一. 课题背景及意义

燃气轮机是从本世纪50年代开始逐渐登上发电工业舞台的。但是由于当时机组的单机容量较小，而热效率又比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。60年代时欧美的大电网曾发生过电网瞬时解列的大事故，这些事故促使人们加深了对电网中必须配备一定数量的燃气轮机发电机组的认识，因为燃气轮机具有快速”黑启动”的特性，它能保证电网运行的安全性和可恢复性。欧美国家的经验表明：从安全和调峰的目的出发，在电网中安装功率份额为8%~12%的燃气轮机发电是合适的。然而，从80年代以后，随着燃气轮机透平初温不断提高，燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，燃气轮机的单机功率已经超过250MW，热效率已达36%以上；而联合循环的单机功已达甚至超过350MW，热效率则已超过55%甚至达到58%。从热力性能的角度看，它们完全可以承担基本负荷，而且比超超临界参数的燃煤蒸汽轮机电站更具有优越。在全球环保，创造绿色地球的大环境下，燃气轮机装置由于同等单位体积出能大、体积小、被广泛用于航空和轮船舰艇动力。地面是的应用大多是带压缩机或者带发电机。在沿海等缺电的地区，多用于调峰；电厂。或在内地输送电困难的地方的自备电厂。各大企业纷纷把目光投入到节能减排， i提高效率的途径上，如何在自然条件下提高燃气轮机装置的热效率，备受科研人员的青睐。燃气轮机是大型联合循环机组，影响它热效率充分发挥的因素很多，从它的影响因素人手控制其对联合机组的影响，是开源节流的一种比较有效的途径。就比如医学上的对症下药，药到病除。

1.1 全球燃气轮机市场份额

目前，全世界从事燃气轮机研究、设计、生产、销售的著名企业有28家，全世界使用的工业燃气轮机约有5万台，而且全球的燃机市场几乎被欧美公司所垄断。 　　

由于不同的历史背景，燃气轮机不同技术道路发展，一条以罗罗、普惠、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃气轮机（俗称”航改机”）；一条是以西门子、ABB、GE公司为代表，遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机（俗称”工业机”），主要用于机械驱动和大型电站。世界范围内市场主要被GE公司、西门子/西屋、阿尔斯通/ABB、索拉公司、罗罗公司、三菱和俄罗斯的企业瓜分。

1.2我国燃气轮机发展概况

我国解放前没有燃气轮机工业，解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。1956年我国制造的第一批喷气式飞机试飞，1958年起又有不少工厂设计试制过各种燃气轮机。 　　

1962年上海汽轮机厂试制船用燃气轮机，1964年与上海船厂合作制成550KW燃气轮机，1965年制成6000KW列车电站燃气轮机，1971年制成3000KW卡车电站。在这期间还与703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等几种船用燃气轮机。 　　

1969年哈尔滨汽轮机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机，1973年与703研究所合作制成4410KW船用燃气轮机，与长春机车车辆厂合作制成3295KW机车燃气轮机。 　　

1964年南京汽轮电机厂制成1500KW电站燃气轮机；1970年制成37KW泵用燃气轮机；1972年制成1000KW电站燃气轮机；1977年制成21700KW快装式电站燃气轮机；1984年与GE公司合作生产了PG6541B型36000KW燃气轮机；从1984年至2004年已生产了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四种型号燃气轮机，功率由36000KW上升到现在的43660KW。2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与GE公司进一步扩大合作生产范围，在南京汽轮电机集团有限责任公司生产S209E型燃气－蒸汽联合循环发电装置中的燃气轮机、汽轮机和发电机。 　

1978年东方汽轮机厂制成6000KW燃气轮机；1972年杭州汽轮机厂制成200KW燃气轮机；1972年青岛汽轮机厂制成1500KW卡车电站燃气轮机。 　　

2003国家发改委决定在秦皇岛建一座燃气轮机生产基地，与美国GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。该生产基地隶属于哈电集团，与哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂共同生产S109FA-SS型燃气－蒸汽联合循环发电设备。2004年8月在秦皇岛组装的第一台MS9001FA型燃气轮机已发运到杭州半山电厂。 　

