燃气轮机

燃气轮机

基本简介编辑燃气轮机在空气和燃气的主要流程中,只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环,通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。压气机从外界大气环境吸入空气,并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压,同时空气温度也相应提高;压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体;然后再进入到透平中膨胀做功,推

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    燃气轮机在空气和燃气的主要流程中,只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环,通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。
    压气机从外界大气环境吸入空气,并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压,同时空气温度也相应提高;压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体;然后再进入到透平中膨胀做功,推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转,实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功,并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样,燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能,又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中,压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的,它是透平的负载。在简单循环中,透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机,其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候,首先需要外界动力,一般是起动机带动压气机,直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时,外界起动机脱扣,燃气轮机才能自身独立工作。

    发电形式

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    简单发电

    由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统,也称为开式循环。其优点是装机快、起停灵活,多用于电网调峰和交通、工业动力系统。目前的最高效率的开式循环系统是GE公司LM6000PC 轻型燃气轮机,效率为43%。

    发电

    由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统,它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收,转换为蒸汽或热水加以利用。主要用于热电联产,也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。最高效率的前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120 轻型燃气轮机,效率为43.3%。前置循环热电联产时的总效率一般均超过80%。为提高供热的灵活性,大多前置循环热电联产机组采用余热锅炉补燃技术,补燃时的总效率超过90%。

    热电联产

    燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统,它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽,再将蒸汽注入蒸汽轮机发电,或将部分发电作功后的乏汽用于供热。形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环,也有燃气轮机、蒸汽轮机各自推动各自发电机的多轴联合循环。主要用于发电和热电联产,发电时的最高效率的联合循环系统是ABB公司GT26-1,效率为58.5%。

    整体化循环

    由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循环系统,也称为IGCC。主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用气体、液体燃料,提高煤炭利用效率,降低污染物排放。可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。GE公司使用MS7001F技术组成的整体循环系统发电效率可达到42%。

    联合循环

    由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。通过燃气轮机排出的烟气再热核反应堆输出的蒸汽,主要为提高核反应堆蒸汽的温度、压力,提高蒸汽轮机效率,降低蒸汽轮机部分的工程造价。目前处于尝试阶段。

    辅助循环

    在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中,使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统,为锅炉预热、鼓风,改善燃烧,提高效率,并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统运行的。

    燃气烟气

    由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统,利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热焓进一步推动烟气轮机发电。该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水,但烟气轮机造价较高,还未能广泛使用。 [5] 

    燃气热泵

    由燃气轮机和烟气热泵,燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵,或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵,以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽(烟气)热泵组成的能源利用系统。该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后,进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用,或将动力直接推动热泵。这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷使用,该系统热效率极高,如果用于直接供热,热效率可达150%,是未来能源利用的主要趋势之一。

    混合燃料电池

    美国能源部宣布开发出了世界第一个将燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备,这种设备能更有效地产生电力并大大减少环境污染。据了解,这一设备的燃料电池由1152个陶瓷管构成,每个陶瓷管兼做一块电池。电池以天然气为燃料,能放出高温高压的废气流,燃气涡轮机则用燃料电池产生的热废气流制第二轮电力。由于燃料电池中没有燃烧过程,只是通过化学分解天然气燃料来产生电力,因此可以大幅度减少污染。 设备不会产生二氧化硫,其反应产物中的氮氧化物含量不及天然气发电设备的2%,二氧化碳排放量则减少了15%。而且,只要有天然气和空气存在,燃料电池就能工作。新型发电设备的发电功率为220千瓦,能为200户人家提供电力。其发电效率达到55%,这意味着来自天然气燃料的能量中有55%转化成了电能,远远高于燃煤发电设备的35%发电效率,也高于燃气涡轮机50%的发电效率。

    国内状态

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    燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体,燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平,是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一,具有十分突出的战略地位。 [6] 
    由于多方面的原因,我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的产业。诸多领域动力落后的状态,已成为制约国民经济发展的“瓶颈”,其技术仅被世界上少数几个发达国家所控制,先进的燃气轮机在西方国家仍然限制对华出口。
    燃气轮机属于重大核心装备,如果长期依赖进口,在关键技术上受制于人,不利于我国燃气轮机动力产业及相关产业的健康、快速发展。从市场容量看,我国新世纪四大工程中“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等三大工程均需要大量30兆瓦级工业型燃气轮机,同时我国舰船制造业的健康快速发展需要大量30兆瓦级舰船燃气轮机,我国已成为世界最大的燃气轮机潜在市场。
    面对经济全球化、国际燃气轮机市场激烈竞争和国外高度垄断的新形势,国家对我国民族燃机产业的发展非常重视,国家发改委和科技部已经将我国燃气轮机市场发展的思路和对策纳入“十二五”及长期发展规划中,重型燃气轮机是国家优先发展的10项重大技术装备之一。是国家装备制造业重点发展的领域,特别是燃气-蒸汽联合循环机组和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环机组。预计随着中国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机正在形成一个“爆发性增长”的市场。到2020年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦,是2000年之前50年已建成同类装机容量的25倍。保守估计,仅中石油一家,每年需要的燃气轮机价值就达到了30亿元。到2015年,国内燃气轮机的市场容量能达到300亿元,而国际市场容量则能达到2700亿元。