基本介紹
- 中文名：燃氣輪發電機
- 外文名：Gas turbine generator
- 組成：燃氣輪機與發電機
- 1905年：製成第一台能輸出功的燃氣輪機
- 1920年：製成第一台實用的燃氣輪機
- 1950年：製成第一輛燃氣輪機汽車
- 70年代末：壓縮比最高達到31
發展歷史,工作原理,內部結構分類,內部結構,分類,優缺點,燃氣輪機套用,未來發展趨勢,潤滑油系統,發電廠,
發展歷史
中國在公元十二世紀的南宋高宗年間就已有走馬燈的記載，它是渦輪機(透平)的雛形。15世紀末，義大利人李奧納多·達文西設計出煙氣轉動裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀中葉，透平原理在歐洲得到了較多套用。
1791年，英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程；1872年，德國人施托爾策設計了一台燃氣輪機，並於1900～1904年進行了試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗；1905年，法國人勒梅爾和阿芒戈製成第一台能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，因而未獲得實用。
1920年，德國人霍爾茨瓦特製成第一台實用的燃氣輪機，其效率為13%、功率為370千瓦，按等容加熱循環工作，但因等容加熱循環以斷續爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。
隨著空氣動力學的發展，人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設計高效率軸流式壓氣機的問題，因而在30年代中期出現了效率達85%的軸流式壓氣機。與此同時，透平效率也有了提高。在高溫材料方面，出現了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能採用較高的燃氣初溫，於是等壓加熱循環的燃氣輪機終於得到成功的套用。
1939年，在瑞士製成了四兆瓦發電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國製造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階段，並開始迅速發展。
與此同時，燃氣輪機的套用領域不斷擴大。1941年瑞士製造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗；1947年，英國製造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力；1950年，英國製成第一輛燃氣輪機汽車。此後，燃氣輪機在更多的部門中獲得套用。
在燃氣輪機獲得廣泛套用的同時，還出現了燃氣輪機與其他熱機相結合的複合裝置。最早出現的是與活塞式內燃機相結合的裝置；50～60年代，出現了以自由活塞發氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置，但由於笨重和系統較複雜，到70年代就停止了生產。此外，還發展了柴油機燃氣輪機複合裝置；另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統，可有效地節約能源，已用於多種工業生產中。
工作原理
燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫，並相應提高壓縮比，可使燃氣輪機效率顯著提高。70年代末，壓縮比最高達到31；工業和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200℃左右，航空燃氣輪機的超過1350℃。
內部結構分類
內部結構
壓氣機有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機效率較高，適用於大流量的場合。在小流量時，軸流式壓氣機因後面幾級葉片很短，效率低於離心式。功率為數兆瓦的燃氣輪機中，有些壓氣機採用軸流式加一個離心式作末級，因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。
燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱衝擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料製造，同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。
分類
燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長，壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機的結構為最緊湊、最輕，但壽命較短。
