃机电厂自动化程度高，采用先进的集散式控制系统，控制人员可以大减少。一般情况占同容量燃煤电厂的人员的20～25%，就足够了。

3.9厂用电率低。燃机电厂一般厂用率不到2%，而燃煤电厂大机组用电率都在 5～6%。 4 联合循环燃气轮发电厂发展趋势

我国是个产煤大国，石油与天然气资源相对比较贫乏。这一因素长期制约着我国燃机发电的发展，近来，在经济发达的东南沿海地区，开始起步进口液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)。另外，我国沿海大陆架及陕北、新疆等地油气田建设已有实质性进展，输气管线已与西安、北京等大城市接通，将来可接通南京、上海，为采用燃机联合循环解决调峰、热电联产及环保问题创造了条件。

随着燃机技术的发展，以及国家能源结构的变化和对环保要求的提高，燃机电厂的发展势必会大大加速，时不我待，我们应充分抓住之这一机遇，大力开拓燃机电厂建设这一市场，为公司的发展注入新的活力。

发电能源消耗总量中各类能源消费量所占的比重。

目前世界上用于发电的能源主要有煤炭、石油、天然气、核能、水能，还有少量风能、太阳能和地热能发电能源构成(composition of energy for electricity generation)在等。发电能源的构成随科学技术的发展而变化。如核能作为发电能源，是在核技术被人类掌握，并在发电领域中成熟应用的结果。随着科学技术的发展，可用于发电的新能源和可再生能源将逐步得到应用。

由于各个国家的政治、经济、社会、资源、地理环境以及科学技术等方面的情况不同，发电能源构成有很大的差异。加拿大、挪威、瑞士等国以水电为主；俄罗斯、日本等国以燃油、燃天然气电站为主；法国以核电为主；美国、德国、印度和中国以燃煤电站为主。

中国的发电能源以煤为主，其次是水能，核电的比重很小，2003年全国总发电量中，火电占82.9%，水电占14.8%，核电只占2.3％。中国各地区的发电能源结构也不尽相同，主要受各地区一次能源的制约，过去水能作为发电能源多为就地利用，所以华北、华东、东北水能资源较少，水电比重较低；西南、中南、西北地区水能资源丰富，水电比重较高。中国近年来实施西部大开发，正在加快西部地区的水电开发，实行“西电东送”，中国在21世纪上半叶有可能使发电能源结构中的水电比重有所增加。

燃气轮机的保护定值

2. 转速定值

3. 温控线定值

5. 热工保护定值

9E 燃机的一些设备装置如压力开关,温度开关,液位开关,压力变送器等等均采用数字加两个字母来表示,下面分别举例说明数字和字母代表的意义。 88QA

A. 主要的数字码(不同的装置用特定的数字代表) :

12――超速装置; 20――电磁阀;

23――加热装置; 26――温度开关;

33――位置开关; 43――手动开关;

45――火灾探测装置 39——振动探头

49――过载保护; 63――压力开关;

65――伺服阀; 71――液位检测;

77――速度传感器; 88――电机;

96――压力变送器

B. 主要的字母码:

第一个字母一般表示系统或装置的位置, 第二个字母一般表示装置的用途或功能。第一个字母代表的意义:

Q ――滑油; H ――液压系统,加热器;

A ――空气; F ――燃料、流量、火焰;

D ――柴油机、分配器 C ――离合器、压气机、 CO2;

T ――跳闸、燃机; P ――吹扫;

W ――水、暖机; G ――气体;

S ――停、截止、速度、启动、开始; 等等??

