淺析燃氣輪機的發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展

摘 要：隨著全球范圍內(nèi)的能源與動力需求以及環(huán)境保護等要求的變化，燃氣輪機受到了電力、動力等有關(guān)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(jié)合燃氣輪機在發(fā)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(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機；發(fā)電技術(shù)；發(fā)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(nèi)的能源與動力需求以及環(huán)境保護等要求的變化，燃氣輪機得到了電力、動力等有關(guān)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(shù)研究發(fā)展計劃，以極大的熱情推動著燃氣輪機的發(fā)展。

先進燃氣輪機技術(shù)具有高效率、低排放、低噪音等一系列先進技術(shù)特點，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式。除了發(fā)電領(lǐng)域以外，燃氣輪機在航空、航海、陸用動力方面也發(fā)揮著重要作用，俄羅斯和美國的主戰(zhàn)坦克也都采用了燃氣輪機作為動力，因此，發(fā)展先進燃氣輪機技術(shù)對國防建設(shè)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(fā)動機，歷來受到美國、前蘇聯(lián)兩個軍事大國以及西歐、日本等高度工業(yè)化國家的關(guān)注。

二、燃氣輪機概述

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)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(huán)，通稱為簡單循環(huán)。大多數(shù)燃氣輪機均采用簡單循環(huán)方案。因為它的結(jié)構(gòu)最簡單，而且最能體現(xiàn)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(yōu)點。

燃氣輪機的工作過程是，壓氣機（即壓縮機）連續(xù)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(zhuǎn)；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(zhuǎn)，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

三、燃氣輪機發(fā)電技術(shù)

燃氣輪機用于發(fā)電的主要形式有簡單循環(huán)、前置循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)或發(fā)電、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)、整體化循環(huán)、燃機輔助循環(huán)、核燃聯(lián)合循環(huán)、燃氣煙氣聯(lián)合循環(huán)、燃氣熱泵聯(lián)合循環(huán)、燃料電池----燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)等。

過去幾十年燃氣輪機技術(shù)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(shù)的移植、不懈地完善燃氣輪機零部件設(shè)計來改善簡單循環(huán)燃氣輪機的性能，另一方面在燃氣輪機熱力循環(huán)方面進行開發(fā)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(chǎn)生蒸汽或回注入燃氣輪機，即構(gòu)成雙工質(zhì)平行復合循環(huán)燃氣輪機，或供給汽輪機，即構(gòu)成燃蒸聯(lián)合循環(huán)動力裝置。另一個開發(fā)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(jié)構(gòu)以煤為主，對環(huán)境的壓力非常大。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）已被普遍認為是本世紀中國建設(shè)大規(guī)模以煤為主的高效潔凈能源動力系統(tǒng)的重要技術(shù)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(zhì)性開發(fā)階段。IGCC具有發(fā)電效率高、排放低的優(yōu)點。IGCC進一步的技術(shù)發(fā)展是在燃燒前分離二氧化碳并加以捕集，然后以轉(zhuǎn)化的高含氫氣體作為燃氣輪機的燃料供給聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。在二氧化碳減排成為必須時，IGCC 的優(yōu)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(fā)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(fā)電和太陽能發(fā)電的發(fā)電波動對電網(wǎng)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(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能源高效潔凈生產(chǎn)，優(yōu)化發(fā)電模式，構(gòu)建智能電網(wǎng)具有無可替代的作用。

四、發(fā)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(fā)動機的先進技術(shù)，陸續(xù)發(fā)展了一批高性能的燃氣輪機。由于軍事上的需求和驅(qū)動，先進國家在航空發(fā)動機的研究與發(fā)展上投入十分巨大，技術(shù)處于領(lǐng)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(fā)動機公司結(jié)成“聯(lián)盟”，把最新的航空發(fā)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(fā)動機的航空發(fā)動機工程部，生產(chǎn)燃氣輪機的動力系統(tǒng)部與航空發(fā)動機工程部的合作，使GE公司無論是航空發(fā)動機還是燃氣輪機都處于世界領(lǐng)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(chǎn)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(fā)動機的最新技術(shù)，在氣動設(shè)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(shù)進行設(shè)計，和航空部門緊密結(jié)合，是世界上先進燃氣輪機發(fā)展的必然趨勢。

五、結(jié)束語

在新時期，燃氣輪機作為一種高效、節(jié)能、低污染的發(fā)動機將在動力工程中得到日益廣泛的應用，燃機聯(lián)合循環(huán)作為提供清潔、可靠、高質(zhì)量發(fā)電及熱電聯(lián)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(jīng)濟領(lǐng)域發(fā)展和國家安全等方面具有重要作用和戰(zhàn)略意義，特別是隨著西部大開發(fā)“西氣東輸”工程的實施以及能源供應多樣化的發(fā)展趨勢，國內(nèi)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(fā)展。

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