燃气轮机与汽轮机的对比研究及未来发展分析

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

燃气轮机是由高速旋转叶轮构成的，将燃料燃烧产生的热能直接转换成机械功对外输出的回转式动力机械。现代的燃气轮机由压气机燃烧室和涡轮组成，压气机和涡轮均为高速旋转的叶轮机械，是气流能量与机械功之间相互转换的关键部件[1-3]。

1 燃气轮机与汽轮机的对比

1.1 工作特点

汽轮机是与锅炉等设备组成的蒸汽动力装置，不仅锅炉体积庞大，且装置所需辅机和设备较多，系统复杂，故整个装置占地面积大，所需厂房空间大。由于要用大量冷却水，锅炉排污和蒸汽漏损等需不断补充水，因而耗水量大。燃气轮机体积小，尺寸紧凑，故占地面积小，厂房小，且大量机组为露天布置而不需厂房。亦正因为这一原因，以及燃气轮机为快装机组，使得燃气轮机电站的建设周期较短，一般在1年以内，而汽轮机电站建设往往需3年左右。目前，国外燃气轮机电站的造价显著低于同功率汽轮机电站的造价。

锅炉中可方便地燃煤，这是汽轮机电站的优点。而燃气轮机中尚难以直接燃煤，燃煤的煤气化联合循环虽然技术已趋成熟，但由于造价还较贵等原因使推广应用尚需时日。

燃气轮机的工质是空气，不是水蒸汽而不需冷却凝结，工作时仅润滑油需少量水冷却，当改用空气冷却后就无需用冷却水了，故燃气轮机用水少或可不用水。当燃气轮机与汽轮机组成联合循环后则需耗水[5]，但由于汽轮机功率仅为总功率的1/3左右，故耗水仅为同功率蒸汽电站的1/3左右。

1.2 功率与效率

汽轮机单机功率最大已逾1800 MW，而燃气轮机单机功率最大已逾400 MW[6]，两者相差较多。近年来成功投运的超临界蒸汽参数的蒸汽电站，供电效率达40%～42%，与燃气轮机电站达到的最高效率相当。但在部分负荷下，燃气轮机效率一般比汽轮机装置效率下降得多一些。

1.3 结构

从工作原理来看，汽轮机与燃气轮机中的涡轮相同，都是将工质中具有的能量转换成机械功的部件。但因工作参数、工质和调节等的不同，具体的结构有较大的差异。汽轮机的蒸汽初参数，亚临界为16 MPa、550℃，超临界为25 MPa、560℃，而燃气轮机工作压力最高的仅3.5 MPa。可见汽轮机的工作压力高，而燃气轮机的工作温度高[7]。其次是汽轮机的排汽背压很低，接近真空状态，而燃气轮机的最低工作压力即大气压力，可见汽轮机中工质的压力降落很大，远远高于燃气轮机，即汽轮机中的焓降很大使工作级数很多。大功率汽轮机均用再热，一般分为高压缸、中压缸和低压缸三个部分[8]。汽轮机中还由于压力降落很大，前后的蒸汽容积流量相差很大，受末级叶片高度的限制，低压缸在容积流量较大时要采用左右分流的双流型。大功率汽轮机中，随着功率的增大，低压缸要用两个或三个双流低压缸并联工作，乃至中压缸也采取双流结构。可见大功率汽轮机的轴向尺寸是很大的。

汽轮机一般采用水平中分结构，用滑动轴承支承转子。大功率汽轮机由于蒸汽初压高，高压缸采用双层汽缸，减少外缸承受的压力和温度，减少外缸的厚度[9-10]，而内缸工作温度高但内外压差小，汽缸壁厚较薄，这样在启动时可减少内外缸的热应力，有利于启动。另有将高压缸外缸设计成无水平中分面的圆筒形结构的，内缸仍有中分面，但垂直于地面[11]，这样外缸无尺寸很大的水平中分法兰，是一整体圆筒，利于承受高的压力和均匀的热膨胀以减少热应力。但这样的结构需用轴向装配，拆装较麻烦。

