燃氣輪機應用選型與節能措施研究

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

燃氣輪機是以氣體為工質，經壓縮加熱后在透平中膨脹，將氣體能量轉換為機械能的熱力渦輪機械。燃氣輪機一般由壓氣機、燃燒室、透平、控制系統及必要的輔助設備組成[1-4]。

1 燃氣輪機的發展現狀

世界上第一臺燃氣輪機誕生于1939年，至今已經歷了八十余年。隨著熱力學、空氣動力學、高溫材料冷卻技術和制造工藝的進步，燃氣輪機也取得了極大的發展。當前，燃氣輪機的單機最大功率、最高透平進氣溫度、壓氣機最高壓比及最高效率等參數都有了顯著提升[5-6]。

先進的燃氣輪機已經普遍應用模塊（箱裝體）結構，維修和更換都較為便捷，而且采取了孔探儀、振動和溫度監控、熄火保護等措施，提高了整機可靠性和使用率。其控制系統已經應用微機處理器[7]，顯著優化了啟動、停機等過程，實現了無人或遙控操縱運行。

燃氣輪機的燃燒效率很高，排氣干凈。與柴油機等動力裝置相比，未燃燒的碳氫化合物（UHC）、CO、SO2等排放物相對較低。采用注水或注蒸汽抑制燃燒或在排氣管路安裝選擇催化還原裝置（SCR），可使NOx的排放量顯著降低。以干式低NOx燃燒技術為例，通過該項技術無需向燃燒室注水或蒸汽，而是應用合理的燃燒室結構和恰當的燃燒過程，來減少NOx的排放量，并充分滿足嚴格的環保標準要求。

2 燃氣輪機的應用領域

燃氣輪機有很多種形式，按其應用領域通常可分為以下幾種[8-9]。

1）用于發電

燃氣輪機用于發電領域時所驅動的負荷為發電機組，大多是單軸等轉速運行，是目前最主要的一種應用方式。

2）驅動通用機械

在該領域中燃氣輪機所驅動的負荷為風機、壓縮機、泵等設備，多為分軸型，輸出軸轉速可變。

3）用于車輛動力裝置

燃氣輪機可用作車輛動力來源，驅動車輪，多為分軸，輸出軸轉速可變，在坦克裝甲車輛、機車車輛、汽車等領域得以應用。

4）用于艦船動力裝置

燃氣輪機也用作艦船動力裝置以驅動螺旋槳[10-11]，多為分軸或多軸，且輸出轉速可變。

3 燃氣輪機的技術特點

1）質量輕、體積小

燃氣輪機發電廠的金屬消耗量約為同功率汽輪機的1/3～1/5，因此基建投資省，建設周期短[12]。

2）水、電潤滑油的消耗少

燃氣輪機耗水極少，甚至可以不用水，燃氣輪機發電廠自用電也很少，許多機組可以無電源啟動，所需的潤滑油也明顯低于汽輪機及柴油機[13-14]，因此適用于缺水、缺電的地區。

3）燃料適應性強，對環境污染小

除能燃用天然氣、蒸餾油等優質燃料外，還能燃用渣油、原油、中低比能的煤氣等廉價燃料。同一臺燃氣輪機可以燃用液體或氣體等幾種燃料，系統及相關輔助設備無需作大幅度調整，甚至可以在運行中實現不同燃料間的相互切換。現代燃氣輪機的排氣比較干凈，煙塵、CO、SO2、NOx和未燃碳氫化合物（UHC）的排放一般都能滿足嚴格的環保標準。

4）啟動快、自動化程度高

燃氣輪機從冷態啟動、加速，直至帶上滿負荷，一般只需3～15 min。現代燃氣輪機可通過微機進行控制，通過程序設定以實現啟動或停機，同時進行集中控制或遙控，運行維修便捷，甚至可實現無人運行。

