伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

燃氣輪機是由高速旋轉(zhuǎn)葉輪構(gòu)成的，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成機械功對外輸出的回轉(zhuǎn)式動力機械?，F(xiàn)代的燃氣輪機由壓氣機燃燒室和渦輪組成，壓氣機和渦輪均為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機械，是氣流能量與機械功之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件[1-3]。

1 燃氣輪機與汽輪機的對比

1.1 工作特點

汽輪機是與鍋爐等設(shè)備組成的蒸汽動力裝置，不僅鍋爐體積龐大，且裝置所需輔機和設(shè)備較多，系統(tǒng)復雜，故整個裝置占地面積大，所需廠房空間大。由于要用大量冷卻水，鍋爐排污和蒸汽漏損等需不斷補充水，因而耗水量大。燃氣輪機體積小，尺寸緊湊，故占地面積小，廠房小，且大量機組為露天布置而不需廠房。亦正因為這一原因，以及燃氣輪機為快裝機組，使得燃氣輪機電站的建設(shè)周期較短，一般在1年以內(nèi)，而汽輪機電站建設(shè)往往需3年左右。目前，國外燃氣輪機電站的造價顯著低于同功率汽輪機電站的造價。

鍋爐中可方便地燃煤，這是汽輪機電站的優(yōu)點。而燃氣輪機中尚難以直接燃煤，燃煤的煤氣化聯(lián)合循環(huán)雖然技術(shù)已趨成熟，但由于造價還較貴等原因使推廣應用尚需時日。

燃氣輪機的工質(zhì)是空氣，不是水蒸汽而不需冷卻凝結(jié)，工作時僅潤滑油需少量水冷卻，當改用空氣冷卻后就無需用冷卻水了，故燃氣輪機用水少或可不用水。當燃氣輪機與汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)后則需耗水[5]，但由于汽輪機功率僅為總功率的1/3左右，故耗水僅為同功率蒸汽電站的1/3左右。

1.2 功率與效率

汽輪機單機功率最大已逾1800 MW，而燃氣輪機單機功率最大已逾400 MW[6]，兩者相差較多。近年來成功投運的超臨界蒸汽參數(shù)的蒸汽電站，供電效率達40%～42%，與燃氣輪機電站達到的最高效率相當。但在部分負荷下，燃氣輪機效率一般比汽輪機裝置效率下降得多一些。

1.3 結(jié)構(gòu)

從工作原理來看，汽輪機與燃氣輪機中的渦輪相同，都是將工質(zhì)中具有的能量轉(zhuǎn)換成機械功的部件。但因工作參數(shù)、工質(zhì)和調(diào)節(jié)等的不同，具體的結(jié)構(gòu)有較大的差異。汽輪機的蒸汽初參數(shù)，亞臨界為16 MPa、550℃，超臨界為25 MPa、560℃，而燃氣輪機工作壓力最高的僅3.5 MPa?？梢娖啓C的工作壓力高，而燃氣輪機的工作溫度高[7]。其次是汽輪機的排汽背壓很低，接近真空狀態(tài)，而燃氣輪機的最低工作壓力即大氣壓力，可見汽輪機中工質(zhì)的壓力降落很大，遠遠高于燃氣輪機，即汽輪機中的焓降很大使工作級數(shù)很多。大功率汽輪機均用再熱，一般分為高壓缸、中壓缸和低壓缸三個部分[8]。汽輪機中還由于壓力降落很大，前后的蒸汽容積流量相差很大，受末級葉片高度的限制，低壓缸在容積流量較大時要采用左右分流的雙流型。大功率汽輪機中，隨著功率的增大，低壓缸要用兩個或三個雙流低壓缸并聯(lián)工作，乃至中壓缸也采取雙流結(jié)構(gòu)?？梢姶蠊β势啓C的軸向尺寸是很大的。

