燃氣輪機

燃氣輪機

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉,將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械,是一種旋轉葉輪式熱力發動機。

  • 中文名稱
    燃氣輪機
  • 外文名稱
    Gas turbine engine或Combustion turbine engine
  • 全名
    燃氣渦輪發動機

名詞解釋

​1791年,英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程;1872年,德國人施托爾策設計了一台燃氣輪機,並于1900~1904年進行了試驗,但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗;1905年,法國人勒梅爾和阿芒戈製成第一台能輸出功的燃氣輪機,但效率太低,因而未獲得實用。

1920年,德國人霍爾茨瓦特製成第一台實用的燃氣輪機,其效率為13%、功率為370千瓦,按等容加熱迴圈工作,但因等容加熱迴圈以斷續爆燃的方式加熱,存在許多重大缺點而被人們放棄。

隨著空氣動力學的發展,人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點,解決了設計高效率軸流式壓氣機的問題,因而在30年代中期出現了效率達85%的軸流式壓氣機。與此同時,渦輪效率也有了提高。在高溫材料方面,出現了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼,因而能採用較高的燃氣初溫,于是等壓加熱迴圈的燃氣輪機終于得到成功的套用。

1939年,在瑞士製成了四兆瓦發電用燃氣輪機,效率達18%。同年,在德國製造的噴氣式飛機試飛成功,從此燃氣輪機進入了實用階段,並開始迅速發展。

隨著高溫材料的不斷進展,以及渦輪採用冷卻葉片並不斷提高冷卻效果,燃氣初溫逐步提高,使燃氣輪機效率不斷提高。單機功率也不斷增大,在70年代中期出現了數種100兆瓦級的燃氣輪機,最高能達到130兆瓦。

與此同時,燃氣輪機的套用領域不斷擴大。1941年瑞士製造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗;1947年,英國製造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水,它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力;1950年,英國製成第一輛燃氣輪機汽車。此後,燃氣輪機在更多的部門中獲得套用。

在燃氣輪機獲得廣泛套用的同時,還出現了燃氣輪機與其他熱機相結合的復合裝置。最早出現的是與活塞式內燃機相結合的裝置;50~60年代,出現了以自由活塞發氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置,但由于笨重和系統較復雜,到70年代就停止了生產。此外,還發展了柴油機燃氣輪機復合裝置;另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統,可有效地節約能源,已用于多種工業生產中。

燃氣輪機的工作過程是,壓氣機(即壓縮機)連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮;壓縮後的空氣進入燃燒室,與噴入的燃料混合後燃燒,成為高溫燃氣,隨即流入燃氣渦輪中膨脹作功,推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉;加熱後的高溫燃氣的作功能力顯著提高,因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時,尚有餘功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時,需用起動機帶著旋轉,待加速到能獨立運行後,起動機才脫開。

燃氣輪機的工作過程是最簡單的,稱為簡單迴圈;此外,還有回熱迴圈和復雜迴圈。燃氣輪機的工質來自大氣,最後又排至大氣,是開式迴圈;此外,還有工質被封閉迴圈使用的閉式迴圈。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合迴圈裝置。

燃氣初溫和壓氣機的壓縮比,是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫,並相應提高壓縮比,可使燃氣輪機效率顯著提高。70年代末,壓縮比最高達到31;工業和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200℃左右,航空燃氣輪機的超過1350℃。

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪等組成。壓氣機有軸流式和離心式兩種,軸流式壓氣機效率較高,適用于大流量的場合。在小流量時,軸流式壓氣機因後面幾級葉片很短,效率低于離心式。功率為數兆瓦的燃氣輪機中,有些壓氣機採用軸流式加一個離心式作末級,因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。

燃燒室和渦輪不僅工作溫度高,而且還承受燃氣輪機在起動和停機時,因溫度劇烈變化引起的熱沖擊,工作條件惡劣,故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命,這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等,須用鎳基和鈷基合金等高溫材料製造,同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對于一台燃氣輪機來說,除了主要部件外還必須有完善的調節保全系統,此外還需要配備良好的附屬系統和設備,包括:起動裝置、燃料系統、潤滑系統、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重,大修周期長,壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕,所用材料一般較好,其中以航機的結構為最緊湊、最輕,但壽命較短。

