燃氣輪機發電機組

用燃氣輪機聯軸驅動發電機的成套設備。

輕型燃氣輪機發電機組主要用於油田、發電廠、電信大樓、高層建築、酒店、生活小區、商場、醫院、軍隊、會議中心、偏遠地區、海島等重要場所必需的備用電源及作為緊急事件、野外作業等必需的移動電源。也可作為船舶動力、電力調峰。另外，燃氣輪機發電機組也可與餘熱鍋爐等輔助設備組成聯合循環機組，用於熱、電、冷聯供。

基本介紹

• 中文名：燃氣輪機發電機組
• 外文名：gasturbinegeneratorset
• 實質：燃氣輪機聯軸驅動發電機成套設備
• 驅動：燃氣輪機聯軸

中文名稱：燃氣輪機發電機組；英文名稱：gasturbinegeneratorset；

一、燃氣輪機的工作原理

以QD10B車載機組的發動機為例加以說明。

發動機將周圍空氣（G）及燃料（Q）中的能量轉化為機械能提供給輸出軸。

功率（W）通過壓縮、燃燒、膨脹和排氣四個階段的熱循環產生。

燃氣輪機工作過程如下：

外界大氣經過進氣道進入發動機，在軸流式壓氣機內進行第一次壓縮。轉子對空氣做功，動能在葉柵通道內轉變成內能，氣流壓力和溫度上升，軸向速度下降。經過第一次壓縮後的空氣進入離心式壓氣機。

空氣在離心式壓氣機內被第二次壓縮。轉子對空氣做功，氣流高速離開轉子葉片葉尖，流過放射狀葉片和擴壓器，在擴壓器內動能被轉化為壓力能。經過兩次壓縮後的高壓空氣進入燃燒室。

高壓氣流進入環形燃燒室後被分成兩股：第一股氣流（流經前後渦流片）與經噴油系統霧化的燃油混合，燃油在合適的油氣混合比條件下充分燃燒，使燃燒區內保持不間斷的火焰和很高的溫度；第二股氣流（流經摻混器）與第一股燃氣流相混合對其進行稀釋並使其降溫。從燃燒室出來的燃氣在燃氣發生器渦輪內發生第一次膨脹，燃氣在渦輪導向葉片通道內被加速，並被引向渦輪葉片，作用在渦輪葉片上的氣流所產生的氣動力引起渦輪旋轉，從而提供驅動壓氣機所必需的能量。燃氣在動力渦輪內發生第二次膨脹，由動力渦輪將剩餘能量轉換成由輸出軸輸出的機械能。最後燃氣經排氣管排出。

二、燃氣輪機發電機組的優點

以QD16型燃氣輪機發電機組為例加以說明。

1．發電品質好

燃氣輪機發電機組工作時只有旋轉運動，電調反應速度快，工作平穩，使發電機組輸出電壓和頻率穩定、輸出精度高、波形失真小。

2．抗過載能力強

燃氣輪機是高速旋轉運動，所以可依其慣性來應付過載。

3．自動化程度高

燃氣輪機發電機組的電調系統對機組的待起動狀態、起動、帶載運行及停機的全部過程實行自動調節和監控，機組的所有運行參數均由計算機控制。

4．起動可靠

燃氣輪機是對已霧化的燃料點火，所以點火可靠，具有良好的低溫起動性能，即使在寒冷的氣象條件下，起動的成功率也在99.5%以上。

5．載入時間快

燃氣輪機發電機組的起動時間儘管比柴油機長，但起動後可以立即載入100%的額定負荷，這樣可以消除暖機的時間，以便及時供電。

6．噪聲低

由於燃氣輪機工作時只有高速旋轉，所產生的噪聲為高頻噪聲，易於減弱，因此吸聲箱體的結構簡單。

7．震動小

由於燃氣輪機工作時只有高速旋轉，故產生的震動很小，其靜態震動為柴油機的1/4，動態重量約為柴油機的1/2。

8．體積小、重量輕

燃氣輪機的零件只有柴油機的十分之一，因此燃氣輪機發電機組比柴油機發電機組的體積小、重量輕。如WJ5AIG2A發動機重量只有600kg，故可以安裝於屋頂和做成移動式發電機組，固定式發電機組的廠房可以減少50%的面積。

