提高燃氣輪機性能的技術措施研究

李迎賓 熊偉 郭宏亮

摘 要：燃氣輪機是現代工業生產中的重要部件，提高燃氣輪機的性能對提高現代工業生產起到促進作用。燃氣輪機（Gas Turbine）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。燃氣輪機在現代工業中有廣泛的應用前景。本論文主要從采用高循環參數、改善部件結構及性能、采用先進的熱力循環闡述提高燃氣輪機性能的技術措施研究，希望為研究燃氣輪機性能的專家和學者提供理論參考依據。

關鍵詞：燃氣輪機性能;技術;措施研究

燃氣輪機是一類熱力發動機，在現代工業生產中有廣泛的應用，并且具有優越的發展趨勢。燃氣輪機的性能對燃氣輪機的工作質量等因素有一定的影響，必須科學有效的提供燃氣輪機的性能，這對提高燃氣輪機的應用效率，提高工作質量都起到重要作用，提高燃氣輪機性能主要從參數、部件、循環方式等方面進行闡述，并且利用現代科技水平進行改良，這是提高燃氣輪機性能的基本因素，也是保障燃氣輪機在現代工業生產中發揮其職能，提高現代工業生產的質量。

1采用高循環參數

改變燃氣輪機的參數是提高燃氣輪機的有效方式，其主要參數熱功率、比功、壓比、渦輪進口溫度等。每個參數的改變對燃氣輪機的性能都有一定的影響。尤其高循環參數渦輪進口溫度的提升對燃氣輪機的著火點有一定的影響。渦輪進口溫度達到一定的溫度，比如溫度達到62度，這是民用航空發動機研制需要的渦輪進口的溫度，高循環參數渦輪進口溫度與燃氣輪機的應用有一定的關系，必須根據實際應用的性能，科學有效的對燃氣輪機高循環參數渦輪進口溫度的調節，以適合燃氣輪機的應用，促進現代工業發展，提高其燃氣輪機的性能，保障現代工業產品的質量。此時機組轉速與電網頻率一致，燃料量的變化不引起轉速變化。但燃料量波動會影響燃機的負荷輸出并引起 SPREF 波動，SPREF 與燃料量給定值之間產生自循環，放大波動。因為燃機本身有一定的熱容量且 SPREF 生成過程中有一定的緩沖算法，波動現象會被弱化。對于聯合循環機組，余熱鍋爐的熱容量更能緩和負荷波動。綜上，帶載階段燃料量的波動對機組造成的負荷波動也很小，尤其對于聯合循環機組，可能會小于升速階段。

2改善部件結構及性能

2.1 壓氣機部件

壓氣機部件是燃氣輪機的主要部件，燃氣輪機在工作的過程中，壓氣機通過壓縮對空氣進行做功，提高燃氣輪機的機械效率，必須減少壓縮功，提高有用功的機械效率，機械效率越高，燃氣輪機的性能越好，其在實際工作的過程中能更好的發揮燃氣輪機的作用。部分燃氣輪機（如艦船用、應急發電用燃氣輪機）對機動性要求較高，這勢必要求壓氣機有較高的喘振裕度，否則，在加減速過程中就會發生喘振。超、跨聲級壓氣機的最大工作特點是“強烈的三維效應”，即氣流通過壓氣機工作輪形成沿葉高不等功和不等熵的復雜的三維流場，會增大二次流動損失和徑向間隙損失，還會新生激波損失。燃氣輪機應用的范圍比較廣，壓氣機部件在實際的應用過程中根據需要進行相應改變，比如部分重型燃氣輪機在航海等領域中的應用，其壓縮比例也在增大，改善了三維流相應的效果，對現代工業的發展起到促進作用，符合現代工業發展的需要。

2.2渦輪部件

渦輪燃氣輪機的重要部件，改變渦輪部件的參數對提高燃氣輪機的性能起到重要作用。渦輪部件的效率對燃氣輪機整機的影響非常顯著，應盡量提高該參數;在參數提高的過程中，需要根據燃氣輪機的應用科學有效的進行參數調節。同時，由于渦輪部件是熱端部件，采用的是極其昂貴的耐熱合金而且制造技術復雜，盡量減少渦輪部件的級數可以大幅節省成本。燃燒室部件從提高性能的角度來講，燃燒室主要是減少壓力損失，提高燃燒效率，提高加溫比，減少冷卻空氣量。但對于當前的燃氣輪機燃燒室來講，減少污染物排放是一個更為重要的技術指標。現代工業在生產的過程中都要注重保護生態環境，現在國家對企業環評基本實行一票否決制，環評不合格企業不能生產。

3采用先進的熱力循環

3.1回熱循環

回熱循環是熱力循環的一種方式，提高機組效率的有效途徑，通常采用余熱的方式完成回熱循環。通常是在簡單循環基礎上增加一個換熱器。其可利用渦輪排出的廢氣對進入燃燒室的高壓空氣預熱，預熱后的高壓空氣再進入燃燒室進一步參加燃燒以提高溫度。溫度提升對燃氣輪機的工作性能起到基本保障，有助于提升其工作效率。而在保持相同渦輪進口溫度條件下可以減少燃料消耗量，增加熱效率達 15%～20%。熱效率的提升對燃氣輪機的機械效率提升起到促進作用，同時對于高渦輪排氣溫度的燃氣輪機效果更為顯著。高渦輪排氣溫度的燃氣輪機是對溫度有一定的要求，回熱循環能更加科學有效的提升高渦輪排氣溫度，有助于提高工作效率。

3.2 再熱循環

再熱循環也是熱力循環中的一種，其對提高燃氣輪機的工作效率起到重要作用。再熱循環是通過增大渦輪膨脹功，提高燃氣輪機的比功。比功的提升對全面提升再熱循環起到促進作用，一般是在高低壓渦輪之間增加一個燃燒室，對從高壓渦輪流出的燃氣再次供油燃燒，然后燃氣進入低壓渦輪，因此稱為再熱循環。再熱循環的應用對提高燃氣輪機的性能起到促進作用，有效提高工作效率，保障工作質量。

3.3間冷循環

間冷循環是熱力循環中的一種。一般是將燃機的壓氣機分成高低壓兩個部分，在其間增設一個中間冷卻器，利用水或其他介質對從低壓壓氣機中流出的空氣進行冷卻，然后送入高壓壓氣機而組成中間冷卻循環（或稱間冷循環）。

3.4蒸汽回注循環

該循環又稱程氏循環，是利用燃氣對換熱器內經過水質處理的水加熱，使其成為過熱蒸汽，從不同部位（從燃燒室至渦輪前某處）注入一定量蒸汽，與壓氣機供入空氣一起加熱到渦輪進口溫度，再一同流經渦輪并進行膨脹做功。

總之，F 型燃氣輪機及其改進型是我國目前的主力燃氣輪機機組。燃氣輪機機組調峰的靈活性也意味著燃料的波動帶來的輸出能量波動明顯。結合燃氣輪機的工作原理和控制邏輯可以對不同階段燃氣輪機的“靈活”性進行分析，進而得到一些運行和故障判斷的指導建議，同時進一步提高我們對燃氣輪機運行中一些特點的認識。

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