某航改型燃气轮机发电机组应用于通信电源系统可行性浅析

王巍龙，马玉龙，宋文超

(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043)

通信电源系统是通信系统的一个组成部分，常被称为通信系统的“心脏”[1]，对于电信运营商而言，通信系统的故障将会造成巨大的经济损失和不可估量的政治影响。为了保证通信畅通，必须对通信电源给予足够的重视，并采取各种必要措施，以达到通信电源高可用性的要求。

随着通信行业的不断发展，通信设备容量逐步增大，通信系统所需备用电源的容量也越来越大。以往通信系统备用电源多采用柴油机为原动机的发电机组。由于柴油机单机功率较小，体积/功率比较大，因此大功率输出的备用电源需要的柴油发电机组台份也相应增加，占地面积大，导致经济性较差。目前，通信系统运营商已逐步着眼于燃气轮机发电机组作为备用电源。

某航改型燃气轮机发电机组是我国首台具有完全自主知识产权的10 MW级航改型燃气轮机发电机组，已入驻能源行业，在大型煤矿集团、油田公司成功累计运行数万小时。针对此次作为备用电源进入某大型通信枢纽工程、迈入通信行业尚属首次，这也是燃气轮机未来发展的新课题。本文介绍了通信系统备用电源的使用特点及要求，以及燃气轮机发电机组与柴油机发电机组相比的优势及特点，为某航改型燃气轮机发电机组应用于通信电源系统提供技术论证基础。

1 通信用燃气轮机发电机组技术要求

2012年12月，工业和信息化部颁布了行业标准《通信用燃气轮机发电机组》(YD/T 1269—2012)，该标准适用于作为通信备用电源的功率在500～10 000 kW以燃气轮机为原动机的发电机组[2]。标准中对燃气轮机发电机组的主要性能要求如下：

(1) 电压整定范围：机组的空载电压整定范围应不小于95%～105%的额定电压。

(2) 波形畸变：机组在空载额定电压时的线电压波形正弦性畸变率应不大于3%。

(3) 电压特性和频率特性：机组的电压和频率特性应满足表1的要求。

(4) 不可用度：燃气轮机发电机组在规定使用寿命期间内，在规定使用条件下，平均故障间隔时间(MTBF)应不小于2 500 h，不可用度应不大于5×10-4。

(5) 启动成功率：启动成功率不小于99.4%，达到额定转速后即能带额定负载运行。

(6) 过载能力：机组的过载能力不小于110%的额定负载。

表1 机组的电压特性和频率特性指标

2 某航改型燃气轮机发电机组技术现状

2.1 工作原理

燃气轮机工作时旋转的压气机将外界大气吸入燃气轮机。气流经过压气机增压后，进入燃烧室，与由燃料系统控制喷入的燃料混合，进行点火燃烧以达到预定的高温，高温高压的燃气流经过高压涡轮和低压涡轮膨胀做功，带动高压压气机和低压压气机连续不断地吸气增压。经过燃气发生器涡轮做功后的燃气流虽然温度、压力有所降低，但仍然很高，经过动力涡轮再次膨胀做功，动力涡轮通过齿轮箱带动发电机旋转，发出电功率，动力涡轮排出的燃气通过排气涡壳排入大气。

2.2 结构简介

某航改型燃气轮机发电机组由某航改型燃气轮机、成套设备及系统组成。

2.2.1 燃气轮机

某航改型燃气轮机由进气道、燃气发生器、动力涡轮及排气装置组成，见图1。燃气发生器、动力涡轮为轴流式结构。燃气发生器为双转子结构，动力涡轮为单转子结构，功率由动力涡轮后输出。

图1 某航改型燃气轮机的组成

燃气发生器主要由4级低压压气机、7级高压压气机、环形燃烧室、1级高压涡轮、1级低压涡轮、空气系统、传动系统及润滑系统等组成。

低压压气机转子与低压涡轮转子组成燃气发生器低压转子。该转子支承在3个主轴承上。高压压气机转子与高压涡轮转子连成一体，组成燃气发生器的高压转子。该转子支承在两个主轴承上。在低压涡轮轴上设置1个轴间辅助支承。燃烧室为高能电嘴直接点火。燃气发生器的起动由附件机匣上的液压马达驱动。

动力涡轮由整流器、扩压器、静子、转子、主承力环组件、轴承机匣、排气装置、隔热层和支撑平台等组成。

2.2.2 成套设备及系统

某航改型燃气轮机发电机组成套设备主要包括：燃气轮机发电机组罩壳、燃机/发电机底座、减速齿轮箱、高/低速联轴器、液压马达、交/直流滑油泵、排气蜗壳等。其所构成的主要系统包括：进/排气系统、燃料供给及调节系统、燃气发生器/辅机润滑系统、水清洗系统、燃机罩壳通风冷却系统、液压起动及控制油系统、高/低压电气系统、二氧化碳自动灭火系统、交/直流电气系统、测量及控制系统等。

