燃气轮机

论燃气轮机

一、燃气轮机概述

燃气轮机是以连续流动的燃气作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。它是以燃气而不是以水蒸气作为工质，因此可省去锅炉、冷凝器、给水处理等大型设备。不仅如此，燃气轮机与以煤为燃料的蒸汽轮机相比，它具有重量轻、体积小、装置效率高、污染少、开停灵活等优点。

二、燃气轮机的类型及其工作原理

（一）燃气轮机的类型

燃气轮机从负荷情况上划分可分为重型和轻型两类。一般工业上用于拖动发电机组发电，或用于机械驱动的燃气轮机都是重型燃气轮机；而用于飞机发动机的燃气轮机为轻型燃气轮机。

燃气轮机从结构上划分，燃气轮机可分为单轴、双轴和多轴燃气轮机。单轴燃气轮机因其压气机、透平与负载共轴，负载的转速变化规律直接影响压气机转速，使吸入压气机的空气量发生变化，甚至使压气机喘振而发生事故。为了使负载变化规律对压气机转速的影响降低到最小程度，即负载变化规律不直接影响压气机的转速，负载转速的变化规律只能通过内部气体工质的工作过程来间接影响压气机的工况，人们设法使压气机与负载不共轴，因而产生了双轴和多轴燃气轮机。

由上可见，在实际选型时，选用单轴、双轴还是多轴燃气轮机，取决于系统中负载的变化情况，当系统负载变化不大时，一般选用单

轴燃气轮机，如大型火力发电厂用于拖动发电机的燃气轮机；当系统负荷变化较大时，可视其具体情况选用双轴或多轴燃气轮机。（二）燃气轮机的工作原理

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。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。

三、燃气轮机的优缺点

与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。此外，燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。

燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而30~40兆瓦以上的几乎全部用于发电。

四、燃气轮机的发展历程及应用领域

公元前150年，古埃及亚历山大城的希罗（HERO）描述的希罗球；我国南宋高年间记载的走马灯和1510年意大利人达·芬奇（LEONARDO-DAVINCI）提出的烟气装置，其工作原理基本相同，是现代涡轮机（透平）的雏形。

之后，燃气轮机的发展经历了漫长的试验过程。直至1906年，法国人阿尔芒研制成世界历史上第一台能输出功的燃气轮机，这台燃气轮机的压比只有4，效率只有3，因而没有推广使用。1920年，德国人霍尔茨·瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13，功率为370kW，但因按等容加热循环工作，存在重大缺陷而放弃。

随着空气动力学的发展，人们逐渐掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了压气机的高效率问题。与此同时，透平的效率也有了相应提高。在高温材料方面，出现了能承受高温的铬镍合金等耐热钢，因而可以采用较高的燃气初温，等压加热循环的燃气轮机终于得到了成功应用，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。

随着科学的不断进步，计算机等辅助设计的出现，耐更高温度的高温材料的发现和透平叶片冷却效果的提高，使燃气初温逐步提高，燃气轮机的效率也不断提高，燃气轮机开始在国民经济各行业中获得了广泛的应用。在荷兰等欧美发达国家，为了合理利用燃料资源，化工部门安装了燃气轮机。

在我国燃气轮机的发展和应用起步较晚，目前在石油化工装置的应用更是凤毛麟角。但随着国内能源市场的发展和变化，国家对环境的日益重视，以及燃气轮机技术的进一步改进，燃气轮机的市场前景

十分广阔。在油田、炼厂、化工厂、海上平台、油气田的注水注气、天然气的压缩和储存以及西气东输管线上的增压站等都可用燃气轮机作为压缩机及泵的动力。

燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平叶片的冷却技术，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。

五、我国燃气轮机生产研发单位及水平

我国轻型燃气轮机市场占有率较低，重型燃气轮机基本处在世界重型燃气轮机巨头所建产业链的生产环节，国内尚未形成完备的燃气轮机产业链。

在轻型燃机领域的生产企业为航发集团下属的具有航改燃机研制能力的606所、608所、624所、中航动力、东安、兰翔以及中船重工703所。在重型燃机领域，生产企业包括东方电气、上海电气、哈尔滨电气及南京汽轮电机。由于轻型燃气轮机多由成熟航空发动机改型研制，重型燃气轮机也会大量移植航空发动机的技术，航空发动机主机、部件及材料的研制单位也属于燃气轮机产业链的企业。

根据发展阶段和途径，中国的燃气轮机可以分为5大类，包括早期航机改工业燃机、专利生产航机改工业燃机、合作生产燃机、正在改进中的航机改燃机及863专项燃机。我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的产业。

自2005年7月29日国内首台9F燃气轮机发电机组在半山发电

厂投运以来，国内燃气轮机发电机组陆续出现了一些严重事故。由于国内没有修理能力，需要返海外检修，周期长、费用高。有些机组已经超过了质保期，制造厂商不承担赔偿责任，电厂直接损失和因停机而造成的少发电间接损失巨大。比较严重的故障有压气机报废更换转子、发电机转子返厂、透平叶片断裂、燃烧故障导致燃烧部件损坏等。

六、我国燃气轮机的发展前景

21世纪,我国电力工业经调整结构和产业升级,依靠科技进步将实现新的增长方式。据预测我国每年新增装机容量仍将达16000MW。高效、洁净利用化石能源,以及重视资源利用和环境保护的可持续发展战略,燃气轮机发电将进人又一新的发展高潮。

我国燃气轮机制造业虽然有一进展,但尚不能满足电力发展的需要。21世纪按每年增长5000MW燃气轮机联合循环来考虑,如果全部依靠进口设备,估计每年要花费外汇25亿美元。按我国现有燃气轮机装机容量,因大部分备品备件都依靠国外进口,估计每年花费外汇又是上亿美元。如果发展燃煤联合循环也靠国外进口,还要花费更多的外汇。显然走国产化的道路才更有利于我国燃气轮机产业的发展,从长远讲是最经济的道路。国家主管部门和国内燃气轮机制造业,应该在认真规划的基础上,瞄准国外最先进的技术,充实国内现有的设计、研究和制造力量,调动国内资金或引用部分外资,通过引进一部份先进设备和技术,进行消化、吸收,组织攻关,使我国燃气轮机制造业赶上国际先进水平。

七、结语