燃氣輪機性能指標主要影響因素及提高性能途徑研究
摘要: 本文以9E燃機為例，概括介紹了國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的燃氣輪機的主要性能指標，并通過對不同設計和運行條件下技術性能指標的對比，分析對燃氣輪機性能指標產(chǎn)生影響的主要影響因素，從而總結和簡述了提高性能指標的主要途徑。
關鍵詞: 燃氣輪機;性能指標;功率;熱耗率;影響因素;
1. 引言
燃氣輪機是從本世紀50年代開始逐漸登上發(fā)電工業(yè)舞臺的。但是由于當時機組的單機容量較小，而熱效率又比較低，因而在電力系統(tǒng)中只能作為緊急備用電源和調(diào)峰機組使用。
60年代時歐美的大電網(wǎng)曾發(fā)生過電網(wǎng)瞬時解列的大事故，這些事故促使人們加深了對電網(wǎng)中必須配備一定數(shù)量的燃氣輪機發(fā)電機組的認識，因為燃氣輪機具有快速“黑啟動”的特性，它能保證電網(wǎng)運行的安全性和可恢復性。歐美國家的經(jīng)驗表明：從安全和調(diào)峰的目的出發(fā)，在電網(wǎng)中安裝功率份額為8%~12%的燃氣輪機發(fā)電是合適的。
然而，從80年代以后，隨著燃氣輪機透平初溫不斷提高，燃氣輪機的單機功率和熱效率都有很大程度的提高，燃氣輪機的單機功率已經(jīng)超過250MW，熱效率已達36%以上;而聯(lián)合循環(huán)的單機功已達甚至超過350MW，熱效率則已超過55%甚至達到58%。從熱力性能的角度看，它們完全可以承擔基本負荷，而且比超超臨界參數(shù)的燃煤蒸汽輪機電站更具有優(yōu)越。
2. 燃氣輪機的性能指標
評價一臺燃氣輪機設計和性能優(yōu)劣的技術指標有很多，例如機組的效率、尺寸、壽命、污染物排放(NOx, CO等)、動態(tài)和熱力特性、制造和運行費用，以及啟動和攜帶負荷的速度等等，但是從熱力循環(huán)的角度看，燃氣輪機的性能指標包括燃氣輪機熱效率、燃氣輪機的燃機的出力(發(fā)電機輸出功率)、比功率、有用功系數(shù)，以及壓比和溫比等，其中最引起投資方注意的主要指標就是熱效率、出力和比功率。
2.1 熱效率：
即燃氣輪機的凈能量輸出與按燃料的凈比能(低位熱值)計算的燃料輸入之比。
燃氣輪機的熱效率與熱耗率本質上為同一指標，相互之間可以互換換算(即：熱效率與熱耗率的乘積為3600)，效率越高，則熱耗值越低，則說明發(fā)1度電所消耗的熱量越低;因此熱效率是表征燃氣輪機的經(jīng)濟性，也是衡量能量利用率高低的熱力性能指標。
9E級燃氣輪機簡單循環(huán)效率為36%左右;配置余熱鍋爐的聯(lián)合循環(huán)機組效率可達到52%或以上。
2.2 出力：
即指燃氣輪機發(fā)電機輸出功率，等同于通常所說的燃氣輪機毛功率，也就是未扣燃機勵磁系統(tǒng)及燃氣輪機變壓器損耗前的出力。
9E級燃氣輪機簡單循環(huán)出力可達到123MW;1+1+1配置S109E聯(lián)合循環(huán)機組出力可達到185MW左右。
2.3 比功率：
即燃氣輪機凈輸出功率與壓氣機進氣質量流量的比值。比功率越大，發(fā)出相同功率所需工質流量越少，尺寸越小;因此比功率是從熱力性能方面衡量燃氣輪機尺寸大小的一個指標。
3. 影響性能指標的主要因素
通過國內(nèi)已經(jīng)投運的燃氣輪機組的運行和試驗數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)相同或者近似配置的燃氣輪機組在不同廠址的環(huán)境條件、不同類型的燃料等前提條件下，所發(fā)出的功率和機組熱效率均存在一定的差別。
3.1 燃料類型：
由于氫碳含量較高的甲烷可產(chǎn)生較多的水蒸氣，因此天然氣的燃燒產(chǎn)物中有較高的比熱，所以總體來說，燃用天然氣要比燃用輕柴油增加將近2%的功率。
以GE公司9E燃氣輪機為例，在ISO工況下(即：環(huán)境溫度15℃，1個標準大氣壓下，相對濕度60%，海拔0米)，燃用天然氣時的額定功率為123.4MW，而燃用輕柴油時的額定功率僅為121.3MW。
3.2 廠址環(huán)境條件：
由于燃氣輪機吸入周圍環(huán)境的空氣，因此在采用同種燃料的前提下，影響進入空壓機空氣的質量流量的任何因素，例如環(huán)境溫度、大氣壓力和相對濕度等，對燃氣輪機組的功率和熱耗率等性能均會產(chǎn)生一定的影響。
3.2.1 環(huán)境溫度：
較低的環(huán)境溫度下，空氣的比容較小，因此在壓氣機吸入同容積流量空氣的前提下，其質量流量是較大的，這就使得燃氣輪機的功率會有一定程度的提高。也就是說，外界環(huán)境溫度越低，機組的功率越大，環(huán)境溫度越高，機組的功率越小。而且，隨著環(huán)境溫度的降低，燃氣輪機的溫壓比逐漸增大，這對改善燃氣輪機的熱力循環(huán)效率是有利的，因此其熱耗率也會相應的降低。