以上字母一般都是它所代表的意义的英文单词的第一个字母,如:“ T ”代表跳闸,燃机。而跳闸,燃机的英文为“ TRIP, TURBINE” ,其第一个字母均为“ T ” 。

第二个字母代表的意义:

A ――报警、辅机、空气、雾化 ;B ――辅助启动、放气;

C ――冷却、控制; D ――分配器、差值;

E ――紧急; F ――燃料;

G ――气体; H ――加热器、高值;

L ――低值、液位、液体; M ――中值、中介、最小;

N ――正常,通常; P ――压力、泵;

Q ――滑油; R ――释放、泄放、比率、棘轮;

S ――启动、开始; T ――透平、跳闸、箱体;

V ――阀、叶片; 等等??

以上字母的也一般都是它所代表的意义的英文单词的第一个字母,如“ R ”代表释放,泄放,比率,棘轮,而它们的英文为“ RELEASE,RATIO,RACHET ” ,其第一个字母也均为“ R ” 。

氧化硫或氧气都会腐蚀管子。提供温度高的循环水,可以提高省煤器内水温,防止腐蚀。 4.水压试验时,最好把安全阀拆去,用一个法蓝盲板来堵。如果不能拆安全阀,就用压板压紧安全阀 (用一个锁紧装置, 防止安全阀打开) , 压板上的螺丝应该做成用手来紧固, 而不能用其它工具, 以防紧得过度。在水压试验时,如安全阀有泄漏现象, 应该拆下来找出其泄漏原因, 决不能用外力去紧螺丝, 否则将会损坏安全阀的阀座接合面。因为水压试验时, 内部装满水,浮起的松散污物会留在阀座接合面上,过份压紧将会损坏阀座的接合面。循环泵启动后, 汽包水位会降低, 此时不需要增加水量来提高汽包的水位。因为当蒸发器受热后, 水容积增大, 特别是产汽后, 水容积更加增大,此时蒸发器内的水从下降管移向汽包水容积,使汽包内水位升高。

0.用以下方法来减少汽包内压力

(1)全开过热器出口的放气阀和疏水阀。

(2)适量地打开汽包水位计上的放水阀,当打开水位计放水阀时,指示水位很快下降,关闭放水阀后, 水位很快恢复。如果水位变化很小则要加以注意, 可能是水位计的汽侧或水侧有泄漏, 因水位计指示不准确会造成给水调节阀误动作, 引起汽包满水或缺水事故。对于无过热器的余热锅炉, 只能全开汽包出口管路上的排气阀和疏水阀, 以及适量地打开水位计上的放水阀来减少汽包压力。

燃气轮机相关换算单位

2009-08-05 17:31:34| 分类:默认分类 |字号大中小订阅

K =5/9(°F+459.67) K=℃ +273.15

n ℃ =(5/9·n+32) °F n°F=[(n-32)×5/9]℃

1°F=5/9℃(温度差)

压力 1巴(bar ) =105帕(Pa )

1千帕(kPa ) =0.145磅力 /英寸 2(psi ) =0.0102千克力 /厘米 2(kgf/cm2) =0.0098大气压 (atm )

1磅力 /英寸 2(psi ) =6.895千帕(kPa ) =0.0703千克力 /厘米 2(kg/cm2) =0.0689巴(bar ) =0.068大气压(atm )

1物理大气压(atm ) =101.325千帕(kPa ) =14.696磅 /英寸 2(psi ) =1.0333巴(bar ) 1米制马力(hp ) =735.499瓦(W )

1英热单位(Btu )=1055.06焦耳(J )

1焦耳=9.48×10-4英热单位

1千瓦小时(kW ·h ) =3.6×106焦耳(J )

1磅(lb ) =0.454千克(kg )

1千克(kg ) =2.205磅(lb )

1米(m ) =3.281英尺(ft ) =1.094码(yd )

1厘米(cm ) =0.394英寸(in )

1英寸(in ) =2.54厘米(cm )

1英尺(ft ) =12英寸(in )

1英加仑(gal ) =4.546升(1)

1美加仑(gal ) =3.785升(1)