5）可以綜合利用余熱，大幅提高能源利用率

現代燃氣輪機的排氣溫度一般為450～600℃，加之排氣流量較大，蘊含著大量適于綜合利用的優質能源。如加裝余熱鍋爐，組成燃氣-蒸汽聯合循環，則其總功率可增加1/3～1/2，同時也可以實現熱電聯供或熱電冷三聯供，使能源利用率提高到80%以上[15-16]。

4 燃氣輪機的應用與選型

4.1 發電領域

4.1.1 燃氣輪機簡單循環發電

燃氣輪機驅動一臺發電機便構成了燃氣輪機發電機組。該系統結構輕巧，初始投資低，占地少，耗水少或不耗水，且安裝方便，建設周期短，啟動迅速，運行靈活，排氣干凈，煙塵及未燃碳氫化合物（UHC）、CO和NOx的排放量都很少[17]，可滿足國際上最嚴格的環保要求，而且可實現室外安裝，自動化水平高，可實現無人運行或遙控運行，非常適合公用電網的尖峰負荷機組。該發電機組可安裝在用電比較集中的用戶附近，實現城市電網自行調峰，進行分布式能源供給，以減少長距離輸電損失。一般公用電網配有10%～15%容量的燃氣輪機發電機組，即可確保電網的供電質量。

目前，燃氣輪機發電機組的規格型號比較多，通常為單軸定轉速運行，單機功率范圍可從數百千瓦到數百兆瓦，選擇余地較大，而且多為箱裝體結構，運輸安裝都較為便捷。

4.1.2 燃氣輪機聯合循環發電

利用燃氣輪機發電機組的高溫排氣，加裝余熱鍋爐產生過熱蒸汽，驅動一臺汽輪發電機組，以此構成了燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，使總發電量和發電效率得以大幅提升，可用作公用電網的基本負荷機組。

4.2 管線輸送動力

目前，普遍應用管道輸送天然氣和石油，當輸送距離較長時，為了克服沿程管道的壓力損失，一般每隔一定距離設一增壓站，用壓氣機或泵來提高被輸送介質的壓力。燃氣輪機適合與壓氣機或泵直接連接，并可就地取材，以管道輸送的介質為燃料。因而，燃氣輪機已廣泛地用作管道、管線輸送增壓站的動力[18]。

4.2.1 天然氣輸送管線

1）增壓要求

輸氣管線增壓站的出口壓力通常可達5.5～7.6 MPa，增壓比1.25～1.50。某些新管線增壓站的出口壓力高達9.6 MPa，增壓比1.15～1.25。

2）設備配置

一般增壓站選用三套增壓機組，正常情況下，其中兩套并聯運行，各承擔50%的流量負荷，另一套備用。部分增壓站選用兩套增壓機組串聯運行，每一機組均通過全部流量，此時如有一套機組故障停運，對管線輸送能力影響較小。

3）增壓壓氣機（壓縮機）的選擇與匹配

通常優先選用離心式壓縮機，其流量和壓頭應滿足增壓站要求。燃氣輪機與壓氣機的轉速應當匹配，以保證壓氣機工作在最佳效率范圍內。其次，二者功率應當匹配，可根據壓氣機的流量、輸送介質密度壓力、壓力增加量和效率來確定燃氣輪機的功率。

4）燃氣輪機的選擇要點

（1）雙軸機組或單軸機組的選擇問題。同樣功率的燃氣輪機，雙軸機組所需的啟動功率較小，并且當輸出軸轉速變化時，輸出功率曲線變化平緩，可較好地滿足變工況情況下壓氣機驅動的需要，所以幾乎所有的管線用燃氣輪機都選用雙軸機組。

（2）壓氣機臨界轉速問題。燃氣輪機壓氣機組是變轉速運行，一般運行范圍為設計轉速的80%～105%，燃氣輪機的臨界轉速應避開這一運行區。

（3）輔助電力供應問題。一般燃氣輪機壓縮機組都會配備一些輔助設備，該類設備需要通過電力驅動，如冷卻泵、風扇等。當無外部電源供應或外部電源發生故障時，增壓站必須由燃氣輪機的輔助軸驅動輔助發電機組，或能快速啟動備用輔助發電機以實現供電。