與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較,燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量,重型燃氣輪機一般為2~5千克/千瓦,而航機一般低于0.2千克/千瓦。燃氣輪機佔地面積小,當用于車、船等運輸機械時,既可節省空間,也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高,在部分負荷下效率下降快,空載時的燃料消耗量高。

不同的套用部門,對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數用于發電,而30~40兆瓦以上的幾乎全部用于發電。

燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動,機動性好,在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用,能較好地保障電網的安全運行,所以套用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中,燃氣輪機因其輕小,套用也很廣泛。此外,還有不少利用燃氣輪機的便攜電源,功率最小的在10千瓦以下。

燃氣輪機的未來發展趨勢是提高效率、採用高溫陶瓷材料、利用核能和發展燃煤技術。提高效率的關鍵是提高燃氣初溫,即改進渦輪葉片的冷卻技術,研製能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比,研製級數更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。

高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作,用它來做渦輪葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時,就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃氣初溫,從而較大地提高燃氣輪機效率。適于燃氣輪機的高溫陶瓷材料有氮化矽和碳化矽等。

市場份額

目前,全世界從事燃氣輪機研究、設計、生產、銷售的著名企業有28家,全世界使用的工業燃氣輪機約有5萬台,而且全球的燃機市場幾乎被歐美公司所壟斷。

由于不同的歷史背景,燃氣輪機不同技術道路發展,一條以羅羅、普惠、GE為代表的航空發動機公司用航空發動機改型而形成的工業和船用航改輕型燃氣輪機(俗稱“航改機”);一條是以西門子、ABB、GE公司為代表,遵循傳統的蒸汽輪機理念發展起來的工業重型燃氣輪機(俗稱“工業機”),主要用于機械驅動和大型電站。世界範圍內市場主要被GE公司、西門子/西屋、阿爾斯通/ABB、索拉公司、羅羅公司、三菱和俄羅斯的企業瓜分。

工業概況

我國解放前沒有燃氣輪機工業,解放後全國各地試製過十幾種型號的陸海空用途的燃氣輪機。1956年我國製造的第一批噴氣式飛機試飛,1958年起又有不少工廠設計試製過各種燃氣輪機。

1962年上海汽輪機廠試製船用燃氣輪機,1964年與上海船廠合作製成550KW燃氣輪機,1965年製成6000KW列車電站燃氣輪機,1971年製成3000KW卡車電站。在這期間還與703研究所合作製造了3295KW、4410KW、18380KW等幾種船用燃氣輪機。

1969年哈爾濱汽輪機廠製成2200KW機車燃氣輪機和1000KW自由活塞式燃氣輪機,1973年與703研究所合作製成4410KW船用燃氣輪機,與長春機車車輛廠合作製成3295KW機車燃氣輪機。

1964年南京汽輪電機廠製成1500KW電站燃氣輪機;1970年製成37KW泵用燃氣輪機;1972年製成1000KW電站燃氣輪機;1977年製成21700KW快裝式電站燃氣輪機;1984年與GE公司合作生產了PG6541B型36000KW燃氣輪機;從1984年至2004年已生產了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四種型號燃氣輪機,功率由36000KW上升到現在的43660KW。2003年國家發改委決定南京汽輪電機集團有限責任公司與GE公司進一步擴大合作生產範圍,在南京汽輪電機集團有限責任公司生產S209E型燃氣-蒸汽聯合迴圈發電裝置中的燃氣輪機、汽輪機和發電機。

1978年東方汽輪機廠製成6000KW燃氣輪機;1972年杭州汽輪機廠製成200KW燃氣輪機;1972年青島汽輪機廠製成1500KW卡車電站燃氣輪機。

2003國家發改委決定在秦皇島建一座燃氣輪機生產基地,與美國GE公司合作生產MS9001FA型燃氣輪機。該生產基地隸屬于哈電集團,與哈爾濱汽輪機廠、哈爾濱電機廠共同生產S109FA-SS型燃氣-蒸汽聯合迴圈發電設備。2004年8月在秦皇島組裝的第一台MS9001FA型燃氣輪機已發運到杭州半山電廠。

工作原理

燃氣輪機的工作過程是,壓氣機(即壓縮機)連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮;壓縮後的空氣進入燃燒室,與噴入的燃料混合後燃燒,成為高溫燃氣,隨即流入燃氣渦輪中膨脹作功,推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉;加熱後的高溫燃氣的作功能力顯著提高,因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時,尚有餘功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時,需用起動機帶著旋轉,待加速到能獨立運行後,起動機才脫開。

