重型燃气轮机现状与发展趋势

重型燃气轮机现状与发展趋势

发表时间：2017-12-26T15:07:39.050Z 来源：《防护工程》2017年第21期作者：于盟徐有宁杨士博[导读] 现代社会发展中能源发挥着重要作用，其中能源转换设备的作用无可替代。

沈阳工程学院辽宁沈阳 110000 摘要：现代社会发展中能源发挥着重要作用，其中能源转换设备的作用无可替代。重型燃气轮机作为主要能源转换设备，有助于推动环境保护，但目前我国该技术发展缓慢，直接影响经济发展。本文中以重型燃气轮机为对象，详细分析其工作原理、现状，并对未来趋势进行展望。

关键词：重型燃气轮机；发展现状；趋势分析

引言

燃气轮机相关技术较多，包括高效燃烧、超合金叶片、轴流冷却等诸多方面。国内燃气轮机的主要能源是天然气、石油，是各国电力行业的主要发展模式。据报道，随着国家能源结构框架的调整，天然气为主的电厂将会逐渐增加，已及2020年国内天然气发电量将高达6000万kW，为此，燃气轮机产业的核心技术具有重要影响价值。

1、燃气轮机优势

由于燃气轮机旋转时产生较少的低频振动，因此其具有振动小、噪音低以及运动平稳等特点。此外，燃气轮机由于其特殊的箱装体结构可形成良好的噪音防护，可以明显减弱低频噪音。单机功率大，功率重量比大，起动加速性好，从冷态起动至全速工况仅需数分钟。

润滑油消耗低，保养量小，管理人员少。燃气轮机的滑油消耗量普遍较低，如LM2500燃气轮机的最大滑油消耗率约0.9kg/h，平均滑油消耗率仅有0.09kg/h，与柴油机相比要小一个数量级，但由于燃气轮机工作转速高，对滑油的质量要求要远高于柴油机。燃气轮机是回转部件，主要运动部件少，又设计成模件结构，因此燃气轮机所需维修量小，人员配备也相应减少。

2、重型燃气轮机现状

燃气轮机在电力、管道和航海领域中发展广泛，燃气制造厂商经长期经验积累，已经逐步形成一定发展模式。当前垄断状况较为严重，如:GE、西门子等大型公司及其附属企业是主要生产制造商。作为一项高科技含量的技术，燃气轮机行业需要充分考虑管线、电力发展需求，根据国家相关政策，及时进行有效动态管理。如加强清洁能源的有效利用，提高天然气利用效率。

加强燃气轮机核心技术的国产化是当下国内学者的主要研究方向。现阶段，该行业核心控制部分主要借助进口为主，关键技术仍为少数几家国外公司所掌控。该行业的发展存在一定瓶颈状况。避免产出过低、效益过差的状况是国内燃气轮机厂家的关注重点。国内重型燃气轮机的控制发展对象十分明确，几十年发展历程中，其性能优化、结构调整工作已经初步取得成效。其中压气机、涡轮机作为燃气设备的主要部件，需要进行效率升级、结构改造处理，提高透平温度等控制要求。新技术不断涌入该行业市场的大环境下，加强电子控制、自动化控制能力的融入，降低燃料用量是发展必然趋势。

3、重型燃气轮机关键技术 3.1低排放燃烧控制技术

重型燃气轮机的性能不断升级，同时社会大众对环境保护的意识逐渐加深，为了避免燃气轮机污染过重等带来的社会负面效应，需要充分考虑燃气轮机的排放物特点，一般燃烧过程中，氮氧化物、碳氧化物等生成主要与燃烧温度相关。温度过高将会生成大量氮氧化物，过度低温状况下生成CO。一般情况下，天然气燃料的燃烧温度为1430℃～1530℃之间，该状况下燃料空气的混合比可满足行业排放的最低要求。

3.2主动间隙控制技术

该技术是当代燃气轮机技术的主要考虑方向之一。借助对叶尖间隙的有效控制实现燃气轮机能耗量的减低，可提高设备可靠性、使用寿命，同时可降低污染排放过多的状况。该技术在航空领域中的发动机中应用较多，包括CFM56系列的发动机设备就是采用该种形式进行设计。从气轮机运行工艺流程的角度分析，启动环节中，燃气轮机从静止到空载状况下，对应转速增加、离心变形增加，而此时透平刚内部的热容还未达到温度最高，电热变形响应不足。对应轮盘和透平缸无法同时变形的状况，将会引起叶尖间隙瞬间变小。燃气轮机全速运转后，对应透平缸内部将会因受热而导致间隙增加。负荷变化引起工况变化状况下，将会导致间隙发生变化，一般在转速尚未达到范围之外状况下，对应叶尖间隙将会明显下降。该状况导致叶尖间隙的设计难度增加。为了解决上述问题，一般采用主动热控制手段进行改进。工作原理为:燃气轮机控制中，从压气机进行冷空气抽取，进而对透平缸内外支撑结构实现冷却处理，提高空气流量、空气温度的有效控制，降低缸体膨胀过多引起的危害，提高径向位移的精确控制，保证叶片、缸体的间隙满足规定范围要求。如GE公司就采取该方法在H型燃气轮机中进行间隙控制。

3.3延寿控制技术

重型燃气轮机的系统控制中，一般对考虑性能最优的设计模式，对应使用寿命的考虑略有不足。延寿控制设计中，需要保证燃气轮机运行稳定的基础之上，将内部核心部件，如热端部件进行优化目标进行控制，提高系统动态、静态指标的合理化，避免使用寿命过低、安全稳定性差的状况。如:系统在超载、转速增加的状况下，对应透平进口温度将会有所提高，降低过渡状况下峰值的影响，可延长核心部件的使用寿命。该方法属于闭环控制、短期控制的方法，在航空领域的燃气轮机上已经实现了应用。

3.4自适应技术

受工作环境等外界因素变化的影响，重型燃气轮机的部件可能发生结构变质、性能退化的状况，如:腐蚀、锈蚀或风化等带来的损伤。此时控制系统仍按最佳额定工况进行操作。整体不匹配状况导致运行时间、寿命、核心部件的性能等均会大打折扣。为此，借助自适应技术进行调整是十分必要的方法。可实现对控制系统的有效控制，提高控制系统的适应能力，可合理调节，实现与衰减模型相匹配的作业方法，避免性能退化等导致的伤害。提高燃气轮机传感设备的精确性、合理性、稳定性。

4、重型燃气轮机发展展望