燃气轮机发电技术综述

Internal Combustion Engine &Parts

0引言

随着我国天然气资源的大规模开发及越来越严格的环保标准，我国陆续建成投产了多台燃气轮机发电机组，在满足电力需求的同时，创造了良好的社会效益和经济

效益。目前就世界范围而言，

燃气轮机发电已是电力结构中的重要组成部分，对推动经济和社会发展发挥着重要作用。

1燃气轮机装置的工作过程

燃气轮机是以连续流动的燃气为工质、

将燃料的化学能转变为转子机械能的内燃式动力机械，

是一种旋转式热力发动机。燃气轮机装置主要由压气机、

燃烧室、透平三大部件及控制系统、

辅助设备组成。压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩；压缩空气被送到燃烧室与喷入的

燃料混合燃烧，产生高温燃气；然后燃气进入透平膨胀做

功；透平排气可直接排到大气，对外界环境放热，也可通过换热设备放热以回收利用部分余热。工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热四个工作过程完成一个热力循环，进行能量转换。通常在燃气轮机中，压气机

是由燃气透平来带动的，它是透平的负载，

在简单循环中，透平的机械能有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械能用来驱动发电机。

2燃气轮机发电机组

用燃气轮机驱动发电机构成了燃气轮机发电机组。目前，应用最广泛、获得最高实用热效率的是燃气与蒸汽的联合循环。燃气轮机循环中，工质的平均吸热温度很高，燃气初温达到了1300℃-1500℃（表1），平均放热温度也较高，通常燃气轮机排气温度在500℃-600℃左右，因此单独

的燃气轮机发电机组的热效率难以达到较高值（表1）。蒸

汽轮机循环中，工质的平均放热温度达到了较低值，但工质的平均吸热温度不高，因此单独的蒸汽轮机发电机组的热效率也难以达到较高值。这两种单独的循环的热效率最

高40%多。若将燃气循环和蒸汽循环联合起来，

就成为了平均吸热温度很高而平均放热温度很低的热机，

其循环效率必定较高，最高热效率已达到60%以上（表2）。

如GE 公司基于空气冷却透平技术的9H 级燃气轮机联合循环效率约61%，西门子公司全内空冷H 级燃机联合循环效率也在60%以上。

燃气-蒸汽联合循环的方案有多种，本文介绍典型的联合循环发电型式。

2.1纯余热锅炉型联合循环发电机组这种联合循环中，燃气侧和蒸汽侧两循环的结合点是余热锅炉。燃气轮机的排气送入余热锅炉中去加热给水、

产生蒸汽，驱动汽轮机做功，这是以燃气轮机为主的联合循环方案。

余热锅炉内不加入燃料燃烧，因此，蒸汽参数及蒸汽轮机的容量取决于燃气透平的排气参数和流量，在通常燃气轮机排气参数下，得到的是中温中压的蒸汽，

通常汽轮机的容量约为燃气轮机容量的30%-50%。

这种联合循环效率高、技术成熟、

系统简单、造价低、启停速度快，应用最广。若在燃气透平的排气段设置旁通

烟囱，

汽轮机停机时燃气轮机可以单独运行；但燃气轮机停机时汽轮机不能单独工作。

2.2排汽补燃型联合循环发电机组排汽补燃型联合循环有两种方案：在余热锅炉前增加

烟道补燃器以及往余热锅炉中加入一定的燃料，

利用燃气中剩余的氧进行燃烧。由于补燃，锅炉蒸发量增加，

蒸汽参数提高，蒸汽轮机循环的出力和效率得到提高；

负荷变化时，可在较大的输出功率变化范围内，

燃气轮机工况不变，只改变补燃燃料，以改变汽轮机功率来改变联合循环的出力，机组的变工况性能得到改善，部分负荷下的效率较高；

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—作者简介:杨巧云（1966-），女，湖南湘潭人，

武汉电力职业技术学院教授，硕士。

燃气轮机发电技术综述

杨巧云

（武汉电力职业技术学院，

武汉430079）摘要:介绍燃气轮机发电装置的的工作过程及典型型式，对几种主要的燃气-蒸汽联合循环发电装置进行分析比较，并将燃气轮

机发电机组与常规燃煤发电机组进行比较。

关键词:燃气轮机；燃气-蒸汽联合循环；发电

机组型号ISO 基本功率

（MW ）燃气初温℃

供电效率（%）

PG9351FA

MS9001G LM6000-PD M701G GT13E2V94.3A

255.628241.1334165.1265.9

132714301160142711001310

36.0

39.540.739.535.738.6

表1某些燃气轮机发电机组的主要技术参数(教材,清华)

表2某些联合循环发电机组的主要技术参数(教材,清华)

机组型号ISO 基本功率（MW ）

供电效率（%）

S209FA KA13E2-2KA26-1S109H GUDIS.94.3MPCP2（M701F ）

786.9

480392.5480392.2799.6

57.1

52.956.360.057.457.3

如果对全燃型锅炉配置备用送风机和空气预热器，燃气轮机和蒸汽轮机能分开单独运行。这种联合循环中，补燃的燃料只参与了蒸汽循环，不是纯粹能量梯级利用的联合循环，因此，只是在纯余热锅炉联合循环中因蒸汽参数受限而不能采用高参数大功率蒸汽轮机的情况下，排气补燃型联合循环才可能优越于纯粹能量梯级利用的纯余热锅炉联合循环。