優缺點
與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較，燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量，重型燃氣輪機一般為2～5千克/千瓦，而航機一般低於0.2千克/千瓦。燃氣輪機占地面積小，當用於車、船等運輸機械時，既可節省空間，也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高，在部分負荷下效率下降快，空載時的燃料消耗量高。
燃氣輪機套用
不同的套用部門，對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數用於發電，而30～40兆瓦以上的幾乎全部用於發電。
燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網的安全運行，所以套用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中，燃氣輪機因其輕小，套用也很廣泛。此外，還有不少利用燃氣輪機的便攜電源，功率最小的在10千瓦以下。
未來發展趨勢
燃氣輪機的未來發展趨勢是提高效率、採用高溫陶瓷材料、利用核能和發展燃煤技術。提高效率的關鍵是提高燃氣初溫，即改進透平葉片的冷卻技術，研製能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比，研製級數更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。
潤滑油系統
概述
燃氣輪機潤滑油系統是任何一台燃氣輪機必備的一個重要的輔助系統。它的作用是在機組啟動、正常運行以及停機過程中，向正在運行的燃氣輪機發電機組的各個軸承、傳動裝置及其附屬設備，供應數量充足的、溫度和壓力合適的、乾淨的潤滑油，以確保機組安全可靠地運行，防止發生軸承燒毀、轉子軸頸過熱彎曲、高速齒輪法蘭變形等事故。此外，部份潤滑油可能從系統分流出來，成為液壓油系統的油源，或經過濾後作為控制油系統的用油。
為保證對燃氣輪機及其驅動的設備提供良好的潤滑，除了有設計完善的潤滑油系統外，選擇性能優越的潤滑油也是一個重要因素。早期燃氣輪機由於透平進口溫度不是很高，其所用的潤滑油基本與汽輪機用油一致，但隨著透平進口溫度的不斷提高，燃氣輪機對潤滑油質量指標的側重點與汽輪機的側重點明顯不同，燃氣輪機強調的是油的高溫抗氧化性能，而汽輪機則看重油的抗乳化性能（分水性能）。不少廠商正在研製上述兩種性能均優的聯合循環用油，特別是同一潤滑油系統的單軸機組的用油。潤滑油為基礎油添加防鏽、防腐、抗氧化等各種添加劑後的製成品。基礎油可以是礦物油，也可以是合成油。由於合成油純度高，其性能及使用壽命均優於礦物油，但價格一般為礦物油的2～3倍。評價潤滑油優劣的性能指標有油的物理性能、表面性能和氧化性能三個方面，對此燃氣輪機製造廠商會提出選擇建議。
聯合循環發電裝置的潤滑油系統有幾種不同的配置，對於單軸機組，燃氣輪機與汽輪機共用一套潤滑油系統；對於多軸機組，燃氣輪發電機組與汽輪發電機組可以共用一套潤滑油系統，也可以各自單設一套潤滑油系統，這要視機組的總體布置而定，不過，由於電站分期建設的需要，大多數多軸機組採取各自單設一套的方式；還有一種航空衍生型的燃氣輪機，由於燃氣初溫很高，其燃氣發生器要求使用品質更高的潤滑油，因此燃氣發生器單獨設一套潤滑油系統，而動力渦輪與發電機另設一套，前者用合成油，後者用礦物油。
潤滑油系統的組成
單就潤滑油系統而言，不管是共用系統還是分設系統，其設計原理是一樣的。整個潤滑油系統的組成應包括下列一些設備：
潤滑油箱
潤滑油箱可設在機組的一個或幾個底盤內，也可以設計成單獨的容器。當油箱由幾個容器組成時，應在它們之間用管道連通以平衡油箱內的壓力。油箱除了起貯油的作用外，還擔負著分離空氣、水分和各種機械雜質的任務。油箱中油流速度應儘量緩慢，回油管應布置在接近油箱的油麵，以利於油層內空氣逸出。油箱的容量越大，越有利於空氣、水分和各種雜質的分離。通常用循環倍率K（全部潤滑油每小時通過油箱的次數）表示系統容積的相對情況，以Q表示系統的每小時油的容積流量，V表示系統的容積（油箱+管路），循環倍率K=Q/V。通常規定K=8～10，最大不超過12。這是為了使從系統回來的潤滑油，有足夠的時間將其夾帶的空氣、水分分離掉。不過，為了結構緊湊，避免因油箱體積過大而使設備笨重，多數機組油箱容量偏小，這迫使用戶要選擇分水性能更好和空氣釋放值較小的潤滑油。
主潤滑油泵
這是機組正常運行時的工作油泵，可以由主機通過輔助齒輪驅動，也可以由交流電動機驅動，大型機組為了簡化結構多採用電動。油泵的容量根據系統總的用油量、調節閥門溢流量和管路的泄漏量決定。主油泵常用的有齒輪泵和螺桿泵，也可以是離心泵。
輔助潤滑油泵