汽轮机转子有轮盘套装在轴上的套装式、整锻式和焊接式三种结构，套装式主要用于中低压汽轮机中。

除部分中小功率汽轮机有采用弹性板支承结构外，均采用类似支座支承的结构。通常，汽轮机在制造厂装配试车后，分解为上半静子、下半静子和转子分别装箱运输，运至现场后再将其装配起来，现场的安装工作量大、周期长。后来有的制造厂按照燃气轮机整体运输安装的经验将汽轮机设计成快装式，在制造厂内装配调试好后整体运输和安装，进而将大功率汽轮机的高压缸和高压中压缸（两者合缸）设计成快装式，整体运输和安装，这样不仅安装周期缩短，且能节省15%～20%的安装费用。此外，汽轮机的输出功率是通过调节进汽量来改变的，故在进汽处有调节阀[12]。燃气轮机的输出功率是通过调节供给的燃料量来改变，在压气机与涡轮的气流道中无阀门，工质参数变化取决于机组的平衡运行规律。

教学资源是教学内容的主要载体。根据巴班斯基教学过程最优化理论，最优化的教学内容应符合“实践价值”符合“学生年龄可能性”符合“规定学习该材料的时数”等。[11]因此，视听说教学资源应适量、应适切和重实践。首先，所选资源的“视听”与“说”比例恰当，避免“只听不说”“只说不听”；其次，所选资源的主题应有关联性，即，听说资源互为补充；再次，所选资源应贴近时代,学生能学以致用。

1.4 运行

汽轮机中的蒸汽由锅炉供给，故启动时将锅炉产生的蒸汽导入汽轮机后即能旋转加速，不像燃气轮机那样需专门的启动装置。但是，由于汽轮机的工质为水蒸汽，输送蒸汽的管道较长，辅助设备较多，汽轮机的零部件如汽缸等设计得较为厚重，使汽轮机的启动操作较为复杂，需时长。例如，汽轮机冲转（开始旋转）前要对蒸汽管道进行暖管，减少管道的热应力和防止管温低使蒸汽在其中凝结成水流入汽轮机中形成水冲击，其次是要开启抽气器使凝汽器中建立一定的真空，这些都需要时间。而当汽轮机冲转后的暖机时间也很长。因此，汽轮机的启动时间通常会以数小时来计算。例如，冷态启动至额定转速的时间，100 MW高压汽轮机需要时长约3 h，300 MW亚临界再热汽轮机需要10 h以上。从并网发电升负荷至额定功率的时间也很长，上述100 MW的需要4 h，300 MW的需要30 h以上。再考虑到锅炉点火启动的时间，整个蒸汽动力装置的启动时间是相当长的。而燃气轮机启动需时仅数分钟至0.5 h，并网发电至满负荷的时间也较短，可见燃气轮机启动快的优点突出。

鉴于燃气轮机能快速启动和快速适应负荷需求的变化，燃气轮机很适于带尖峰负荷作调峰运行，以及作备用机组。燃气轮机还由于效率高而适于带基本负荷，联合循环则更是如此。因此，燃气轮机适用于各种不同的负荷需求，而汽轮机适于带基本负荷。

2 燃气轮机的发展与应用

燃气轮机除大量用于电站发电外，还在多种领域获得广泛应用。首先在航空领域的应用占有绝对优势。实用的航空发动机计有涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮轴发动机等四种，前两者为喷气推进[13]，后两者输出轴功率。前三种用于一般飞机，其中涡轮风扇发动机的推进效率高，耗油率低，得到很广泛的应用。涡轮轴发动机用于直升机。

20世纪60年代末，轻型燃气轮机被确认为军舰用的最佳推进动力，此后在排水量为数千t的驱逐舰、护卫舰中被广泛应用，在气垫船中也大量应用。近年来，以轻型燃气轮机驱动水泵喷水推进、航速达到40～60 kn（1 kn=1.85 km/h）的高速渡船应用发展很快，原因是轻型燃气轮机的体积和重量仅分别为高速柴油机的1/7和1/18左右，有效地节约了空间和重量，以多载客货，且航速快增加了往返次数，提高了营运效益。

在车辆中，燃气轮机也有较大的发展前途，已用于某些主战坦克中，如M1和T-80坦克。民用车辆更着重于经济性，要求低的平均耗油率，故燃气轮机的应用还处于试验阶段。

天然气管道输送的增压站中，用燃气轮机驱动的增压机组，在20世纪60年代就被确认为最佳的动力，如今的应用已占绝对优势[14-15]。在大容量的原油管道输送中情况也类似。

