燃气轮机技术发展及应用要点分析

燃气轮机技术发展及应用要点分析

于盟徐有宁杨士博

沈阳工程学院辽宁沈阳110000

摘要：燃气轮机作为重要的工业设备，也是我国能源的战略性产业，燃气轮机发展好坏影响我国制造业与能源技术的进展，也会对国民经济产生不同程度影响。本文中详细分析燃气轮机技术发展现状及应用情况，展望未来发展趋势，以供同行借鉴与参考。

关键词：燃气轮机；技术发展；应用要点

引言

燃气轮机的应用在现代企业生产中十分广泛，能够对国民经济发展中所需要的电力和能源进行输送与分配，还是国防领域中的重要应用设备，总体来说燃气轮机在现代社会运行中有着不可取代的作用。近几年的燃气轮机发展技术已经达到了较高的水平，燃气轮机领域也取得了显著的科研成果。

1、燃气轮机发展概述

1906年第一台效率为3%的燃气轮机问世。20世纪40年代起燃气轮机开始进入工业的各个领域并得到了较为迅速的发展。例如：1939年诞生于瑞士BBC公司的燃气轮机，功率1.5MW，初温550℃，效率17.3%。进入20世纪80年代后，燃气轮机单机容量有很大程度的提高，特别是燃气-蒸汽联合循环技术日渐成熟。

随着世界范围内天然气资源的大力开发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位发生了明显的变化，不仅可以作为紧急备用电源和调峰机组使用，而且还能用于带基本负荷机组。经过不断应用最新的研究成果，提高技术水平，目前正在研究最大功率达460MW、燃气初温达1600℃、压气机压缩比约40、单循环效率为43%～44%的重型燃气轮机，其联合循环效率将高达65%；同时也在着手研究未来更加先进的燃气轮机，燃气初温的目标是1700℃。

目前燃气轮机单机效率已达36%～41.6%，最大单机功率已达375MW。组成联合循环机组后，发电效率达55%～60%。联合循环机组已成为发电市场的主流机组。日本三菱公司研制的M501J型燃气轮机组成的联合循环在50%负荷工况下效率依然可以达到55%。阿尔斯通公司的新GT26在40%负荷工况下NOx的排放依然低于25ppm(这里1ppm=10-6)。

2、燃气轮机技术应用

本部分以西门子SGT200-2SDLE型燃气轮机的燃烧控制系统为对象，详细分析技术应用原理及注意事项。相对于燃烧系统采用扩散式设计的燃机而言，采用预混燃烧设计的西门子SGT200-2S型燃气轮机性能表现更优越，因为其燃烧室燃烧火焰更短、窄，燃烧温度高，氮氧化物排放低，单位重量功率高，同等输出功率情况下效率更高，但其对空燃比和燃烧器的进气流道设计要求更高，在运行过程中若空燃比波动较大，燃烧室火焰熄灭概率相对较高。

2.1燃料气量控制

两台燃料气阀门分别控制、分配进入8套燃烧器，其中辅助燃料气阀控制进入8个辅助燃烧器的燃气量，主燃料气阀控制进入8个主燃烧器的燃气量。通过燃料气管形状、管径和燃料气供气压力范围的设计，实现进入8台辅助燃烧器和主燃烧器的燃料气量的平均分配。燃料气阀的流量特性曲线需要提前测定，根据测定的曲线来设定控制系统中燃气阀开度及其对应的燃料气量、燃料气热值等相关燃烧参数，以便于控制燃烧功率变化速率，满足机组不同工况下的要求及保持变负荷工况下机组的稳定。

2.2空气量控制

由于SGT200-2S型燃气轮机采用双轴设计（压气机轴和动力透平轴），燃烧后的能量首先驱动前轴的压气机转动，以提供压缩空气供机组燃烧和部件冷却用，该段轴的转速设计为不可调节，转速取决于燃烧功率，即机组设计的轴重量、摩擦阻力、排气背压等固定参数，决定了在一定的燃烧功率下，轴转速一定，此时压气机的空气进气体积流量一定。但空气量受空气温度、湿度和大气压力影响，一定体积空气的质量会发生变化。为了适应这一变化，提高空气量调节精度，保证燃烧稳定及防止压气机喘振，燃机将部分定子叶片设计为可调，对于SGT200-2S型燃机，其前5级定子叶片为可调，称为可调导向叶片（VGV）。总体上看，转速和VGV角度配合调节，可实现空气量更加精确的调节。