這是機組啟動和停機時的工作油泵，或在主油泵出故障時投入使用，通常由交流電動機驅動。此泵多採用浸入式離心泵。其壓力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。
應急潤滑油泵
該泵在停機時因輔助潤滑油泵故障而投入，或因失去交流電源而投入，或因主、輔泵都不能工作機組緊急停機而投入。由於應急泵只在故障時工作，其壓力和容量一般較小。也有的潤滑油系統用高位油箱代替應急油泵。
潤滑油流過各潤滑點（軸承、齒輪等）後溫度上升14～33℃（配備減速齒輪時溫升可達33℃），因此，從系統回來的潤滑油必須冷卻以保證合適的供油溫度。套用較為廣泛的仍然是管式冷油器。常用的冷卻方式為水冷，其次是氣冷，氣冷的優點是不需要冷卻水，可在缺水地區使用，但由於空氣的傳熱係數比水的要低得多，因此空冷式冷油器體積相對要龐大得多。在採用水冷方式時，常常設定兩個並聯的可切換的冷油器。
主潤滑油濾多採用兩個並聯的可切換的濾油器。主油濾應設定在冷油器的下游。
對潤滑油的要求
原則上有下列幾個方面：
1、要求適應軸承、齒輪裝置等的啟動、加速、滿轉速及超速等各種工況所需要的潤滑油性能。
2、要求適應液壓系統如油缸、伺服閥等所需要的液壓油性能。
3、熱傳遞油性能。能把軸承、齒輪裝置等各種熱表面的熱量吸收，並將其傳輸給潤滑油換熱器（冷油器）。
G4、在一定溫度和壓力下工作、靜止或貯存狀態都具有穩定的物理性能、表面性能和氧化性能。
5、能適應潤滑系統中及其他用油系統中的各種機械材料，並能保護材料不受腐蝕。
6、具有自動排除空氣和水等污染物的性能。
7、具有一定的抗燃能力等。
潤滑油性能指標
在選擇潤滑油時，除了遵照設備製造廠商的建議（如文獻49）之外，應該更側重於下列的性能指標：
黏度和黏度指數
為了常溫下燃氣輪機啟動時確保各軸承的靜壓潤滑和液壓系統的快速反應能力，希望在啟動時潤滑油的黏度不要太高，為此絕大多數透平機械選擇40℃時黏度為28.8～35.2/s的潤滑油，即黏度等級為ISOVG32的潤滑油。在燃氣輪機正常帶負荷運行時，軸承間隙內的工作溫度有可能高達120℃以上，此時要求油的黏度高一些。為此，應選擇黏度隨溫度變化較為平緩的、即黏度指數較大的潤滑油。這裡建議油的黏度指數在100以上，至少不應小於90。
氧化安定性
但是，由於TOST是在95℃的試驗條件下進行，而這一溫度與燃氣輪機軸承的工作溫度頗有距離，對新一代燃氣初溫更高的燃氣輪機，光考核TOST已經不夠，因此增加了油的旋轉氧彈試驗指標，以便在更高的溫度下考核油的性能。旋轉氧彈試驗的溫度為150℃，比TOST要高得多。
分水性能
這是指油和水的分離能力，測量的方法是在專用的試管內放入40mL的油和40mL的水，按規定的試驗程式混合，然後測量油水完全或基本完全分離的時間（min），油水分離的程度可以是40-37-3、40-40-0等。對於燃氣輪機，這不是十分強調的性能指標，因為在燃氣輪機中，潤滑油被水（或蒸汽）污染的可能性不大。而在汽輪機中，油水混合的可能性很大，對油的破乳化值不能忽視，其指標至少是油水分離至40-37-3，時間不大於15min。對於聯合循環發電裝置，如果燃氣輪機與汽輪機共用潤滑油系統，則必須兼顧油的高溫性能和分水性能。
空氣釋放值
由於大多數燃氣輪機的軸承均使用密封空氣，因此軸承的回油中必然會混進空氣。這些進入油層中的空氣，必須要在油回到油箱後的短暫停留時間內從油層中釋放掉。在選擇潤滑油時，其空氣釋放值應不大於油在油箱內循環一次的時間。
起泡性能
起泡性能與空氣釋放值是兩個相互關聯而又容易混淆的概念。其實空氣釋放發生在油層之內，泡沫則產生於油的表面之上。通常認為，在油麵上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫過多，油箱的通（排）氣口充滿泡沫時，就會因妨礙空氣的排放而招致嚴重的後果。因此油的起泡性能至少應符合一般汽輪機油的標準。
除此之外，新油的顏色應淺，以不超過ASTMD1500中的2.0為宜。對於帶有負荷齒輪箱的機組，必須考慮油的承載能力，應選擇承載能力（FZG）7級以上的油。
發電廠
英文名： gas turbine power plant
以高溫氣體為工質，按照等壓力加熱循環工作燃料中的化學能轉變為機械能和電能的工廠。燃氣輪機發電廠用液體和氣體燃料通過燃氣輪機轉變為機械能，然後帶動發電機發電。
燃氣輪發電機
燃氣輪發電機燃氣輪機的絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹和等壓放熱等四個過程分別在壓氣室、燃燒室、燃氣透平和回熱器或大氣中完成。大型燃氣輪機的壓氣機為多級軸流式，中小型的為離心式。燃氣透平一般為軸流式，在小型機組中有用向心式的。燃氣透平帶動壓氣和發電機。燃氣輪機組單機容量小的約為10~20kW，最大的已達140MW 。熱效率30%~34% ，最高達38%。燃氣輪機結構有重型和輕型兩種，後者主要由航空發動機改裝。
由於體積小、重量輕、啟動快、安裝快，用水少或不用水，能使用多種液體和氣體燃料，在發電上多用於調峰。此外，燃氣輪機在油氣開採輸送、交通、冶金、化工、艦船等領域也得到廣泛套用。