在石油和化工等工业部门中，大量应用燃气轮机来驱动各种泵、压缩机和发电机等。为提高能源利用率，实现节能[16]，还大量以热电联供方式被应用，即在输出功率的同时，用余热锅炉产生蒸汽供应生产的需要，进而还可实现热电冷三联供以更有效地利用能源。因此，燃气轮机的适用面很广，已成为热机中的一支劲旅。

3 燃气轮机未来发展趋势研究

自1939年燃气轮机实际使用以来，简单循环机组效率得以显著提升，其进展巨大，这与燃气初温的提高至当今水平密不可分。例如，在20世纪60年代涡轮应用冷却叶片后，燃气初温提高出现跳跃，之后提高速度加快，相应地机组效率的提高速度也明显加快。

近年来，燃气初温超过1500℃的航空发动机已投运，燃气初温达到1700℃的涡轮研制工作已展开。因此，简单循环机组效率达到并超过45%已指日可待。机组效率的提高还与过去年代中压气机和涡轮的效率的提高有关。例如，目前已对燃气轮机的涡轮部分进行了改进，提高了涡轮效率，在略为提高空气流量和燃气初温的情况下，机组功率从41.0 MW提高到44.6 MW，效率从40.0%提高到42.6%。显然，随着技术的进展，今后压气机和涡轮效率将继续提高。就目前压气机、涡轮和机组效率所处的水平，压气机效率或涡轮效率若提高1%，则机组效率相应能提高0.6%或1.0%，影响较大。

此外，从联合循环方面来看，部分效率达60%的联合循环机组已投入运营，这标志着热机的热能利用水平提高到一个新的高度。显然，随着燃气轮机技术的进展，在这之后联合循环的效率将进一步提高。另外，燃煤的联合循环，主要是其中的整体煤气化联合循环（IGCC），它不仅效率高，且污染排放很低，这正是人们追求的目标。

现已有多座IGCC电站投入商业示范运行，标志着IGCC技术已趋于成熟。目前主要的问题是IGCC电站造价比燃煤的蒸汽电站高不少。但根据发展预测，再过数年以后，IGCC电站的造价将与燃煤蒸汽电站相当，而效率将明显高于燃煤蒸汽电站，从而可建立大量燃煤的联合循环电站，扩大燃气轮机所燃用的燃料范围。

燃气轮机和联合循环性能不仅已达到相当高的水平，且还处于较快的提高时期，其优点将越来越显著。因此，燃气轮机的现状可说是风头正劲，它在电力工业中的应用必将越来越广泛，前景十分广阔。

以上可看出，我国已具备了研制和生产燃气轮机的能力。当前国民经济高速发展，各方面对燃气轮机的需求十分迫切，应充分利用上述各种条件，重点发展我国的燃气轮机制造业，缩小与国外先进水平的差距，使之能满足国民经济发展的需要[17]。

4 燃气轮机未来发展途径研究

鉴于我国燃气轮机制造业与国外先进水平差距较大，为了少走弯路，尽快缩小差距，应注意引进国外先进技术，生产我国迫切需要的功率等级及所需用途的燃气轮机，以满足生产发展的需要。这方面的途径可有：

1）引进我国所需燃气轮机的技术资料，自行加工生产；

2）与国外公司合作生产燃气轮机；

3）开办合资企业，生产合资外方的燃气轮机产品；

4）与国外企业协作，共同研制新型号的燃气轮机。

另一方面，必须同时开展自行研制新型号燃气轮机的工作，建立起自主开发燃气轮机新产品的能力，并最终形成国产燃气轮机系列产品。这方面要集中国内有关各方的优势力量（包括设计力量、试验研究力量和加工力量等），协作攻关，并坚持不懈地努力下去。在发展过程中，应不断增强开发燃气轮机所需的试验研究能力，发展新材料和新工艺等各种新技术，加强对引进的国外先进技术的消化和吸收工作，使之为业界所用。

5 结论与展望

在发展燃气轮机的工作中，不论是引进技术还是自行研制，都应坚持高起点，使生产的燃气轮机性能先进，即达到高效率、长寿命和较高的可靠性等。自行研制的需考虑具体的情况，不能盲目追求高指标，当前首先应是在可能的条件下提高要求，今后再继续改进提高。其次要选择合适的功率档次以适应国情。第三是重型燃气轮机与航机改型燃气轮机同时发展。未来，燃气轮机将在国民工业建设及经济发展进程中继续发挥重要作用。