2.3启动过程燃烧控制

SGT200-2S型燃气轮机采用电动机作为启动机，启动时电机将燃机拖动至2500rpm，定速吹扫2min，然后由电机拖动燃机进入点火加速阶段，电机在燃机压气机转速达到6096rp时退出运行。该型号燃机的启动提供了3种预设的燃料控制曲线（WindowA/B/C），不同的曲线对应有不同的启动功率初始值、限制值和升速燃气分配曲线。启动功率初始值、限制值控制启动时主燃料气阀和辅助燃料气阀初始开度的总燃烧功率。升速燃气分配曲线控制升速过程中燃烧功率的变化速率、主燃料气阀和辅助燃料气阀燃烧功率分配值及其对应的阀门开度值。

3、燃气轮技术发展分析

3.1发展内容

燃气轮机技术的发展内容主要包括燃气轮机的研制、重要部件的实验、基础和共性理论的研究、总体安装技术的合成、高温部件的制造、总体调试系统的建立、仪器平台的组成、实验性燃气轮机循环发电站的模拟等发面。其中重要部件的研究主要包括，建立燃气轮机研究试验台，建立实验室燃烧参数全面监控体系，建立高温叶片降温技术试验台，燃气轮机安装试验台，燃气轮机仿真应用试验台。

基础和共性理论的研究主要包括压气机设计与理论的结合，燃烧技术与燃烧理论的结合，燃气轮机技术研究的寿命及可靠性与控制理论的结合，叶片加工技术及焊接理论的结合，保温设备的涂层技术与保温理论的结合。燃气轮机技术的发展路线是，加强对核心技术的研究，尽快完成对核心技术的突破，包括了高效燃烧技术和高温部件的涂层保护技术，在这些技术上取得成果将会为燃气轮机技术的发展带来巨大的进步；在研究燃气轮机技术时要按照正规的流程进行，从研发到应用中间的环节一项都不能少，为燃气轮机技术获得知识产权打下基础；积极进行基础研究，为燃气轮机技术的发展奠定良好的研究背景。

3.2发展趋势

今后燃气轮机技术的发展趋势是，通过提高生产设备的温度和压力，来提高机组的运行功率及效率；燃气轮机要适应多种燃料的性质；改变燃气轮机的热力循环系统，运用新型的工质完善操作系统，优化操作的性能。重型的燃气轮机要不断朝着高参数、高性能、高效率、低污染的方向发展，经过相关技术人员与专家的研究，未来的燃气机轮最高温度可以达到1700度，联合运行的功率可达到65%，并将持续上升。

科学先进的气动设计技术能够进一步的提高高压气机和透平部件的性能，气动设计技术中的可控漩涡技术、自由涡技术、扭叶片技术、多圆弧叶技术、散叶技术、抽吸技术、主动控制技术、被动控制技术、可调叶片技术、间隙控制技术等，能够有效的减少燃气轮机在工业生产中的损失与浪费。比方说运用可调叶片技术能够确保内压气机的工作效率，让内压气机能够在更宽的范围内运转；运用抽吸技术和主动控制技术，能够减少多级轴流压气机的级数和重量、扩大了多级轴流压气机的工作范围。

为了拓宽燃料的适用范围，减少燃料燃烧过程中带来的污染，燃气轮机技术的研发专家要发展高效率低污染的稳定燃技术。目前很多国家的燃气轮机制造厂家都在研究减少污染排放的技术，并投入了一定的物力资源、人力资源和财力资源，建立了专门的实验基地，从事对燃气轮机节能减排技术的研究，并将研究的技术应用在自己生产的燃气轮机中。

4、结语

燃气轮机技术和应用已经在逐渐的发展和完善，燃气轮机作为一种新型的节能、环保、高效率的发动机，在以电力工程为主的动力工程中的应用将不断扩展。燃气轮机循环发电站在逐渐成为新世纪的主要电力生产形式，其研究内容将为能源建设作出重大的贡献。

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