燃气轮机的技术发展趋势

燃气轮机的技术发展趋势

燃气轮机的技术发展趋势

近年来,燃气轮机的技术发展非常迅速,性能日益完善,大型燃气轮机联合循环电厂的功率等级已与汽轮机电厂相当,发电效率普遍超过了50%,最高已达58%,远远超过汽轮机电厂的效率,加之还有初始投资省、占地面积少、耗水少、环境污染少、运行维护方便等优点,使燃气轮机联合循环电厂在世界范围内获得了迅速的推广应用,因而,各主要燃气轮机制造厂都已成套供应燃气一蒸汽联合循环发电机组,安装和使用都很方便。据统计,目前全世界新增发电设备中,燃气轮机及联合循环发电机组约占40%,已与汽轮发电机组平分秋色,而美、日等发达国家,燃气轮机已经超过了汽轮机。据美国电力研究所的专题报告预测,美国1993一2001年内新增发电设备的2/3将是燃气轮机发电机组,到2015年,世界新增发电设备中燃气轮发电机组约占63%。美好的应用前景进一步刺激了燃气轮机的研究和发展,下面将对近期的研究和发展情况分别进行介绍。

由于工业化国家对环境保护的要求越来越严格,促使燃气轮机制造厂将较多的精力放在努力减少排气污染方面,其经费已占燃气轮机研究经费的最大份朽。燃气轮机一般燃用天然气或蒸馏油等清洁燃料,其含硫和含尘量极低,因而,排气中烟尘和502含量极低。所以燃气轮机考虑的排气污染物主要有未燃烧的碳氢化合物(UHC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)3种,由于燃烧技术的成熟和燃烧室结构的完善,目前先进燃气轮机的燃烧效率几近100%,排气中的UHC和CO极其微少,可以满足工业化国家严格的环保要求。但是,由于燃气轮机燃烧室中的火焰温度比较高,在高温下产生了一定数量的NO、,一般可达200又10一6左右,超过了许多工业化国家的环保规定。因此,减少燃气轮机排气污染的努力,近年来主要是集中在减少NO二产生方面。向燃烧室的燃烧区按照一定比例注入水或蒸汽,可以降低最高燃烧温度,有效地抑制Ox的产生量,这是目前一种比较成熟而能有效减少燃气轮机NO、排放的方法,已获得了较广泛的应用。一般注水与燃料之比约为0.95左右。在燃气轮机的排气通道应用选择催化还原S(CR)技术,即布置催化床并注入氨气,使NOx还原成NZ和水蒸气,这也可有效地减少NOx的排放。但上述两种方法成本比较高,而且对环境又会造成另外的有害影响,如氨气泄漏等,所以,目前的研究重点已转向干式低NO、(DLN)燃烧室的研制,即不向燃烧室中注入水或蒸汽,而通过优化燃烧室结构和合理组织燃烧来减少NOx的产生。目前,GE、西屋、ABB、西门子、索拉等主要燃气轮机制造厂都已研制成各自的DLN燃烧室,具体措施大致有以下几种:

1预混稀相燃烧(或称预混贫燃料燃烧)

该方法通过燃料与空气预先混合成稀相,再组织燃烧,使燃烧更为完全,而且可降低燃烧室内的最高燃烧温度。例如,在大多数范围内,可使火焰温度低于1400’C。因而有效地抑制了NO二的产生量。该方法的缺点是运行范围比较窄,低工况时容易熄火。目前,大多数DLN燃烧室都是应用这种方法,但都采取了一些稳定燃烧的措施,如应用值班喷嘴、控制燃料的分配等。例如,爱利松公司的501型燃气轮机采用预混锥使燃料与空气产生稀相预混,再配合旋流器、值班喷嘴和空气掺混系统来控制燃料/空气比和火焰分布,实现了低NOx排放,同时在低负荷时无熄火和不稳定现象。索拉公司1993年以后应用该方法,使其燃气轮机在50%一100%负荷范围内NOx产生量少于42x10一6。西门子公司应用该技术,使其燃气轮机的NOx排放量低达9火10一6CO排放量少于5火106,而成本仅增加不到10%。GE公司应用该技术,计划要使NOx排放量降低至9又10一6。EGT公司在其

