汽轮机与燃气轮机的应用与发展

伍赛特

1 汽轮机及其应用

汽轮机Csteam turbine）是一种旋转式的动力机械，将蒸汽的热能转换为机械能，广泛应用于火力发电厂、核电厂、舰船、化工、冶金和交通运输等重要领域，具有运行平稳、单机功率大、效率高、使用寿命长等优点。

现代汽轮机技术以大容量、高参数作为主要发展方向。经过几十年的发展，超临界技术日臻成熟，在经济发达国家中广泛应用并取得了显著效果。我国通过引进、消化国外技术，目前几大汽轮机厂也已具备超临界和超超临界汽轮机设计与制造能力，超临界以上机组已成为我国火力发电行业的主力机组。

2 汽轮机未来发展与现存主要问题

由于汽轮机的容量和参数并不是可以无限制的提高，在大型化过程中依旧面临着一些重要技术问题。

2.1 部件材料

随着现代汽轮机的发展，对工作部件材料的力学性能、结构性能和热力学性能等要求越来越高。根据热力学原理，在材料性能允许的前提下，应尽可能提高汽轮机的进汽参数，特别是提高蒸汽温度。但是，随着蒸汽温度的提高，所用材料的热力性能和许用应力下降，汽轮机的承压部件和转动部件的强度降低。汽轮机组的厚截面部件，如汽缸、转子、喷嘴室及阀壳等，在启停过程、参与电网调峰运行或负荷快速变化过程中都存在很大的温度梯度，产生过大的热应力而引起低周疲劳等问题，特别是末级叶片等转动部件还需承受离心应力，严重影响着这些部件的使用寿命。因此，为满足更高进汽参数汽轮机的需要，必须不断研发在高温下具有更高机械强度的新材料。

2.2 蒸汽激振

超临界汽轮机由于主蒸汽参数的增加，会导致主蒸汽密度大幅提高，高压转子因蒸汽的作用易发生汽流激振，使得轴系稳定性变差，甚至诱发转子失稳。研究结果表明，汽流激振力来自动叶片叶顶间隙激振力、汽封蒸汽激振力和作用在转子上的静态蒸汽力等三个方面。这三类蒸汽激振力是目前国内外公认的超临界机组轴系动力学研究中的重点问题。根据蒸汽激振的形成机理，要消除和减少超临界参数汽轮机蒸汽激振故障，原则上应从增加高压转子的临界转数和刚度、增大系统阻尼和减小蒸汽激振力等方面着手。

2.3 轴系稳定性

轴系稳定性直接关系到汽轮机组运行的安全性和设备的可靠性。随着超临界机组容量的增加，汽轮机的汽缸数增加，单跨转子的直径、长度和质量也相应增加，使机组轴系的总长度增加，对轴系运行稳定性的要求也日益提高，需要引起重视。

3 燃气轮机及其应用

燃气轮机（gas turbine） 作为一种先进而复杂的成套动力机械设备，在能源电力、航空航天、舰船、汽车等与国计民生密切相关的领域得到了广泛应用。

3.1 发电、供热

燃气轮机在工业领域中一个主要利用途径是用于发电、供热。简单的燃气轮机循环发电系统由燃气轮机和发电机构成，具有装机快、起停灵活的特点，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。为了回收燃气轮机排出的高温乏气的余热，在简单循环发电系统基础上，在涡轮排气扩压器出口安装了余热锅炉，回收乏气的余热用于产生蒸汽或热水:热水主要用于供暖，实现热电联产;若产品为蒸汽，一方面可注入蒸汽轮机，实现前文所述的燃气-蒸汽联合循环发电系统，也可以将部分蒸汽回注入燃气轮机以提高燃气轮机出力和效率。国际四大燃气轮机公司（日本三菱、德国 Siemens、美国GE和法国 Alstom）不断开发出更加先进的燃气轮机产品，简单循环发电效率已超过40%，采取热电联产等复杂循环系统，循环发电效率则已超过了60%。

随着燃气轮机向高参数、大型化发展的同时，也在向着小型化、微型化以及超微型方向发展，进一步拓宽应用领域。功率为数百千瓦及以下的燃气轮机早在20世纪40～60年代就已存在，但由于其发电效率低，长期以来一直由内燃发电机组占领着小型发电机组市场。随着科学技术的不断发展，微型燃气轮机技术有了质的飞跃发展:利用高效回热器替代常规回热器;实现高速交流发电机与燃气轮机同轴工作;结构设计和加工制造工艺日益先进。受益于这些先进技术的应用，微型燃气轮机的发电效率已提高至与小型柴油发电机相当，尺寸和重量却为柴油机的1/3，并且还具有移动性能好、维护费用低、寿命长等优点，在分布式能源系统、军事装备、燃料电池联合发电系统等得到了应用。