燃气轮机的应用前景

摘要：目前，燃气轮机作为一种较为新型的热机的应用领域越来越广，它既吸取了内燃机的“内燃”特征，有具备了蒸汽轮机“高速旋转”的特点。本文综述了燃气轮机技术，提出燃气轮机具有提高发电效率和解决环保问题等方面的优越性，说明燃气轮机对于电力系统的重要作用，简单介绍了国内外燃气轮机的最新技术，并介绍进一步改善性能及应用发展前景。关键词：燃气轮机；最新技术；发展前景

1. 引言

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，在能源、电力、航天、航空、舰船、车辆、军事等领域有广泛运用。先进燃气轮机技术具有高效率、低噪音、低排放等一系列先进技术特点，是提供清洁、可靠、高质量发电及热电联供的最佳方式[1] 。

本文从介绍和分析燃气轮机在国内外的最新技术发展的角度，阐述了燃气轮机在我国的发展前景，提出了燃气轮机在提高发电效率和解决环保问题等方面的优越性，为进一步研究和判断燃气轮机的应用前景提供了基础。

2. 燃气轮机的发展与技术进步

2.1 燃气轮机发展概况

一百多年以前,由于战争的需要,美国GE公司生产了第一台燃气轮机,应用于战机上。这是一种发明,较之“蒸汽机”、“内燃机”从根本上进步了许多。体积小、重量轻、功率大、启动快、附属设备少(少用水甚至不用水)都是燃气轮机所独有的特点[2] 。当时的燃气轮机热效率还很低，应用也局限于军事航空领域。

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；50～60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(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中[3]。

2.2 燃气轮机的先进技术

目前，全球能源短缺，环境压力也越来越大。化石燃料是不可再生资源，将逐渐耗尽。

环境方面，酸雨、温室效应和臭氧层破坏这三大问题严重威胁着人类的生存。面对不堪重负的环境压力和越来越紧张的化石能源，人类不得不开发和建立更加清洁高效的能源。由于燃气轮机作为动力装置和发电设备所表现出的优异性能和巨大的发展潜力，发展先进燃气轮机及其先进技术将成为新世纪能源动力发展的主要方向。

2.2.1燃气-蒸汽联合循环技术[4]

燃气-蒸汽循环发电机组，由于具有高效低耗、启动快、调节灵活、可用率高、投资省、建设周期短及环境污染小等优点，目前在国外电力行业正日益得到重视和发展。

从1987年开始美国发电用燃气轮机的年生产总功率已经超过了发电用汽轮机，按美国电力发展规划，在90年代计划新增1亿kW发电设备中，燃气轮机极其联合循环发电装置将占45%。韩国规划在今后15年内燃气轮机极其联合循环发电装置将占新增的发电设备总装机容量中，燃气 - 蒸汽循环发电装置将超过常规火电站，占电力发展的主导地位。

图1. 燃气-蒸汽联合循环图

燃气-蒸汽联合循环是将两个使用不同供职的独立的动力循环，通过能量交换联合在一起的循环，兼顾了燃气轮机布雷登循环高温加热的又是和汽轮机朗肯循环低温排热损失小的优势，形成了总能系统设计新概念，汇集燃气轮机的先进技术、余热锅炉和汽轮机发电的优势，使联合循环的效率提高。

常规燃气–蒸汽联合循环中的高温热源高达1100~1300℃以上，远远高于一般蒸汽循环采用的主蒸汽温度540~566℃，而燃气–蒸汽联合循环中的低温冷源温度29~33℃，远远低于一般燃气简单循环的排气温度450~640℃，也就是燃气-蒸汽联合循环从非常高的高温热源吸热，向尽可能低温的冷源放热。因此联合循环的热效率比组成他的任何一个单独循环的热效率都要高得多。

