25MW燃氣輪機移動電站的系統研制

摘 要：25MW移動電站是以拖車裝載要求基礎上進行研制的，以適應大功率備用電及應急電的需求。在受到拖車底盤的裝載空間、承重大小及行走限制等條件制約的情況下，將體積大、氣量及風量需求多、噪聲高、振動大的25MW燃氣輪機及其配套系統集成在一起，技術難度較大，但應用前景廣闊。本文主要針對25MW移動電站的系統研制進行介紹。

關鍵詞：25MW，燃氣輪機，移動電站、系統研制

引言

中國船舶集團有限公司第七〇三研究所于2017年11月正式開展中大功率燃氣輪機移動電站研制，燃氣輪機采用七〇三所自主研制的CGT25系列燃氣輪機，自主開展移動載體適配及緊湊集成設計，形成具有自主知識產權的中大國產功率燃氣輪機移動電站樣機。機組研制期間，城林科技受七〇三所委托按移動電站機組總體設計要求與七〇三所聯合開展箱裝體、進排氣、通風配套降噪系統的研發工作，并經七〇三所專家多輪方案評審后定型;配套降噪系統滿足中大功率燃氣輪機移動電站使用需求，助力七〇三所中大功率燃氣輪機移動電站填補我國技術和產品空白。

1 研制內容

城林科技公司參與了國內大部分的燃氣輪機移動電站的設計制造，但功率等級主要集中在2MW左右，該25MW燃氣輪機移動電站，是國內首臺套此功率等級的電源車，也是城林科技參與的最大功率等級的電源車系統研制，其結構、功能、性能等要求的實現難度，都遠遠大于以前的小功率燃氣輪機移動電站。

除了1臺燃氣輪機、1臺發電機及4套汽車底盤外，移動電站的系統還包括燃氣輪機箱體、燃機進氣系統、箱體通風系統、排氣消聲器系統、消防系統、操控系統這六大系統。燃氣輪機使用七〇三所成熟的GT25000型燃氣輪機，發電機及汽車底盤均由國內專業的廠家非標設計配套。本次研制內容是基于城林科技的系統配套能力，通過上述六大系統，將燃氣輪機、發電機及4套汽車底盤融合到一起，形成一套25MW功率等級的移動電站，并能夠實現僅在24小時內就可以完成組裝，11天就可以就可以投入商務運行，快速提供電力供應保障。

2 對比分析

2.1 燃氣輪機與柴油機的對比分析

燃氣輪機發電機組是以連續流動氣體為工質，將熱能轉化為機械能的旋轉式動力設備，包括壓氣機、燃燒室、動力渦輪、發電機、輔助設備等，具有結構緊湊、操作簡單、穩定性能好等特點。

內燃機發電機組是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入氣缸內部燃燒并產生動力的設備，帶動發電機發電，是一種將熱能轉化為機械能的熱機，具有熱效率高、啟動性能好等特點。

與內燃機發電機組相比，燃氣輪機主要優點是“小而輕”，重型燃氣輪機一般為2-5千克/千瓦，而航改型燃氣輪機一般低于0.2千克/千瓦。正是由于燃氣輪機“小而輕”的特點，非常適合用做移動電站，既可以縮小電站的體積，也可以提高車速和車輛的機動性能。

2.2 25MW級與2MW燃氣輪機的對比分析

2MW級燃氣輪發電機組尺寸小巧，如東安出品的QD16燃氣輪機發電機組功率等級為1600kW，主機尺寸僅為2.7m×1.1m×1.14m左右，見圖表一。

本次研制的25MW級燃氣輪機，功率等級可以達到25000kW，外形尺寸達到了7.95m×2.5m×2.6m，見圖表二。

雖然燃氣輪機比內燃機外形尺寸及重量小很多，但GT25000燃氣輪機的外形尺寸仍然較大，其附帶的發電機、輔機及車體外形尺寸都會增大很多。集成后的QD16燃氣輪機移動電站外形尺寸僅9.6m長、2.5m寬、2.5m高，適合安裝到9.6m長的汽車底盤上，單臺車就可以實現燃氣輪機的運行發電。而GT25000燃氣輪機本體加上進氣過濾消聲系統，其外形尺寸就達到了13.65m長，3.2m寬，3.2m高。為了滿足車輛的通過性、行進速度、載重等要求，將進氣系統與燃氣輪機放置到第一個掛車底盤上，將發電機、滑油站、電壓柜放置到第二個掛車底盤上，將電氣控制系統、UPS、MCC、燃料橇等放置到第三個掛車底盤上，將通風消聲過濾系統、排氣消聲系統及其它設備放置在第四個掛車底盤上，運行時需要將這四個底盤車組裝到一起才能運轉。

3 新技術及創新

燃氣輪機又被稱為“工業皇冠上的明珠”，其加工制造難度大，運行條件也非常苛刻，其發展水平是一個國家工業基礎、科技水平和綜合國力的集中體現。四臺掛車要在24小時內完成精準對接和組裝是非常困難的，針對這個問題而創新設計和使用了六個自由度的定位裝配技術、噪聲控制技術、系統快裝技術，成功地解決了大功率燃氣輪機移動電站的快裝難題。