（4）效率問題。天然氣管線增壓站是長期連續運行的，一般燃氣輪機的燃料成本對其運行經濟性起關鍵作用，希望選用的燃氣輪機效率盡可能高，通常可通過增加回熱器及采用回熱循環以大幅提高燃氣輪機熱效率。在此前提下，整機熱效率通常可提高約1/3～1/2。

（5）機組控制問題。管線增壓站通常設立于荒無人煙的西部地區，自然環境惡劣，要求能實現無人運行或遙控運行。因此，用于該領域的燃氣輪機應有較高的控制水平，應能實現微機全自動控制。

4.2.2 輸油管線

輸送原油或石油產品的管線增壓站的要求與天然氣輸送管線類似，不同之處是增壓油泵所需驅動功率相對較小。一般當增壓站由公用電網供電時，多選用電動機或調速電動機進行驅動。通常在地廣人稀且無公用電網供電的地區，才會選用燃氣輪機或柴油機作為驅動動力。

由于泵的工作轉速范圍比較寬，與燃氣輪機的轉速匹配比較容易。大功率燃氣輪機的轉速多為3 000～3 600 r/min，可以直接與泵連接。小功率燃氣輪機的轉速通常可達7 000～8 000 r/min以上，此時可通過減速齒輪箱連接。

管線增壓站的布置與管徑大小和輸油量有關。燃氣輪機的燃料可采用管道中輸送的原油，由于原油中含有少量鈉、鉀等堿性鹽類物質，會對高溫通流部件產生腐蝕，從而可配備小型拔頂蒸餾裝置，以燃氣輪機排氣余熱為能源，生產拔頂油作為燃氣輪機燃料，剩下的底部產品再返回輸油管線。

4.2.3 油氣分離

油井開采出的原油通常為高壓下的油氣混合物，需逐級減壓至大氣壓力，每一次減壓過程中都有一些天然氣自然分離出來，可通過壓氣機組將其壓縮至適當的壓力，從而供向輸氣管線或天然氣回注裝置。用于該領域的壓氣機組以燃氣輪機驅動較為適宜，其燃料可直接取用分離出來的天然氣，有著較高的便利性。

4.3 海洋采油平臺動力

近年來，燃氣輪機作為海洋鉆井平臺和采油平臺的動力，已經獲得了廣泛應用，主要用于發電和直接驅動天然氣壓氣機、油泵、水泵等。

采油平臺上通常要安裝2～3種功率等級的供電設備，最低生活用電和應急備用電力約數百千瓦，多由柴油機發電機組供電；1～3 MW的次主發電設備多采用燃氣輪機發電機組或大功率柴油發電機組；功率較大的主發電設備一般選用燃氣輪機發電機組。為保證安全供電，常采用多臺發電機組協同運作，以此留有一定的備用發電容量[19]。海洋采油平臺的獨特工作環境決定了其對燃氣輪機有一些特殊要求。

1）安全可靠性高

維持海洋平臺運行所需的動力不便由外部輸入，為此需在平臺上建設獨立的發電和供電設備。發電機組的故障將造成平臺生產停滯、工作人員生活困難，后果較為嚴重。因此，應選擇在陸地上已經長期運行考驗和技術水平較為成熟可靠的機組。目前，大多數燃氣輪機的可靠性都比較高，可靠性一般達95%以上，可有效地滿足海洋平臺的運行要求。

2）尺寸小、質量輕、結構緊湊

海洋平臺的運行成本較高，且工作環境惡劣，對設備的占用面積和承受質量有嚴格限制。一般燃氣輪機的比重量約為柴油機的1/10～1/3，能充分滿足海洋平臺對設備尺寸和質量的嚴格要求。