2.2.2微型燃气轮机技术

功率为数百kW及以下的燃气轮机在20世纪40~60年代就已存在，但由于其发电效率低，长期以来，几十至几百kW的小型发电机组市场一直由内燃发电机组占领。随着高效回热器由军用转入民用，微型燃气轮机的发电效率显著提高。20世纪90年代初出现了无齿轮箱的燃气轮机，有些机组采用了不需要润滑系统的空气轴承，使得微型燃气轮机的结构更为紧凑，几乎不用维护。微型燃气轮机体积小、重量轻、适用燃料范围广，可靠近用户安装，显著提高了对用户供电的可靠性。这些优点使得微型燃气轮机在分散式供电、热电联供和车辆混合动力方面的应用得到了迅猛发展。

微型燃气轮机与常规发电装置相比具有如下优点[5] ：

（1）环保。微型燃气轮机的废气排放少，使用天然气或丙烷燃料满负荷运行时，排放的体积分数NOx小于9×10-6；使用柴油或煤油燃料满负荷运行时，排放的体积分数NOx小于35×10-6；采用油井气做测试，排放的体积分数NOx小于1×10-6。其他采用天然气作为燃料的往复式发电机产生的NOx比微型燃气轮机多10~100倍，柴油发电机产生的NOx是微型燃气轮机的数百倍。

（2）维护少。微型燃气轮机采用独特的空气轴承技术，系统内部不需要任何润滑，节省了日常维护。每年的计划检修仅是在全年满负荷连续运行后更换空气过滤网。

（3）效率高。微型燃气轮机发电效率可达30%，联合发电和供热后整个系统能源利用率超过70%。

（4）运行灵活。微型燃气轮机可并联在电网上运行，也可独立运行，并可在两种模式间自动切换运行。由软件系统控制两种运行模式之间的自动切换。

（5）适用于多种燃料。微型燃气轮机适用于多种气体燃料和多种液体燃料，包括天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等。

（6）系统配置灵活。可根据实际需要灵活配置微型燃气轮机的数量，并能够进行多单元成组控制，其中一台检修时不影响整个系统的运行。

（7）安全可靠。微型燃气轮机是同类型产品中符合美国保险商实验所（Underwriters' Laboratories，UL）严格标准UL2000的唯一产品，它同时符合IEEE519、NFPA规范、ANSI C84.1和其他规范，保证了与电网互联的安全性。

2.2.3高温燃气轮机技术

高温燃气轮机技术燃气初温决定了燃气轮机的效率和比功,计算和实践表明,燃气初温提高100℃可使燃机效率增加2%~3%，进一步提高燃气初温将是未来燃气轮机发展的方向，这就需要发展以下技术：

图2. 注水、蒸汽降低NOX效果图

随着材料科技的发展，（1）

高温材料技术。先进的高温材料(定向结晶和单晶高温合金材料）

开始逐步应用于燃气轮机。GE公司正在研制的燃机的静叶上已使用了CMSX-4单晶镍基合金.目前，C/C复合材料被认为是最有发展潜力的!其工作温度可高达1930~2227℃，但重量仅为高温合金的1/4，美国GE公司已开始进行该方面的试验研究。

（2）蒸汽冷却技术。同空气冷却相比，蒸汽冷却可显著减少压缩功的消耗，并且可提高透平进口温度，降低NOX排放降低了一半。GE公司采用蒸汽冷却的H型比采用空气冷却的G型,功率增加了60WM，效率提高2%，排放降低一半。三菱公司的M501G燃气轮机采用了蒸汽冷却，透平进口温度高达1500℃。

（3）热涂层技术。燃气轮机的发展需要不断提高透平进口温度!但目前用于透平的合金材料最高只能承受1024℃，为了进一步提高透平进口温度，在叶片表面应用热涂层技术是一种有效的方法。等离子喷涂和电子束物理蒸汽沉积是目前投入应用的热涂层技术、陶瓷热障涂层技术将是未来的发展方向。