12月15日，中国具有自主知识产权的第一台重型燃气轮机、中航工业黎明R0110重型燃气轮机在中海油深圳电力有限公司现场完成72小时带负荷试验运行考核。此次运行考核验证了R0110重型燃气轮机的设计状态，是重型燃机研制过程的重要里程碑，为未来实现商业化运行打下了良好基础。

二. 燃气轮机性能影响的研究概况

2.1 燃气轮机的组成及基本概况

（机组组成，运行原理）

图2 燃气轮机

燃气轮机的组成及内部结构

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。

燃烧室和涡轮不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。

对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。

燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑、最轻，但寿命较短。

与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为2～5千克/千瓦，而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高。

不同的应用部门，对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而30～40兆瓦以上的几乎全部用于发电。

燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中，燃气轮机因其轻小，应用也很广泛。此外，还有不少利用燃气轮机的便携电源，功率最小的在10千瓦以下。

燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进涡轮叶片的冷却技术，研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比，研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。

高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作，用它来做涡轮叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时，就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温，从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。

按闭式循环工作的装置能利用核能，它用高温气冷反应堆作为加热器，反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和涡轮的工质。

燃气轮机运行原理

燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。

燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃。

2.2.影响燃气轮机性能指标的主要因素

环境温度

较低的环境温度下，空气的比容较小，因此在压气机吸入同容积流量空气的前提下，其质量流量是较大的，这就使得燃气轮机的功率会有一定程度的提高。也就是说，外界环境温度越低，机组的功率越大，环境温度越高，机组的功率越小。而且，随着环境温度的降低，燃气轮机的温压比逐渐增大，这对改善燃气轮机的热力循环效率是有利的，因此其热耗率也会相应的降低。

厂址环境条件

由于燃气轮机吸入周围环境的空气，因此在采用同种燃料的前提下，影响进入空压机空气的质量流量的任何因素，例如环境温度、大气压力和相对湿度等，对燃气轮机组的功率和热耗率等性能均会产生一定的影响。

大气压力（或海拔高度）

大气压力的变化直接影响空气的比热容，进而影响进入压气机的空气质量流量和输出功率。当大气压力增加时，空气的比热容下降，其质量流量增加，从而增加了机组的输出功率。也就是说，随着大气压力的降低，空气将变得稀薄，在压气机吸入空气容积流量不变化的前提下，燃气轮机的进气质量流量将会相应减少，因而导致燃气轮机的功率下降。由于燃料量随着空气质量流量的变化而调整，只要燃烧室内的温度保持不变，则燃气轮机的效率就会基本不变，从而其热耗率的变化可忽略不计。

相对湿度

由于水蒸气的比重较空气小，因此湿空气相对于干空气亦会对燃气轮机组的功率和热耗率产生影响。但是，与环境温度及大气压力对燃气轮机功率的影响程度相比，相对湿度的影响最小。随着市场对增大燃气轮机功率的需求，以及排放标准不断提高，而在燃烧器的首端或者压气机的排气缸注入蒸汽或者水从而加大功率以及控制和消除NOX。因此，对于采用此种方案的燃气轮机，相对湿度对机组功率的影响较为显著，但对热耗率的影响可忽略不计。而对于不采用注蒸汽（或水）运行的燃气轮机而言，相对湿度的变化对其功率和效率的影响均可忽略不计。

空气密度

空气密度小，使得空气流量及输出相应地减小，这对于燃气机出力的影响是显而易见的。空气密度受燃气轮机所在的海拔高度、空气湿度的影响。海拔越高的地方空气越稀薄，其密度越小。湿空气的密度小于干燥的空气，也会影响燃气轮机的出力和热耗率。因为当空气的湿度增加时，通过燃烧室的空气量减少，喷入的燃油也相对减少，导致机组出力下降。

压气机出口压力受到透平排气温度的影响，空气湿度比压气机进口温度对空气密度的影响小，因而燃气机的出力随着湿度的增加而下降。随着燃气轮机功率的增大，空气湿度对燃气轮机的影响越明显。

