燃气轮机的选型

燃气轮机的选型

在燃气轮机选型时，对其热力性能方面的考虑应注意以下几点：

（1）机组热效率和燃料成本相结合的综合经济性。单方面考虑热效率高低常常是不全面的，一般需把机组热效率和燃用的燃料成本结合起来，更全面权衡机组的经济性。因为有时地理因素更优先于热效率，如某些地区的用户可能更注重燃气轮机对燃用廉价原油和重油的能力与相应的长热部件寿命性能。

（2）热力循环系统优化的问题。影响燃气轮机热力性能的因素有很多，如透平初温、压气机压比、回热度（若采用回热循环）等热力参数，压气机、透平、燃烧室等部件效率，进、排气道等各部分流阻损失等。其中许多参数受到设计制造时的技术与设计水平所制约，一般要根据设计和技术条件选取，如透平初温就要根据高温材料和冷却技术来确定。而压气机压比要通过热力循环设计优化分析来确定。

（3）机组的全工况或变工况热力特性。实际上，随着环境大气条件、外界负荷或系统本身等变化，燃气轮机及其联合循环装置总是处于非设计工况下运行，全面考虑全部可能运行区域的特性，就更为重要和实用。主要包括：

1）随大气条件变化的机组变工况特性。由于燃气轮机的工质来自大气环境、又排回大气，其输出功率对大气条件，特别是对大气温度非常敏感。通过燃气轮机及其联合循环性能（设计工况的效率与功率）相对比值随大气温度变化的典型规律。大气温度总在变化，随着温度的升高，燃气轮机及其联合循环相对的输出功率都会下降，但联合循环的功率减小要比燃气轮机平缓，燃气轮机效率下降，而联合循环的效率稍有增加；反之，当温度下降时，两者的输出功率都会增加，燃气轮机效率提高，联合循环效率稍有降低。至于大气压力则与机组安装地区的海拔高度有密切关系，燃气轮机及其联台循环的功率都与大气压力成正比，而两者的效率与此无关。但当分析机组安装地点的海拔高度对燃气轮机性能影响时，要考虑大气温度和压力两个因素的综合影响。

2）随外界负荷变化的机组变工况特性。燃气轮机是通过调节燃料量、也就是调节透平初温来适应外界负荷变化，而不像汽轮机那样是通过改变蒸汽工质质量流量来改变功率，所以机组热经济性随负荷变化而变化趋势就非常明显。

2.燃料与环境问题

（1）燃料问题。燃气轮机燃用的燃料对电站的环境特性，还有经济性、安全性和可靠性等都有很大的影响，主机选型时需全面考虑可供燃用的燃料问题，包括燃料的来源、供应量、质量以及候选机组对其适应性与要求等。燃气轮机适合燃用气体燃料和从高级的航空煤油到低级的锅炉渣油的液体燃料。但所用燃料的各种品质会严重影响燃气轮机装置的运行、维护和成本。因此，燃料的最佳选择应

考虑获得燃料的资源、价格、燃气轮机维护和初置费用等综合因素。燃气轮机采购选型时应注意拟选的主机机型能很好适应拟用的燃料品质及其可能的变化。经验表明，主机选型时下列几点要认真考虑：

1）燃料及处理系统功能与范围。气体燃料是由不同组分（可燃和不可燃的）混合组成的燃料气。由于气体燃料中所含液体可能对燃气轮机产生危害，应保证燃料从进入燃气轮机的燃料管接口起至燃料喷嘴止均为“干气”，因此需要装设分离器或加热器等专用设备。制造厂应将可允许的气体燃料的最高和最低温度、压力以及气体燃料含固体粒子所要求的净化程度告知用户。

2）燃料的净比能及其变动范围。气体燃料的净比能（低热值）、供气压力和温度及其波动的幅值和周期等，对保证机组稳定安全运行和达到规定的性能指标等都是重要的．如果预计在稳定运行期间净比能等参数不能保持在规定范围，其变化范围和变化速率要预先提出，以便配置专用设备来保证燃气轮机仍能正常地进行调节。因此从燃气轮机使用的角度，以净比能来划分气体燃料的类型是比较合适的。对于多数燃气轮机机型都能较好地直接燃用包括天然气和合成天然气在内的前3类气体燃料，而对许多机型的燃烧部件与系统加以适当改动，也可燃用其他2类低热值的气体燃料。

3）燃料中成分及其有害杂质的含量与控制。燃气轮机热部件的运行寿命对燃料中所含的有害物质非常敏感．对于可能存在气体燃料中的已知腐蚀性介质，应给予特别注意并考虑合适的控制与处理措施。

4）燃料供应可靠性与供应量变动范围。当天然气供应有保证时，或靠近气田和LNG接收站，可考虑选择单燃料系统；若在天然气供应发生故障时，使用备用燃料继续运行比停机更为经济时，选择双燃料系统才是合适的，并相应考虑场地与油罐建设问题。另外，拟用的气体燃料对机组启动和停机来说，其可燃性极限范围太窄或太宽或点火性能太差时，则在启动和停机过程考虑采用备用燃料。