汽輪機一般采用水平中分結(jié)構(gòu)，用滑動軸承支承轉(zhuǎn)子。大功率汽輪機由于蒸汽初壓高，高壓缸采用雙層汽缸，減少外缸承受的壓力和溫度，減少外缸的厚度[9-10]，而內(nèi)缸工作溫度高但內(nèi)外壓差小，汽缸壁厚較薄，這樣在啟動時可減少內(nèi)外缸的熱應力，有利于啟動。另有將高壓缸外缸設(shè)計成無水平中分面的圓筒形結(jié)構(gòu)的，內(nèi)缸仍有中分面，但垂直于地面[11]，這樣外缸無尺寸很大的水平中分法蘭，是一整體圓筒，利于承受高的壓力和均勻的熱膨脹以減少熱應力。但這樣的結(jié)構(gòu)需用軸向裝配，拆裝較麻煩。

汽輪機轉(zhuǎn)子有輪盤套裝在軸上的套裝式、整鍛式和焊接式三種結(jié)構(gòu)，套裝式主要用于中低壓汽輪機中。

除部分中小功率汽輪機有采用彈性板支承結(jié)構(gòu)外，均采用類似支座支承的結(jié)構(gòu)。通常，汽輪機在制造廠裝配試車后，分解為上半靜子、下半靜子和轉(zhuǎn)子分別裝箱運輸，運至現(xiàn)場后再將其裝配起來，現(xiàn)場的安裝工作量大、周期長。后來有的制造廠按照燃氣輪機整體運輸安裝的經(jīng)驗將汽輪機設(shè)計成快裝式，在制造廠內(nèi)裝配調(diào)試好后整體運輸和安裝，進而將大功率汽輪機的高壓缸和高壓中壓缸（兩者合缸）設(shè)計成快裝式，整體運輸和安裝，這樣不僅安裝周期縮短，且能節(jié)省15%～20%的安裝費用。此外，汽輪機的輸出功率是通過調(diào)節(jié)進汽量來改變的，故在進汽處有調(diào)節(jié)閥[12]。燃氣輪機的輸出功率是通過調(diào)節(jié)供給的燃料量來改變，在壓氣機與渦輪的氣流道中無閥門，工質(zhì)參數(shù)變化取決于機組的平衡運行規(guī)律。

教學資源是教學內(nèi)容的主要載體。根據(jù)巴班斯基教學過程最優(yōu)化理論，最優(yōu)化的教學內(nèi)容應符合“實踐價值”符合“學生年齡可能性”符合“規(guī)定學習該材料的時數(shù)”等。[11]因此，視聽說教學資源應適量、應適切和重實踐。首先，所選資源的“視聽”與“說”比例恰當，避免“只聽不說”“只說不聽”；其次，所選資源的主題應有關(guān)聯(lián)性，即，聽說資源互為補充；再次，所選資源應貼近時代,學生能學以致用。

1.4 運行

汽輪機中的蒸汽由鍋爐供給，故啟動時將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽導入汽輪機后即能旋轉(zhuǎn)加速，不像燃氣輪機那樣需專門的啟動裝置。但是，由于汽輪機的工質(zhì)為水蒸汽，輸送蒸汽的管道較長，輔助設(shè)備較多，汽輪機的零部件如汽缸等設(shè)計得較為厚重，使汽輪機的啟動操作較為復雜，需時長。例如，汽輪機沖轉(zhuǎn)（開始旋轉(zhuǎn)）前要對蒸汽管道進行暖管，減少管道的熱應力和防止管溫低使蒸汽在其中凝結(jié)成水流入汽輪機中形成水沖擊，其次是要開啟抽氣器使凝汽器中建立一定的真空，這些都需要時間。而當汽輪機沖轉(zhuǎn)后的暖機時間也很長。因此，汽輪機的啟動時間通常會以數(shù)小時來計算。例如，冷態(tài)啟動至額定轉(zhuǎn)速的時間，100 MW高壓汽輪機需要時長約3 h，300 MW亞臨界再熱汽輪機需要10 h以上。從并網(wǎng)發(fā)電升負荷至額定功率的時間也很長，上述100 MW的需要4 h，300 MW的需要30 h以上。再考慮到鍋爐點火啟動的時間，整個蒸汽動力裝置的啟動時間是相當長的。而燃氣輪機啟動需時僅數(shù)分鐘至0.5 h，并網(wǎng)發(fā)電至滿負荷的時間也較短，可見燃氣輪機啟動快的優(yōu)點突出。