燃氣輪機

燃氣輪機的工作過程是最簡單的,稱為簡單迴圈;此外,還有回熱迴圈和復雜迴圈。燃氣輪機的工質來自大氣,最後又排至大氣,是開式迴圈;此外,還有工質被封閉迴圈使用的閉式迴圈。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合迴圈裝置。

燃氣初溫和壓氣機的壓縮比,是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫,並相應提高壓縮比,可使燃氣輪機效率顯著提高。70年代末,壓縮比最高達到31;工業和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200℃左右,航空燃氣輪機的超過1350℃。

內部結構

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪等組成。壓氣機有軸流式和離心式兩種,軸流式壓氣機效率較高,適用于大流量的場合。在小流量時,軸流式壓氣機因後面幾級葉片很短,效率低于離心式。功率為數兆瓦的燃氣輪機中,有些壓氣機採用軸流式加一個離心式作末級,因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。

燃燒室和渦輪不僅工作溫度高,而且還承受燃氣輪機在起動和停機時,因溫度劇烈變化引起的熱沖擊,工作條件惡劣,故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命,這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等,須用鎳基和鈷基合金等高溫材料製造,同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對于一台燃氣輪機來說,除了主要部件外還必須有完善的調節保全系統,此外還需要配備良好的附屬系統和設備,包括:起動裝置、燃料系統、潤滑系統、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重,大修周期長,壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕,所用材料一般較好,其中以航機的結構為最緊湊、最輕,但壽命較短。

與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較,燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量,重型燃氣輪機一般為2~5千克/千瓦,而航機一般低于0.2千克/千瓦。燃氣輪機佔地面積小,當用于車、船等運輸機械時,既可節省空間,也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高,在部分負荷下效率下降快,空載時的燃料消耗量高。

不同的套用部門,對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數用于發電,而30~40兆瓦以上的幾乎全部用于發電。

燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動,機動性好,在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用,能較好地保障電網的安全運行,所以套用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中,燃氣輪機因其輕小,套用也很廣泛。此外,還有不少利用燃氣輪機的便攜電源,功率最小的在10千瓦以下。

燃氣輪機的未來發展趨勢是提高效率、採用高溫陶瓷材料、利用核能和發展燃煤技術。提高效率的關鍵是提高燃氣初溫,即改進渦輪葉片的冷卻技術,研製能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比,研製級數更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。

高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作,用它來做渦輪葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時,就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃氣初溫,從而較大地提高燃氣輪機效率。適于燃氣輪機的高溫陶瓷材料有氮化矽和碳化矽等。

按閉式迴圈工作的裝置能利用核能,它用高溫氣冷反應堆作為加熱器,反應堆的冷卻劑(氦或氮等)同時作為壓氣機和渦輪的工質。

燃氣輪機潤滑油系統上

燃氣輪機潤滑油系統是任何一台燃氣輪機必備的一個重要的輔助系統。它的作用是在機組啓動、正常運行以及停機過程中,向正在運行的燃氣輪機發電機組的各個軸承、傳動裝置及其附屬設備,供應數量充足的、溫度和壓力合適的、幹凈的潤滑油,以確保機組安全可靠地運行,防止發生軸承燒毀、轉子軸頸過熱彎曲、高速齒輪法蘭變形等事故。此外,部份潤滑油可能從系統分流出來,成為液壓油系統的油源,或經過濾後作為控製油系統的用油。

聯合迴圈發電裝置的潤滑油系統有幾種不同的配置,對于單軸機組,燃氣輪機與汽輪機共用一套潤滑油系統;對于多軸機組,燃氣輪發電機組與汽輪發電機組可以共用一套潤滑油系統,也可以各自單設一套潤滑油系統,這要視機組的整體布置而定,不過,由于電站分期建設的需要,大多數多軸機組採取各自單設一套的方式;還有一種航空衍生型的燃氣輪機,由于燃氣初溫很高,其燃氣發生器要求使用品質更高的潤滑油,因此燃氣發生器單獨設一套潤滑油系統,而動力渦輪與發電機另設一套,前者用合成油,後者用礦物油。

單就潤滑油系統而言,不管是共用系統還是分設系統,其設計原理是一樣的。整個潤滑油系統的組成應包括下列一些設備:

