燃氣輪機發電機組
正文
由燃氣輪機和發電機組成的發電動力裝置。與汽輪機發電機組相比，這種機組結構比較簡單，輔助設備較少，因而投資、占地、發電成本都較前者低。加上燃氣輪機體積小，重量輕，起動快，不需要大量用水，所以，70年代以來這種機組在電力工業中的套用發展較快，每年的增長率達14～21％。燃氣輪機發電機組的局限性是原則上燃用油和氣。80年代中期以來正在研究開發燃用煤等固體燃料的技術。燃氣輪機發電機組的技術特點是：①燃氣初參數高，初溫可達850～1100℃,壓比為8～11。②機組起動快,機動性好。小型機組通常可在15秒到2分鐘內冷態起動到滿負荷運行;5萬千瓦機組也只需要5～8分鐘。③運行可靠並且經濟性好。機組可靠係數達95.5％以上，熱效率為24～30％（簡單循環）。基於以上這些特點，燃氣輪機發電機組在電力系統中承擔調峰和緊急備用。如其容量占系統總容量的15～20％，則基本上能滿足系統中尖峰負荷的調峰需要，從而可使系統中承擔基荷的機組長期處於經濟工況運行。同時，也降低電站的投資、安裝、維護和管理等費用。近來還開發了壓縮空氣蓄能機組。
分類與組成 燃氣輪機發電機組常用類型有兩種：單軸機組和分軸機組。單軸機組由壓氣機、透平、燃燒室和發電機4部分組成;分軸機組由壓氣機、燃燒室、高壓透平、低壓透平和發電機組成。分軸機組的壓氣機、燃燒室及高壓透平的安排與單軸機組相同，即高壓透平與壓氣機聯在同一根軸上。壓氣機、燃燒室及高壓透平叫做燃氣發生器。低壓透平稱為動力透平，它發出的功率拖動發電機組工作。分軸機組與單軸機組最大的差別是壓氣機軸與負載軸分開，高、低壓透平之間只有氣路連線，沒有機械聯繫。
工作原理 大氣中的空氣被吸入到壓氣機中壓縮到某一壓力（一般不低於0.3MPa），壓縮後的空氣被送入燃燒室，與噴入的燃料（油或天然氣）在一定壓力下混合燃燒 ,產生高溫燃氣（溫度通常高於600℃）,高溫燃氣被送入燃氣輪機的透平膨脹做功，直接帶動發電機組發電，最後廢氣被排入大氣。機組中，壓氣機由燃氣輪機直接驅動。燃氣輪機的總功率減去壓氣機消耗的功率才是機組的發電功率。隨著裝置效率的不同，發電機的功率通常為燃氣輪機功率的1/3～1/5。
燃氣輪機發電機組的熱力循環方式有3種:①開放式。這種方式簡單、可靠、製作方便，燃氣輪機發電機組多採用這種方式。但它的熱效率低。②封閉式。特點是工質與大氣隔離，工作參數不受大氣條件影響。但設備較複雜，一般不適於承擔尖峰負荷。③聯合循環。即將蒸汽循環和燃氣循環予以組合，採用一台增壓鍋爐代替燃氣循環中的燃燒室。增壓鍋爐產生的燃氣到燃氣輪機做功，產生的蒸汽到汽輪機做功。由於燃燒是在高壓下進行，故燃燒和傳熱效果都比較好，鍋爐體積可以縮小到1/5～1/6，節省大量金屬材料。
燃氣輪機發電機組的熱力循環基本上採用 3種熱交換方式：①回熱式,即將燃氣輪機的排氣引入回熱器,利用它對進入燃燒室之前的壓縮空氣進行預熱。採用回熱的機組一般可節省燃料25～40％。②再熱式，即將一台高壓燃氣輪機的排氣引入一台低壓燃燒室內重新加熱到高溫，然後進入另一台低壓燃氣輪機中膨脹作功。這提高了工質加熱的平均溫度,增加工質的可用熱焓降,同時為燃氣輪機裝置的分缸和分軸製造提供了有利條件。③中間冷卻式，即將一台低壓壓氣機出口的空氣引入冷卻器冷卻到較低溫度後，再進入一台高壓壓氣機內繼續壓縮。在分段壓縮過程中採用中間冷卻可減少空氣在壓縮過程中所消耗的功率，因而相應地提高了燃氣輪機的輸出功率。