总之，在主机采购选型时，用户与制造厂应根据燃料的供应情况与燃气轮机机型的适应性，对拟用的燃料规范和与燃料相关的系统设计与设备供应等问题协商一致。

（2）环境问题。在可持续发展成为共识的今天，选型时对环境问题更应给予充分的重视。燃气轮机动力装置产生的空气动力噪声、大气污染、热污染和场地污染等，可能会对运行人员和环境产生有害的影响，因此要采取相关的措施，使它们符合国家或当地有关标准和规范。例如要确定燃气轮机机房内和燃气轮机动力装置所在的附近区域内可以接受的噪声级。再如应控制燃气轮机排气化学污染程度和氧化氮总含量，并考虑排气对大气的热影响等。还有，在选择冷却系统及设计参数时应考虑地方法规关于限制冷却水的最高排放温度，由排放水引起的最大温升。以及排放到河、湖或其他水体中的热负荷等规定。另外，在场地的土建设计时，应考虑在机组运行失常、火灾或设备发生故障情况下对场地周围提供安全保护措施，如应按有关标准或规范对燃料贮存或装卸设备可能的泄漏采取安全措施。场地的选择也应考虑当地主要风向和排烟对邻近建筑物的影响。

所以，在选择机型及其燃料时，要考虑当地对现场环境的要求和满足这些要求所需增添的设备和相关的成套设计以及由此引起的成本增加问题等。环保要求越高，设备初投资增加就越大。目前，燃气轮机当燃用天然气时排放量能控制在25× ，甚至有办法做到l0× ；当燃用柴油时在42× 。为此，很多厂家配置干式低燃烧室（DLN燃烧系统），还有在余热锅炉中安装选择性催化还原装置（SCR 装置），但都要相应增加机组初投资成本。

3.机组经济性

电站的经济性常常成为工程立项的重要依据，而机组价格常常成为采购谈判的重点，左右机组的选型。但是，价格是一个多范畴的问题，除技术因素外，还有市场和社会因素的影响，如国情、市场行情、厂商竞争因素、产品批量等都会在不同程度上影响价格的起伏波动。各生产厂家经营策略会有所不同，新设计的机型为了进入市场，价格较低，一旦被市场接受后，价格又会随之上升；早期设计的老机型，面临淘汰前后，其削价幅度就会比较大。再如多套捆绑购买时，常会产生“规模效应”，导致价格下降。

对于同一功率等级，效率高的机型一般总是对应于高的初始价格，但高效率电站的投资回收年限通常将缩短，会弥补初始投资大的缺点，还会节约能源、降低环境污染，各方面的效益都比较好，通常总是列为优选的机型。在进行选型热经济分析时，单位功率价格随机组功率和热效率的变化关系最为重要。一般情况下，随着燃气轮机功率等级的增加，单位功率的价格将会下降。

4.机组可靠性、可用性和可维护性

长期以来，受到重视的是热力性能和价格，而对燃气轮机机组的可靠性、可用性和可维护性等运用性能（）未给予足够注意。但半个世纪的应用发展经验表明，这个性能才是机组成本、效益、安全可靠性的关键因素和反映设计、制造、运行服务等综合质量的重要指标。它在整个寿命期内，影响使用性能和对用户需求的满足程度，并影响设备利用率与运行维修成本。

（6）单位发电量维修成本。

不同标准或公司对RAM性能定义和具体计算，是大同小异的。但对于不同用途，各性能指标的重要性却有很大区别。最常用是可靠性、可用性和启动可靠性三个指标。对于连续基本负荷机组，可用性特别重要；而对尖峰负荷，启动可靠性就要求很高。

用户不仅要很好了解设备RAM性能本身，更重要的还要了解影响它们的因素，包括运行维修人员素质与培训，运行操作与规程，定期检修与大纲，以及备品配件等，特别要注意：

（1）燃料类型与品质控制。燃料种类对机组维修影响极大，重质液体燃料将释放更多辐射热，故燃烧系统中热部件温度较高，并常含有腐蚀性元素，对热部件寿命是不利的：轻质蒸馏油的有害杂质含量很小，但可能从运输和贮存时带入；

燃用气体燃料时，最大问题是防止液态碳氢物混入燃烧系统。所以，制定一个合适的燃料规范、抽样检验分析程序和燃料及其处理系统维护规程是很必要的。

（2）运行模式。运行模式（负荷、连续运行时间和启动次数）对RAM性能与机组维修影响也很大。若不是频繁启动和快速变化负荷，而是稳定负荷连续运行，机组寿命会很长；而快速频繁变负荷和经常起停，都使热部件承受巨大热应力变化，从而减小维修间隔和部件寿命。控制系统的重要职能之一，就是把这类影响降到最小程度。