9．無需冷卻水

燃氣輪機發電機組採用風冷散熱器，無冷卻水系統，可以免除水系統的故障（泄漏、冷卻、沸騰、污水），使系統更加可靠，可在低溫下正常工作。

10．操作簡單，維護方便

燃氣輪機發電機組採用電調自動控制，裝有自動報警和自動保護系統，可確保發電機組的安全運行，操作簡單、維護方便。

11．燃料多樣化

燃氣輪機發電機組可使用多種燃料，如柴油、煤油、天然氣、煤氣都可使用，用戶可任選燃料。

12．尾氣排放

燃氣輪機因為燃燒效率高，所以一般不會產生黑煙。而柴油機在啟動時，由於燃燒不充分，會產生柴油特有的黑煙。

13．機動、靈活

由於燃氣輪機特有的工作原理，故可做成移動式發電機組，根據需要可隨意到達任何區域進行供電。如QD10B型移動式發電機組，就具有很強的機動性。

14．輸出額定功率大小可改變

QD30C雙燃機並車發電機組可根據實際需要，分別單機或雙機運行輸出1600kW或3200kW的額定功率，一機多用。

三、燃氣輪機發電機組的缺點

（1）燃氣輪機的燃油消耗量大，在經常使用情況下，運轉費用很高。

（2）由於燃氣輪機採用耐高溫高壓不鏽鋼材料製成，機器成本高，價格昂貴。

（3）燃氣輪機運轉時需要大量的空氣，在廠房內安裝時必須認真考慮進、排氣的措施。

（4）大氣溫度的變化對燃氣輪機輸出功率的影響較大，低溫時燃氣輪機輸出功率大，當進氣溫度高時則輸出功率低。

四、燃氣輪機發電機組的組成

燃氣輪機發電機組由燃氣輪機、發電機、彈性軸、控制保護系統、電氣系統、燃油系統、潤滑油系統、底盤、隔聲箱體、進氣系統、燃機排氣引射段、機艙通風系統組成。

機組底座是整體式底盤，燃機安裝在機組底座的燃機支撐裝置上，發電機安裝在機組底座的發電機安裝座上，燃機輸出軸通過聯軸器與裝在發電機輸出軸上的轉接軸相連線。控制保護系統、電氣系統、燃油系統、滑油系統等部分的核心部件如電氣和燃油調節系統、起動箱、交直流櫃等也裝在機組底座上，集中設定在機組的一側。在機組底座上安裝了一個隔聲箱體，與底盤等一同構成了發電機組的核心部分——主機艙。位於隔聲箱體發電機端的一側安裝有機艙進風消聲器，在隔聲箱體位於燃氣輪機端頂部安裝有機艙排風消聲器。在該消聲器後部安裝了滑油系統的風冷散熱器。在隔聲箱體的頂部安裝了機組進氣系統，進氣消聲器和帶隔聲措施的彎頭安裝在主機艙的頂部。進氣系統的轉接段、軟連線、進氣蝸殼位於隔聲箱體內，進氣蝸殼與燃氣輪機的進氣道相連通。在燃氣輪機的排氣端和隔聲箱體靠燃氣輪機端的機艙壁之間設有燃機排氣引射段。

燃機發電機組的動力裝置採用燃氣輪機。機組的發電機選用三相交流同步發電機。在燃機輸出軸與發電機輸入軸之間採用圓柱銷式彈性聯軸器連線，在符合跳動不大於0.15mm對中要求條件下，該彈性聯軸器能保證正常工作。