潤滑油箱

潤滑油箱可設在機組的一個或幾個底盤內,也可以設計成單獨的容器。當油箱由幾個容器組成時,應在它們之間用通路連通以平衡油箱內的壓力。油箱除了起貯油的作用外,還擔負著分離空氣、水分和各種機械雜質的任務。油箱中油流速度應盡量緩慢,回油管應布置在接近油箱的油面,以利于油層內空氣逸出。油箱的容量越大,越有利于空氣、水分和各種雜質的分離。通常用迴圈倍率K(全部潤滑油每小時通過油箱的次數)表示系統容積的相對情況,以Q表示系統的每小時油的容積流量,V表示系統的容積(油箱+管路),迴圈倍率K=Q/V。通常規定K=8~10,最大不超過12。這是為了使從系統回來的潤滑油,有足夠的時間將其夾帶的空氣、水分分離掉。不過,為了結構緊湊,避免因油箱體積過大而使設備笨重,多數機組油箱容量偏小,這迫使使用者要選擇分水性能更好和空氣釋放值較小的潤滑油。

主潤滑油泵

這是機組正常運行時的工作油泵,可以由主機通過輔助齒輪驅動,也可以由交流電動機驅動,大型機組為了簡化結構多採用電動。油泵的容量根據系統總的用油量、調節閥門溢流量和管路的泄漏量決定。主油泵常用的有齒輪泵和螺桿泵,也可以是離心泵。

輔助潤滑油泵

這是機組啓動和停機時的工作油泵,或在主油泵出故障時投入使用,通常由交流電動機驅動。此泵多採用浸入式離心泵。其壓力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。

應急潤滑油泵

該泵在停機時因輔助潤滑油泵故障而投入,或因失去交流電源而投入,或因主、輔泵都不能工作機組緊急停機而投入。由于應急泵隻在故障時工作,其壓力和容量一般較小。也有的潤滑油系統用高位油箱代替應急油泵。

潤滑油流過各潤滑點(軸承、齒輪等)後溫度上升14~33℃(配備減速齒輪時溫升可達33℃),因此,從系統回來的潤滑油必須冷卻以保證合適的供油溫度。目前套用較為廣泛的仍然是管式冷油器。常用的冷卻方式為水冷,其次是氣冷,氣冷的優點是不需要冷卻水,可在缺水地區使用,但由于空氣的傳熱系數比水的要低得多,因此空冷式冷油器體積相對要龐大得多。在採用水冷方式時,常常設定兩個並聯的可切換的冷油器。

主潤滑油濾多採用兩個並聯的可切換的濾油器。主油濾應設定在冷油器的下遊。

除上述的設備之外,潤滑油系統還需要有閥門、孔板、溫度開關壓力開關、油箱液位指示器、潤滑油加熱器等各種組件和設施,以保證系統正常、安全、可靠地工作。

燃氣輪機的潤滑油系統下

為保證對燃氣輪機及其驅動的設備提供良好的潤滑,除了有設計完善的潤滑油系統外,選擇性能優越的潤滑油也是一個重要因素。早期燃氣輪機由于渦輪進口溫度不是很高,其所用的潤滑油基本與汽輪機用油一致,但隨著渦輪進口溫度的不斷提高,燃氣輪機對潤滑油質量指標的側重點與汽輪機的側重點明顯不同,燃氣輪機強調的是油的高溫抗氧化性能,而汽輪機則看重油的抗乳化性能(分水性能)。目前,不少廠商正在研製上述兩種性能均優的聯合迴圈用油,特別是同一潤滑油系統的單軸機組的用油。潤滑油為基礎油增加防銹、防腐、抗氧化等各種增加劑後的製成品。基礎油可以是礦物油,也可以是合成油。由于合成油純度高,其性能及使用壽命均優于礦物油,但價格一般為礦物油的2~3倍。評價潤滑油優劣的性能指標有油的物理性能、表面性能和氧化性能三個方面,對此燃氣輪機製造廠商會提出選擇建議。

& 對潤滑油的要求,原則上有下列幾個方面:

要求適應軸承、齒輪裝置等的啓動、加速、滿轉速及超速等各種工況所需要的潤滑油性能。

要求適應液壓系統如油缸、伺服閥等所需要的液壓油性能。

熱傳遞油性能。能把軸承、齒輪裝置等各種熱表面的熱量吸收,並將其傳輸給潤滑油換熱器(冷油器)。

在一定溫度和壓力下工作、靜止或貯存狀態都具有穩定的物理性能、表面性能和氧化性能。

能適應潤滑系統中及其他用油系統中的各種機械材料,並能保護材料不受腐蝕。

具有自動排除空氣和水等污染物的性能。

具有一定的抗燃能力等。

在選擇潤滑油時,除了遵照設備製造廠商的建議之外,應該更側重于下列的性能指標:

