燃气轮机在发电、船舶、铁路运输、坦克装甲车辆等领域中的应用

伍赛特

摘要：介绍了燃气轮机的技术特点，及其在火力发电、工业应用、船舶、铁路运输、军用车辆及冷热电联产等领域中的应用。

1 概述

燃气轮机是以连续流动的气体为工质、将热能转化为机械功的旋转式动力机械，包括压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、涡轮机、控制系统和辅助设备等。其结构紧凑、质量轻、操作简单，具有很好的稳定性。同时，燃气轮机安装简单，运行噪声小，寿命长，维护费用较低，功率从几十千瓦到上百兆瓦。分布式能源系统中应用的主要是功率为20～5 000 kW的微型及小型燃气轮机。另外，燃气轮机还广泛应用于电力工业、船舶、机车、车辆等领域，燃气轮机及其联合循环动力装置已经成为当今世界主要的动力设备之一。

燃气轮机具有功率大、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等优点，主要用于发电、交通和工业动力；由于回转运动以及机械性往复部件少、机械摩擦部件少、震动小，故与低频、震动多的往复式内燃机比，节省润滑油和处理噪声比较容易；可以使用煤油、重油等劣质燃料，适用性强。

燃气轮机的不足之处如下：涡轮机内有高温燃气，需用耐高温材料制造涡轮叶片，生产成本略高；由于受到目前材料和冷却技术的限制，不能选用过高的燃气温度，因此单机热效率不如燃气内燃机高，经济性较差；燃气温度高，对材料有腐蚀作用，会影响涡轮机的使用寿命。

燃气轮机的工作过程被称为简单循环。此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；另外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。

燃气初温和压气机的压缩比是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温并相应提高压缩比，可使燃气轮机的效率显著提高。

2 燃气轮机的应用

2.1 发电用燃气轮机

在无外界电源的情况下，燃气轮机发电机组能快速启动与加载，可有效保障电网的安全运行，很适合作为经济备用电源和承担电网中高峰负荷。从安全与调峰的拜度考虑，在电网中装备8%～15%总装机容量的燃气轮机机组是很有必要的。燃气轮机移动电站（包括列车电站、卡车及船舶电站）具有体积小、启动快、机动性能好的特点，适合于边远无电网地区与新建设的工况、油田等急需电力的单位和新兴城市。隧着高效大功率机组的出现，燃气轮机联合循环发电装置已开始在电网中承担基本负荷和中间负荷。近年来，分布式20～5 000 kW微型与小型燃气轮机发电装置的兴起也受到了广泛的关注。另外，高温气冷堆-闭式循环氦气轮机核电站的发展，为燃气轮机提供了一个新的、很有潜力的应用场景。

2.2 工业用燃气轮机

工业用燃气轮机主要应用在石化、油田、冶金等工业部门，用于带动各种泵、压缩机及发电机等，承担注水、注气，天然气集输、原油输送以及发电等任务。如苏联生产的地面用燃气轮机，大部分应用在输气管线；美国索拉公司生产的五千多台工业燃气轮机，约有80%用于石油工业。作为驱动动力的工业燃气轮机多为变转速运行且多采用独立动力涡轮机输出功率的分轴或三轴轴系方案。在石化企业和冶金部门，燃气轮机总能系统采用联合循环和热电并供形式，是重要的节能技术。

2.3 船用燃气轮机

目前，俄、美、英等国的军舰均已大批配备燃气轮机。早在1957年，苏联就确定了现代化舰艇采用燃气轮机及核动力的政策；20世纪60年代，美国军舰开始大量配备燃气轮机；1969年以后，美国新设计建造的中型水面舰艇几乎全部采用燃气轮机作为主推进动力。随着舰船用燃气轮机性能的不断改善，全世界逐年新造的舰艇中装备燃气轮机的比例不断增加。此外，燃气轮机气垫船在国内也得到了应用。由于商船对经济性要求高，商船用燃气轮机现仍处于试验阶段。

2.4 机车用燃气轮机

由于燃气轮机车能够较好地满足铁路牵引动力的要求，如好的牵引特性、加速性等，机车用燃气轮机也得到一定的发展与应用。目前，法国、加拿大等国采用以燃气轮机为牵引动力的高速火车已正式载客运行。国内外在铁路上都有研制与使用过烧重油的燃气轮机机车经验。由于燃气轮机机车具有随海拔升高功率下降小、单机功率大、效率高等特点的优势，很适合于高原寒冷地区铁路使用。但与现有的牵引动力相比，燃气轮机车的部分负荷经济性较差，特别是空载油耗特性大的问题比较突出，需要进一步研制经济性高的机车燃气轮机。

2.5 车用燃气轮机

20世纪80年代，美国正式开始使用燃气轮机作为坦克的动力装置，在批量生产的XM -1坦克中采用AGT15 00燃气轮机作为动力装置。德国将燃气轮机装在豹一Ⅱ坦克上进行了试验。苏联曾把燃气轮机装备到T- 80坦克上进行实验，并实现了批量应用。法、意、日、加、瑞典等国也都进行了车用燃气轮机的研制和装车试验工作。燃气轮机也可用作汽车发动机，美国一直在进行这方面的研制工作。为了提高性能和减小尺寸，现有的研究多采用比较高的燃气初温和旋转式回热器。

与其他动力装置，特别是与内燃机相比，微型及小型燃气轮机具有较低的循环寿命成本，维修简单、污染物排放量低于柴油机、利于环境保护、占地少、输出电力的品质更高等优点。可以相信，在分布式发电应用领域，随着燃气轮机技术的进一步发展，其优势将更加明显。

2.6 燃气轮机在冷热电联产系统中的应用

在制订和选择以燃气轮机作为原动机的冷热电联产系统集成方案时，应充分考虑燃气轮机的额定工况及变工况特点。燃气轮机的余热温度高，这使得余热的回收利用方式更为灵活，能够满足各种不同的冷热需要。因此，对于冷热负荷较大的用户，选择以燃气轮机作为原动机的冷热电联产能源利用方式具有潜在优势。可能的冷热电联产系统集成方式包括：燃气轮机一锅炉并联型、燃气轮机一余热锅炉型、燃气蒸气联合循环型、燃气轮机注蒸气联合循环型、燃气轮机一余热／直燃型、燃气轮机湿空气型及燃气轮机进口冷却型等。设计时应当依据用户的实际需求特点，当地能气候、资源、环境特点，选择合适型号的燃气轮机，制订最佳的系统集成方案。

参考文献

[1] 林汝谋,金红光.国内外燃气轮机的发展和应用[J].电世界,2006,47(01):47-49.

[2] 高聃. 燃气轮机—加热炉系统集成优化研究[D].华南理工大学,2011.

[3] 李崇. 燃气轮机辅机控制系统设计[D].东北大学,2012.