大力发展燃气轮机

大力发展燃气轮机

彭友梅

(中国航空工业第一集团公司科技委　北京・100012)

摘要:介绍了国外燃气轮机的现状和发展趋势,针对国内市场需求和燃机产业的状况,提出了未来20年我国燃气轮机发展的总体思路和建议。

关键词:燃气轮机;发展;建议

Strive to Develop G as Turbomachine

PEN G Y ou2mei

(Scientific and Technological Committee of AV IC I,Beijing100012)

Abstract:This paper introduces the present situation and developing trend of oversea gas turboma2 chine.On basis of the need in domestic market and the state of gas turbomachine industry,an overall plan and suggestions are put forward to develop gas turbonachine at home in the following20years. K ey w ords:gas turbomachine;development;suggestion

1　前言

燃气轮机是地面燃气轮机的简称,具有功率重量轻、体积小、功率范围广、起动快、效率高、低污染等优点,是近几十年来发展非常迅速的新型动力装置。

轻型燃气轮机利用航空发动机改型发展,并以航空动力部门为主研制,如GE、RR、PW等公司;重型燃气轮机采用传统结构独立研制,以机械、船舶、电力部门为主,如GE、西屋、ABB、西门子等公司。目前,将航空发动机技术向重型燃机上转移甚至把航机部件放大直接使用;非航空部门与航空动力部门联合开发研制燃机,走“轻重并轨”的道路;已成为一大趋势。

2　国外燃气轮机现状及发展趋势

半个世纪以来,随着航空推进技术的发展,燃气轮机作为典型的军民两用高科技产品,也迅速成长,并成为对国防和国民经济具有重大作用的战略性产业。当前,已有20多个国家、100余家厂商从事燃气轮机的成套设计、研制、生产和销售,机组型号达300种以上,燃机总产量已超过33500台。轻型燃机简单循环热效率从60年代的30%提高到90年代的41%～42%。预计到2020年,联合循环的热效率可达65%67%。

2.1　舰船用燃气轮机

目前世界各国的主战水面舰艇动力基本上实现了燃机化。至1998年,世界56个国家和地区的948艘军舰采用了2800台燃气轮机。GE公司的LM2500生产了1442台,其中906台装在115个国家的200多艘舰艇上使用。前苏联建造的“里海怪物”、

“雏鹰”等地效翼船,以НК12、НК8燃气轮机为动力装置。

燃气轮机在民用高性能船上也已广泛应用。预

收稿日期:2001-07-30

计到2020年,舰船市场约需2000台左右的燃机,其中功率在2238kW至7460kW约占一半,14920kW 以上约占1/3左右。

2.2　发电用燃气轮机

轻型燃气轮机主要用于城市调峰发电、备用电源和利用石化、化工、冶金、煤炭等工业的中低热值尾气、瓦斯气发电或热电联供,并可作为邮电、医院、宾馆应急备用电源。轻型燃气轮机发电可节约能源和减少对大气的污染。重型燃机已从作为调峰发电转为以保证基本负荷的中心电站。19872000年新增电力中燃机所占比例,美国为2/3,全世界为1/3强。估计到2020年全世界燃机新增发电将会占一半左右。

世界上煤是发电的主要燃料,但燃煤汽轮机电站效率不高、污染排放严重。因此,各国正在大力发展清洁燃煤技术。典型的有整体煤气化联合循环(IGCC)、增压硫化床联合循环(PFBC)和常压硫化床(AFBC)联合循环等。预计到2010年IGCC的热效率可达到50%,发电成本比常规燃煤汽机电站低25%。

2.3　车辆动力燃气轮机

燃气轮机用作车辆动力比柴油机重量轻、体积小。它有起动方便,加速性好,很快达到额定工况,即使在-50℃气温下不需预热也能快速起动等优点,已先后用于各种车辆作为动力。

美国M IA主战坦克采用带回热的A GT21500燃机,目前已生产12700台。下一代A T232油耗降到181g/马力・h。俄罗斯T80坦克选用ГТД1250燃机。法国TurmIIIF/XII燃机用于火车动力。预计燃气轮机作为机车和坦克的动力将会越来越多。

2.4　机械驱动用燃气轮机

在石油、天然气开采、运输及化工流程中也大量使用燃气轮机作为油田注水、注气、气举采油、输油、输气管道增压等的机械驱动动力。前苏联的天然气管道增压器动力基本上从航机改型,功率为6.3～30MW,效率为26%,生产的总台数占全世界总台数的2/3,其中一半以上在俄罗斯,已运行了20多年。2.5　技术发展趋势

燃气轮机总的发展趋势是:轻型仍以航机改型为主,功率将越来越大;重型越来越多地吸取航机的先进技术,向“轻重并轨”、大功率、高热效率、低污染、适用多种燃料、采用先进循环和低成本方向发展。美国、欧洲等国家组织的三项燃气轮机发展计划具有一定的代表性。

(1)　A TS计划(先进涡轮系统计划)是由美国能源部制定,1993年开始起动,为期8～10年,政府投资4.5亿美元,工业部门自筹2～5亿美元。主要指标是:

热效率———大型机组高于60%,中小机组改善15%;

污染

成本

燃料

该计划有四个公司参加,由GE公司研制20×104kW左右大功率燃机,西屋公司的501A TS、Alli2 son公司的701K和Solar公司的“水星”50TM都采用了航空技术来提高增压比(23～30)和涡轮前温度(TRIT=1700K)。

(2)　CA GT计划(联合先进燃气轮机计划),由西方几个国家参加,资金主要来源于共用事业部门和几家大公司。目标瞄准航机改型,功率在5×104～15×104kW,可以调峰也可以做基本负荷电站。主要是将GE90、PW4084、Trent800改为间冷的简单循环,热效率可达45%～47%。

(3)　美国实施的高性能涡轮发动机综合技术计划(IHPTET),投资50亿美元,19872003年完成,目的是使航空发动机技术指标翻一番,验证推重比20的推进技术。

根据市场需求和经济发展的需要,国外各大燃机制造商正在进行新的技术研究:

(1)　采用航空技术

如西屋的501G采用多圆弧方法提高压气机工作叶片的效率。西门子公司的V84.3A采用PW4000和PW4084的流道设计。GE公司的MS9001G型燃机采用航空技术提高增压比、压气机效率及涡轮前温度,使单机功率达到28×104kW,效率为39.5%;联合循环功率为42×104kW,效率为58%。

(2)　控制低污染排放技术

环境保护要求把NO x的排放标准由原来规定的25ppm降到9ppm,目前正在研究的措施有:

a)　向燃烧室喷水、喷水蒸气或N2;

b)　在燃烧后采用选择性催化还原方法;

c)　采用催化燃烧法或干式低污染的设计方案