燃气轮机应用选型与节能措施研究

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

燃气轮机是以气体为工质，经压缩加热后在透平中膨胀，将气体能量转换为机械能的热力涡轮机械。燃气轮机一般由压气机、燃烧室、透平、控制系统及必要的辅助设备组成[1-4]。

1 燃气轮机的发展现状

世界上第一台燃气轮机诞生于1939年，至今已经历了八十余年。随着热力学、空气动力学、高温材料冷却技术和制造工艺的进步，燃气轮机也取得了极大的发展。当前，燃气轮机的单机最大功率、最高透平进气温度、压气机最高压比及最高效率等参数都有了显著提升[5-6]。

先进的燃气轮机已经普遍应用模块（箱装体）结构，维修和更换都较为便捷，而且采取了孔探仪、振动和温度监控、熄火保护等措施，提高了整机可靠性和使用率。其控制系统已经应用微机处理器[7]，显著优化了启动、停机等过程，实现了无人或遥控操纵运行。

燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净。与柴油机等动力装置相比，未燃烧的碳氢化合物（UHC）、CO、SO2等排放物相对较低。采用注水或注蒸汽抑制燃烧或在排气管路安装选择催化还原装置（SCR），可使NOx的排放量显著降低。以干式低NOx燃烧技术为例，通过该项技术无需向燃烧室注水或蒸汽，而是应用合理的燃烧室结构和恰当的燃烧过程，来减少NOx的排放量，并充分满足严格的环保标准要求。

2 燃气轮机的应用领域

燃气轮机有很多种形式，按其应用领域通常可分为以下几种[8-9]。

1）用于发电

燃气轮机用于发电领域时所驱动的负荷为发电机组，大多是单轴等转速运行，是目前最主要的一种应用方式。

2）驱动通用机械

在该领域中燃气轮机所驱动的负荷为风机、压缩机、泵等设备，多为分轴型，输出轴转速可变。

3）用于车辆动力装置

燃气轮机可用作车辆动力来源，驱动车轮，多为分轴，输出轴转速可变，在坦克装甲车辆、机车车辆、汽车等领域得以应用。

4）用于舰船动力装置

燃气轮机也用作舰船动力装置以驱动螺旋桨[10-11]，多为分轴或多轴，且输出转速可变。

3 燃气轮机的技术特点

1）质量轻、体积小

燃气轮机发电厂的金属消耗量约为同功率汽轮机的1/3～1/5，因此基建投资省，建设周期短[12]。

2）水、电润滑油的消耗少

燃气轮机耗水极少，甚至可以不用水，燃气轮机发电厂自用电也很少，许多机组可以无电源启动，所需的润滑油也明显低于汽轮机及柴油机[13-14]，因此适用于缺水、缺电的地区。

3）燃料适应性强，对环境污染小

除能燃用天然气、蒸馏油等优质燃料外，还能燃用渣油、原油、中低比能的煤气等廉价燃料。同一台燃气轮机可以燃用液体或气体等几种燃料，系统及相关辅助设备无需作大幅度调整，甚至可以在运行中实现不同燃料间的相互切换。现代燃气轮机的排气比较干净，烟尘、CO、SO2、NOx和未燃碳氢化合物（UHC）的排放一般都能满足严格的环保标准。

4）启动快、自动化程度高

燃气轮机从冷态启动、加速，直至带上满负荷，一般只需3～15 min。现代燃气轮机可通过微机进行控制，通过程序设定以实现启动或停机，同时进行集中控制或遥控，运行维修便捷，甚至可实现无人运行。

5）可以综合利用余热，大幅提高能源利用率

现代燃气轮机的排气温度一般为450～600℃，加之排气流量较大，蕴含着大量适于综合利用的优质能源。如加装余热锅炉，组成燃气-蒸汽联合循环，则其总功率可增加1/3～1/2，同时也可以实现热电联供或热电冷三联供，使能源利用率提高到80%以上[15-16]。

4 燃气轮机的应用与选型

4.1 发电领域

4.1.1 燃气轮机简单循环发电

燃气轮机驱动一台发电机便构成了燃气轮机发电机组。该系统结构轻巧，初始投资低，占地少，耗水少或不耗水，且安装方便，建设周期短，启动迅速，运行灵活，排气干净，烟尘及未燃碳氢化合物（UHC）、CO和NOx的排放量都很少[17]，可满足国际上最严格的环保要求，而且可实现室外安装，自动化水平高，可实现无人运行或遥控运行，非常适合公用电网的尖峰负荷机组。该发电机组可安装在用电比较集中的用户附近，实现城市电网自行调峰，进行分布式能源供给，以减少长距离输电损失。一般公用电网配有10%～15%容量的燃气轮机发电机组，即可确保电网的供电质量。

