现代大功率发电用燃气轮机

序主要符号表

第1章 概论1

1.1 燃气轮机的基本知识1

1.1.1 燃气轮机的工作原理2

1.1.2 燃气轮机的应用3

1.1.3 燃气轮机的燃料4

1.2 燃气轮机的发展6

1.2.1 我国燃气轮机发展的简述6

1.2.2 国外燃气轮机发展的简要历史10

1.2.3 现代大功率发电用燃气轮机12

1.3 燃气轮机有关的一些名词和概念的说明23

1.3.1 ISO条件(与NEMA条件)及机组设计的大气条件23

1.3.2 总能系统和联合循环的类型25

1.3.3 "重型"与"轻型"燃气轮机30

1.3.4 透平进气温度T3的几种习惯用法33

1.3.5 "F"技术34

1.3.6 氧化和腐蚀35

1.3.7 最佳压比40

1.3.8 高温材料41

1.3.9 再热循环42

1.3.1 0NOx排放44

1.3.1 1燃气轮机的起动45

第2章 燃气轮机和联合循环部件热力外特性与热平衡计算47

2.1 总体的简单概述47

2.2 燃气轮机与联合循环中部件的热力外特性与效率47

2.2.1 大气条件与ISO条件的使用48

2.2.2 联合循环三个主要部件的(热力)外特性48

2.2.3 燃气轮机中直接进行热平衡计算的两个部件的外特性56

2.3 联合循环的系统平衡方程与效率59

2.3.1 系统平衡方程式59

2.3.2 总体效率61

2.3.3 部件效率62

2.4 透平压气机的热平衡(理论表达式)63

2.4.1 理论上的透平压气机的热平衡方程64

2.4.2 使用压气机与透平效率的表达式65

2.4.3 理论表达式实用化的问题66

2.5 稳态热平衡方程的实用表达式66

2.5.1 自己设计机组时，对冷却空气量影响的考虑66

2.5.2 应用于核算机组的热平衡69

2.6 当量冷却空气量的计算方法69

2.6.1 设计模型69

2.6.2 基本热平衡方程式72

2.6.3 热平衡模型的启示73

2.7 起动过程透平压气机的热平衡计算73

2.7.1 起动过程运行点参数的半经验公式74

2.7.2 起动过程运行线上的点74

附录2A空气与燃气的热物性76

第3章 结构与材料82

3.1 结构设计概述83

3.2 20世纪80年代前燃气轮机结构的发展84

3.2.1 了解历史是了解现代燃气轮机结构的基础84

3.2.2 第一阶段机组的结构特点的补充分析93

3.3 20世纪70年代前国内外材料的发展97

3.3.1 材料的开发与使用97

3.3.2 主要的高温材料的寿命问题101

3.3.3 高温部件的材料104

3.3.4 其他部件的材料106

3.4 第一阶段发展的总结性的话107

3.5 冷却系统107

3.5.1 国外燃气轮机发展第一阶段的冷却系统举例108

3.5.2 国外燃气轮机发展第二阶段的冷却系统112

3.6 转子115

3.6.1 不可拆式转子116

3.6.2 可拆式的转子118

3.6.3 叶轮的预应力处理123

3.7 燃烧室形式123

3.7.1 分管与环管型燃烧室123

3.7.2 从单筒型燃烧室到环型燃烧室124

3.8 静子的一些问题125

3.8.1 静子的一般问题125

3.8.2 快速起动126

3.8.3 主机支架与底架126

3.8.4 从检修角度看结构的一些问题126

3.8.5 本体随机测点127

附录3A典型的GE公司MS9001FA机组各主要部件的材料128

第4章 压气机130

4.1 概述130

4.1.1 本章 的重点130

4.1.2 设计思想中重要的一点131

4.1.3 从总体角度看压气机131

4.1.4 现代燃气轮机用的压气机主要指标132

4.2 压气机的外特性132

4.2.1 流动相似的条件132

4.2.2 压气机特性曲线134

4.2.3 压气机的模化137

4.2.4 加级后的压气机及其对母型压气机的影响137

4.2.5 关于压气机效率的问题139

4.3 压气机发展的道路139

4.3.1 母型级140

4.3.2 "平面叶栅"方法141

4.3.3 模化加级方法141

4.3.4 其他提高压比与流量的办法142

4.3.5 可转导叶与放气143

4.3.6 "可控扩压"问题144

4.3.7 全三维设计145

4.4 压气机的加级146

4.4.1 平均级压比146

4.4.2 首级轮毂比147

4.4.3 子午面流道148

4.4.4 跨声速级150

4.4.5 母型通流的调整150

4.5 国外大功率燃气轮机的压气机的统观分析152

4.5.1 国外压气机使用的原始叶型152

4.5.2 国外相关压气机的简况154

4.5.3 关于整台压气机试验160

4.6 已有压气机的综合分析与压气机加级的目标值161

4.7 进一步发展压气机的一些问题和前期工作的一些启示161

4.7.1 加级工作的程序162

4.7.2 程序路线中的一些问题163

4.7.3 与现有参考资料的比较164

附录4A压气机的喘振166

第5章 燃烧室169

5.1 概述169

5.2 燃烧室的工作特点和性能指标170

5.2.1 燃烧室的工作特点170

5.2.2 燃烧室的性能指标171

5.2.3 燃烧室中燃烧过程的组织175

5.3 燃烧室的结构180