鑒于燃氣輪機能快速啟動和快速適應負荷需求的變化，燃氣輪機很適于帶尖峰負荷作調(diào)峰運行，以及作備用機組。燃氣輪機還由于效率高而適于帶基本負荷，聯(lián)合循環(huán)則更是如此。因此，燃氣輪機適用于各種不同的負荷需求，而汽輪機適于帶基本負荷。

2 燃氣輪機的發(fā)展與應用

燃氣輪機除大量用于電站發(fā)電外，還在多種領(lǐng)域獲得廣泛應用。首先在航空領(lǐng)域的應用占有絕對優(yōu)勢。實用的航空發(fā)動機計有渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機等四種，前兩者為噴氣推進[13]，后兩者輸出軸功率。前三種用于一般飛機，其中渦輪風扇發(fā)動機的推進效率高，耗油率低，得到很廣泛的應用。渦輪軸發(fā)動機用于直升機。

20世紀60年代末，輕型燃氣輪機被確認為軍艦用的最佳推進動力，此后在排水量為數(shù)千t的驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦中被廣泛應用，在氣墊船中也大量應用。近年來，以輕型燃氣輪機驅(qū)動水泵噴水推進、航速達到40～60 kn（1 kn=1.85 km/h）的高速渡船應用發(fā)展很快，原因是輕型燃氣輪機的體積和重量僅分別為高速柴油機的1/7和1/18左右，有效地節(jié)約了空間和重量，以多載客貨，且航速快增加了往返次數(shù)，提高了營運效益。

在車輛中，燃氣輪機也有較大的發(fā)展前途，已用于某些主戰(zhàn)坦克中，如M1和T-80坦克。民用車輛更著重于經(jīng)濟性，要求低的平均耗油率，故燃氣輪機的應用還處于試驗階段。

天然氣管道輸送的增壓站中，用燃氣輪機驅(qū)動的增壓機組，在20世紀60年代就被確認為最佳的動力，如今的應用已占絕對優(yōu)勢[14-15]。在大容量的原油管道輸送中情況也類似。

在石油和化工等工業(yè)部門中，大量應用燃氣輪機來驅(qū)動各種泵、壓縮機和發(fā)電機等。為提高能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能[16]，還大量以熱電聯(lián)供方式被應用，即在輸出功率的同時，用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽供應生產(chǎn)的需要，進而還可實現(xiàn)熱電冷三聯(lián)供以更有效地利用能源。因此，燃氣輪機的適用面很廣，已成為熱機中的一支勁旅。

3 燃氣輪機未來發(fā)展趨勢研究

自1939年燃氣輪機實際使用以來，簡單循環(huán)機組效率得以顯著提升，其進展巨大，這與燃氣初溫的提高至當今水平密不可分。例如，在20世紀60年代渦輪應用冷卻葉片后，燃氣初溫提高出現(xiàn)跳躍，之后提高速度加快，相應地機組效率的提高速度也明顯加快。

近年來，燃氣初溫超過1500℃的航空發(fā)動機已投運，燃氣初溫達到1700℃的渦輪研制工作已展開。因此，簡單循環(huán)機組效率達到并超過45%已指日可待。機組效率的提高還與過去年代中壓氣機和渦輪的效率的提高有關(guān)。例如，目前已對燃氣輪機的渦輪部分進行了改進，提高了渦輪效率，在略為提高空氣流量和燃氣初溫的情況下，機組功率從41.0 MW提高到44.6 MW，效率從40.0%提高到42.6%。顯然，隨著技術(shù)的進展，今后壓氣機和渦輪效率將繼續(xù)提高。就目前壓氣機、渦輪和機組效率所處的水平，壓氣機效率或渦輪效率若提高1%，則機組效率相應能提高0.6%或1.0%，影響較大。