目前，燃气轮机发电机组的规格型号比较多，通常为单轴定转速运行，单机功率范围可从数百千瓦到数百兆瓦，选择余地较大，而且多为箱装体结构，运输安装都较为便捷。

4.1.2 燃气轮机联合循环发电

利用燃气轮机发电机组的高温排气，加装余热锅炉产生过热蒸汽，驱动一台汽轮发电机组，以此构成了燃气-蒸汽联合循环发电机组，使总发电量和发电效率得以大幅提升，可用作公用电网的基本负荷机组。

4.2 管线输送动力

目前，普遍应用管道输送天然气和石油，当输送距离较长时，为了克服沿程管道的压力损失，一般每隔一定距离设一增压站，用压气机或泵来提高被输送介质的压力。燃气轮机适合与压气机或泵直接连接，并可就地取材，以管道输送的介质为燃料。因而，燃气轮机已广泛地用作管道、管线输送增压站的动力[18]。

4.2.1 天然气输送管线

1）增压要求

输气管线增压站的出口压力通常可达5.5～7.6 MPa，增压比1.25～1.50。某些新管线增压站的出口压力高达9.6 MPa，增压比1.15～1.25。

2）设备配置

一般增压站选用三套增压机组，正常情况下，其中两套并联运行，各承担50%的流量负荷，另一套备用。部分增压站选用两套增压机组串联运行，每一机组均通过全部流量，此时如有一套机组故障停运，对管线输送能力影响较小。

3）增压压气机（压缩机）的选择与匹配

通常优先选用离心式压缩机，其流量和压头应满足增压站要求。燃气轮机与压气机的转速应当匹配，以保证压气机工作在最佳效率范围内。其次，二者功率应当匹配，可根据压气机的流量、输送介质密度压力、压力增加量和效率来确定燃气轮机的功率。

4）燃气轮机的选择要点

（1）双轴机组或单轴机组的选择问题。同样功率的燃气轮机，双轴机组所需的启动功率较小，并且当输出轴转速变化时，输出功率曲线变化平缓，可较好地满足变工况情况下压气机驱动的需要，所以几乎所有的管线用燃气轮机都选用双轴机组。

（2）压气机临界转速问题。燃气轮机压气机组是变转速运行，一般运行范围为设计转速的80%～105%，燃气轮机的临界转速应避开这一运行区。

（3）辅助电力供应问题。一般燃气轮机压缩机组都会配备一些辅助设备，该类设备需要通过电力驱动，如冷却泵、风扇等。当无外部电源供应或外部电源发生故障时，增压站必须由燃气轮机的辅助轴驱动辅助发电机组，或能快速启动备用辅助发电机以实现供电。

（4）效率问题。天然气管线增压站是长期连续运行的，一般燃气轮机的燃料成本对其运行经济性起关键作用，希望选用的燃气轮机效率尽可能高，通常可通过增加回热器及采用回热循环以大幅提高燃气轮机热效率。在此前提下，整机热效率通常可提高约1/3～1/2。

（5）机组控制问题。管线增压站通常设立于荒无人烟的西部地区，自然环境恶劣，要求能实现无人运行或遥控运行。因此，用于该领域的燃气轮机应有较高的控制水平，应能实现微机全自动控制。

4.2.2 输油管线

输送原油或石油产品的管线增压站的要求与天然气输送管线类似，不同之处是增压油泵所需驱动功率相对较小。一般当增压站由公用电网供电时，多选用电动机或调速电动机进行驱动。通常在地广人稀且无公用电网供电的地区，才会选用燃气轮机或柴油机作为驱动动力。

由于泵的工作转速范围比较宽，与燃气轮机的转速匹配比较容易。大功率燃气轮机的转速多为3 000～3 600 r/min，可以直接与泵连接。小功率燃气轮机的转速通常可达7 000～8 000 r/min以上，此时可通过减速齿轮箱连接。