5.3.1 燃烧室结构的基本要求180

5.3.2 燃烧室的总体结构180

5.3.3 燃烧室主要部件的结构183

5.4 燃料及其燃烧问题186

5.4.1 燃料的燃烧计算186

5.4.2 天然气的燃烧191

5.4.3 液体燃料的燃烧及喷油嘴194

5.4.4 重油和原油的燃烧195

5.4.5 低热值煤气的燃烧201

5.5 燃烧室的试验调整204

5.5.1 概述204

5.5.2 燃烧室试验的目的和方案204

5.5.3 燃烧室试验的基本设备和测试内容206

5.5.4 燃烧室的模化试验工况208

5.5.5 燃烧室调整试验的若干措施211

5.6 低污染燃烧室213

5.6.1 概述213

5.6.2 常规燃烧室的主要污染排放物213

5.6.3 主要污染排放物的控制方法214

5.6.4 干式低污染(DLN)燃烧室的原理216

5.6.5 四大燃气轮机制造商的DLN燃烧室217

第6章 透平226

6.1 概述226

6.1.1 热物性226

6.1.2 透平的级数227

6.1.3 冷却系统228

6.1.4 材料229

6.1.5 由于冷却系统而引起通流热力计算的问题229

6.1.6 某些与传统机组有比照点的结构方面230

6.2 冷却231

6.2.1 冷却系统的复述231

6.2.2 冷却叶片的发展与叶片冷却形式235

6.2.3 现代级燃气轮机第1级透平叶片的冷却形式244

6.2.4 冷却系统的试验研究247

6.3 透平的其他部件结构形式概述248

6.3.1 冷却叶片与气动方面的协调248

6.3.2 长柄叶根249

6.3.3 整体围带与叶片强度方面试验设备250

6.3.4 其他一些相关结构问题的概述251

6.4 关于透平结构和材料的一些补充258

6.4.1 关于透平结构部分的设计258

6.4.2 关于燃烧室出口温度场和温度场中的最高温度区258

6.4.3 有关透平叶片和轮盘材料的补充259

6.5 涂层262

6.5.1 涂层的概述262

6.5.2 具体的涂层262

第7章 燃气轮机的总体设计简述264

7.1 概述264

7.1.1 总体设计的一般概念264

7.1.2 总体设计的内在性质265

7.1.3 燃气轮机动力装置的总体性概述266

7.2 大功率发电用燃气轮机的总体性问题268

7.3 燃气轮机本体设计的总体性269

7.3.1 总体对燃气轮机提出的要求269

7.3.2 燃气轮机的初步设计270

7.4 小结276

附录7A一些历史事件的记录277

第8章 燃气轮机电站的总体布置及进排气系统部件280

8.1 关于主机总体布置方面的一些问题280

8.1.1 从箱装体到厂房式布置280

8.1.2 电厂总体布置的一些问题282

8.1.3 箱装体结构形式的有关问题287

8.2 主流道的主要附件的概述289

8.2.1 进气系统290

8.2.2 排气系统292

8.3 进气过滤295

8.3.1 进气过滤的一般概念295

8.3.2 空气过滤器的型式和性能299

8.3.3 高效过滤器304

8.4 进气加热与冷却309

8.4.1 进气加热与冷却的概述309

8.4.2 进气冷却311

8.4.3 进气加热312

8.4.4 进气消声器312

8.4.5 进气导管314

第9章 燃气轮机的辅助系统315

9.1 概述315

9.1.1 辅助系统分类Ⅰ315

9.1.2 辅助系统分类Ⅱ315

9.1.3 辅助系统通论316

9.2 燃气轮机中以润滑油为工质的油系统317

9.2.1 油系统的基本任务318

9.2.2 对油系统的基本要求与系统的基本配备318

9.2.3 系统经济性与油系统型式问题322

9.2.4 现代大功率燃气轮机油系统的原则性系统图及一些有关部件的说明325

9.3 燃气轮机中以燃料供给和满足燃烧需要为其主要职能的辅助系统部分328

9.3.1 系统设置概述328

9.3.2 燃油系统及与燃油系统有关的一些系统329

9.3.3 雾化空气系统338

9.3.4 气体燃料系统(天然气)340

9.4 属于机组总体的其他辅助系统概述348

9.4.1 机组清洗系统348

9.4.2 其他系统简述349

附录9A关于压气机的定期清洗问题350

附录9B轻柴油的规格353

附录9C气体燃料一些物理性质的计算354

第10章 燃气轮机的性能验收试验356

10.1 概述356

10.2 验收试验的内容与试验条件的规定356

10.2.1 试验内容356

10.2.2 关于试验工况达到稳定条件的规定357

10.2.3 关于测试数据读取的规定358

10.2.4 关于试验参考条件的规定358

10.2.5 其他358

10.3 验收试验中有关测试仪表和测量方法的规定359

10.4 验收试验中试验数据的整理和修正360

10.4.1 实测燃气轮机功率和功率因数的计算361

10.4.2 燃气轮机输出功率的修正361

10.4.3 实测燃气轮机热效率的计算364

10.4.4 燃气轮机热效率的修正364

10.4.5 压气机和燃气透平等熵效率的计算366

10.4.6 试验报告367

参考文献368

编后话372

