董方旭
山东电力建设第三工程有限公司 山东 青岛 266100
摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对燃气轮机的应用越来越广泛。本文介绍了燃气轮机的排放要求，详尽阐述了燃气轮机的应用领域，重点研究了燃气轮机的应用与选型以及燃气轮机节能措施研究。在当前的环境局势下，针对燃气轮机节能而开展的相关研究仍有着重要而深远的意义。
关键词：燃气轮机；汽轮机；节能；发电；油气输送
引言
当前全球正在向低碳能源转型过渡，电力在能源服务中具备巨大的脱碳潜力。为实现该目标，各国政府都采取了积极的措施，逐步以燃气发电替代燃煤发电，并大力发展以风电和太阳能发电为代表的新能源，探索低碳、清洁、可持续的能源供应模式。
1燃气轮机排放要求
在燃气轮机运行过程中，燃料气、空气中的氮气与空气中的氧气会在燃烧室内部高温作用下发生化学反应而产生氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)，因此，燃气轮机排放尾气中就含有较多的NOx和CO。NOx排放到大气中，容易产生酸雨、雾霾、光化学污染、地表水的酸化等增加水体毒素含量;CO排放到空气中，容易被人体吸入中毒。这两种物质对人体和环境都有严重的危害。国家标准GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》规定燃气轮机NOx排放限值为50mg/m3。北京市地方标准DB11/847—2011《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》规定燃气轮机NOx排放限值为30mg/m3。这些规定对燃气轮机燃烧系统的设计制造提出了更高的要求。
2燃气轮机的应用领域
燃气轮机有很多种形式，按其应用领域通常可分为以下几种。1）用于发电。燃气轮机用于发电领域时所驱动的负荷为发电机组，大多是单轴等转速运行，是目前最主要的一种应用方式。2）驱动通用机械。在该领域中燃气轮机所驱动的负荷为风机、压缩机、泵等设备，多为分轴型，输出轴转速可变。3）用于车辆动力装置。燃气轮机可用作车辆动力来源，驱动车轮，多为分轴，输出轴转速可变，在坦克装甲车辆、机车车辆、汽车等领域得以应用。4）用于舰船动力装置。燃气轮机也用作舰船动力装置以驱动螺旋桨，多为分轴或多轴，且输出转速可变。
3燃气轮机的应用与选型
3.1发电领域
（1）燃气轮机简单循环发电。燃气轮机驱动一台发电机便构成了燃气轮机发电机组。该系统结构轻巧，初始投资低，占地少，耗水少或不耗水，且安装方便，建设周期短，启动迅速，运行灵活，排气干净，烟尘及未燃碳氢化合物（UHC）、CO和NOx的排放量都很少，可满足国际上最严格的环保要求，而且可实现室外安装，自动化水平高，可实现无人运行或遥控运行，非常适合公用电网的尖峰负荷机组。该发电机组可安装在用电比较集中的用户附近，实现城市电网自行调峰，进行分布式能源供给，以减少长距离输电损失。一般公用电网配有10%～15%容量的燃气轮机发电机组，即可确保电网的供电质量。目前，燃气轮机发电机组的规格型号比较多，通常为单轴定转速运行，单机功率范围可从数百千瓦到数百兆瓦，选择余地较大，而且多为箱装体结构，运输安装都较为便捷。（2）燃气轮机联合循环发电。利用燃气轮机发电机组的高温排气，加装余热锅炉产生过热蒸汽，驱动一台汽轮发电机组，以此构成了燃气-蒸汽联合循环发电机组，使总发电量和发电效率得以大幅提升，可用作公用电网的基本负荷机组。
3.2材料及制造工艺技术