黏度和黏度指數

為了常溫下燃氣輪機啓動時確保各軸承的靜壓潤滑和液壓系統的快速反應能力,希望在啓動時潤滑油的黏度不要太高,為此絕大多數渦輪機械選擇40℃時黏度為28.8~35.2/s的潤滑油,即黏度等級為ISOVG32的潤滑油。在燃氣輪機正常帶負荷運行時,軸承間隙內的工作溫度有可能高達120℃以上,此時要求油的黏度高一些。為此,應選擇黏度隨溫度變化較為平緩的、即黏度指數較大的潤滑油。這裏建議油的黏度指數在100以上,至少不應小于90。

氧化安定性

燃氣輪機工作時,潤滑油受到強烈的熱氧化作用,汽輪機油常用的揮發型防銹抗氧化劑對燃氣輪機用的潤滑油已不適宜。對于在溫度高于260℃的環境中工作的軸承,文獻49中明確規定其使用的潤滑油中不宜含有DBPC(二叔丁基對甲酚)一類的揮發型抗氧化劑。對于氧化安定性,傳統的考核指標是油氧化後酸值達2.0mgKOH/g時所需要的小時數(國外常簡稱為TOSTLife,即總的氧化穩定性試驗壽命),在燃氣初溫不是很高的情況下,僅考核這一指標已足夠,而且隻要求其在2000h以上就可。

但是,由于TOST是在95℃的試驗條件下進行,而這一溫度與燃氣輪機軸承的工作溫度頗有距離,對新一代燃氣初溫更高的燃氣輪機,光考核TOST已經不夠,因此增加了油的旋轉氧彈試驗指標,以便在更高的溫度下考核油的性能。旋轉氧彈試驗的溫度為150℃,比TOST要高得多。

破乳化值,也稱分水性能

這是指油和水的分離能力,測量的方法是在專用的試管內放入40mL的油和40mL的水,按規定的試驗程式混合,然後測量油水完全或基本完全分離的時間(min),油水分離的程度可以是40-37-3.40-40-0等。對于燃氣輪機,這不是十分強調的性能指標,因為在燃氣輪機中,潤滑油被水(或蒸汽)污染的可能性不大。而在汽輪機中,油水混合的可能性很大,對油的破乳化值不能忽視,其指標至少是油水分離至40-37-3,時間不大于15min。對于聯合迴圈發電裝置,如果燃氣輪機與汽輪機共用潤滑油系統,則必須兼顧油的高溫性能和分水性能。

空氣釋放值

由于大多數燃氣輪機的軸承均使用密封空氣,因此軸承的回油中必然會混進空氣。這些進入油層中的空氣,必須要在油回到油箱後的短暫停留時間內從油層中釋放掉。在選擇潤滑油時,其空氣釋放值應不大于油在油箱內迴圈一次的時間。

起泡性能

起泡性能與空氣釋放值是兩個相互關聯而又容易混淆的概念。其實空氣釋放發生在油層之內,泡沫則產生于油的表面之上。通常認為,在油面上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫過多,油箱的通(排)氣口充滿泡沫時,就會因妨礙空氣的排放而招致嚴重的後果。因此油的起泡性能至少應符合一般汽輪機油的標準。

除此之外,新油的顏色應淺,以不超過ASTMD1500中的2.0為宜。對于帶有負荷齒輪箱的機組,必須考慮油的承載能力,應選擇承載能力(FZG)7級以上的油。

發電廠

燃氣輪機發電廠英文名:gas turbine power plant  

以高溫氣體為工質,按照等壓力加熱迴圈工作燃料中的化學能轉變為機械能和電能的工廠。燃氣輪機發電廠用液體和氣體燃料通過燃氣輪機轉變為機械能,然後帶動發電機發電。

燃氣輪機的絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹和等壓放熱等四個過程分別在壓氣室、燃燒室、燃氣渦輪和回熱器或大氣中完成。大型燃氣輪機的壓氣機為多級軸流式,中小型的為離心式。燃氣渦輪一般為軸流式,在小型機組中有用向心式的。燃氣渦輪帶動壓氣和發電機。燃氣輪機組單機容量小的約為10~20kW,最大的已達140MW 。熱效率30%~34% ,最高達38%。燃氣輪機結構有重型和輕型兩種,後者主要由航空發動機改裝。