再熱循環和中間冷卻循環通常和回熱循環同時採用。這樣可有效地提高機組的熱效率。
提高熱效率的有效途徑是：①提高燃氣初溫，一般每增高10℃,機組的熱效率大約提高1.5％。②適當地增大壓縮比。③採用多段回熱、再熱和中間冷卻的熱力循環方式。④提高設備的內效率。燃氣輪機的內效率每變化1％(相對值),整個機組的熱效率將變化3～4％（相對值）；壓氣機的內效率每變化1％,整個機組的熱效率將變化2～3％。⑤降低管道的壓力損失。在機組結構和其他參數不變時,管道壓力損失每增加1％將使整個機組的熱效率降低約1.5％,同時還會使機組的有效功率降低約2％。
運行 機組的運行問題包括定速運行要求、變工況運行的穩定性和部分負荷運行時的經濟性。
①定速運行要求：為保證發出電能的頻率和電壓穩定，要求發電設備儘可能維持定速運行。這就要求機組的動力軸在任何情況下都能維持恆定速度。機組的速度調整率通常為4～5％,調速系統遲緩率一般不大於0.05%，即使從滿負荷突然減少到空載時，轉速的變化率也不得超過5～7％。
②變工況運行穩定性：由於電力負荷經常變動，發電燃氣輪機不可能經常在一個工況下運行，特別是一些承擔尖峰負荷的機組，大多數在非額定工況和部分負荷情況下需調整運行，因此要求發電燃氣輪機具有變工況下的運行穩定性。為此，首先需要解決壓氣機的喘振現象（即負荷變化引起壓氣機流量變化的幅度超過了穩定運行範圍時，機器產生強烈振動）；其次要解決燃燒室的滅火問題（即負荷變化引起燃燒室燃燒強度的變化而導致滅火）。前者需擴大軸流式壓氣機的調整幅度；後者需減少燃燒室內一次空氣量的比例，或採用具回流方式的燃燒室。
③部分負荷運行時的經濟性：燃氣輪機的熱效率隨負荷減小而急劇下降。為了改善這種情況，通常採用多軸結構的方法來提高部分負荷運行時的熱效率。一般採用雙軸式結構，將發電機配置在一個軸上定速運行，而另一個軸的轉速可以隨負荷調整。這樣基本上可以做到以四分之三額定負荷運行時其熱效率接近滿負荷時的熱效率;帶半負荷時僅比滿負荷時降低4％左右（絕對值）。設計良好的燃氣輪機，其空載時的燃料消耗量約為滿負荷的20％。
運行中存在的問題有：①燃用重油引起燃氣輪機葉片結垢和腐蝕，以及堵塞流道。②燃氣初溫的波動導致金屬機件內部熱應力加大。③開式循環中排氣直通大氣，其噪聲高達120分貝,經過消聲仍超過90分貝。④需加裝起動電源。
發展動向 燃氣輪機發電機組的發展主要圍繞提高機組的經濟性、可靠性和機動性三方面展開。具體作法有以下幾點。
①燃用多種燃料：有些國家大部分機組都能同時使用氣體燃料和液體燃料,並且能在帶負荷時自動切換,以提高機組的經濟性和機動性。除了積極研究解決重油燃燒上存在的技術性問題外，還正在重點研究發展燃用固體燃料的燃氣輪機組的可能性。
②提高初參數：提高燃氣輪機裝置熱效率的最有效的方法是提高燃氣的初參數。現已設計製造的10萬千瓦機組,燃氣輪機進口的燃氣初溫為1100～1200℃,壓比為12～14。它一方面要求研究發展新的耐熱金屬材料、高溫陶瓷材料如氮化矽(Si3N4)和碳化矽(Sic)，在高溫條件下，應具有足夠的機械強度和抗氧化性能；另一方面還要研究發展葉片的冷卻技術，以降低高溫部件的局部溫度，例如採用空氣或其他液體冷卻葉片的方式。