以GE公司9E型燃氣輪機為例，環(huán)境溫度降低10℃，其機組功率約增大6%左右，熱耗率降低約1%左右。
3.2.2大氣壓力(或海拔高度)：
大氣壓力的變化直接影響空氣的比熱容，進而影響進入壓氣機的空氣質量流量和輸出功率。
當大氣壓力增加時，空氣的比熱容下降，其質量流量增加，從而增加了機組的輸出功率。也就是說，隨著大氣壓力的降低，空氣將變得稀薄，在壓氣機吸入空氣容積流量不變化的前提下，燃氣輪機的進氣質量流量將會相應減少，因而導致燃氣輪機的功率下降。由于燃料量隨著空氣質量流量的變化而調(diào)整，只要燃燒室內(nèi)的溫度保持不變，則燃氣輪機的效率就會基本不變，從而其熱耗率的變化可忽略不計。
以GE公司9E型燃氣輪機為例，大氣壓力降低1KPa，其功率約降低1%左右。
3.2.3 相對濕度：
由于水蒸氣的比重較空氣小，因此濕空氣相對于干空氣亦會對燃氣輪機組的功率和熱耗率產(chǎn)生影響。但是，與環(huán)境溫度及大氣壓力對燃氣輪機功率的影響程度相比，相對濕度的影響最小。
隨著市場對增大燃氣輪機功率的需求，以及排放標準不斷提高，而在燃燒器的首端或者壓氣機的排氣缸注入蒸汽或者水從而加大功率以及控制和消除NOX。因此，對于采用此種方案的燃氣輪機，相對濕度對機組功率的影響較為顯著，但對熱耗率的影響可忽略不計。而對于不采用注蒸汽(或水)運行的燃氣輪機而言，相對濕度的變化對其功率和效率的影響均可忽略不計。
4. 提高性能指標的途徑
一般而言，人們無法對影響燃氣輪機組性能的廠址和布置方案進行控制，因為大多數(shù)項目受前期投資規(guī)劃的限制，然而在需要額外功率的情況下，可通過設計方案的優(yōu)化或系統(tǒng)配置的改進來實現(xiàn)性能的相應提高，例如采用高循環(huán)參數(shù)、采用先進的熱力循環(huán)、以及改善部件結構和性能等。
現(xiàn)代燃氣輪機組，通常通過充分利用余熱能或者再加熱等先進的熱力循環(huán)方式，即用復雜循環(huán)替代簡單循環(huán)，不斷提高燃氣輪機組的性能。采用的方式包括回熱循環(huán)、再熱循環(huán)和中冷循環(huán)等。
4.1 回熱循環(huán)：
即利用透平排出的廢氣對進入燃燒室的高壓空氣進行預熱(溫度可提高200℃左右)，預熱后的高壓空氣再進入燃燒室參加燃燒。在同樣透平進口技術參數(shù)下，可以減少燃料消耗量，增加熱效率約15%-20%左右。
4.2 再熱循環(huán)：
即將透平分為高壓和低壓兩部分，并在高低壓透平之間增設一個再熱燃燒室，對從高壓透平做功后排出的燃氣進行二次供油燃燒加熱，然后再進入低壓透平進行做功。
4.3 中冷循環(huán)：
即將壓氣機分為高壓和低壓兩部分，并在高低壓壓氣機之間增設一個中間冷卻器，利用水或者其他冷卻介質對從低壓壓氣機中排出的空氣進行中間冷卻，然后再進入高壓壓氣機進行壓縮。
4.4 壓氣機入口冷卻：
從前面的介紹可知，在壓氣機入口空氣溫度降低的情況下，可適當提高燃氣輪機組的功率和降低熱耗率，因此可在入口過濾器的下游通道中設置蒸發(fā)冷卻器等冷卻裝置，同時在冷卻裝置的后方安裝氣水分離器或水收集器，以減少濕氣穿越的可能性，否則在水分將加重壓氣機的負荷而影響其性能。
4.5 注入蒸汽或水：
如前述，在空氣進入透平之前，可通過注入蒸汽或者水，以增大質量流量，從而增加燃氣輪機組的功率。注入的蒸汽必須有一定的過熱度(一般考慮13℃)，并且其壓力是同燃料氣的壓力相匹配的。GE公司燃氣輪機的設計，一般考慮向燃燒器及壓氣機排氣口注入的蒸汽量可達到壓氣機空氣流量的5%左右。
5. 結束語
在“西部大開發(fā)”國家戰(zhàn)略的指引下，西氣東輸工程全面啟動，被譽為“綠色電力”的燃氣輪機組日益引起重視，特別是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)漸成熟，再加上世界范圍內(nèi)天然氣的資源的進一步開發(fā)，以及世界范圍內(nèi)水資料的緊缺，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)在世界電力系統(tǒng)中的地位就發(fā)生了明顯的變化，它們不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負荷機組，而且還能攜帶基本負荷和中間負荷，燃氣輪機發(fā)電行業(yè)必定會在電力系統(tǒng)取得良好的經(jīng)濟效益和長足的發(fā)展。
參 考 文 獻
[1] 《燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備及運行》，楊順虎編著，北京：中國電力出版社2003.
[2]《現(xiàn)代燃氣輪機技術》，李孝堂編著，航空工業(yè)出版社2006.
[3]《燃氣輪機發(fā)電技術》，中國電機工程學會主管，燃氣輪機發(fā)電專業(yè)委員會主辦;孫永平編寫，9E燃氣輪機在高原和平原運行性能差異的試驗比較，2010年10月。