管线增压站的布置与管径大小和输油量有关。燃气轮机的燃料可采用管道中输送的原油，由于原油中含有少量钠、钾等碱性盐类物质，会对高温通流部件产生腐蚀，从而可配备小型拔顶蒸馏装置，以燃气轮机排气余热为能源，生产拔顶油作为燃气轮机燃料，剩下的底部产品再返回输油管线。

4.2.3 油气分离

油井开采出的原油通常为高压下的油气混合物，需逐级减压至大气压力，每一次减压过程中都有一些天然气自然分离出来，可通过压气机组将其压缩至适当的压力，从而供向输气管线或天然气回注装置。用于该领域的压气机组以燃气轮机驱动较为适宜，其燃料可直接取用分离出来的天然气，有着较高的便利性。

4.3 海洋采油平台动力

近年来，燃气轮机作为海洋钻井平台和采油平台的动力，已经获得了广泛应用，主要用于发电和直接驱动天然气压气机、油泵、水泵等。

采油平台上通常要安装2～3种功率等级的供电设备，最低生活用电和应急备用电力约数百千瓦，多由柴油机发电机组供电；1～3 MW的次主发电设备多采用燃气轮机发电机组或大功率柴油发电机组；功率较大的主发电设备一般选用燃气轮机发电机组。为保证安全供电，常采用多台发电机组协同运作，以此留有一定的备用发电容量[19]。海洋采油平台的独特工作环境决定了其对燃气轮机有一些特殊要求。

1）安全可靠性高

维持海洋平台运行所需的动力不便由外部输入，为此需在平台上建设独立的发电和供电设备。发电机组的故障将造成平台生产停滞、工作人员生活困难，后果较为严重。因此，应选择在陆地上已经长期运行考验和技术水平较为成熟可靠的机组。目前，大多数燃气轮机的可靠性都比较高，可靠性一般达95%以上，可有效地满足海洋平台的运行要求。

2）尺寸小、质量轻、结构紧凑

海洋平台的运行成本较高，且工作环境恶劣，对设备的占用面积和承受质量有严格限制。一般燃气轮机的比重量约为柴油机的1/10～1/3，能充分满足海洋平台对设备尺寸和质量的严格要求。

3）能燃用多种燃料

采油平台上的燃气轮机一般会设计成能燃用气体和液体两类燃料，并在运行中相互切换。平台正式产油前可燃用液体燃料，产油后往往就地取材，以原油中分离出来的天然气作为燃料。

4）进气需要严格过滤

海洋大气中含有较多的盐分，约为0.5×10-6～5×10-6（质量分数），不仅会造成压气机叶片积垢，引起机组功率迅速下降，而且还会引起透平叶片的热腐蚀，缩短机组寿命。通常认为进气含盐量小于0.01×10-6（质量分数）是允许的，为此需要安装三级进气过滤器。当大气相对湿度小于70%，尺寸小于10 μm的干盐晶体仍能通过三级过滤器进入压气机，为此还需要增加第四级过滤器[20]。

5）采用防腐蚀材料和涂层

即使采用了高效率的进气过滤器，透平叶片的高湿腐蚀仍然是一个重要问题，为此需采用耐腐蚀的材料和涂层。

6）加强清洗

平台燃气轮机为了清除积垢以恢复功效，过滤器需定期进行清洗，清洗间隔时间视进气过滤情况而定，一般每周清洗一次，而部分配备有高效率四级进气过滤器的燃气轮机，可以三个月清洗一次。

7）合理布置排气管道

为了防止排气吹到进气口或操作人员身上，排气管道一般采取垂直向上的布置形式，但垂直向上的排气管道的排烟有可能对直升机的起飞和降落构成威胁，因此还要注意使排气管道远离直升机起落场。

8）安全防火措施

采油平台产出的原油中混有大量天然气，燃气轮机一般以天然气为燃料，泄漏的天然气与空气的混合物易引起爆炸和火灾，特别是在发生意外的井喷事故时。因此，需要对燃气轮机采取严格的防火安全措施。燃气轮机一般安装在采油平台的安全区域内或采油平台旁专门建造的发电机平台上。燃气轮机罩壳内必须进行通风，以稀释泄漏的天然气，若通风中断，燃气轮机则应停止运行。

