[科普中国]-燃气涡轮发电机

简介

燃气涡轮发电机的基础知识 ：可以满足几乎一切包括办公大楼、医院、学校、商店的建筑物的用电需求。 涡轮发电机出来的废气是吸收式制冷机的理想热源，被用来制冷、采暖和提供卫生热水。因为同燃煤电厂的废气相比，其废气的杂质、含硫量均很低，其次最为显著的是其含氧量较高，可达15%以上，可以作为直燃机的助燃空气，进行第二次燃烧。 燃气涡轮发电机通常被用作在夏季电力尖峰时的调峰。然而，由于夏季气温很高，导致了燃气轮机的出力严重不足，效率降低。因此，溴化锂制冷机通过利用涡轮发电机的排气制冷来冷却涡轮发电机的进气，则可以大大提高涡轮发电机的出力和效率。目前已被证明是非常有效的节能方式。 涡轮发电机通常由透平、变速箱、发电机、进气增压器、排气系统组成。 涡轮发电机系统按其流程的不同，分为：联合循环、简单循环和前置循环。联合循环通常由余热锅炉回收燃气轮机的排气产生蒸汽，再驱动蒸汽轮机发电，或直接提供蒸汽，是新建电厂的常见流程。 溴化锂吸收式制冷机可以通过回收燃气轮机或余热锅炉的排气余热或余热锅炉的中、低压蒸汽进行制冷，实现冷热电联合循环。1

现状目前，燃气轮机发电技术已普及我国各大热电厂。但是，燃气轮机在使用过程中必须面对的维护问题并不乐观。由于天然气的洁净程度未必得到有效控制，天然气中的杂质很容易在压气室积聚，甚至腐蚀基体金属。很多时候使用厂家在引入燃气轮机燃烧前必须经过过滤工序。尽管经过过滤，压气室依然存在杂质积聚和基体金属腐蚀的现象。因此，燃气轮机必须定期清洗。否则，燃气轮机的效率会逐渐降低，同时影响使用寿命。然而，传统的高压气体和高压水冲洗效果并不显著。在很长一段时间里，这种情况是无可奈何的。然而，最近世界化学品供应商巨头CHEMETALL研发出针对燃气轮机的压气机清洗剂可以在不腐蚀基体金属不拆卸的前提下进行有效清洗。据说，国外的电厂有部分已经使用，而且效果显著。

发展史中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。
1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。
1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13%、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。
随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。
1939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。
随着高温材料的不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。
与此同时，燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。
在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；50～60年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到70年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。

工作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，随即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平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，因而燃气透平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℃。1