由于體積小、重量輕、啓動快、安裝快,用水少或不用水,能使用多種液體和氣體燃料,在發電上多用于調峰。此外,燃氣輪機在油氣開採輸送、交通、冶金、化工、艦船等領域也得到廣泛套用。

密封

燃氣輪機先進密封技術是近十幾年來在國外引起高度重視的一個分支領域,先進密封技術帶來的好處,已經實實在在地體現在發動機性能提高、燃油消耗率降低、運行和維修成本減少等方面。

汽缸密封

在汽輪機運行過程中,汽輪機滲漏和汽缸變形是最為常見的設備問題,汽缸結合面的嚴密性直接影響機組的安全經濟運行,檢修研刮汽缸的結合面,使其達到嚴密,是汽缸檢修的重要工作,在處理結合面漏汽的過程中,要仔細分析形成的原因,根據變形的程度和間隙的大小,可以綜合的運用各種方法,以達到結合面嚴密的要求。

汽缸密封是金屬對金屬的密封接觸,隻有在密封接觸壓力使接觸面產生永久變形時,才能形成絕對的密封。但這是不允許的,缸面變形必將影響下一次的密封效果。因此,螺栓預緊力的極限必須保證缸面變形在彈性範圍內。然而,這種使缸面產生彈性變形的螺栓力不足以形成耐高溫高壓的氣密性密封,即使在具有超高表面光潔度的完善的缸面情況下,也仍會出現泄漏。因為,盡管表面非常良好,但總是存在著極其細微的能生成足以通過空氣流的泄漏通道的表面缺陷。

汽缸密封可採用博科思高溫密封劑,博科思高溫密封劑已經在西門子渦輪機上用了50多年(1952年與西門子合作研發)。博科思高溫密封劑是一種單組份、膏狀密封劑,是一種工業用途優質密封劑,適用于對光滑、平整密封面(對接接頭)的溫度和壓力情況要求高的工況。尤其適用于密封金屬接頭:蒸汽輪機和燃氣輪機、壓縮機、泵、外殼、法蘭接頭等。博科思耐高達900℃的熱蒸汽、氣體,熱、冷水,輕質燃油、潤滑劑,原油及天然氣。密封面及接頭處極好的粘著力可確保耐壓高達250巴(255kg/cm2)的壓力。我們可以發布一個對于產品套用在蒸汽渦輪機和燃氣渦輪機機加密封面(對接接頭)10年的擔保,但要基于產品的正確使用和行業規定的維修。博科思不是一種危險物質。

燃氣輪機

船舶套用

艦船動力裝置主要有:蒸汽動力裝置、柴油機動力裝置、核動力裝置、燃氣動力裝置和聯合動力裝置。前兩種裝置發展得比較早,廣泛套用于各類艦船,後面三種,系近十多年來迅速發展起來的新型動力裝置。艦船燃氣輪機動力裝置是指以燃氣輪機為主機的全燃化動力裝置。它自五十年代末期起,尤其是六十年代中期以來,已得到了極其廣泛的套用。功率總數日益成長,裝艦使用範圍日益擴大,已由快艇發展到了護衛艦、飛彈驅逐艦、巡洋艦和直升機航空母艦等,可謂是舍我其誰。

燃氣輪機作為軍艦動力的優勢

在軍艦動力方案選擇上,燃機輪機的主要競爭對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機,但是由于燃氣輪機先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合,燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的唯一選擇。老牌海軍強國如美國海軍、英國海軍、日本海上自衛隊的主力水面作戰艦隻早已完成動力燃氣輪機化。

燃氣輪機第一個優勢是功率密度極大。一般情況下,同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一,是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。這是由于燃氣輪機本身精巧的連續轉動熱力學迴圈結構造成的,體積小、功率大,非常適合軍艦分艙小、航速要求高的特點。

燃氣輪機的第二個優勢是啓動速度快。雖然燃機的轉速是三種動力系統中最高的,但是由于整個轉子十分輕巧,在啓動機幫助下在1-2分鍾就可以達到最高轉速。而柴油機由于轉子運動源于活塞的往復,加速較慢,蒸汽輪機更是“反應遲鈍”,整個系統達到最高功率輸出可能需要長達一小時的時間。而啓動速度,對于軍艦的戰時出動和反潛作戰時加減速性能有著直接的影響。