燃機發電機組的控制保護系統主要由數字式電子控制器、輔助控制箱、主控制櫃、筆記本電腦、信號採集元件和各執行元件等組成。其控制功能較為完善，具有較高的可靠性，並具有抗電磁干擾和抗振能力。主控制器對機組的起動、帶載運行及停機的各個狀態實行自動控制，並具有停機期間對主要設備的定期巡檢功能。對機組的主要運行參數設有報警和緊急停機兩級保護，並通過顯示器顯示出所有報警和緊急停機的具體原因。當規定的運行參數達到第一級設定值時，控制保護系統發出聲光報警信號；當運行參數達到對機組安全性受到威脅的第二級設定值時，實行保護性緊急停機，並向中心控制室發出停機信號。同時，控制保護系統按每秒記錄一次自動記錄停機前最後3min內的運行參數。

電氣系統主要由交直流櫃、起動箱、聯絡電纜及主機艙外的組合電源櫃等組成，其中包括蓄電池組、充電器、轉換開關等。主要完成機組發出的交流電的外供和機組自用電的輸入、輸出以及機組交流用電器的控制功能。

機組的燃油系統主要由日用燃油箱、燃油粗細過濾器、防火閥、電液調節系統、截止閥、余油箱及連線管路等組成，完成機組工作所需燃油的輸運、過濾和流量調節等功能。

滑油系統主要由滑油箱、過濾器、管路和風冷散熱器等組成，完成燃機所需潤滑油的儲存、供給、過濾和散熱等功能。

機組底座採用整體式底盤，主要由槽鋼、工字鋼和鋼板等焊接而成，底盤上設有燃機支撐裝置和發電機安裝座；燃、滑油系統的管路、電氣導線以及其他輔助設備的安裝固定裝置。

發電機的冷卻進風從主機艙內直接吸入，排風口位於發電機的兩側，散熱後的熱空氣經導風罩引向主機艙燃機端上部，與燃氣輪機及其他輔助設備的散熱空氣一道由軸流風機排出主機艙外。主機艙排風消聲器出口與二次消聲管道連線，並將散熱後的熱空氣排至廠房外。

燃機進氣系統主要由進氣消聲器、彎頭、轉接段、軟連線和進氣蝸殼等組成。燃機的進氣直接從廠房內吸入，空氣中的含塵較少。在燃機進氣口部位設定了由進氣內、外導流罩和殼體組成的進氣蝸殼，以使燃機進氣流暢均勻並減少進氣流阻損失。蝸殼與燃機和蝸殼與固定在隔聲箱體上部的轉接段之間的連線均採用“軟連線”方式。蝸殼殼體採用了分瓣形式，以滿足拆卸燃機的安裝要求。