（4）陶瓷燃气轮机。由于陶瓷具有金属材料无可比拟的高温特性，长期以来，研制陶瓷燃气轮机一直是燃气轮机技术发展的目标之一。Solar公司1997年进行了全世界首例陶瓷燃气轮机的运行实验，其透平进口温度达到1120℃，单机热效率29.59%~31.25%;日本也在发展陶瓷燃气轮机,1997年透平进口温度已达到1350℃，单机功率92.3kW。虽然目前陶瓷燃气轮机的性能还低于先进燃气轮机的水平，但可以预见，随着一些关键技术的突破!陶瓷燃气轮机终将成为21世纪的主流发展方向之一。

2.2.4 燃气轮机的节能减排技术

燃气轮机及其联合循环发电排气的主要污染物为燃烧过程中产生的NOx，其NOx排放浓度根据燃料种类、燃烧方式的不同而有所变化。

目前控制燃气轮机NOx排放的方法主要有两种类型，一类就是在燃烧过程中控制NOx

的生成，而另一类就是在NOx生成后排入余热锅炉时进行尾部烟气脱硝，或者是采用两者的结合来达到超低的NOx排放效果。

目前比较成熟的控制燃机NOx排放技术是DLN技术、常规SCR技术和注水/蒸汽技术，三种技术各有优缺点和适用范围。从技术的先进性、运行成本、实际运行等情况来看，燃气轮机应优先考虑采用DLN技术控制NOx排放。控制燃气轮机NOx排放的方法：

（1）注水、蒸汽降低NOx

此方法优点为操作简单、成本低；缺点为增加机组热耗、影响热部件寿命、增加检修费用、降低NOx幅度有限。对于MS7001EA燃机的第一级动叶，注入3%（占压气机空气流量）的蒸汽量，将NOx排放控制到25ppm（保持T3不变，即湿温控线运行），则高温燃气的热交换系数升高4%，热通道部件金属温度升高8℃，使用寿命缩短33%。

（2）干式低NOx燃烧技术[6]

干式低NOx技术（DLN：Dry Low NOx）采用空气替代蒸汽或水作为稀释剂，在燃料进入燃烧区域前，与过量空气预先均匀混合，然后进入燃烧区域燃烧，从而达到控制燃烧温度的目的燃烧技术。干式低NOx技术是一种预混燃烧技术，主要用于气体燃料。

图3. NOx、CO排放与燃烧火焰温度的关系

预混燃料为贫燃料时，预混燃烧的主要问题是燃烧的稳定性、燃料的适应性和变负荷范围。必须认识到，为了降低燃烧温度、减少NOx的生成，燃/空比被减小到接近熄火点的程度，这会严重影响燃烧的稳定性。当DLN燃烧调整不当引起燃烧振荡时，轻则引起机组跳机，严重时会损坏燃机昂贵的热通道部件，或者缩短热通道部件的维护周期。我国第一批引进9F型燃机的火焰筒鼓包、燃烧部件报废率高等问题，即可能与DLN燃烧调整不当有关。

（3）SCR技术控制燃机NOx排放[7]

SCR（Selective Catalytic Reduction

）技术，当燃机排气通过余热锅炉时，喷入氨气，在

催化剂的作用下氨气与NOx发生反应，生成氮气和水。常规SCR存在的问题有：影响机组运行灵活性、氨的逃逸、对燃料中的含硫量非常敏感、处理废弃催化剂可能形成二次污染。

3. 燃气轮机的发展前景

燃气轮机的未来发展趋势是高效节能。现阶段的燃气轮机应用技术已经在提高效率方面有了很大突破，在今后的科研技术发展中，目标将进一步锁定在提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术等方面。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。除此之外，在能源危机的背景下，节能也必将是燃气轮机发展中需要不断提高和加强的方面。下面将简要分析燃气轮机在其主要应用领域的发展前景：