进气及排烟损失

系统回路的压力损失会直接影响燃气轮机的性能。在燃气轮机入口或余热回收装置中安装消音、滤气、蒸发式或其它冷却器会引起回路排烟带走的热量是燃气轮机损失的主要组成部分，锅炉的热利用效率及电厂的经济运行和排烟温度密切相关。统计数据表明，对于容量大于100MW 的机组，如果排烟温度下降10#176;，则热效率将能提高0.7%。

燃料

燃气机用的燃料的种类会对其性能产生影响。甲烷的氢／炭比相对于轻柴油较高，水蒸汽含量也比较高，其燃烧物有比较高的比热，因此燃烧天然气比轻柴油的出力更大。用热值较低的燃料对出力有较大的影响，要加大流量才能提高热量输入。此外，质量流量的增加，提高透平和轴输出的同时，因为不经过压气机加压，所以压气机的功率基本不变。燃气轮机在用低热值的燃料时，以下几个副作用必须予以考虑：1） 压气机的压比提高会影响压气机喘振限值；2） 透平功率超过定值，可能需要更大的发电机；3） 燃料的体积增大，可能要加大燃料管道尺寸；4） 较低BTU的气体常含有大量水份，从而增加了燃烧物质的导热系数，提高透平中的金属温度。

空气量

由于燃气轮机是从大气中吸气的, 任何对压气机进气质量流量有影响的因素, 都会改变机组性能,最明显的影响是环境状态偏离ISO 状态(15℃,11013bar)。因为空气的密度是受大气温度、大气压力影响的, 大气温度高、气压低时, 则空气密度小。低密度空气减少了空气流量, 压气机耗功增大、压比下降, 从而减少了机组整体输出功, 也就是说燃机的出是受大气条件影响的, 即大气温度高、气压低时, 燃机出力和效率会随着下降。其中气温的影响更为突出,在同一天的运行中, 随着大气温度的变化, 燃机负荷随着下降。据AL STOM 提供的气温#8212;出力的关系曲线来看, 每当环境温度升高5℃, 燃机出力将下降316% , 这是一个非常可观的数据。应通过加装进气冷却装置来消除温度影响因子。

在海洋运行条件下，大气压力在5%的范围内变化，因此对船用燃气轮机运行特性没有显著影响。进口压力增加，使空气质量流量增加，导致燃气轮机功率增加，但燃气轮机单位质量的油耗实际上变化很小。空气相对湿度与运行时的航行海域和大气状态有关，可能会在40% ～ 100%的范围内变化，但这对燃气轮机功率没有明显影响。随季节、昼夜和地区的变化，大气温度对燃气轮机工作有明显影响。空气温度的提高会导致功率下降。这是由于空气密度的降低引起压气机质量流量的减少而造成的。此外，大气温度的升高使所需的压缩功增加，因而引起燃气轮机有用功降低，也使燃气轮机的效率下降。

机组清洁和污垢对性能的影响

污垢对性能的影响主要反映在透平和压气机的通道上, 由于燃料中含有的杂质燃烧之后在燃气中形成灰垢堆积在透平的热流通道部件上、同样空气中也有灰尘经过进气滤网过滤后仍然有少量的灰尘进入压气机, 一部分堆积在压气机流道叶片上。被污垢堆积后使流道的叶片形状发生变化, 气流流动损失增大使压气机耗功增加效率下降、燃机作功效率下降, 机组整体出力和效率下降而影响机组热力性能。燃用不同燃料对机组积垢的影响不同, 天然气

由于比较干净, 几乎不对燃机的清洁度造成影响, 而原油和重油由于燃烧后燃气中灰份较多, 在透平的的热流通道中积垢很快, 因此对性能影响较大, 需要定期进行清洗以恢复机组的性能。

