燃机简介
第7篇燃气轮机及联合循环机组
第1章概述
1 燃气轮机的工作原理及特点
燃气轮机(Gas Turbine)是一种高速旋转的叶轮机械，由压气机、燃烧室、透平三大主要部件和控制与辅助系统组成，其热力循环（Brayton循环）由工质的压缩、加热、膨胀、放热四个过程组成，图1a给出了简单循环燃气轮机的示意图和理想热力循环的焓-熵图。提高简单循环燃气轮机效率的途径是提高循环的压缩比和透平入口温度，但这受到高温材料能力的限制。复杂燃气轮机循环有三类：一是间冷燃气轮机循环（图1b），即工质在压缩过程中被冷却以减少压缩过程的耗功; 二是回热燃气轮机循环(图1c)，即利用透平排气加热进入燃烧室之前的压缩空气以减少燃料消耗; 三是再热燃气轮机(1d)，即燃气在高压透平作功后，进入低压燃烧室再次被加热，然后进入低压透平作功。复杂循环可以提高燃气轮机的效率，但系统复杂化，产品设计、制造、运行、维护难度加大。目前世界上投入运行的中型与大型燃气轮机绝大部分采用简单循环。燃气轮机以空气为工质、透平排气进入大气，称为开式循环。在某些特殊环境下若工质在燃气轮机内循环使用，这种循环称为闭式循环。
a
b
c
d
图1 . 开式简单循环(a)、间冷循环(b)、回热循环(c)和再热循环(d)
燃气轮机简图和理想热力循环焓熵图
开式循环燃气轮机的工作原理是，高速旋转的压气机将空气吸入并压缩到预定的压力，压缩后的空气进入燃烧室与喷入的油/气燃料混合燃烧，得到的高温高压燃气在透平中膨胀作功，然后排入大气。透平产生的功大部分(约2/3)驱动压气机，剩下的部分用于驱动发电机或其他机械设备，如鼓风机、泵等。透平排出的燃气若通过尾喷管高速喷出则可产生很大的反作用力(推力)，这就是航空燃气轮机即喷气发动机的基本原理。本书仅讨论用于发电的开式循环燃气轮机，又称重型燃气轮机(Heavy Duty Gas Turbine)，图2是一台典型重型燃气轮机的剖面图，它由多级轴流压气机、多管燃烧室、多级轴流透平、控制系统和辅助系统组成。
图2. 典型重型燃气轮机剖面图
重型燃气轮机的主要特点是, 结构简单、运行可靠; 单机功率大且比功率(发动机单位重量产生的功率)大，起停迅速、自动化程度高，变负荷(调峰运行)性能好; 燃料适应性广且污染排放少; 耗水和厂用电很少，占地面积小等。现代重型燃气轮机透平进口处燃气温度目前已高达1430℃，正在开发1500-1700℃的燃气轮机。由于工作温度很高，热端部件(包括燃烧室与透平静动叶片)必须采用以镍、钴为主要成分的超级合金(Super Alloy)制造，还要使用空气或蒸汽进行冷却，才能安全运行。热端部件在高温条件下的工作环境严峻，设计制造难度大，维护修理及备品备件成本高，成为重型燃气轮机的主要特点之一。其另一个特点是透平排气温度高，一般为500-600℃。透平排气余热用于产生蒸汽发电则组成燃气—蒸汽煤气化联合循环，用于供热或制冷则组成热电冷多联供，这些系统的能源利用效率大大高于燃气轮机单循环，已成为当前和未来提高能源利用效率的方向。
2 燃气轮机的发展与应用
我国民间自古以来流传的走马灯，利用蜡烛燃烧产生的热气来驱动灯笼旋转，是利用燃气作功最早的发明。欧洲进入文艺复兴时代以来陆续有利用蒸汽驱动叶轮旋转作功的发明出现，直至十九世纪八十年代在英国和瑞典发明了多级汽轮机。汽轮机工业的诞生推动了欧洲叶轮机械制造业和科学研究的迅速发展，为燃气轮机的诞生准备了条件。1937年英国工程师Whittle发明了由离心压气机、回流式多管燃烧室和向心透平组成的燃气轮机;1939年德国工程师von Ohain 和Hahn发明了由多级轴流压气机、多管燃烧室、多级轴流透平和尾喷管的航空燃气轮机，开始了现代燃气轮机的历史。1942年纳粹德国空军的首架喷气式飞机成功试飞，标志着世界航空工业从此进入了燃气轮机时代。世界第一台用于发电的重型燃气轮机由瑞士BBC公司于1939年制造，重型燃气轮机制造产业由此诞生。该燃气轮机采用多级轴流压气机、多级轴流透平和大尺寸单筒燃烧室(图3), 设计为3000转/分，透平入口燃气温度为550℃，出力为4MW，热效率17.4%。早期的重型燃气轮机参数虽然不高，但它们开创性设计采用的主要部件及其基本布局则一直沿用到今天。
图3. 1939年BBC公司设计制造的世界第一台4MW重型燃气轮机[1]
六十多年来由于高温材料性能、气动热力设计、制造工艺水平的巨大进步，重型燃气轮机设计水平和产品性能有了巨大的提高，而这一提高极大地得益于过去六十年中航空发动机技术的飞速发展，重型燃气轮机的主要部件特别是多级轴流压气机和透平基本上都是以成熟的航空发动机设计为母型，经模化放大和适当的修改而制成的。透平进口燃气温度（T3）是代表燃气轮机性能的关键参数，图4给出了六十年来T3提高的历程，即由早期的550℃提高到目前的1430℃,平均每年提高约15℃。T3的进一步提高有赖于材料科学、冷却技术和制造工艺的新突破。
图4. 六十年来重型燃气轮机透平前温提高的历程