9）维修方便

采用模块（箱装体）结构，并备有一定数量的备件。当某一模块发生故障时可迅速更换，并可用直升机或运输船送到岸上维修基地进行维修。

10）防冰消声和余热回收等问题

当平台在寒冷地区时，燃气轮机需要安装进气防冰系统，以提高进气温度，防止进气系统结冰，同时应安装应急进气流道，防止进气滤清器被冰堵塞时造成其它损坏。另外，平台上工作人员的生活区和工作场所应尽量靠近燃气轮机运行地点，以此降低噪声，改善环境。燃气轮机的高温排气应尽量通入余热锅炉而产生蒸汽，以供工作人员生产和生活使用，既经济又方便。

4.4 舰船动力

自1947年世界上第一艘以燃气轮机为动力的英国海军MGB2009高速炮艇下水以来，很快便显示了燃气轮机作为水面舰艇动力装置的优势，较好地满足了战术性能要求。最初燃气轮机主要用作小型舰艇的加速机组，随着性能的不断完善，现已更广泛地为水面舰艇所采用，不仅可作为加速机组，而且也可用作巡航机组。

水面舰艇的全速功率一般为巡航功率的3～7倍，有的达10多倍，而燃气轮机低负荷运行油耗率偏大，降低了舰艇的续航力。为了弥补这一缺陷，一般用多台同型机或异型机以实现组合的办法，称为联合动力装置推进方式。至今，燃气轮机已经成为世界各国大、中型水面舰艇的主要动力装置。其发展趋势主要为“全燃化”，即巡航主机和加速机组都用燃气轮机，组合方式有COGAG和COGOG两种。

COGAG方式多数为数台同型号燃气轮机联合组成，如美国阿里·伯克级驱逐舰，装有4台LM2500型燃气轮机，巡航时两根轴各用1台机组，全速时4台一起工作。COGOG方式多为两种不同功率的燃气轮机联合组成，如英国谢菲尔德级驱逐舰有两轴，每根轴用1台3.13 MW的燃气轮机作为巡航主机，大于巡航速度时，巡航机组停止工作，由20.61 MW的燃气轮机接替工作，单独满足由巡航到全速的功率需求。这种推进方式特别适合于巡航功率小于全速功率20%的舰艇。

通常而言，对舰船燃气轮机的技术要求总体如下。

1）轻型箱装体结构。用于舰船动力装置时，要求燃气轮机尺寸小，质量轻，功率密度大，通常多采用航空衍生机型，并制成箱装体，以便于安装和维修。

2）专用的进气过滤装置。如上文所述，海洋大气中的盐含量约为0.5×10-6～5×10-6（质量分数），远超过0.1×10-6的允许进气标准。此外，在寒冷地区还可能遇到冰雾、雨雪等环境，因此燃气轮机进气部分需设置专用的过滤装置，并采取防冰措施。

3）耐倾摇和抗冲击结构。这是由舰船的工作环境决定的，需要对燃气轮机结构，特别是支承系统进行专门设计。

4）优良的变工况性能。舰用燃气轮机因为常在部分负荷下运行，要求低负荷时的低耗油率变化平坦，为此常采用压气机可调静叶和变几何动力透平等措施。

5 燃气轮机节能措施研究

燃气轮机除可采用复杂循环（回热循环、回冷循环、再热循环等）以提高自身效率和系统经济性外，还可通过充分利用燃气轮机的排气余热以达到节能目的。其主要实现方式包括直接供电、热电联供（或功热联供）、热电冷三联供联合循环发电等。

5.1 利用排气直接供热

燃气轮机的排气温度较高，通常约为450～600℃，流量大，蕴含了大量可利用的热能。将该部分热能直接用于干燥物料，加热其它液体并向相关设备供热，是最简单的排气余热利用方案。

5.2 利用余热锅炉生产供热蒸汽

将燃气轮机的排气通入余热锅炉产生蒸汽以用于供热，这也是最常用的一种余热利用方式。余热锅炉大致分为三种类型。

5.2.1 无补燃型余热锅炉

该类余热锅炉实际上是一台对流换热器，产生的蒸汽一般比透平排气温度低40～56℃，约可回收排气热量的80%～90%，并根据产生蒸汽压力等级的不同，又分为单压、双压、三压型等几类余热锅炉。