提高叶片的耐温等级及综合性能，将制备工艺从传统熔模精密铸造逐步发展到了先进定向结晶及单晶制备工艺，与之对应的涡轮叶片用材发展到等轴晶铸造高温合金、定向结晶高温合金和单晶高温合金。
3.3加强机组维护检修管理
DLE燃烧技术对燃烧器的检修周期影响非常明显。
燃烧器出现燃烧不稳定，会产生火焰筒压力的剧烈脉动，同时伴随有不同频率的噪声，所以DLE机组都专门安装有噪声检测仪，通过噪声标准设定来监测机组的噪声，判断燃烧器燃烧的稳定状态，并通过控制系统及时调整机组燃料供给，减缓噪声以减轻对机组热通道部件的影响。所以，DLE机组要严格执行供应商的机组维护检修建议，不能将机组按照常规非DLE机组的维护方式来进行维护检修。加强开展机组热通道部件孔探检查，加强燃料气系统的全面检查和测试，确保机组安全可靠运行。
3.4气动设计技术
进一步提高压气机与透平部件性能，研究可控涡设计、自由涡设计、掠弯扭叶片技术、多圆弧叶型、可控扩散叶型、间隙流动控制等技术，减小各类损失。如采用压气机多级可调叶片技术，压气机附面层抽吸技术、流动稳定性被动与主动控制技术等。国外已发展到全三维非定常流动分析与优化等精细层次各异的设计方法。我国叶轮机械气动设计领域取得了较大的发展，同西方多年建立的燃气轮机研发平台相比，还存在较大的差距，理论建模及开发方法掌握不足，试验数据积累少，数据库待补充。
4燃气轮机节能措施研究
4.1利用排气直接供热
燃气轮机的排气温度较高，通常约为450～600℃，流量大，蕴含了大量可利用的热能。将该部分热能直接用于干燥物料，加热其它液体并向相关设备供热，是最简单的排气余热利用方案。
4.2燃气轮机智能化
与国外相比，我国燃气轮机智能化技术起步较晚、落后于国际先进水平。未来的燃气轮机控制系统应该是一个综合智能管理系统，因此应具有基于运行优化、寿命管理、环保要求、投入产出效益、以及运行安全可靠性、舰船管理等的一体化控制的特点。
4.3热电型联合循环
将常规联合循环系统中的凝汽式汽轮机替换成背压式或抽气式汽轮机，使其排气或抽气用于供热，便构成了热电型联合循环。此时，系统的总能源利用率可高达80%～90%。对于蒸汽回注燃气轮机，还可以将余热锅炉中产生的蒸汽，一部分注入燃气轮机用于发电，另一部分直接用于供热，从而对热负荷有更好的调节适应性能。
4.4蒸汽联合循环发电
在联合循环机组中应用的汽轮机与常规汽轮机的结构基本相同，主要差别是由定压调节改为滑参数调节，即当负荷降低时，汽轮机前的蒸汽压力并非保持不变，而是随负荷一起降低，以减少汽轮机末几级的蒸汽湿度，提高内效率。此外，由于可利用余热锅炉产生的低压蒸汽加热给水，故可去掉常规汽轮机组的给水加热抽气系统。如果应用了双减压或三压余热锅炉，则汽轮机应设计成可从中间级补充供入低压蒸汽组的结构，以提高整个系统的效率。在联合循环中应用的余热锅炉有无补燃余热锅炉、部分补燃型余热锅炉、充分补燃型余热锅炉三种形式。无补燃余热锅炉联合循环的发电量约比燃气循环发电量增加1/3～1/2，不增加燃料消耗量，系统发电效率可以得到大幅度提高。如果应用补燃型余热锅炉，通过燃烧一部分补充燃料，显然可使蒸汽产量和蒸汽循环部分的发电量进一步增加，但系统发电效率却未必高于无补燃余热锅炉联合循环。如果将燃气轮机发电机组的高温排气送入锅炉，代替燃料燃烧的助燃空气，并产生蒸汽以驱动汽轮发电机组，所构成的联合循环发电方式被称作排气再燃型联合循环发电方案。
结语
综上所述，燃气轮机作为广泛应用的热力涡轮机械，以其突出的性能优势，在未来的工业生产、经济建设及国防领域仍将发挥重要的作用。在当前的技术体系下，针对燃气轮机的节能而进行的相关研究仍有着深远的意义。
参考文献
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