摘要: 本文以9E燃機(jī)為例，概括介紹了國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)的主要性能指標(biāo)，并通過對(duì)不同設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件下技術(shù)性能指標(biāo)的對(duì)比，分析對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能指標(biāo)產(chǎn)生影響的主要影響因素，從而總結(jié)和簡述了提高性能指標(biāo)的主要途徑。

關(guān)鍵詞: 燃?xì)廨啓C(jī);性能指標(biāo);功率;熱耗率;影響因素;

1. 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是從本世紀(jì)50年代開始逐漸登上發(fā)電工業(yè)舞臺(tái)的。但是由于當(dāng)時(shí)機(jī)組的單機(jī)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(jī)組使用。

60年代時(shí)歐美的大電網(wǎng)曾發(fā)生過電網(wǎng)瞬時(shí)解列的大事故，這些事故促使人們加深了對(duì)電網(wǎng)中必須配備一定數(shù)量的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的認(rèn)識(shí)，因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)具有快速“黑啟動(dòng)”的特性，它能保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可恢復(fù)性。歐美國家的經(jīng)驗(yàn)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電是合適的。

然而，從80年代以后，隨著燃?xì)廨啓C(jī)透平初溫不斷提高，燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率和熱效率都有很大程度的提高，燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率已經(jīng)超過250MW，熱效率已達(dá)36%以上;而聯(lián)合循環(huán)的單機(jī)功已達(dá)甚至超過350MW，熱效率則已超過55%甚至達(dá)到58%。從熱力性能的角度看，它們完全可以承擔(dān)基本負(fù)荷，而且比超超臨界參數(shù)的燃煤蒸汽輪機(jī)電站更具有優(yōu)越。

2. 燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)

評(píng)價(jià)一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)有很多，例如機(jī)組的效率、尺寸、壽命、污染物排放(NOx, CO等)、動(dòng)態(tài)和熱力特性、制造和運(yùn)行費(fèi)用，以及啟動(dòng)和攜帶負(fù)荷的速度等等，但是從熱力循環(huán)的角度看，燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)包括燃?xì)廨啓C(jī)熱效率、燃?xì)廨啓C(jī)的燃機(jī)的出力(發(fā)電機(jī)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(biāo)就是熱效率、出力和比功率。

2.1 熱效率：

即燃?xì)廨啓C(jī)的凈能量輸出與按燃料的凈比能(低位熱值)計(jì)算的燃料輸入之比。

燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率與熱耗率本質(zhì)上為同一指標(biāo)，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?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性，也是衡量能量利用率高低的熱力性能指標(biāo)。

9E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)組效率可達(dá)到52%或以上。

2.2 出力：

即指燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)輸出功率，等同于通常所說的燃?xì)廨啓C(jī)毛功率，也就是未扣燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)變壓器損耗前的出力。

9E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)出力可達(dá)到123MW;1+1+1配置S109E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力可達(dá)到185MW左右。

2.3 比功率：

即燃?xì)廨啓C(jī)凈輸出功率與壓氣機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量的比值。比功率越大，發(fā)出相同功率所需工質(zhì)流量越少，尺寸越小;因此比功率是從熱力性能方面衡量燃?xì)廨啓C(jī)尺寸大小的一個(gè)指標(biāo)。

3. 影響性能指標(biāo)的主要因素

通過國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的燃?xì)廨啓C(jī)組的運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)相同或者近似配置的燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)為例，在ISO工況下(即：環(huán)境溫度15℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，相對(duì)濕度60%，海拔0米)，燃用天然氣時(shí)的額定功率為123.4MW，而燃用輕柴油時(shí)的額定功率僅為121.3MW。

3.2 廠址環(huán)境條件：

由于燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)入空壓機(jī)空氣的質(zhì)量流量的任何因素，例如環(huán)境溫度、大氣壓力和相對(duì)濕度等，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組的功率和熱耗率等性能均會(huì)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(jī)吸入同容積流量空氣的前提下，其質(zhì)量流量是較大的，這就使得燃?xì)廨啓C(jī)的功率會(huì)有一定程度的提高。也就是說，外界環(huán)境溫度越低，機(jī)組的功率越大，環(huán)境溫度越高，機(jī)組的功率越小。而且，隨著環(huán)境溫度的降低，燃?xì)廨啓C(jī)的溫壓比逐漸增大，這對(duì)改善燃?xì)廨啓C(jī)的熱力循環(huán)效率是有利的，因此其熱耗率也會(huì)相應(yīng)的降低。

以GE公司9E型燃?xì)廨啓C(jī)為例，環(huán)境溫度降低10℃，其機(jī)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(jìn)而影響進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量和輸出功率。