3）能燃用多種燃料

采油平臺上的燃氣輪機一般會設計成能燃用氣體和液體兩類燃料，并在運行中相互切換。平臺正式產油前可燃用液體燃料，產油后往往就地取材，以原油中分離出來的天然氣作為燃料。

4）進氣需要嚴格過濾

海洋大氣中含有較多的鹽分，約為0.5×10-6～5×10-6（質量分數），不僅會造成壓氣機葉片積垢，引起機組功率迅速下降，而且還會引起透平葉片的熱腐蝕，縮短機組壽命。通常認為進氣含鹽量小于0.01×10-6（質量分數）是允許的，為此需要安裝三級進氣過濾器。當大氣相對濕度小于70%，尺寸小于10 μm的干鹽晶體仍能通過三級過濾器進入壓氣機，為此還需要增加第四級過濾器[20]。

5）采用防腐蝕材料和涂層

即使采用了高效率的進氣過濾器，透平葉片的高濕腐蝕仍然是一個重要問題，為此需采用耐腐蝕的材料和涂層。

6）加強清洗

平臺燃氣輪機為了清除積垢以恢復功效，過濾器需定期進行清洗，清洗間隔時間視進氣過濾情況而定，一般每周清洗一次，而部分配備有高效率四級進氣過濾器的燃氣輪機，可以三個月清洗一次。

7）合理布置排氣管道

為了防止排氣吹到進氣口或操作人員身上，排氣管道一般采取垂直向上的布置形式，但垂直向上的排氣管道的排煙有可能對直升機的起飛和降落構成威脅，因此還要注意使排氣管道遠離直升機起落場。

8）安全防火措施

采油平臺產出的原油中混有大量天然氣，燃氣輪機一般以天然氣為燃料，泄漏的天然氣與空氣的混合物易引起爆炸和火災，特別是在發生意外的井噴事故時。因此，需要對燃氣輪機采取嚴格的防火安全措施。燃氣輪機一般安裝在采油平臺的安全區域內或采油平臺旁專門建造的發電機平臺上。燃氣輪機罩殼內必須進行通風，以稀釋泄漏的天然氣，若通風中斷，燃氣輪機則應停止運行。

9）維修方便

采用模塊（箱裝體）結構，并備有一定數量的備件。當某一模塊發生故障時可迅速更換，并可用直升機或運輸船送到岸上維修基地進行維修。

10）防冰消聲和余熱回收等問題

當平臺在寒冷地區時，燃氣輪機需要安裝進氣防冰系統，以提高進氣溫度，防止進氣系統結冰，同時應安裝應急進氣流道，防止進氣濾清器被冰堵塞時造成其它損壞。另外，平臺上工作人員的生活區和工作場所應盡量靠近燃氣輪機運行地點，以此降低噪聲，改善環境。燃氣輪機的高溫排氣應盡量通入余熱鍋爐而產生蒸汽，以供工作人員生產和生活使用，既經濟又方便。

4.4 艦船動力

自1947年世界上第一艘以燃氣輪機為動力的英國海軍MGB2009高速炮艇下水以來，很快便顯示了燃氣輪機作為水面艦艇動力裝置的優勢，較好地滿足了戰術性能要求。最初燃氣輪機主要用作小型艦艇的加速機組，隨著性能的不斷完善，現已更廣泛地為水面艦艇所采用，不僅可作為加速機組，而且也可用作巡航機組。

水面艦艇的全速功率一般為巡航功率的3～7倍，有的達10多倍，而燃氣輪機低負荷運行油耗率偏大，降低了艦艇的續航力。為了彌補這一缺陷，一般用多臺同型機或異型機以實現組合的辦法，稱為聯合動力裝置推進方式。至今，燃氣輪機已經成為世界各國大、中型水面艦艇的主要動力裝置。其發展趨勢主要為“全燃化”，即巡航主機和加速機組都用燃氣輪機，組合方式有COGAG和COGOG兩種。