（3）维修的实施。按期正确地实施机组维修对提高RAM性能极为重要。维修间隔不是固定不变的，要根据用户过去经验和机组各关键因素发展趋势加以调整。计划、管理、备品以及工具等是影响停机维修时间长短的重要因素。热部件的状况和运行参数变化情况则是用户计划检修的依据。备品配件的准备及其可换用性对停机时间也有影响。拆装工具和技术应给予足够重视，如停机检查热部件时，拆拧螺栓花费工时常占25％的总停机时间。

（4）支持系统。进、排气系统，启动系统，控制系统，润滑油及其冷却系统，燃料及其处理系统，空气雾化系统，输配电系统，防火保安系统，喷水（或蒸汽）系统等支持系统综合构成燃气轮机运行环境，而它们也是影响RAM性能的重要因素，对提高MTBF和降低维修运行成本都起很大作用。应再强调的是空气质量的重要性，据统计，70％～83％性能降低是由压气机叶片沉积污染引起，而合适的清洗可大大减轻和恢复这种损失。

所以燃气轮机选型时应重视RAM性能及其对机组的经济性的影响。经验表明RAM 性能比热力性能和价格对发电设备总经济效益的影响更为敏感。

5.电站容量与运行模式

（1）电站负荷的需求。一般情况下，电站选址和容量是由地区电源规划和具体工程与地理条件来确定的，在制定电源规划时必然要考虑地区发展对当前与将来的电力需求，燃料供应状况以及电站规模经济等问题。也就是说，在地区或电网有足够电源需求和拟用的燃料有保证的情况下，尽量选择更大容量的联合循环机组并建设大容量的电站，以降低电站比投资和发电成本。而且．由于达到一定容量的经济规模时，有可能借助制造厂技术和工艺许可，自己组织部分备品配件的生产，使维修工作本地化，从而降低维修成本和及时保证机组的可靠运行。

目前，国外大型联合循环电站多采用统一规划、分期建设实施的建设方式，而且多采用模块组合形式，即同一个电站采用尽量少的机型（1种、最多2种型号的机组）、数量较多的机组模块组合成大容量电站。这样，有利于分期建设的可操作性与前后连接协调问题，也有利于人员培训与操作管理等。但对主机的选型的要求更高，需考虑问题更多，如机型成熟性、可能发展情况及前后机组兼容协调配合等。

另外，应该指出的是，燃气轮机选型时还要特别注意燃气轮机自身的热力学固有特性和负荷变化规律。与常规的汽轮机电站不同，燃气轮机是以空气为工质的开

式循环内燃式的热机．其输出功率对大气条件变化比较敏感，且机组热经济性随负荷变化而变化也很明显。选型时对燃气轮机的全工况特性应有足够考虑。

（2）运行模式。由于燃气轮机的运行模式不同，燃气轮机运行的额定参数值将要改变，因此标准额定功率等性能指标要与规定的各种运行模式相关联。除特殊情况（运行模式由用户和制造厂双方另行商定的）外，燃气轮机的标准额定功率须按国际标准或国标规定划分的某一种运行工作类型（备用尖峰负荷A、尖峰负荷B、半基本负荷或中间负荷C、基本负荷D型）和某一种年平均启动次数等级（I、II、III、IV、V级）组合的运行模式来共同规定。有的制造厂商是按每次启动的运行小时数来划分运行模式，如GE公司将每次启动运行少于10h定义为尖峰负荷；每次启动运行10～50h定义为中间负荷；每次启动运行大于50h定义为基本负荷。有些燃气轮机可能是几种工作类型组合在一起的方式运行，这时应当对每种工作类型的给定负荷值规定预计运行小时数，超出给定负荷值的运行方式的运行，将大大影响检查周期和维修工作量。

燃气轮机启动时间比传统的汽轮机机组要短得多，启停机动性好，较早就是承担调峰与备用负荷的首选机型。随着燃气轮机联合循环发电装置的单机容量和热效率的明显提高，目前联合循环装置也广泛用于承担中间和基本负荷。如对GE公司159台运行模式进行调查统计表明，半数以上都是带基本负荷。

电站选择何种运行模式是与燃料价格、建设投资、电价、电力结构以及电力负荷需求等有关。如接近气田地区，联合循环机组适用于承担基本负荷和中间负荷；天然气价格偏高时燃气轮机适用于备用尖峰和尖峰负荷，联合循环则适用于中间或尖峰负荷。但是，对承担不同运行模式的电站，主机选型准则是不同的。一般原则是，对于承担备用尖峰与尖峰负荷任务时，应选择机组加速性和加载性都好的机型，选用价格高的燃料常常是合理的，因为其全年燃料费用较少，还可使动力装置（包括可能需要的燃油处理和供油设备）初置费用降低；对于承担基本与中间负荷、利用率高的机组选用廉价燃料更有利。但不是所有机型都能燃用廉价燃料（如重油、渣油），特别是新一代高初温的型号产品对燃料品质要求都很高，好在它们的热效率也都很高，燃用天然气时联合循环装置供电效率高达55％以上，通常能做到技术可行与经济合理。另外，对利用率低的航机陆用燃气轮机机组常要求较轻等级的燃油，而工业型燃气轮机能用较重等级的燃油。