（1）电力应用方面的发展。近十年来,清洁煤技术、燃煤联合循环电站也获得巨大发展, IGCC和PFBC- CC电站也进入商业化运行阶段。可以预计,随着我国燃机技术的开发和应用,尤其是燃煤技术的开发,加上环保要求的日益关注,燃气轮机电站(包括热电联产装置),尤其是基于燃气轮机的联合循环电站将得到广泛的应用。因为燃机造价低、投资小、重量轻、尺寸小,所以国外广泛地把燃气轮机用于输气、输油管线,作为压缩机和泵站,用来泵送天然气和石油。随着国民经济的蓬勃发展和人民生活水平的不断提高,我国对石油和天然气的需求日益增长。此外由于对环保的重视,在能源消费结构中,天然气的比重将会持续增长。这一切都表明燃气轮机的发展将会进入一个崭新的时期。

（2）天然气输送。就西气东输管网主干管道而言，由新疆轮南气田到上海市区，全长4000公里，沿线需造约40个增压站。由此可见，天然气长距离输气管线将是燃气轮机的最大用户之一。这就要求有关方面应及早着手培养燃气轮机使用管理的工程技术人员。

（3）天然气的利用[8]。在城市天然气用户中，居民生活用气所占比例其实并不大，更多的天然气是供燃气轮机电站发电用。把燃气轮机的排气通到余热锅炉中，加热锅炉中的水产生蒸汽，再去驱动汽轮机做功，从而形成了由燃气到蒸汽的联合循环。联合循环机组的效率是目前各种热力机械中所能达到的最高效率值。

由于燃气轮机和联合循环电站发电效率高、污染排放低、建设周期短，因此，在世界各国诸类电站中所占的比例不断增大。如美国早在20世纪80年代后期，燃气轮机年生产容量就已超过汽轮机。目前，在全世界发电设备年订购量中，燃气轮机与联合循环之和大体与汽轮机相当。而在美国、德国等一些工业发达国家，燃气轮机和联合循环之和已经超过汽轮机。因此，燃气轮机和联合循环发电，已经在世界范围内成为电力工业中的主力军。

此外，在联合循环的基础上，还可实现热、电联供，以满足生产、生活的需要。进而还可以实现热、电、冷三联供应，更有效地利用能源。

燃气轮机的应用市场十分广阔，技术也在不断提高和革新。可以预见，随着燃汽轮机

技术的不断发展，燃气轮机的应用前景一定会越来越广阔。

4. 结论

（1）燃气轮机作为一种较为新型的热机，因其高效率、低噪音、低排放等一系列先进技术特点，应用领域越来越广。

（2）现阶段燃气轮机的主要领先技术有燃气-蒸汽联合循环技术、微型燃气轮机技术、高温燃气轮机技术，这些技术对于燃气轮机效率的提高起到很大的作用。

（3）在燃气轮机的节能减排技术方面现已有一些较为成熟的技术，但在实际应用中都有不可避免的缺点，本文对其缺点都有一定的阐述。

（4）综合分析各种燃气轮机的新技术和各种节能减排技术的优缺点，提出本文观点——燃气轮机的发展方向是高效节能。

参考文献

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[2] 王子重，张超，杨全甫. 燃气轮机的发展与应用——能源综合利用新途径，2001, 27(165)

[3]张文普，丰镇平. 燃气轮机技术的发展与应用，2002, 15(3)

[4]樊幼德. 燃气-蒸汽联合发电厂的最新发展. 云南电力技术.2000，3(48-51)

[5]丰镇平. 先进微型燃气轮机技术进展及其在我国的研发应用前景, 2000

[6]黄素华. 发电用燃气轮机节能减排及新技术动态. 华明电子技术，2012

[7]周玉昆. 处理高温燃气轮机废气的SCR系统. 中国科学院上海冶金研究所; 材料物理与化学(专业) 博士论文，2000

[8]朱飙. 燃气轮机的发展前景和应用技术. 安徽电力， 2003.3，8（1）

[9]詹淑慧. 燃气供应. 中国建筑工业出版社， 2011.9

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