3.2 舰船动力

由于燃气轮机具有结构紧凑、重量轻、振动小、操作灵活等优点，非常符合船舰对动力的需求，因此已在多种舰艇和商船上得到重用，如瑞土斯坦纳航运公司三艘HSS1500大型高速渡船、美国皇家加勒比航运公司六艘“卓越”级和“黄金时代”级旅游船、英国45型驱逐舰和“伊丽莎白女皇”航母等。在将来，船用燃气轮机的发展重点是大功率船用燃气轮机，其次是小功率船用燃气轮机。船用燃气轮机是未来10～15年各国海军采用的主要机型，新型机型与综合电力推进系统相结合的特点将会更加突出。

3.3 航空动力

航空用动力装置分为空气喷气式发动机和逐步被取代的活塞式发动机两种工业和船舰所用燃气轮机的发展历史，都是以空气喷气式发动机技术为基础发展而来的。船舰和工业发电所用轻型燃气轮机是由成熟的航空发动机改型研制而成，功率在50 MW以内;而发电厂、航母等所用到的重型燃气轮机也以航空发动机为基础，但改动较大。在航空领域，发动机所提供的动力主要为飞行器提供向前的推进力和向上的提升力，但由于飞行器类型不同，因此对发动机性能的要求是不样的。例如，战斗机所用发动机以性能先进为首要目标，要求质量轻、推力大、工作状态变化快且范围宽，能够为飞机提供各种速度和姿态下所需的动力;民航客机则往往不追求发动机性能的绝对先进，更加注重发动机的安全性和经济性，要求耗油低、寿命长、维护成本低等。由此，航空发动机可分为喷气式发动机、风扇式发动机、螺旋桨式发动机和涡轮轴发动机等多种类型。

4 燃气轮机未来发展与现存主要问题

燃气轮机作为一种先进而复杂的动力机械装备，集成了多学科、多领域的先进成果，是国家科学技术水平的重要标志之一，具有重要的战略地位。随着社会的发展和科学技术的不断进步，燃气轮机技术将会得到更大的发展和更广泛的应用，而高效率、低能耗、低污染、高可靠性等性能参数依然是燃气轮机未来发展追求的性能目标。

4.1 初温提高与耐热技术

涡轮叶片能够承受温度的不断提高将会大幅提高燃气轮机的效率。为此，一方面可通过研发与应用高温合金材料、耐高温涂层以增强热端部件的耐热能力，另外一方面是开发先进的热端冷却技术以对部件进行热防护。

4.2 结构设计与制造技术

燃气轮机的制造是一项技术含量非常高的加工技术。由于涡轮中叶片的工作环境温度高、受力复杂，是燃气轮机制造的核心与关键，其型面的优化设计与精细加工将直接关系到燃气轮机的性能和安全性。

4.3 燃烧污染物控制技术

NOx在燃料燃烧过程中的形成机理有热力型、燃料型和快速型三种。燃气轮机中NOx的形成主要来自于热力型，为空气中氮气和氧气在高温环境下反应生成，并且当燃烧温度超过1500 ℃后，热力型NOx呈现快速增加趋势。因此，燃烧温度是导致NOx形成的重要因素。提高初温虽然可以提高燃气轮机的效率，但会导致热力型NOx大量产生，从而不得不采取先进的技术控制NOx的排放，如贫燃预混燃烧技术、分级燃烧技术、湿化燃烧技术和催化燃烧技术等。

4.4 重型与微型燃气轮机发电技术

我国的能源结构以煤为主。煤燃烧产生的污染物（NOx、颗粒物等）成为我国大气污染物的主要来源，该状况在未来很长的一段时期很难改变。在改进煤燃烧技术的同时，调整我国能源结构，选用清洁的天然气资源，应用于燃气轮机及其联合循环发电机组，可以很好地解决煤燃烧带来的环境污染问题。重型燃气轮机和小型、微型燃气轮机是燃气轮机技术未来应用于发电领域的重要发展方向。重型燃气轮机应用于发电厂，实现集中供电、供热，而作为补充的分布式能源将会更多地采用小型、微型燃气轮机技术，使得发电与用户离得更近。

参考文献

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