燃氣輪機第三個優勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動當中,產生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機的活塞往復產生了大量低頻機械振動噪聲,恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點,導致軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機動力尤為不適合給反潛軍艦作動力系統。

自研燃機尚未裝備

我國艦用燃氣輪機研發的起步並不算晚。根據“中國艦用燃氣輪機總師訪談錄”的介紹,1958年我國開始著手研發計畫的具體組織實施,決定成立南、北方兩個聯合設計組,先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設計。1959年底,前蘇聯向我國轉讓了M-1艦用燃氣輪機技術,我國對該機組進行了以技術練兵為目的的仿製工作。僅用了11個月,上海輪機廠就完成了該型燃機的首台樣機製造。不過由于各種原因,仿製樣機經過3年才排除大量故障通過驗收試驗。後來該型燃機在一艘高速炮艇上進行了試驗並且裝備了部隊。1964年完成設計的6000馬力燃機組是我國第一次自行設計研製的艦用燃機,但是由于研製周期過長加之原裝配對象計畫調整未能裝備部隊。與世界上其他國家主要依靠航空發動機改燃機不同,我國由于航空發動機水準落後,採取的是改進和專用研製並舉的道路。

1967年我國決定將轟六轟炸機上的渦噴8發動機改進為大功率艦載燃氣輪機,這是我國首次進行“航改燃”實踐,但是最終因為發達國家同意進口相應型號受到沖擊無果而終。後來我國一直在艦用燃機方面不斷嘗試,但是一直沒能拿出一款成熟可靠性能優良的艦載燃氣輪機。這就是中國6艘裝備燃氣輪機的驅逐艦都採用外國產品的原因,其中112.113兩艘驅逐艦因為受到美國禁運影響,其裝備的LM2500燃氣輪機到了使用時限也難以獲得大修。

航空動力工業發展拖累艦用燃機

我國在艦載燃氣輪機方面一直沒能突破技術瓶頸的主要原因有很多,既有航空動力方面的問題也有艦用燃機工業本身的體製問題。其中最主要的一個原因是我國航空動力工業缺乏長期發展規劃。我國航空動力工業像很多落後國家一樣是從仿製和修理開始的。在老大哥的幫助下,我國迅速建立起一個能夠和世界一流水準比肩的航空工業體系,但是我國並沒有為航空工業以及航空動力工業製定一個從仿製到研製的長遠發展規劃,而是將航空工業本身的任務局限于仿製、生產和修理,確定了以生產為主的“遍地批量廠”發展方針。我國航空工業的運行狀態就是,仿製生產再仿製再生產,長期處于這種發展狀態下,我國航空動力工業對于現代航空動力系統的研究發展客觀規律認識極為不足。

航空發動機研製沒能突破相關技術瓶頸,與航空發動機技術相通的艦用燃機更是無從談起。在2004年,中國一航開發研製的國產新型燃氣輪機QC185在珠海航展上首次面世。而該機就是以太行核心機為基礎改進的輕型燃機,不過輸出功率17兆瓦的水準也不足于我國目前發展大型水面艦艇的需要。另外,我國艦用燃機輪機主要研製和生產單位存在于航空工業之外,在體製方面非常不利于航空發動機向燃氣輪機的改進工程。

主要形式

簡單迴圈發電

由燃氣輪機和發電機獨立組成的迴圈系統,也稱為開式迴圈。其優點是裝機快、起停靈活,多用于電網調峰和交通、工業動力系統。目前的最高效率的開式迴圈系統是GE公司LM6000PC 輕型燃氣輪機,效率為43%。

前置迴圈熱電聯產或發電

由燃氣輪機及發電機與餘熱鍋爐共同組成的迴圈系統,它將燃氣輪機排出的功後高溫乏煙氣通過餘熱鍋爐回收,轉換為蒸汽或熱水加以利用。主要用于熱電聯產,也有將餘熱鍋爐的蒸汽回註入燃氣輪機提高燃氣輪機出力和效率。最高效率的前置回註迴圈系統是GE公司LM5000-STIG120 輕型燃氣輪機,效率為43.3%。前置迴圈熱電聯產時的總效率一般均超過80%。為提高供熱的彈性,大多前置迴圈熱電聯產機組採用餘熱鍋爐補燃技術,補燃時的總效率超過90%。