维修前后对性能的影响

维修前后对性能的影响主要还在于燃气轮机的流动通道的变化上, 而流动通道的变化主要在于更换部件、通流间隙的调整、对通流部分的全面清洗（清除掉日常清洗无法除去的积垢)。(1) 由于透平流动通道的部件长时间运行后,形状发生变化, 设备设计工况发生偏移, 通过大修更改掉这些部件后机组性能能向设计值靠拢, 从而恢复设备的性能。通流部顶部和底部间隙通过大修中更改部件、消除(减少) 气缸变形、对间隙的调整等手段恢复各部分的间隙在标准之内, 从而减少漏气量, 恢复设备的性能。由于燃气中带有灰份堆积在通流流道的叶片上, 使设备性能偏离设计值, 在日常的维护清洗后,大部分灰垢能够被清洗掉, 一些由于高温烧结在叶片上形成的硬垢很难通过日常的水洗和干洗清洗下来, 在大修时这些部件上的硬垢通过手工进行清除,以提高热力性能。(2) 燃气轮机机组运行长时间以后, 性能会下降, 其原因已在前面进行了分析, 其中机组积垢对性能的影响可通过清洗来恢复, 但往往叶片积垢中的坚硬部分通过清洗不容易清除完全, 即通过清洗不能百分之百恢复积垢对机组性能的影响; 叶片的腐蚀、冲刷、损伤和蠕变对机组性能的影响则必须通过检修更换部件来解决; 叶片间隙的调整, 也必须在检修中进行。

压气机性能的影响

图1 离心式压气机

压气机 compressor ，燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机由涡轮驱动，其主要性能参数有：转速、空气流量、增压比和效率等。压气机出口空气总压与进口空气总压之比称为压气机增压比，增压比相同时，理论上所需的压缩功与实际消耗的机械功之比称为压气机效率。压气机可分为离心式与轴流式两大类，兼有两类特点的称为混合式压气机。按气流流入压气机转子叶片的相对速度，压气机又可分为亚音速的、跨亚音速的和超音速三种形式。

离心式压气机

由进气系统、叶轮、扩压器、集气管等四部分组成在叶轮的中央(入口)吸入空气，离心力使空气以高速自径向进入扩压器通道，在扩压器中，气流被减速，获得压升转子和扩压器的叶片，有各种形状，根据压力-速度特性要求选用优点：结构简单，工作可靠，性能比较稳定缺点：效率较低，迎风面积大。20世纪50年代以后，除小型涡轴、涡桨发动机以外，不再使用离心式压气机与轴流压气机配合，作为压气机的最后一级研究中的离心式压气机增压比可以达到12以上离心压气机最小流量受喘振工况的限制，最大流量受阻塞工况的限制 　　可以采用变转速、进口节流、出口节流和可调进口导叶等方法进行调节，以扩大运行工况范围阻塞：气流受到叶片的作用和流线曲率的影响而收缩，在进口附近形成局部的超声速区，超声速去扩展到整个喉部截面时，气体流量达最大值，不能再增加的现象。

轴流式压气机

气体沿接近轴向流动的压气机，一般又称为轴流鼓风机；动叶加速 轴流式压气机流体，静叶起扩压器作用，把速度转化成压升。近似于反动式涡轮机的逆过程轴流压气机广泛用于燃气轮机装置、高炉鼓风、空气分离、天然气液化、重油催化等装置中压送空气和其他气体轴流式压气机的级= 一列转子叶列 （紧接着的）一列静子叶列转子叶片固定在转鼓上，静子叶片固定在气缸上动叶，动能#61664;流体，压力稍稍升高；静子列，流体的压力进一步升高 　　高压比的装置，压气机级数gt;20进口导叶，没有压升，不属于压气机第一级。目的：气流在进入第一级时获得所需要的流场分布 　　空气通过轴流压气机不断受到压缩，空气比容减小、密度增加。因而，轴流压气机的通道截面积逐级减小，呈收敛形，压气机出口截面积比进口截面积要小得多压气机流道vs涡轮流道截面积↗减速、升压动能转化成升压截面积↘增速、降压动能增加。

轴流式与离心式压气机的比较

离心式压气机 　优：压气机级压比高、有良好的运转范围 、在运转范围内能保持良好效率 制造容易、成本低 重量轻。缺点：横截面积大，损失随着级数增大，最多2级。 　　

轴流式压气机 　优： 峰值效率较高，用损失低的许多级可以达到高压比，横截面积小，质量流量大。缺：效率良好的运转范围狭窄，制造费用高，重量大，起动功率（可能）较高。