设备及系统结构简介：

(1) 进气系统为钢框架结构，主要有防雨罩、惯性分离器、过滤器、消音器、弯段等组成。其中集气室内布置有自清式过滤装置，保证机组在沙尘暴天气中正常工作。进气系统通过稳压室将径向气流转变为燃气轮机的轴向进气。

(2) 液压起动及控制油系统及二氧化碳自动灭火系统安装在独立的撬体内，设置在进气系统的下端，液压起动及控制油系统通过管线与燃气轮机液压马达、燃料调节阀连接。

(3) 燃气轮机外设置罩壳结构，燃气轮机罩壳具有隔热、降噪等功能。罩壳内部设置防爆照明、灭火喷头及火焰、可燃气体浓度、温感等探测器，燃料调节系统及各种管路。燃气轮机罩壳顶部有通风机。从进气系统中抽取一部分空气鼓入罩壳内以降低罩壳内的温度。燃气轮机通过排气蜗壳从侧部排出高温气体到排气系统。

(4) 罩壳、燃气轮机、减速齿轮箱安装在燃气轮机底座上。燃气发生器润滑系统设置在罩壳内部，冷却器在罩壳外就近布置。罩壳设置内外检修、巡视走台，在燃机罩壳内设置滑轨，能够将燃气发生器通过罩壳上的拆卸门平移出。

(5) 发电机罩壳具有降噪、隔热功能，内部设置防爆照明。罩壳、发电机安装在发电机底座上。辅机润滑系统滑油箱与发电机底座为一体结构，主滑油泵设置在齿轮箱上，交/直流滑油泵及散热器等设备设置在滑油箱上。罩壳设置内外检修、巡视走台。罩壳两侧有发电机出线柜及中性柜。

(6) 罩壳及底座通过螺栓连接，低速联轴器穿过罩壳隔板将减速齿轮箱与发电机联接。

(7) 水清洗系统为可移动式。

(8) 机组控制系统、CO2灭火控制系统、高低压电气设备及检修室等设置在机组旁的建筑内。

2.3 主要性能指标

某航改型燃气轮机发电机组主要性能指标见表2。

表2 某航改型燃气轮机发电机组主要性能指标

2.4 技术水平

某航改型燃气轮机是我国首台具有完全自主知识产权的中档功率轻型燃气轮机[3]，是在航机基础上派生发展而成，继承了航机先进的设计技术，同时作为地面用发动机，摒弃了零件减重的束缚，在总体性能、结构、空气系统等方面进行重新匹配设计，历时十余载的研制，主要技术水平体现在：

2.4.1 高使用寿命燃气发生器

通过对原有航机结构、材料等的改进设计，提高了国产燃气轮机的使用寿命，燃气发生器首翻期8 000 h，总寿命达到30 000 h。

2.4.2 高性能、高使用寿命动力涡轮

燃气轮机发电机组的动力涡轮是我国首台采用准三维气动设计、全三维校准计算的先进设计体系，采用复合弯扭、叶型后部加载、尾迹管理等先进设计技术设计的双级动力涡轮，效率达0.91以上，高性能、高使用寿命，首翻期25 000 h，总寿命达到100 000 h。

2.4.3 PLC控制系统成熟可靠

突破了PLC(Programmable Logic Controller)用于燃气轮机控制的先例，成功采用成熟可靠的PLC可编程逻辑控制器，全权限电子控制系统性能先进、可靠性高、长寿命、低成本。

2.4.4 燃料调节系统自主研制

燃料调节系统自主研制、成本低，具有可靠性好、使用灵活、调节稳定及精度高等优势。

2.4.5 运行稳定、可靠

某航改型燃气轮机已成功在国内外多个电厂并网发电，大量发电运行经验证明，某航改型燃气轮机运行稳定、可靠，主要技术指标已达到设计要求。

3 某航改型燃气轮机发电机组用于备用电源的综合性分析

3.1 某航改型燃气轮机结构性能优势分析

相比于柴油机发电机组，某航改型燃气轮机发电机组具有如下结构及性能等方面的优势：

(1) 发电品质好

燃气轮机发电机组电调反应速度快，输出电压和频率稳定、波形失真小、应对瞬时过载能力强，可获得优质、稳定的电力。

(2) 起动可靠、加载时间快

燃气轮机继承了航机点火可靠性高、加载速度快的特点，采用点火能量20 J的高能点火器，具有良好的低温起动性能，即使在大庆某电厂的寒冷气象条件下，起动成功率也在99.5%以上，机组起动3 min达到同步慢车，然后在2 min内输出功率可由0加载到额定负荷。