书中根据当前世界上不同公司生产的最新型号的大功率发电用燃气轮机("FA"技术等级)，阐述了燃气轮机的总体性能、本体结构、转子形式、低排放燃烧室、冷却系统、冷却叶片等主机关键部分，并对之进行了初步的归纳与分析。在总体设计、压气机、燃烧室等关键技术及性能试验、相关的辅助系统方面结合国内的发展经验作了比较全面的总结与分析。本书对制造厂、燃气轮机及联合循环电站等企业的技术、运行和管理人员以及有关科研机构、管理机关、电厂设计与高校的人员培训和学习有重要的参考价值。

由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统，也称为开式循环。其优点是装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。目前的最高效率的开式循环系统是GE公司LM6000PC 轻型燃气轮机，效率为43%。

由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收，转换为蒸汽或热水加以利用。主要用于热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。最高效率的前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120 轻型燃气轮机，效率为43.3%。前置循环热电联产时的总效率一般均超过80%。为提高供热的灵活性，大多前置循环热电联产机组采用余热锅炉补燃技术，补燃时的总效率超过90%。

燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功后的乏汽用于供热。形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机、蒸汽轮机各自推动各自发电机的多轴联合循环。主要用于发电和热电联产，发电时的最高效率的联合循环系统是ABB公司GT26-1，效率为58.5%。

由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循环系统，也称为IGCC。主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用气体、液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。目前，GE公司使用 MS7001F技术组成的整体循环系统发电效率可达到42%。

由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。通过燃气轮机排出的烟气再热核反应堆输出的蒸汽，主要为提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。目前处于尝试阶段。

在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统运行的。

由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统，利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热焓进一步推动烟气轮机发电。该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机造价较高，还未能广泛使用。

由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽(烟气)热泵组成的能源利用系统。该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用，或将动力直接推动热泵。这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷使用，该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未来能源利用的主要趋势之一。

美国能源部近日宣布开发出了世界第一个将燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备，这种设备能更有效地产生电力并大大减少环境污染。据了解，这一设备的燃料电池由1152个陶瓷管构成，每个陶瓷管就像一块电池。电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮机则用燃料电池产生的热废气流制第二轮电力。由于燃料电池中没有燃烧过程，只是通过化学分解天然气燃料来产生电力，因此可以大幅度减少污染。设备不会产生二氧化硫，其反应产物中的氮氧化物含量不及目前天然气发电设备的2%，二氧化碳排放量则减少了15%。而且，只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作。新型发电设备的发电功率为220千瓦，能为200户人家提供电力。其发电效率达到55%，这意味着来自天然气燃料的能量中有55%转化成了电能，远远高于燃煤发电设备的35%发电效率，也高于燃气涡轮机50%的发电效率。

以高温气体为工质，按照等压力加热循环工作燃料中的化学能转变为机械能和电能的工厂。燃气轮机发电厂用液体和气体燃料通过燃气轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。燃气轮机的绝热压缩、等压。