对燃气轮机的性能评价应是动态的、向多评价要素、多目标，向自然环境与社会环境的综合系统方向发展。

三.空气量变化对燃气轮机影响的研究前景

1.如何通过空气量变化来提高燃气轮机的热效率

1.1压气机入口冷却

从前面的介绍可知，在压气机入口空气温度降低的情况下，可适当提高燃气轮机组

的功率和降低热耗率，因此可在入口过滤器的下游通道中设置蒸发冷却器等冷却装置，同时在冷却装置的后方安装气水分离器或水收集器，以减少湿气穿越的可能性，否则在水分将加重压气机的负荷而影响其性能。

1.2 注入蒸汽或水

如前述，在空气进入透平之前，可通过注入蒸汽或者水，以增大质量流量，从而增加燃气轮机组的功率。注入的蒸汽必须有一定的过热度（一般考虑13℃），并且其压力是同燃料气的压力相匹配的。GE 公司燃气轮机的设计，一般考虑向燃烧器及压气机排气口注入的蒸汽量可达到压气机空气流量的5%左右。

1.3中冷循环

即将压气机分为高压和低压两部分，并在高低压压气机之间增设一个中间冷却器，利用水或者其他冷却介质对从低压压气机中排出的空气进行中间冷却，然后再进入高压压气机进行压缩。

1.4回热循环

即利用透平排出的废气对进入燃烧室的高压空气进行预热（温度可提高200℃左右），预热后的高压空气再进入燃烧室参加燃烧。在同样透平进口技术参数下，可以减少燃料消耗量，增加热效率约15%-20%左右。

1.5 再热循环

即将透平分为高压和低压两部分，并在高低压透平之间增设一个再热燃烧室，对从高压透平做功后排出的燃气进行二次供油燃烧加热，然后再进入低压透平进行做功。

2. 燃气轮机的进气冷却装置

影响燃气轮机进气冷却系统适用性的重要设计因素有: 环境温度、空气流量与燃气轮机出力的比率、燃气轮机的性能曲线、运行时数。作为压气机进气温度的函数燃气轮机性能曲线的斜率决定着冷却进气所带来的容量增益。曲线愈陡, 由冷却进气所带来的利益则更多。应注意估算出力增加值, 因为出力受限于透平轴功率或发电机变压器的kVA 额定值。对现有的机组, 可通过设计条件下的透平出力与理想的进气温度下记录的出力的比较, 来确定可能出力增加值。基本上通过制冷冷却进气, 在高温天气状况下能给出一个冬天的性能。在新机组中安装进气冷却盘管的进气结构改造的所加成本最小, 而且安装进气冷却系统在提高整个装置性能中是优先考虑的措施之一。如果需要6 小时以上的冷却, 连续冷却是最有成效的途径, 除非在现场有过量的制冷设备可用且用不着满负荷工作。这是因为冷却系统的规模正比于需要冷却的小时数。随着时数的增加,系统的规模与成本费用也相应增加。即使直接冷却要比TES 系统要求更高的制冷容量, 它的成本费用却大致相当, 因为制冷容量节省下来的费用为蓄冷罐需要的费用相抵消。连续冷却的主要缺点是同时要消耗电力驱动这个系统。平均说来,直接冷却系统的电耗约为总的发电增量的1/ 5。其主要优点是一天24 小时皆能提供发电容量增强, 而非在调峰期间的几小时。具体选择何种冷却系统全凭用户的需要, 应仔细比较连续冷却系统和TES 系统的成本/ kW之比。为正确评价一个系统胜过其它系统的适应性, 必须审估非峰率和高峰率的经济性 。

3.结束语

虽然提高燃气轮机的热效率的工作和技术很复杂，但是只要我们潜心研究，科学运用就一定能找到更好的方法提高燃气轮机的热效率，并通过各种手段达到提高燃气轮机热效率的目的。相信，随着科学的发展，一个提高燃气轮机热效率的更有效的方法和手段会被广泛的应用，从而大大提高燃气轮机的热效率。

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