(3) 燃料多样化、尾气排放污染小[4]

可使用多种燃料，如柴油、煤油、天然气、中热值燃料气等，燃烧效率在99%以上，所以不会产生黑烟，其NOx排放指标也优于柴油机发电机组。

(4) 振动小、噪声低

燃气轮机振动小，大约为同功率等级柴油机的1/4，其噪音为高频噪声，易于减弱，正常工作条件下，距设备外壳1 m、高1.5 m处的噪声值不大于85 dB(A)，距燃气轮机机组箱装体外120 m处的声压级不大于60 dB(A)。

(5) 体积小、重量轻

燃气轮机的零件只有柴油机的1/10，在不计附件情况下，燃气发生器与动力涡轮约为6 m×3 m×3 m，重约1.2 t，因此燃气轮机发电机组体积相对较小、重量较轻，厂房占地面积可以减少50%。

(6) 风冷散热

燃气轮机发电机组采用风冷散热器，无需冷却水，可以免除水系统的故障(如泄露、沸腾、污水等)，增强系统安全性。

(7) 全自动监控系统

电调系统对机组的待起动状态、起动、带载运行及停机的全部过程实行自动调节和监控，机组的所有运行参数均由计算机控制，装有自动报警和自动保护系统，可确保发电机组的安全运行，操作简单、维护方便。

(8) 维护保养简单、大修间隔长

燃气轮机的维护保养需按操作规程进行，运行检查每2 000 h进行一次，操作简单，结构件不需要调整，并且相对于柴油发电机组的配置数量少，维护工作量少。作为紧急备用电源使用，每10年进行一次大修，间隔时间长。

3.2 某航改型燃气轮机发电机组的经济性分析

某航改型燃气轮机发电机组的制造成本与运行成本的经济性与柴油机发电机组相比，虽然略有逊色，但综合考虑工程造价、建设投资等因素却更具优势：

(1) 由于燃气轮机内部工作温度高，大量零件采用高温合金等耐高温材料制造，以及为保证结构强度及性能，部分零件采用特殊工艺制造，所以对于单机来说，某航改型燃气轮机主体价格较贵，但把附属设备费用以及匹配同功率等级的多台柴油发电机组计算在内，则设备采购成本相近，并且减少土地消耗，节省工程建设费用。

(2) 某航改型燃气轮机发电机组热效率约为30%，相对较低，燃油消耗较大，长时间运行，运转费用高，但作为备用电源应急供电使用时，运行时间短，运转费用接近于柴油机发电机组，并且维护工程更简单，人工、损耗成本更低，长远来看经济性更高。

3.3 燃气轮机发电机组的应用前景分析

燃气轮机发电机组作为通信设备的备用电源应急供电，应用前景更加光明[5]，具体表现在：

(1) 排放污染小、噪声低、无需冷却水，节能减排,更加绿色清洁，更符合未来环保发展趋势。

(2) 启动成功率更高，输出电力优质、稳定，应对瞬时过载能力更强，能够更加可靠地保证通信设备的应急供电。

(3) 体积小，占用土地面积少，对于日益飞涨的地价，长远经济优势更突出。

(4) 技术含量高、运行能力强，更能激发通信行业备用电源系统建设、运行维护的模式创新。

4 总结

某航改型燃气轮机发电机组作为备用电源应用于通信电源系统，不仅能够满足通信设备应急供电需求，同时与柴油机发电机组相比更具多方面优势以及综合性价值：

(1) 某航改型燃气轮机发电机组输出功率超出了通信行业的标准范围，但机组的主要性能能够满足标准要求，符合通信行业客户需求，填补了通信领域中等功率备用发电机组的空白。

(2) 相比于柴油发电机组，某航改型燃气轮机发电机组具备发电品质好、起动加载效率高、尾气排放污染小、自动化程度高、维护保养简单等优势。

(3) 某航改型燃气轮机发电机组的制造成本与运行成本的经济性与柴油机发电机组相比，虽然略有逊色，但综合考虑工程造价、建设投资等因素却更具优势。

(4) 燃气轮机发电机组作为通信设备的备用电源应急供电，经济环保，更可靠，更能激发产业创新，应用前景更加光明。

(5) 某航改型燃气轮机发电机组应用于通信电源系统标志着国产中等燃气轮机发电机组的技术水平已经具备与国外备用柴油发电机组竞争的实力。