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燃气轮机发电机组

[拼音]:ranqilunji fadianjizu

[外文]:gas turbine electric generating set

由燃气轮机和发电机组成的发电动力装置。与汽轮机发电机组相比,这种机组结构比较简单,辅助设备较少,因而投资、占地、发电成本都较前者低。加上燃气轮机体积小,重量轻,起动快,不需要大量用水,所以,70年代以来这种机组在电力工业中的应用发展较快,每年的增长率达14~21%。燃气轮机发电机组的局限性是原则上燃用油和气。80年代中期以来正在研究开发燃用煤等固体燃料的技术。

燃气轮机发电机组的技术特点是:

(1)燃气初参数高,初温可达850~1100℃,压比为8~11。

(2)机组起动快,机动性好。小型机组通常可在15秒到2分钟内冷态起动到满负荷运行;5万千瓦机组也只需要5~8分钟。

(3)运行可靠并且经济性好。机组可靠系数达95.5%以上,热效率为24~30%(简单循环)。基于以上这些特点,燃气轮机发电机组在电力系统中承担调峰和紧急备用。如其容量占系统总容量的15~20%,则基本上能满足系统中尖峰负荷的调峰需要,从而可使系统中承担基荷的机组长期处于经济工况运行。同时,也降低电站的投资、安装、维护和管理等费用。近来还开发了压缩空气蓄能机组。

分类与组成

燃气轮机发电机组常用类型有两种:单轴机组和分轴机组。单轴机组由压气机、透平、燃烧室和发电机4部分组成;分轴机组由压气机、燃烧室、高压透平、低压透平和发电机组成。分轴机组的压气机、燃烧室及高压透平的安排与单轴机组相同,即高压透平与压气机联在同一根轴上。压气机、燃烧室及高压透平叫做燃气发生器。低压透平称为动力透平,它发出的功率拖动发电机组工作。分轴机组与单轴机组最大的差别是压气机轴与负载轴分开,高、低压透平之间只有气路连接,没有机械联系。

工作原理

大气中的空气被吸入到压气机中压缩到某一压力(一般不低于0.3MPa),压缩后的空气被送入燃烧室,与喷入的燃料(油或天然气)在一定压力下混合燃烧 ,产生高温燃气(温度通常高于600℃),高温燃气被送入燃气轮机的透平膨胀做功,直接带动发电机组发电,最后废气被排入大气。机组中,压气机由燃气轮机直接驱动。燃气轮机的总功率减去压气机消耗的功率才是机组的发电功率。随着装置效率的不同,发电机的功率通常为燃气轮机功率的1/3~1/5。

燃气轮机发电机组的热力循环方式有3种:

(1)开放式。这种方式简单、可靠、制作方便,燃气轮机发电机组多采用这种方式。但它的热效率低。

(2)封闭式。特点是工质与大气隔离,工作参数不受大气条件影响。但设备较复杂,一般不适于承担尖峰负荷。

(3)联合循环。即将蒸汽循环和燃气循环予以组合,采用一台增压锅炉代替燃气循环中的燃烧室。增压锅炉产生的燃气到燃气轮机做功,产生的蒸汽到汽轮机做功。由于燃烧是在高压下进行,故燃烧和传热效果都比较好,锅炉体积可以缩小到1/5~1/6,节省大量金属材料。

燃气轮机发电机组的热力循环基本上采用 3种热交换方式:

(1)回热式,即将燃气轮机的排气引入回热器,利用它对进入燃烧室之前的压缩空气进行预热。采用回热的机组一般可节省燃料25~40%。

(2)再热式,即将一台高压燃气轮机的排气引入一台低压燃烧室内重新加热到高温,然后进入另一台低压燃气轮机中膨胀作功。这提高了工质加热的平均温度,增加工质的可用热焓降,同时为燃气轮机装置的分缸和分轴制造提供了有利条件。

(3)中间冷却式,即将一台低压压气机出口的空气引入冷却器冷却到较低温度后,再进入一台高压压气机内继续压缩。在分段压缩过程中采用中间冷却可减少空气在压缩过程中所消耗的功率,因而相应地提高了燃气轮机的输出功率。

再热循环和中间冷却循环通常和回热循环同时采用。这样可有效地提高机组的热效率。

提高热效率的有效途径是:

(1)提高燃气初温,一般每增高10℃,机组的热效率大约提高1.5%。

(2)适当地增大压缩比。

(3)采用多段回热、再热和中间冷却的热力循环方式。

(4)提高设备的内效率。燃气轮机的内效率每变化1%(相对值),整个机组的热效率将变化3~4%(相对值);压气机的内效率每变化1%,整个机组的热效率将变化2~3%。

(5)降低管道的压力损失。在机组结构和其他参数不变时,管道压力损失每增加1%将使整个机组的热效率降低约1.5%,同时还会使机组的有效功率降低约2%。

运行

机组的运行问题包括定速运行要求、变工况运行的稳定性和部分负荷运行时的经济性。

(1)定速运行要求:为保证发出电能的频率和电压稳定,要求发电设备尽可能维持定速运行。这就要求机组的动力轴在任何情况下都能维持恒定速度。机组的速度调整率通常为4~5%,调速系统迟缓率一般不大于0.05%,即使从满负荷突然减少到空载时,转速的变化率也不得超过5~7%。