五、燃氣輪機發電機組與柴油機發電機組的綜合比較

燃氣輪機發電機組與柴油機發電機組的綜合比較見表1。

表1 燃氣輪機發電機組與柴油發電機組的綜合比較

比較項目		燃氣輪機發電機組	柴油機發電機組	結論
發電特徵	轉速波動率	瞬時、恆定變化率小，調整時間短	變化率大，調整時間長	使用燃氣輪機可獲得優質、穩定的電力
	瞬時電壓變化率	瞬時電壓變化率小，裝有瞬態電抗小的發電機	瞬時電壓變化率大
	過載容量	由於高速轉動，所以可依其慣性來應付過載	活塞往復運動，吸收過載慣性小	燃氣輪機應對瞬時過載能力強
原動機特徵	動力傳輸	輸出旋轉扭距	需將往復運動改變成旋轉運動	燃機體積小、重量輕
	輸出	體積小、輸出功率大	相同功率需要大型化
	燃燒方式	連續	斷續
	所用燃料	煤油、輕油、柴油及多種氣體燃料	輕油、A重油	燃機可用多種燃料
起動特徵	起動時間	從起動到電壓建立40～70s以內，電壓建立後可立即100%一步載入運行	從起動到電壓建立40s以內，電壓建立後不可以100%一步載入運行	燃機能更快的進入工作狀態
溫度特徵	冷卻水需求	採用空冷方式，不需冷卻水，即使在高寒地區使用也無需採取防凍措施	由於使用冷卻水，所以當溫度在冰點以下時，需採取防凍措施	在氣溫低的寒冷區域，燃機更有利
	低溫採取的措施	由於可使用煤油，所以在−15℃以上時，無需採取加溫措施	在5℃以下時需將燃料加溫、加熱
氣壓特徵		隨著海拔升高（大氣壓降低），功率輸出要降低，但降低率比柴油機發電設備小		燃機更適合在低溫下工作
噪聲		在隔聲箱體外lm處噪聲低於85dBA	噪聲高於110dBA，並需藉助廠房來降噪	燃機能更好的控制噪聲指標
基礎工程		因為震動小（動負荷110%），故基礎不需要與廠房分離，可設在樑上、石板上，不需要用防震橡膠	因為震動大（動負荷150%），所以需要用防震橡膠墊	燃機在震動方面處於有利地位
整機價格	主體價格	設備主體比柴油發電設備貴1～5成，但不包括隔聲箱體	比燃氣輪機便宜，但不帶隔聲箱體，價格另算	主體價格燃氣輪機較貴，但把附屬設備費用計算在內，則差別不大
	附帶設備費用	不需要冷卻水設備，附屬設備及其工程費用少	廠房、基礎、冷卻水、管路設備等與燃機相比，價格高
運行費用	燃料費	熱效率低，所以燃料消耗量大約為柴油發電設備的1.7倍	熱效率高，燃料消耗量小	如作為緊急情況下備用時，運行時間短，則差別不大
維護、保養、管理	日常維護	構造簡單，不需要調整，所以維護保養簡單	要調整的地方多，構造複雜，維護保養也複雜	燃氣輪機的維護保養簡單，運行檢查時間短，相對於柴油機是絕對有利的
	運行檢查	定期啟動注油運轉，每月進行一次5～10min左右的無負荷運轉即可	定期啟動注油運轉，需要1～2周進行一次15min左右的無負載運轉，每1～2個月進行一次負載運轉
		無負荷運轉隨意	無負荷運轉只能進行短時間
		在無負荷運轉時，可進行內部診斷	在無負載運轉時，內部診斷困難
大修		高速轉動發動機，所以原則上要送回工廠大修，作為緊急備用電源使用，每10年進行一次大修	在現場可實施的項目多。; 如作為緊急備用電源使用，需4～5年進行一次大修（特別是冷卻水迴路部分）	燃氣輪機大修間隔時間長，相對於柴油機是絕對有利的