此外，從聯(lián)合循環(huán)方面來看，部分效率達60%的聯(lián)合循環(huán)機組已投入運營，這標志著熱機的熱能利用水平提高到一個新的高度。顯然，隨著燃氣輪機技術(shù)的進展，在這之后聯(lián)合循環(huán)的效率將進一步提高。另外，燃煤的聯(lián)合循環(huán)，主要是其中的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC），它不僅效率高，且污染排放很低，這正是人們追求的目標。

現(xiàn)已有多座IGCC電站投入商業(yè)示范運行，標志著IGCC技術(shù)已趨于成熟。目前主要的問題是IGCC電站造價比燃煤的蒸汽電站高不少。但根據(jù)發(fā)展預測，再過數(shù)年以后，IGCC電站的造價將與燃煤蒸汽電站相當，而效率將明顯高于燃煤蒸汽電站，從而可建立大量燃煤的聯(lián)合循環(huán)電站，擴大燃氣輪機所燃用的燃料范圍。

燃氣輪機和聯(lián)合循環(huán)性能不僅已達到相當高的水平，且還處于較快的提高時期，其優(yōu)點將越來越顯著。因此，燃氣輪機的現(xiàn)狀可說是風頭正勁，它在電力工業(yè)中的應用必將越來越廣泛，前景十分廣闊。

以上可看出，我國已具備了研制和生產(chǎn)燃氣輪機的能力。當前國民經(jīng)濟高速發(fā)展，各方面對燃氣輪機的需求十分迫切，應充分利用上述各種條件，重點發(fā)展我國的燃氣輪機制造業(yè)，縮小與國外先進水平的差距，使之能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要[17]。

4 燃氣輪機未來發(fā)展途徑研究

鑒于我國燃氣輪機制造業(yè)與國外先進水平差距較大，為了少走彎路，盡快縮小差距，應注意引進國外先進技術(shù)，生產(chǎn)我國迫切需要的功率等級及所需用途的燃氣輪機，以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。這方面的途徑可有：

1）引進我國所需燃氣輪機的技術(shù)資料，自行加工生產(chǎn)；

2）與國外公司合作生產(chǎn)燃氣輪機；

3）開辦合資企業(yè)，生產(chǎn)合資外方的燃氣輪機產(chǎn)品；

4）與國外企業(yè)協(xié)作，共同研制新型號的燃氣輪機。

另一方面，必須同時開展自行研制新型號燃氣輪機的工作，建立起自主開發(fā)燃氣輪機新產(chǎn)品的能力，并最終形成國產(chǎn)燃氣輪機系列產(chǎn)品。這方面要集中國內(nèi)有關(guān)各方的優(yōu)勢力量（包括設(shè)計力量、試驗研究力量和加工力量等），協(xié)作攻關(guān)，并堅持不懈地努力下去。在發(fā)展過程中，應不斷增強開發(fā)燃氣輪機所需的試驗研究能力，發(fā)展新材料和新工藝等各種新技術(shù)，加強對引進的國外先進技術(shù)的消化和吸收工作，使之為業(yè)界所用。

5 結(jié)論與展望

在發(fā)展燃氣輪機的工作中，不論是引進技術(shù)還是自行研制，都應堅持高起點，使生產(chǎn)的燃氣輪機性能先進，即達到高效率、長壽命和較高的可靠性等。自行研制的需考慮具體的情況，不能盲目追求高指標，當前首先應是在可能的條件下提高要求，今后再繼續(xù)改進提高。其次要選擇合適的功率檔次以適應國情。第三是重型燃氣輪機與航機改型燃氣輪機同時發(fā)展。未來，燃氣輪機將在國民工業(yè)建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展進程中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。