COGAG方式多數為數臺同型號燃氣輪機聯合組成，如美國阿里·伯克級驅逐艦，裝有4臺LM2500型燃氣輪機，巡航時兩根軸各用1臺機組，全速時4臺一起工作。COGOG方式多為兩種不同功率的燃氣輪機聯合組成，如英國謝菲爾德級驅逐艦有兩軸，每根軸用1臺3.13 MW的燃氣輪機作為巡航主機，大于巡航速度時，巡航機組停止工作，由20.61 MW的燃氣輪機接替工作，單獨滿足由巡航到全速的功率需求。這種推進方式特別適合于巡航功率小于全速功率20%的艦艇。

通常而言，對艦船燃氣輪機的技術要求總體如下。

1）輕型箱裝體結構。用于艦船動力裝置時，要求燃氣輪機尺寸小，質量輕，功率密度大，通常多采用航空衍生機型，并制成箱裝體，以便于安裝和維修。

2）專用的進氣過濾裝置。如上文所述，海洋大氣中的鹽含量約為0.5×10-6～5×10-6（質量分數），遠超過0.1×10-6的允許進氣標準。此外，在寒冷地區還可能遇到冰霧、雨雪等環境，因此燃氣輪機進氣部分需設置專用的過濾裝置，并采取防冰措施。

3）耐傾搖和抗沖擊結構。這是由艦船的工作環境決定的，需要對燃氣輪機結構，特別是支承系統進行專門設計。

4）優良的變工況性能。艦用燃氣輪機因為常在部分負荷下運行，要求低負荷時的低耗油率變化平坦，為此常采用壓氣機可調靜葉和變幾何動力透平等措施。

5 燃氣輪機節能措施研究

燃氣輪機除可采用復雜循環（回熱循環、回冷循環、再熱循環等）以提高自身效率和系統經濟性外，還可通過充分利用燃氣輪機的排氣余熱以達到節能目的。其主要實現方式包括直接供電、熱電聯供（或功熱聯供）、熱電冷三聯供聯合循環發電等。

5.1 利用排氣直接供熱

燃氣輪機的排氣溫度較高，通常約為450～600℃，流量大，蘊含了大量可利用的熱能。將該部分熱能直接用于干燥物料，加熱其它液體并向相關設備供熱，是最簡單的排氣余熱利用方案。

5.2 利用余熱鍋爐生產供熱蒸汽

將燃氣輪機的排氣通入余熱鍋爐產生蒸汽以用于供熱，這也是最常用的一種余熱利用方式。余熱鍋爐大致分為三種類型。

5.2.1 無補燃型余熱鍋爐

該類余熱鍋爐實際上是一臺對流換熱器，產生的蒸汽一般比透平排氣溫度低40～56℃，約可回收排氣熱量的80%～90%，并根據產生蒸汽壓力等級的不同，又分為單壓、雙壓、三壓型等幾類余熱鍋爐。

5.2.2 部分補燃型余熱鍋爐

燃氣輪機排氣中含有大量氧氣，若在余熱鍋爐中補加少量燃料進行燃燒，使其溫度升高至870～930℃，可以大幅增加余熱鍋爐的蒸汽產量，提高供熱能力。

5.2.3 充分補燃型余熱鍋爐

將燃氣輪機的排氣用于助燃空氣，在余熱鍋爐中補加足量燃料，并使其充分燃燒，可使余熱鍋爐的產汽量達到無補燃型余熱鍋爐的6～7倍，而且由于燃氣輪機的排氣溫度遠高于大氣溫度，還可有效降低余熱鍋爐的燃料消耗率。

5.3 熱、電、冷三聯供

燃氣輪機熱、電、冷三聯供系統為一類有效實現節能降耗的方案。燃氣輪機發電機組的排氣通入余熱鍋爐所產生的蒸汽，除保證一臺汽水加熱器一年四季供應熱水外，還可在夏季通過一臺溴化鋰吸收式制冷機，以蒸汽為能源而產生一定的冷媒水，用于集中式空調降溫。在冬季時，其通過另一臺汽水加熱器產生熱水，用于集中供暖使熱負荷更為均衡，以保持較高的設備和能源利用率。該系統可用于賓館、飯店、辦公樓、機關、學校、醫院、車站、飛機場等地，同時滿足電、熱、冷多種能源的需求。