聯合迴圈發電或熱電聯產

燃氣輪機及發電機與餘熱鍋爐、蒸汽輪機或供熱式蒸汽輪機(抽汽式或背壓式)共同組成的迴圈系統,它將燃氣輪機排出的功後高溫乏煙氣通過餘熱鍋爐回收轉換為蒸汽,再將蒸汽註入蒸汽輪機發電,或將部分發電作功後的乏汽用于供熱。形式有燃氣輪機、蒸汽輪機同軸推動一台發電機的單軸聯合迴圈,也有燃氣輪機、蒸汽輪機各自推動各自發電機的多軸聯合迴圈。主要用于發電和熱電聯產,發電時的最高效率的聯合迴圈系統是ABB公司GT26-1,效率為58.5%。

整體化迴圈

煤氣發生爐、燃氣輪機、餘熱鍋爐和蒸汽輪機共同組成的迴圈系統,也稱為IGCC。主要解決使用低廉的固體化石燃料代替燃氣輪機使用氣體、液體燃料,提高煤炭利用效率,降低污染物排放。可作為城市煤氣、電力、集中供熱和集中製冷、以及建材、化工原料綜合供應系統。目前,GE公司使用MS7001F技術組成的整體迴圈系統發電效率可達到42%。

核燃聯合迴圈

由燃氣輪機、餘熱鍋爐和核反應堆、蒸汽輪機共同組成的發電迴圈系統。通過燃氣輪機排出的煙氣再熱核反應堆輸出的蒸汽,主要為提高核反應堆蒸汽的溫度、壓力,提高蒸汽輪機效率,降低蒸汽輪機部分的工程造價。目前處于嘗試階段。

燃機輔助迴圈

在以煤、油等為燃料的後置迴圈發電汽輪機組中,使用小型燃氣輪機作為電站輔助迴圈系統,為鍋爐預熱、鼓風,改善燃燒,提高效率,並將動力直接用于驅動給水泵。1947年美國第一台工業用途燃氣輪機就是採用該種方式參與發電迴圈系統運行的。

燃氣煙氣聯合迴圈

由燃氣輪機和煙氣輪機組成的迴圈系統,利用燃氣輪機排放煙氣中的剩餘壓力和熱焓進一步推動煙氣輪機發電。該系統與燃氣蒸汽聯合迴圈系統比較可完全不用水,但煙氣輪機造價較高,還未能廣泛使用。

燃氣熱泵聯合迴圈

由燃氣輪機和煙氣熱泵,燃氣輪機、煙氣輪機和煙氣熱泵,或燃氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽熱泵,以及燃氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽輪機和蒸汽(煙氣)熱泵組成的能源利用系統。該系統在燃氣輪機、煙氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽輪機等設備完成能量利用迴圈後,進一步利用熱泵對煙氣、蒸汽、熱水和冷卻水中的餘熱進行深度回收利用,或將動力直接推動熱泵。這一工藝可用作熱電聯產、熱電冷聯產、熱冷聯產、電冷聯產、直接供熱或直接製冷使用,該系統熱效率極高,如果用于直接供熱,熱效率可達150%,是未來能源利用的主要趨勢之一。

燃料電池燃氣輪機聯合迴圈

美國能源部近日宣布開發出了世界第一個將燃料電池和燃氣渦輪機結合在一起的發電設備,這種設備能更有效地產生電力並大大減少環境污染。據了解,這一設備的燃料電池由1152個陶瓷管構成,每個陶瓷管就像一塊電池。電池以天然氣為燃料,能放出高溫高壓的廢氣流,燃氣渦輪機則用燃料電池產生的熱廢氣流製第二輪電力。由于燃料電池中沒有燃燒過程,隻是通過化學分解天然氣燃料來產生電力,因此可以大幅度減少污染。 設備不會產生二氧化硫,其反應產物中的氮氧化物含量不及目前天然氣發電設備的2%,二氧化碳排放量則減少了15%。而且,隻要有天然氣和空氣存在,燃料電池就能工作。新型發電設備的發電功率為220千瓦,能為200戶人家提供電力。其發電效率達到55%,這意味著來自天然氣燃料的能量中有55%轉化成了電能,遠遠高于燃煤發電設備的35%發電效率,也高于燃氣渦輪機50%的發電效率。    

相關詞條

相關搜尋

其它詞條