淺析燃氣輪機的發電技術及其發展

摘 要：隨著全球范圍內的能源與動力需求以及環境保護等要求的變化，燃氣輪機受到了電力、動力等有關部門的高度重視，本文通過對燃氣輪機概念及工作原理的介紹，結合燃氣輪機在發電方面的應用，分析了其熱能動力特性，并簡要介紹了其未來的發展趨勢。

關鍵詞：燃氣輪機；發電技術；發展；

中途分類號：TM314 文章編號：1674-3520（2014）-09-00-01

一、引言

近年來，隨著全球范圍內的能源與動力需求以及環境保護等要求的變化，燃氣輪機得到了電力、動力等有關部門的高度重視，美、歐、日等國先后制定了先進燃氣輪機技術研究發展計劃，以極大的熱情推動著燃氣輪機的發展。

先進燃氣輪機技術具有高效率、低排放、低噪音等一系列先進技術特點，是提供清潔、可靠、高質量發電及熱電聯供的最佳方式。除了發電領域以外，燃氣輪機在航空、航海、陸用動力方面也發揮著重要作用，俄羅斯和美國的主戰坦克也都采用了燃氣輪機作為動力，因此，發展先進燃氣輪機技術對國防建設也是非常重要的。事實上，燃氣輪機作為一種涉及航空、航海、陸用等國家安全的熱力發動機，歷來受到美國、前蘇聯兩個軍事大國以及西歐、日本等高度工業化國家的關注。

二、燃氣輪機概述

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機。在空氣和燃氣的主要流程中，只有壓氣機（Compressor）、燃燒室（Combustor）和燃氣透平（Turbine）這三大部件組成的燃氣輪機循環，通稱為簡單循環。大多數燃氣輪機均采用簡單循環方案。因為它的結構最簡單，而且最能體現出燃氣輪機所特有的體積小、起動快、重量輕、少用或不用冷卻水等一系列優點。

燃氣輪機的工作過程是，壓氣機（即壓縮機）連續地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣渦輪中膨脹做功，推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的做功能力顯著提高，因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時，需用起動機帶著旋轉，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

三、燃氣輪機發電技術

燃氣輪機用于發電的主要形式有簡單循環、前置循環熱電聯產或發電、聯合循環發電或熱電聯產、整體化循環、燃機輔助循環、核燃聯合循環、燃氣煙氣聯合循環、燃氣熱泵聯合循環、燃料電池----燃氣輪機聯合循環等。

過去幾十年燃氣輪機技術取得了引人注目的進展，燃氣輪機的性能不斷地得到改進。一方面通過先進航空技術的移植、不懈地完善燃氣輪機零部件設計來改善簡單循環燃氣輪機的性能，另一方面在燃氣輪機熱力循環方面進行開發研究，其中最重要的一個方向是利用燃氣輪機排氣的余熱、回收其部分能量產生蒸汽或回注入燃氣輪機，即構成雙工質平行復合循環燃氣輪機，或供給汽輪機，即構成燃蒸聯合循環動力裝置。另一個開發方向是減少壓縮功利用排氣余熱的中間冷卻回熱式燃氣輪機。

我國能源結構以煤為主，對環境的壓力非常大。整體煤氣化聯合循環（IGCC）已被普遍認為是本世紀中國建設大規模以煤為主的高效潔凈能源動力系統的重要技術選擇方向之一，目前在國際上已有多座IGCC示范電站運行，在我國也已進入實質性開發階段。IGCC具有發電效率高、排放低的優點。IGCC進一步的技術發展是在燃燒前分離二氧化碳并加以捕集，然后以轉化的高含氫氣體作為燃氣輪機的燃料供給聯合循環發電。在二氧化碳減排成為必須時，IGCC 的優勢將進一步凸顯，對先進的中低熱值燃料重型燃氣輪機的需求將急劇增加。

大力發展以燃氣輪機為核心的 NGCC 和 IGCC，對于提高能源的利用率，降低污染排放具有重要的意義。另外，燃氣輪機所具有的快速升降負荷和快速啟停的能力，可以補償風力發電和太陽能發電的發電波動對電網的影響，提高可再生能源的利用率。由此可見，重型燃氣輪機對于調整能源結構，實現能源高效潔凈生產，優化發電模式，構建智能電網具有無可替代的作用。

四、發展前景

20世紀80年代末以來，重型燃氣輪機普遍采用了航空發動機的先進技術，陸續發展了一批高性能的燃氣輪機。由于軍事上的需求和驅動，先進國家在航空發動機的研究與發展上投入十分巨大，技術處于領先水平；幾個制造燃氣輪機的大公司，如GE、阿爾斯通（原ABB）和西門子公司等，都先后和著名的航空發動機公司結成“聯盟”，把最新的航空發動機成果應用到地面燃氣輪機。GE公司本身就擁有研制先進軍用航空發動機的航空發動機工程部，生產燃氣輪機的動力系統部與航空發動機工程部的合作，使GE公司無論是航空發動機還是燃氣輪機都處于世界領先地位，并占有較大的份額；西門子公司和普惠（PW）公司合作，阿爾斯通公司與英國RollsRoyce公司合作，使各自的產品取得長足的進步。

國外新一代重型燃氣輪機中，無一例外地都大量移植了航空發動機的最新技術，在氣動設計、傳熱、燃燒、材料、隔熱涂層和維護等方面，或者是采用航空技術進行設計，和航空部門緊密結合，是世界上先進燃氣輪機發展的必然趨勢。

五、結束語

在新時期，燃氣輪機作為一種高效、節能、低污染的發動機將在動力工程中得到日益廣泛的應用，燃機聯合循環作為提供清潔、可靠、高質量發電及熱電聯供的最佳方式也將得到廣泛應用。燃氣輪機在促進我國電力、動力等國民經濟領域發展和國家安全等方面具有重要作用和戰略意義，特別是隨著西部大開發“西氣東輸”工程的實施以及能源供應多樣化的發展趨勢，國內對燃氣輪機的需求越來越大，所以，要高度重視先進燃氣輪機（包括微型、小型燃氣輪機）的應用和發展。

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