5.4 燃氣-蒸汽聯合循環發電

5.4.1 常規燃氣-蒸汽聯合循環發電

將燃氣輪機發電機組的高溫排氣供入余熱鍋爐產生過熱蒸汽，供給凝氣式汽輪機做功發電[21-24]。在聯合循環機組中應用的汽輪機與常規汽輪機的結構基本相同，主要差別是由定壓調節改為滑參數調節，即當負荷降低時，汽輪機前的蒸汽壓力并非保持不變，而是隨負荷一起降低，以減少汽輪機末幾級的蒸汽濕度，提高內效率。

此外，由于可利用余熱鍋爐產生的低壓蒸汽加熱給水，故可去掉常規汽輪機組的給水加熱抽氣系統。如果應用了雙減壓或三壓余熱鍋爐，則汽輪機應設計成可從中間級補充供入低壓蒸汽組的結構，以提高整個系統的效率。

在聯合循環中應用的余熱鍋爐有無補燃余熱鍋爐、部分補燃型余熱鍋爐、充分補燃型余熱鍋爐三種形式。無補燃余熱鍋爐聯合循環的發電量約比燃氣循環發電量增加1/3～1/2，不增加燃料消耗量，系統發電效率可以得到大幅度提高。如果應用補燃型余熱鍋爐，通過燃燒一部分補充燃料，顯然可使蒸汽產量和蒸汽循環部分的發電量進一步增加，但系統發電效率卻未必高于無補燃余熱鍋爐聯合循環。如果將燃氣輪機發電機組的高溫排氣送入鍋爐，代替燃料燃燒的助燃空氣，并產生蒸汽以驅動汽輪發電機組，所構成的聯合循環發電方式被稱作排氣再燃型聯合循環發電方案。該方案多用于對現有汽輪機電廠進行的節能改造。在這種改造中，原鍋爐的送風機保留備用，燃氣輪機的排氣供入量由一旁通風門調節。

在聯合循環系統中，隨著余熱鍋爐中補燃料量的增加，總發電量雖在逐步增加，但系統的熱效率卻逐步下降。所以，以無補燃聯合循環為代表的節能方案目前仍得以廣泛應用。

5.4.2 蒸汽回注燃氣輪機

將余熱鍋爐產生的蒸汽全部或部分注入燃氣輪機的燃燒室，用來增加工質流量，從而增加燃氣輪機的功率和效率。此時，透平中的工質為燃氣和蒸汽的混合物，構成了雙工質平行復合循環，或稱程氏循環（以該循環的發明者程大猷先生的姓氏命名）。該方案的最大特點是省去了常規聯合循環系統中的汽輪發電機組，使系統變得比較簡單，并同樣可以回收利用排氣的余能，提高燃氣輪機的功率和熱效率。但缺點是凝結水無法實現回收利用，水處理費用較高。

5.4.3 熱電型聯合循環

將常規聯合循環系統中的凝汽式汽輪機替換成背壓式或抽氣式汽輪機，使其排氣或抽氣用于供熱，便構成了熱電型聯合循環。此時，系統的總能源利用率可高達80%～90%。對于蒸汽回注燃氣輪機，還可以將余熱鍋爐中產生的蒸汽，一部分注入燃氣輪機用于發電，另一部分直接用于供熱，從而對熱負荷有更好的調節適應性能。

6 結論及展望

燃氣輪機作為廣泛應用的熱力渦輪機械，以其突出的性能優勢，在未來的工業生產、經濟建設及國防領域仍將發揮重要的作用。在當前的技術體系下，針對燃氣輪機的節能而進行的相關研究仍有著深遠的意義。