(2)变工况运行稳定性:由于电力负荷经常变动,发电燃气轮机不可能经常在一个工况下运行,特别是一些承担尖峰负荷的机组,大多数在非额定工况和部分负荷情况下需调整运行,因此要求发电燃气轮机具有变工况下的运行稳定性。为此,首先需要解决压气机的喘振现象(即负荷变化引起压气机流量变化的幅度超过了稳定运行范围时,机器产生强烈振动);其次要解决燃烧室的灭火问题(即负荷变化引起燃烧室燃烧强度的变化而导致灭火)。前者需扩大轴流式压气机的调整幅度;后者需减少燃烧室内一次空气量的比例,或采用具回流方式的燃烧室。

(3)部分负荷运行时的经济性:燃气轮机的热效率随负荷减小而急剧下降。为了改善这种情况,通常采用多轴结构的方法来提高部分负荷运行时的热效率。一般采用双轴式结构,将发电机配置在一个轴上定速运行,而另一个轴的转速可以随负荷调整。这样基本上可以做到以四分之三额定负荷运行时其热效率接近满负荷时的热效率;带半负荷时仅比满负荷时降低4%左右(绝对值)。设计良好的燃气轮机,其空载时的燃料消耗量约为满负荷的20%。

运行中存在的问题有:

(1)燃用重油引起燃气轮机叶片结垢和腐蚀,以及堵塞流道。

(2)燃气初温的波动导致金属机件内部热应力加大。

(3)开式循环中排气直通大气,其噪声高达120分贝,经过消声仍超过90分贝。

(4)需加装起动电源。

发展动向

燃气轮机发电机组的发展主要围绕提高机�a href=’http://www.baiven.com/baike/222/323577.html’ target=’_blank’ style=’color:#136ec2′>榈木�眯浴⒖煽啃院突��匀�矫嬲箍�>咛遄鞣ㄓ幸韵录傅恪�/p>

(1)燃用多种燃料:有些国家大部分机组都能同时使用气体燃料和液体燃料,并且能在带负荷时自动切换,以提高机组的经济性和机动性。除了积极研究解决重油燃烧上存在的技术性问题外,还正在重点研究发展燃用固体燃料的燃气轮机组的可能性。

(2)提高初参数:提高燃气轮机装置热效率的最有效的方法是提高燃气的初参数。现已设计制造的10万千瓦机组,燃气轮机进口的燃气初温为1100~1200℃,压比为12~14。它一方面要求研究发展新的耐热金属材料、高温陶瓷材料如氮化硅(Si3N4)和碳化硅(Sic),在高温条件下,应具有足够的机械强度和抗氧化性能;另一方面还要研究发展叶片的冷却技术,以降低高温部件的局部温度,例如采用空气或其他液体冷却叶片的方式。

(3)采用新型调节系统:60年代以来,普遍采用新型的电液调节,并与程序自动起动、停机,以及超温、熄火、振动、喘振等保护回路组成完善的控制系统。例如有采用起动、转速、温度 3个主回路的最小量控制系统;有采用起动、转速、温度、压缩机出口压力等 4回路的最小量控制系统;有采用类似汽轮机的功率-频率控制系统。控制系统的功能是把机器的工况控制在安全允许的范围内,以满足负荷方面的要求和机器本身的经济性和使用寿命方面的要求。各类调节控制系统中,电子液压式系统功能强,能完成综合运算、逻辑判断等任务,可以组成高度自动化的复杂系统,并能利用计算机和实现遥控。现代的DEH控制系统及MEH控制系统将广泛用于燃气轮机控制系统。采用最小量控制系统,能保证最小燃料量以避免切断时熄火。还可采用两套回路,其中一套故障时报警,但不影响运行。在起动过程中,普遍采用自动检测方式。

(4)采用快装式组装机组:除中小容量机组采用快装式外,大容量的快装式燃气轮机电站也有了很快发展。70年代初即已出现了单机容量为 5万千瓦以上的组装式机组。这种机组在制造厂组装,以整台或几个大件的形式提供给用户,可以大大缩短机组的安装时间,降低电站造价,并提高机组的运行可靠性。一座5.8万千瓦的燃气轮机电站,其全套设备共分成6大件,即燃气轮机、辅机设备、控制组件、发电机组、起动组件及进排气部分,以组件形式运输到达现场,从而保证了安装迅速和可靠性高的特点。

(5)发展蒸汽-燃气联合循环装置:经多年研究,基本上分为余热锅炉型、一般锅炉型和增压锅炉型3种。增压锅炉型的联合循环装置中,增压燃烧锅炉既生产蒸汽,又产生燃气,它们分别在蒸汽循环和燃气循环中作为工质做功。这种联合循环装置被认为是近代动力装置的重要发展方向之一。蒸汽-燃气联合循环装置的热效率一般可达34~45%左右,是电力工业中很有发展前途的新型动力装置。

目前还有一种自由活塞-燃气轮机联合装置,是把燃气轮机的旋转式机械的优点和往复式内燃机的高效率结合起来。自由活塞燃气轮机已在电力工业中得到广泛应用,例如用作650~6500千瓦的固定电站、650~6000千瓦的船舶电站、 650~1500千瓦的卡车电站和3000~6000千瓦的列车电站。这种机组的热效率可达32~36%;能使用廉价的重柴油、燃料油等多种燃料;制造简便、造价低廉。

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