据统计全球从1978-2005年共计销售1MW及以上发电用燃气轮机17783台，总功率达到770GW(图5)，目前燃气轮机与联合循环装机容量约占全球发电总装机容量的五分之一。可以看出近三十年来发电用燃气轮机的市场需求在稳定增长，并于2000-2001年达到最高峰。近几年由于全球石油和天然气价格上涨，使燃气轮机的销售下降，但仍然维持在每年600-700台、30-40GW的水平，其中四分之三为60MW及以上的大中型机组。目前全世界大中型发电燃气轮机设计与制造集中在GE、Siemens、MHI、Alstom等几家跨国公司，按T3由低到高习惯上把重型燃气轮机分为E、F、G、H几个等级，表1列出了上述四家公司代表性产品的主要性能参数，目前参数最先进、单机功率最大是GE公司的9H重型燃气轮机，其T3达1430℃，功率为320MW。
图5.全球1MW及以上发电燃气轮机销售台数及功率(1978-2005)[2]
表1.世界上重型燃气轮机主要产品的性能(ISO条件下，燃用天然气)
表1所列出的机型中，GE、Siemens和MHI公司的产品都是简单循环，而复杂循环大中型燃气轮机也得到了一定的发展。一是再热循环，以Alstom公司的GT24和GT26燃气轮机为代表。这两种型号燃气轮机采用了独特的两级燃烧(即再热循环)设计，经过高压燃烧室和高压透平的燃气进入低压燃烧室再次燃烧，然后进入低压透平作功(图6)。二是间冷循环，如2006年GE公司推出的功率为100MW的LMS100燃气轮机(图7)。该机压气机与透平由航空发动机改型设计而成，最大特点是在高、低压压气机之间设置了中间冷却器，这就大大减少了高压压气机的耗功，从而使该型燃气轮机单循环的效率高达46%。回热循环燃气轮机由于其回热器尺寸大，在大中型燃气轮机中很少应用，而在1MW以下微型燃气轮机中应用较多，简单。
图6. Alstom公司的GT24与GT26再热燃气轮机的两级燃烧系统
图7. GE公司的LMS100间冷燃气轮机
3 燃气-蒸汽联合循环的应用与发展
如上文所述，燃气轮机循环的特点之一是透平排气温度高（500-600℃），带走大量的余热。燃气—蒸汽联合循环按照“温度对口、梯级利用”的原则，利用燃气轮机排气余热产生蒸汽来带动汽轮机发电，把燃气轮机循环和蒸汽轮机循环组合起来，即燃气—蒸汽煤气化联合循环。显然联合循环的能源利用效率既高于燃气轮机循环的效率，又高于蒸汽轮机循环的效率。燃气轮机循环和蒸汽轮机循环可以有不同的组合方式，从而构成不同类型的联合循环。
3.1 余热锅炉型联合循环
在这种联合循环中，燃气轮机的排气全部进入余热锅炉用于产生高温高蒸汽，此类联合循环又分为无补燃和补燃两种。若在余热锅炉内需要补充燃料进行燃烧以提高蒸汽参数和产汽量，称为补燃余热锅炉型联合循环，否则是无补燃余热锅炉型联合循环。无补燃余热锅炉型联合循环的系统最简单，绝大部分新建燃气—蒸汽联合循环电站采用此方案，图8是其系统简图和理想热力循环的焓熵图。可以看出，该系统由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、发电机和辅助系统组成。该系统中汽轮机的功率约为燃气轮机功率的一半，联合循环热效率则约为燃气轮机热效率的1.5倍。
图8. 无补燃余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环系统(a)和理想热力循环焓熵图(b)
3.2 给水加热型燃气—蒸汽联合循环
在这种联合循环中，燃气轮机透平排气用来加热汽轮机的给水, 如图9所示。汽轮机由于取消了给水加热抽汽因而可增加功率，导致联合循环系统热效率的提高。这种联合循环中燃气轮机的功率约为汽轮机功率的四分之一，主要用于已有汽轮机电站的改造。
图9. 给水加热型燃气—蒸汽联合循环系统图
3.3 补燃型燃气—蒸汽联合循环
在这种联合循环中，燃气轮机透平高温排气被送入汽轮机电站燃煤锅炉以节省燃煤，如图10所示。由于燃气轮机透平排气中通常含有约16%的氧气，它可以参与燃煤锅炉的燃烧过程，当然锅炉燃烧系统要进行适当的改造。这种联合循环中燃气轮机的功率也小于汽轮机功率，主要用于已有汽轮机电站的改造。
图10. 补燃型燃气—蒸汽联合循环系统图
3.4 代表性无补燃余热锅炉型联合循环的性能
表2列出了由表1中燃气轮机组成的无补燃余热锅炉型联合循环的热力性能，这些联合循环在技术上已经十分成熟，在世界范围内得到广泛应用。GE公司的9H燃气轮机单循环热效率高达40%, 由它组成的无补燃余热锅炉型联合循环的热效率为60%, 是目前此类联合循环的最高水平。
表2. 代表性无补燃余热锅炉型联合循环的性能
参考文献
1.The World’s First Industrial Gas Turbine Set at Neuchatel (1939), ASME: An International
Historic Mechanical Engineering Landmark, Sept. 2, 1988,
2.29th Annual Power Generation Order Servey, Diesel & Gas Turine World, 2005.