3.1六個自由度的定位裝配技術

燃氣輪機高速旋轉的動力輸出軸與發電機輸入軸之間使用聯軸器進行連接，兩軸之間要求同心對中。但是分別在兩個掛車底盤的燃氣輪機及發電機，怎么能夠順利實現對中，是此移動電站的能否成功研制的關鍵，通過吸收國內外先進技術，經過大量的實驗測試侯，最終選用六個自由度的定位裝配技術，見圖表3。

該技術是在發電機底盤側，設置左右兩個高強度的圓柱椎體栓（圖表4），圓柱椎體栓前端為有小變大的椎體栓，后端為圓柱體，憑借其與發電機輸入軸的定位及平行度要求保障高精度;在燃機底盤側設置兩個高強度的圓柱孔洞，孔洞與圓柱椎體栓為過盈配合，底盤加工要求有高的位置精度。在兩個掛車底盤對接時，發電機掛車先行固定，燃氣輪機掛車向后與發電機掛車底盤靠攏，圓柱椎體栓前端進入圓柱孔洞，隨著圓柱椎體栓的不斷進入，燃氣輪機掛車底盤逐漸升高（圖表5），并克服輪胎的位置偏差，進行自動矯正。到達安裝位置后，同時落下兩個拖車底盤的支撐腿，再通過高強度螺栓將兩個汽車底盤牢牢的連接到一起，實現底盤間的高精度對接。

3.2噪聲指標控制新結構

燃氣輪機的噪聲很大，GT25000型燃氣輪機的最大聲功率級達到了146dB（A），嚴重影響發電作業環境，對附近工作人員及居住生活人員的身心健康損害極大。為了減少對人體健康的影響，通過大量的計算分析及試驗，研制出適用移動電站的消聲結構，最終實現了距離移動電站1m距離處的噪聲低于95dB（A）的要求。

噪聲控制的重點在于進排氣通道消聲器及通風系統消聲器，不僅要解決噪聲的問題，還要在有限的空間內，有限的重量條件下，確保氣動性能。氣動性能是消聲器的關鍵，在設計時，大量使用了氣動仿真技術，不斷調整消聲器結構，最終找到和適合的消聲結構，這些結構不同于我們常用的產品，仿真模擬效果如下：

（1）進氣消聲系統

進氣系統采用城林科技公司的專利產品-列管式消聲器，進氣流場的不均勻度僅為2.87%。

（2）排氣消聲系統

排氣系統采用非標設計的雙阻抗消聲器（圖表8），在有限的空間內，嘗試利用兩層空間消聲及兩級阻性消聲，最終實現了高降噪指標（95dB（A）），以及低阻力特性（總流阻<522Pa），見圖表9。

（3）通風消聲系統

由于箱體通風時，中間部分被排氣管阻擋，通風氣流大多由兩側直接繞過排氣管而排出箱體，導致在通風量一定時的冷卻效果有限，尤其是對動力渦輪上方和排氣管前方的高溫部分冷卻效果較差（圖表10）。因此，通過對于箱體內的流場分析后，在箱體進風口處有針對性地設置導流板，使得通風流場更加合理，冷卻效果更好（圖表11）。經仿真計算，排風消音器流阻為83Pa，而箱體整個通風系統自風機后至排風消聲器前的總流阻僅為230Pa。

3.3系統快裝技術

各系統間的連接方式通常為：各系統間的安裝孔定位后，使用螺栓將各系統連接緊密。但為實現24小時內組裝并發電的要求，各系統部件之間同樣需要快速精準組裝。該25MW燃氣輪機移動電站采用了公司自主研發的快速定位組件，其原理為：紅色組件安裝在下方部件上，綠色組件安裝在上方部件上，首先使快速定位組件的子母卡扣作為定位點，向前移動部件直至限位組件處的限位塊相互貼合，部件下落至安裝面，通過周圈預留的扳手口，安裝各部件的連接螺栓。安裝扳手口封堵件，見圖表12。

4 新產品解決的問題

25MW燃氣輪機移動電站的研制成功，解決了我國大功率移動電站的技術和產品空白。從應用市場來看，國內外的市場需求巨大，將被廣泛應用于電力、軍工、能源、制造業等眾多領域，特別是在電力落后地區的能源開發、油氣輸送、大型野外軍事部署、大型活動等快速用電場景，將起到關鍵作用。

參考文獻：

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[4]王旭，田春宇，劉建成.S1A-02燃氣輪機箱裝體隔聲設計與試驗研究.熱能動力工程.1997.（12）： 429.

作者簡介：

呂金剛（1982.3-），男，山東省文登市人，工學學士，城林科技（上海）有限公司副總裁、哈爾濱城林科技股份有限公司總經理。研究方向：氣動系統、噪聲治理、裝備制造的技術及管理等。

（城林科技（上海）有限公司，上海 201306）