Typhn型燃气轮机上应用该方法,烧天然气时的NO、排放量低于37火10一6。2多级燃烧

ABB公司应用了双锥预混EV燃烧器来减少NO、的产生,在最近研制的GT24型和GT26型燃气轮机上,为了取得较高的循环效率而又避免太高的进气初温(进气初温为1235℃),便采用了二级燃烧的措施。即向第一级燃烧室喷入2/3的燃料,组织燃烧,其燃气在第一级透平中膨胀做功后,进入第二级燃烧室,再向其中喷入剩余的13/燃料,组织燃烧,将燃气温度再次升高后,进入以后的4级透平膨胀做功。因此,既获得了约38%的高循环效率,又使NO、的排放量控制在较低的水平,烧天然气时,NO、的设计值低于25只10一6;烧蒸馏油时,如配合注水措施,额定负荷下NO、<42又10一6。

3浓相激混稀相燃烧(或称富燃浇激混贫燃料燃烧)

由于预混稀相燃烧在高进气温度时容易产生回火或自动点火现象,而且低负荷时容易熄火。因此,最近又在发展一种浓相激混稀相燃烧(RQIJ)技术。即使浓相燃料喷入燃烧室,在燃烧室中与空气激剧掺混,稀释后形成稀相燃烧,同样可以抑制最高火焰温度,减少NOx的产生量,并有较好的火焰稳定性,该方法已成为各主要燃气轮机制造厂的研究重点。

4催化燃烧

这类燃烧室应用了催化剂,使燃料与空气在催化剂表面进行反应。由于反应(燃烧)温度可以控制得相应较低,从一开始便减少了NO二的产生量。据称,可使NOx的排放量降低到l只10一6,但此技术目前还处于试验研究阶段。

洁净烧煤的联合循环电厂开始商业化应用。洁净烧煤的联合循环电厂主要有整体煤气化联合循环(IGCC)和增压流化床联合循环(PFBC一CC)两种。经过10多年的研制和开发,目前正处于最后的示范阶段,并已开始进入公用电厂规模的商业化应用。例如,美国佛罗里达州西海岸正在建造一座260MW的IGCC电厂,它由一台192MW的MS7001F燃气轮机、一台不补燃的余热锅炉和一台130MW的汽轮机组成,应用了德士古气化工艺和热气净化技术。在煤炭储量丰富的德国,正在建造一座320MW的IGCC电厂,它应用两台烧褐煤的流化床气化炉产生煤气,供应一台西门子KWU公司的212MW的V94.3型燃气轮机,配一台余热锅炉和一台155MW的抽汽式汽轮发电机组,同时供应电力和蒸汽,设计效率46%,1996年已投入试运行。西班牙也正在建造一座类似的IGCC电厂,总功率335MW,烧低灰烟煤时净电厂效率约45%,它应用了干粉供料的Prenfol喷流气化系统,1996年底已投入试运行。最近在捷克北部正在建造一座烧煤的PFBC一CC热电厂,生产60MW电力、10MW工艺蒸汽和100MW地区供热。全套设备由ABBCarbon公司提供,计划于1997年投运。西屋公司正与RR公司合作开发直接烧煤和间接燃烧的联合循环技术。据说应用了液态排渣燃烧室,使煤中的灰份以液态形式在燃烧室中脱除,同时加入石灰石脱硫,燃气再经高温陶瓷过滤器进一步过滤,可有效地解决令人头痛的高温叶片流道的腐蚀问题,具有较低的成本和较高的效率。间接燃烧的联合循环应用了陶瓷换热器技术。

燃气轮机最常用的燃料是天然气和蒸馏油,最近通过IGCC和PFBC一CC成功地解决了燃气轮机清洁地燃烧煤炭燃料的问题。除此之外,还有大量的渣油,生物质燃烧煤和沥青基燃料也具有一定的商业应用前景,目前也正在积极开发应用。国外渣油一般不直接用作燃气轮机的燃料,以免对高温通道产生腐蚀和对环境造成污染。最近,正努力通过气化的途径来解决燃气轮机洁净地烧渣油的问题。例如意大利正在建造一座220MW的IGCC电厂,其燃料为炼油厂的减粘裂化渣油,