六、燃氣輪機發電機組與柴油發電機組的性能參數比較

燃氣輪機發電機組與柴油發電機組性能參數比較見表2。

表2 燃氣輪機發電機組與柴油發電機組的性能參數比較（以1600kVA機組為例）

項目		燃氣輪機發電機組	柴油機發電機組
發動機特性; 比較	一次起動成功率（%）	99.06（KHI統計）	95以下（美國統計）
	連續運行情況下輸出下降	−5%（3～5年內）	−25%～−30%（3～4個月後）
	體積（m）	2.3×1.5×1.6	5.1×1.8×3.0
	重量（t）	3	10～20
發電特性	過渡時間的頻率波動（%）	±4（開機到100%滿負荷）	±10（開機到75%負荷）
	過渡時間（s）	1～2	10
	穩定運轉時頻率波動（%）	±0.3	±(3～5)
	穩定運轉時電壓波動（%）	±1.5	±2.5
	波形畸變率（%）	3以下	10
	過負荷能力（%）	200以內	110以內
環境條件	噪聲（離機1m）	85dBA	105～115dBA
	震動	10mm以內（只需6～7m3一般基礎）	50～60mm以內（要有70m3的防震基礎
	動態荷重	小於淨荷重的5%～10%	為淨荷重的50%
	排氣（ppm）（用輕油的情況）	氧化氮85，氧化硫31，一氧化碳12	氧化氮700，氧化硫150，一氧化碳500
維護特性	維護周期（h）	2000（僅有兩處摩擦部位）	200（摩擦部位多於20處）
	維護量	小（部件數僅為柴油機的30%）	大
	設備台數	不要再備一台	一般要備兩台
	通常維護時涉及的部件重量	20～30kg以內	大於100kg
	維護時帶荷載運行情況	不需帶負荷即可判斷其好壞	起碼要帶25%的負荷
	維護人員資力	免維護	柴油機要裝、拆、更換部件，維護人員要有一定資格和經驗
排氣性能	吸氣量（m3/min）	380	250
	排氣量（m3/min）	330	220
	換氣量（m3/min）	300	2150
	換氣泵	3.7kW×1	3.7kW×7
	換熱量	發動機燃燒燃料產生的熱量可隨尾氣排出	要靠水冷卻後排熱，室內設備每小時可吸收3000萬大卡能量
其他	輔助用電（kW）	充電器、發電室泵、燃料泵、燃料泵等用電共9.15kW	充電器、發電室泵、燃料泵、燃料泵等用電共30.65kW
	冷卻水	不用	大型柴油發電機組，空氣冷卻要改為水冷卻
成本	單機成本（萬元）	150	100
用油情況	用油油種	柴油/煤油	柴油
	用油量	空載時：432L/h; 負載時：832L/h	空載時：272L/h; 負載時：496L/h
	年試車耗油量	432L/h×l.5h=648L; 832L/h×1h=832L	272L/h×8.7h=2366L; 496L/h×1.5h=832L
潤滑油使用情況	用油油種	混合油	高級潤滑油
	用油量	0.08L/h	5L/h
其他	年試車耗油量	0.08L/h×2.5h=0.2L	5L/h×10.17h=50.85L
	冷卻水	不用	循環式48t/h，水塔式2t/h

七、燃氣輪機發電機組與柴油發電機組的維護工作量比較

燃氣輪機發電機組與柴油發電機組的維護工作量比較見表3。

表3 燃氣輪機發電機組與柴油發電機組的維護工作量比較

維護項目	燃氣輪機		柴油機
每二周開機運行	不需要	—	空載20min	年累計8h40min
每一月開機運行	空載5min	年累計1h	—	—
每半年功能維護	空載30min	年累計30min	額定負載運行30min	年累計30min
每一年總維護	額定負載運行1h	年累計1h	額定負載運行1h	年累計1h
年試車運行時間	空載; 滿載	1h30min; 1h	空載; 滿載	8h40min; 1h30min
	總計	2h30min	總計	10h10min

八、燃氣輪機發電機組的維護保養

為使燃氣輪機發電機組保持正常運行，延長使用時間，除了按操作規程進行正常操作外，還必須定期對機組各部件進行系統的檢查、調整和清洗，按照機組的使用說明和技術規範進行保養，為機組的正常運轉提供良好的保障維護。燃氣輪機發電機組的維護項目和維護周期見表4。

表4 燃氣輪機發電機組維護項目及周期表

序號	項目	周期
1	設備巡視	1天
2	空載試機冷啟動、熱啟動各一次，2～3min	1月
3	檢查各種儀表、信號指示是否正常（運行時）	1月
4	檢查啟動電池，必要時進行充電	1月
5	檢查冷卻液、潤滑油、柴油是否充足（啟動前）	1月
6	檢查風冷機組的進風、排風風道是否暢通（啟動前）	1月
7	檢查有無異味、異響和四漏現象（運行時）	1月
8	清潔空氣過濾器	1季度
9	檢查傳動皮帶張力	1季度
10	檢查消防器材、照明是否正常	1季度
11	清潔設備	1月
12	檢查啟動、冷卻、潤滑、燃油系統是否正常	1月
13	載入試機15～30min	1年
14	校正儀表	1年
15	檢查機殼接地及絕緣	1年
16	更換機油、三濾	按說明書
17	柴油日用燃油箱、清洗儲油罐沉澱油污	3年