2.3增压锅炉型联合循环发电机组

增压锅炉型联合循环把蒸汽发生器放在燃气侧燃烧室之后和燃气透平之前，锅炉与燃气轮机的燃烧室合为一体，燃气轮机的压气机取代了锅炉的送风机，锅炉是在燃气轮机的工作压力下燃烧和换热的，形成有压力下燃烧的锅炉。这种联合循环在燃气轮机排气温度较低时，可使蒸汽参数及流量不受限制，从而可达到较大的机组容量和较高的机组效率；由于锅炉是在较高的压力下燃烧和传热的，燃烧强度和传热系数都大为增加，故增压锅炉的体积比常压锅炉要小得多，使设备的造价和安装费用都有所减少；但燃气轮机和汽轮机都不能单独运行。与余热锅炉型联合循环比较，燃气初温在1050℃-1100℃以下时，增压锅炉型效率高，在1050℃-1100℃以上时，余热锅炉型的效率高。

2.4给水加热型联合循环发电机组

这种联合循环将燃气轮机的排气用于加热蒸汽循环系统给水。由于锅炉给水加热的温度不高，燃气轮机排气热量利用的程度较差，使得联合循环的效率提高较少。因此一般在用燃气轮机来改造和扩建蒸汽轮机机组时才会采用。

2.5注蒸汽燃气轮机循环发电机组

这种联合循环中，燃气轮机的排气通入余热锅炉加热给水产生蒸汽，但蒸汽不是送到蒸汽轮机中去作功，而是供到燃气轮机燃烧室中，与压气机供来的空气一起被加热到燃气透平的初温后，燃气蒸汽共同进人燃气透平膨胀作功，也可以将一部分低压蒸汽不经燃烧室加热而直接进入燃气透平的低压部分作功。在这种循环中，由于燃气轮机中同时有燃气和蒸汽两种工质做功，所以又称为双工质燃气轮机循环。这种循环的燃气循环和蒸汽循环并行地通过燃气轮机实现，所以又被称为并联型联合循环。

与余热锅炉型联合循环相比，该循环省去了蒸汽轮机及其系统，这使蒸汽循环的系统大幅度简化、设备大幅度减小、尺寸大幅度减小、投资大幅度减少；由于蒸汽注人燃烧室降低了火焰温度，所以NO x排放量低；含有水蒸气的烟气的传热系数高，所以余热锅炉的换热效果好、效率高。由于有大量蒸汽排向大气，所以需要消耗大量经过严格处理的补充水，耗水量要比余热锅炉型联合循环多38%左右，这需要庞大的水处理设备，而且浪费水资源。

3燃气轮机发电的优点

与常规燃煤发电相比，燃气轮机发电具有以下优点（杨）：

①燃气轮机发电机组设备、系统简单，结构紧凑，体积小，重量轻。因此，制造、运输、安装、维修方便；造价低，投资省。

②燃气-蒸汽联合循环电厂供电效率高，大大超过常规燃煤电厂（表1、2）。

③污染排放量小，无论燃用油气优质燃料，还是燃用合成煤气，都能满足最严格的环保标准要求。由于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧的碳氢化合物、CO、S0x等排放量低，再结合应用注水或注蒸汽抑制燃烧、干式低NO x燃烧室，或者在排气管路中安装脱销装置等技术措施，可使NO x的排放满足环保要求（表3）。

④用地较少。燃气轮机发电机组设备、系统简单，结构紧凑，体积小，占地少；燃气和燃油的燃机电厂无需煤场、输煤系统、除灰渣系统等，所以厂区占地面积比常规燃煤电厂小得多，联合循环电厂占地只有同容量常规燃煤电厂的30%-40%，建筑面积也只有常规燃煤电厂的20%。⑤用水量较少。燃气轮机不需大量冷却水，一般燃气轮机只需常规燃煤电厂的2%-10%的用水量，联合循环也只需同容量常规燃煤电厂的1/3左右。

⑥启动迅速，运行自动化程度高，每天都能启停。燃气轮机从启动到带满负荷运行，一般不到20min，快速启动时更短。因而燃机电厂是城市备用或调峰机组的最佳选择。

⑦建厂周期短，可分期投产。先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构，运输、安装、维修和更换都比较方便。还可分单循环和联合循环两期建设，建厂周期短。

4结束语

燃气轮机发电方式具有高效、清洁、低耗等优点，随着

表3某些燃机电厂污染物排放

项目GB13223-2011规定的燃气轮机组大气污染物排放浓度限值金陵燃机电厂重庆两江燃机电厂装机规模2×200MW级2×400MW 燃机机型PG9171E M701F4 SO2排放浓度（mg/Nm3）以天然气为燃料的燃气轮机组，35

以其他气体为燃料的燃气轮机组，100

以油为燃料的燃气轮机组，100

1.5 6.4

烟尘排放浓（mg/Nm3）

以天然气为燃料的燃气轮机组，5

以其他气体为燃料的燃气轮机组，10

以油为燃料的燃气轮机组，30

//

NOx排放浓度（mg/Nm3）以天然气为燃料的燃气轮机组，50

以其他气体为燃料的燃气轮机组，120

以油为燃料的燃气轮机组，120

5030