當(dāng)大氣壓力增加時(shí)，空氣的比熱容下降，其質(zhì)量流量增加，從而增加了機(jī)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(jī)吸入空氣容積流量不變化的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量將會(huì)相應(yīng)減少，因而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的功率下降。由于燃料量隨著空氣質(zhì)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?xì)廨啓C(jī)的效率就會(huì)基本不變，從而其熱耗率的變化可忽略不計(jì)。

以GE公司9E型燃?xì)廨啓C(jī)為例，大氣壓力降低1KPa，其功率約降低1%左右。

3.2.3 相對(duì)濕度：

由于水蒸氣的比重較空氣小，因此濕空氣相對(duì)于干空氣亦會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)燃?xì)廨啓C(jī)功率的影響程度相比，相對(duì)濕度的影響最小。

隨著市場對(duì)增大燃?xì)廨啓C(jī)功率的需求，以及排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，而在燃燒器的首端或者壓氣機(jī)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(duì)于采用此種方案的燃?xì)廨啓C(jī)，相對(duì)濕度對(duì)機(jī)組功率的影響較為顯著，但對(duì)熱耗率的影響可忽略不計(jì)。而對(duì)于不采用注蒸汽(或水)運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)而言，相對(duì)濕度的變化對(duì)其功率和效率的影響均可忽略不計(jì)。

4. 提高性能指標(biāo)的途徑

一般而言，人們無法對(duì)影響燃?xì)廨啓C(jī)組性能的廠址和布置方案進(jìn)行控制，因?yàn)榇蠖鄶?shù)項(xiàng)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(shè)計(jì)方案的優(yōu)化或系統(tǒng)配置的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)性能的相應(yīng)提高，例如采用高循環(huán)參數(shù)、采用先進(jìn)的熱力循環(huán)、以及改善部件結(jié)構(gòu)和性能等。

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)組，通常通過充分利用余熱能或者再加熱等先進(jìn)的熱力循環(huán)方式，即用復(fù)雜循環(huán)替代簡單循環(huán)，不斷提高燃?xì)廨啓C(jī)組的性能。采用的方式包括回?zé)嵫�環(huán)、再熱循環(huán)和中冷循環(huán)等。

4.1 回?zé)嵫�環(huán)：

即利用透平排出的廢氣對(duì)進(jìn)入燃燒室的高壓空氣進(jìn)行預(yù)熱(溫度可提高200℃左右)，預(yù)熱后的高壓空氣再進(jìn)入燃燒室參加燃燒。在同樣透平進(jìn)口技術(shù)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(shè)一個(gè)再熱燃燒室，對(duì)從高壓透平做功后排出的燃?xì)膺M(jìn)行二次供油燃燒加熱，然后再進(jìn)入低壓透平進(jìn)行做功。

4.3 中冷循環(huán)：

即將壓氣機(jī)分為高壓和低壓兩部分，并在高低壓壓氣機(jī)之間增設(shè)一個(gè)中間冷卻器，利用水或者其他冷卻介質(zhì)對(duì)從低壓壓氣機(jī)中排出的空氣進(jìn)行中間冷卻，然后再進(jìn)入高壓壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮。

4.4 壓氣機(jī)入口冷卻：

從前面的介紹可知，在壓氣機(jī)入口空氣溫度降低的情況下，可適當(dāng)提高燃?xì)廨啓C(jī)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(shè)置蒸發(fā)冷卻器等冷卻裝置，同時(shí)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(jī)的負(fù)荷而影響其性能。

4.5 注入蒸汽或水：

如前述，在空氣進(jìn)入透平之前，可通過注入蒸汽或者水，以增大質(zhì)量流量，從而增加燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)，一般考慮向燃燒器及壓氣機(jī)排氣口注入的蒸汽量可達(dá)到壓氣機(jī)空氣流量的5%左右。

5. 結(jié)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(dòng)，被譽(yù)為“綠色電力”的燃?xì)廨啓C(jī)組日益引起重視，特別是燃?xì)?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(jìn)一步開發(fā)，以及世界范圍內(nèi)水資料的緊缺，燃?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷機(jī)組，而且還能攜帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電行業(yè)必定會(huì)在電力系統(tǒng)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和長足的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 《燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運(yùn)行》，楊順虎編著，北京：中國電力出版社2003.

[2]《現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)》，李孝堂編著，航空工業(yè)出版社2006.

[3]《燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)》，中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)主管，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電專業(yè)委員會(huì)主辦;孫永平編寫，9E燃?xì)廨啓C(jī)在高原和平原運(yùn)行性能差異的試驗(yàn)比較，2010年10月。

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