5.2.2 部分补燃型余热锅炉

燃气轮机排气中含有大量氧气，若在余热锅炉中补加少量燃料进行燃烧，使其温度升高至870～930℃，可以大幅增加余热锅炉的蒸汽产量，提高供热能力。

5.2.3 充分补燃型余热锅炉

将燃气轮机的排气用于助燃空气，在余热锅炉中补加足量燃料，并使其充分燃烧，可使余热锅炉的产汽量达到无补燃型余热锅炉的6～7倍，而且由于燃气轮机的排气温度远高于大气温度，还可有效降低余热锅炉的燃料消耗率。

5.3 热、电、冷三联供

燃气轮机热、电、冷三联供系统为一类有效实现节能降耗的方案。燃气轮机发电机组的排气通入余热锅炉所产生的蒸汽，除保证一台汽水加热器一年四季供应热水外，还可在夏季通过一台溴化锂吸收式制冷机，以蒸汽为能源而产生一定的冷媒水，用于集中式空调降温。在冬季时，其通过另一台汽水加热器产生热水，用于集中供暖使热负荷更为均衡，以保持较高的设备和能源利用率。该系统可用于宾馆、饭店、办公楼、机关、学校、医院、车站、飞机场等地，同时满足电、热、冷多种能源的需求。

5.4 燃气-蒸汽联合循环发电

5.4.1 常规燃气-蒸汽联合循环发电

将燃气轮机发电机组的高温排气供入余热锅炉产生过热蒸汽，供给凝气式汽轮机做功发电[21-24]。在联合循环机组中应用的汽轮机与常规汽轮机的结构基本相同，主要差别是由定压调节改为滑参数调节，即当负荷降低时，汽轮机前的蒸汽压力并非保持不变，而是随负荷一起降低，以减少汽轮机末几级的蒸汽湿度，提高内效率。

此外，由于可利用余热锅炉产生的低压蒸汽加热给水，故可去掉常规汽轮机组的给水加热抽气系统。如果应用了双减压或三压余热锅炉，则汽轮机应设计成可从中间级补充供入低压蒸汽组的结构，以提高整个系统的效率。

在联合循环中应用的余热锅炉有无补燃余热锅炉、部分补燃型余热锅炉、充分补燃型余热锅炉三种形式。无补燃余热锅炉联合循环的发电量约比燃气循环发电量增加1/3～1/2，不增加燃料消耗量，系统发电效率可以得到大幅度提高。如果应用补燃型余热锅炉，通过燃烧一部分补充燃料，显然可使蒸汽产量和蒸汽循环部分的发电量进一步增加，但系统发电效率却未必高于无补燃余热锅炉联合循环。如果将燃气轮机发电机组的高温排气送入锅炉，代替燃料燃烧的助燃空气，并产生蒸汽以驱动汽轮发电机组，所构成的联合循环发电方式被称作排气再燃型联合循环发电方案。该方案多用于对现有汽轮机电厂进行的节能改造。在这种改造中，原锅炉的送风机保留备用，燃气轮机的排气供入量由一旁通风门调节。

在联合循环系统中，随着余热锅炉中补燃料量的增加，总发电量虽在逐步增加，但系统的热效率却逐步下降。所以，以无补燃联合循环为代表的节能方案目前仍得以广泛应用。

5.4.2 蒸汽回注燃气轮机

将余热锅炉产生的蒸汽全部或部分注入燃气轮机的燃烧室，用来增加工质流量，从而增加燃气轮机的功率和效率。此时，透平中的工质为燃气和蒸汽的混合物，构成了双工质平行复合循环，或称程氏循环（以该循环的发明者程大猷先生的姓氏命名）。该方案的最大特点是省去了常规联合循环系统中的汽轮发电机组，使系统变得比较简单，并同样可以回收利用排气的余能，提高燃气轮机的功率和热效率。但缺点是凝结水无法实现回收利用，水处理费用较高。

5.4.3 热电型联合循环

将常规联合循环系统中的凝汽式汽轮机替换成背压式或抽气式汽轮机，使其排气或抽气用于供热，便构成了热电型联合循环。此时，系统的总能源利用率可高达80%～90%。对于蒸汽回注燃气轮机，还可以将余热锅炉中产生的蒸汽，一部分注入燃气轮机用于发电，另一部分直接用于供热，从而对热负荷有更好的调节适应性能。

6 结论及展望

燃气轮机作为广泛应用的热力涡轮机械，以其突出的性能优势，在未来的工业生产、经济建设及国防领域仍将发挥重要的作用。在当前的技术体系下，针对燃气轮机的节能而进行的相关研究仍有着深远的意义。