③採用新型調節系統：60年代以來，普遍採用新型的電液調節，並與程式自動起動、停機，以及超溫、熄火、振動、喘振等保護迴路組成完善的控制系統。例如有採用起動、轉速、溫度 3個主迴路的最小量控制系統；有採用起動、轉速、溫度、壓縮機出口壓力等 4迴路的最小量控制系統；有採用類似汽輪機的功率－頻率控制系統。控制系統的功能是把機器的工況控制在安全允許的範圍內，以滿足負荷方面的要求和機器本身的經濟性和使用壽命方面的要求。各類調節控制系統中，電子液壓式系統功能強,能完成綜合運算、邏輯判斷等任務,可以組成高度自動化的複雜系統，並能利用計算機和實現遙控。現代的DEH控制系統及MEH控制系統將廣泛用於燃氣輪機控制系統。採用最小量控制系統，能保證最小燃料量以避免切斷時熄火。還可採用兩套迴路，其中一套故障時報警，但不影響運行。在起動過程中，普遍採用自動檢測方式。
④採用快裝式組裝機組：除中小容量機組採用快裝式外，大容量的快裝式燃氣輪機電站也有了很快發展。70年代初即已出現了單機容量為 5萬千瓦以上的組裝式機組。這種機組在製造廠組裝，以整台或幾個大件的形式提供給用戶，可以大大縮短機組的安裝時間，降低電站造價,並提高機組的運行可靠性。一座5.8萬千瓦的燃氣輪機電站,其全套設備共分成6大件，即燃氣輪機、輔機設備、控制組件、發電機組、起動組件及進排氣部分，以組件形式運輸到達現場，從而保證了安裝迅速和可靠性高的特點。
⑤發展蒸汽－燃氣聯合循環裝置：經多年研究，基本上分為餘熱鍋爐型、一般鍋爐型和增壓鍋爐型3種。增壓鍋爐型的聯合循環裝置中，增壓燃燒鍋爐既生產蒸汽，又產生燃氣，它們分別在蒸汽循環和燃氣循環中作為工質做功。這種聯合循環裝置被認為是近代動力裝置的重要發展方向之一。蒸汽－燃氣聯合循環裝置的熱效率一般可達34～45％左右，是電力工業中很有發展前途的新型動力裝置。
目前還有一種自由活塞－燃氣輪機聯合裝置，是把燃氣輪機的鏇轉式機械的優點和往復式內燃機的高效率結合起來。自由活塞燃氣輪機已在電力工業中得到廣泛套用，例如用作650～6500千瓦的固定電站、650～6000千瓦的船舶電站、 650～1500千瓦的卡車電站和3000～6000千瓦的列車電站。這種機組的熱效率可達32～36％；能使用廉價的重柴油、燃料油等多種燃料；製造簡便、造價低廉。
我國發電機企業如何有效生存
1、產品更加注重節能、環保。國產發電機市場呈現以下主要特徵：產業集中度較高；產品結構單一，同質化傾向明顯。這些特徵短期內沒有很大的變化。隨著我國明確指出鼓勵自主研發，以及低碳經濟的發展，必將導致整個發動機行業呈現出新的特點：環保、節能、高科技廣泛套用。各發電機廠家必將加大研發力度，未來幾年將出現更多以清潔燃料為動力的新型發電動產品。2、調整產品結構，廣開國際貿易市場，擴大發電機產品的出口。一是在不放棄通用發電機出口的同時，加大對專用和特種電機的研發力度，通過調整產品結構來擴大市場領域和市場份額：二是深度開拓已開發國家市場，儘快改變我國電機出口過分依靠歐盟等國的格局：三是積極開發新興市場；四是努力拓展暫時還不成熟的市場，為電機產品的出口拓展銷售渠道。
3、加大技術創新，積極應對技術貿易壁壘，促進我國發電機出口。我們應從根本上改變品種單調、結構落後的局而，瞄準高端市場，重新定位，不斷推陳出新。實施國際標準化戰略，加大我國的發電機生產、出口標準與國際先進標準的接軌力度，提高國內出口企業的技術能級和應對國際貿易壁壘風險的能力。
