燃气轮机热力循环效率提升设计方案研究

刘建生

摘 要：燃气轮机单循环效率不高，主要原因在于循环做功过多的用于压气机，如何降低压气机耗功、降低燃机透平的排烟温度是研究的主要课题。本文通过改进压气机的形式，通过更加有效的设计方案降低压气机的耗功，可有效提高压气机的压比，随着压气机出口压力提高，燃气轮机透平级数增加，做功路径延长，透平排烟温度也将得到降低，燃机的热循环得到了大幅提升。

关键词：燃气轮机；热力循环；效率；压气机；设计；方案；研究

Research On The Design Scheme Of Gas Turbine Thermal Cycle Efficiency Improvement

Liu-Jiansheng

Abstract: The main reason for the low efficiency of single cycle gas turbine is that too much power is used in the compressor. How to reduce the compressor power consumption and reduce the exhaust gas temperature of the gas turbine is the main research topic. In this paper, by improving the form of the compressor and reducing the compressor power consumption through more effective design scheme, the pressure ratio of the compressor can be effectively increased. With the increase of the compressor outlet pressure, the number of gas turbine turbines increases, the work path is extended, the exhaust gas temperature of the turbine will also be reduced, and the thermal cycle of the gas turbine has been greatly improved.

Key words:gas turbine; thermal cycle; efficiency; compressor; design; scheme; research

燃气轮机发电具有环保高效的特点，特别适合安装于经济发达的地区用于电力调峰。当前先进的重型燃气发电机组但循环效率超过40%，与蒸汽发电系统组成联合循环后的效率已超过60%。虽然重型燃机联合循环热效率得到了大幅提高，但仍有40%左右的燃料热量被损失掉，这部分热量被排放到大气中，提高了大气温度，对环境也带来不利影响。

为了提高燃气发电的运行效率，国内外燃机制造企业从燃机的各个部分对燃机进行优化，压气机的压比得到了较大提高，防喘振装置更为可靠，提高了燃机运行的安全性，低氮燃烧器的更新换代，使燃机的排放更为清洁，透平的结构和金属材料优化，烟气初温得到了进一步提高，目前1700℃初温已经逐步进入试验阶段1。为了提高燃机运行效率，燃机制造企业投入了大量的人力和物力开展专题研究，燃机设备更新换代也更为迅速，燃机的制造水平也代表了一个国家工业制造水平。

燃气循环运行现状

燃机设备由压气机、燃烧室和透平三部分组成，常规燃机压气机采用多级轴流风机形式，通过多级叶轮对空气进行加压，得到高温高压的空气。常用的9F级重型燃机压气机出口压力一般为2MPa左右，温度在400℃以上。压气机出口的压缩空气被送到燃烧室与天然气混合进行燃烧，生成高温高压的烟气，为了降低燃烧温度，来自压气机出口的部分空气与烟气进行混合，最后达到透平入口所需的温度，经喷嘴送入透平，推动透平叶片旋转做功，带动发电机发电。烟气经透平做功后，低压的烟气经尾部排出，由于透平未能充分利用烟气中的热量，透平排出的烟气仍为600℃左右。

燃机排出的烟气温度过高，是造成燃机单循环热效率较低的主要原因。经测算，燃机排出的热量约占燃料热量的60%。有人也将该部分耗功归入压气机能量的损耗，但按照能量守恒，也可以认为压气机耗功转换为热量，由透平未能全部利用，最后经燃机透平尾部排出。

为了提高燃气机组的运行效率，大型燃机排出的这部分热量被用于附属的蒸汽循环，由于蒸汽循环存在冷源损失，其效率也在40%左右。如按燃机单循环效率为40%，蒸汽循环也为40%，忽略循环中的其他损失，可以推算联合循环的效率最高为64%。

燃气循环效率低的原因

经过对燃气发电循环分析可以看出，循环效率不高的主要原因主要有以下几个方面：

一是压气机虽然耗功过大，但获得的压缩空气压力较低，温度过高。较低的空气压力无法提供更多的动力更好的完成热力循环。压气机出口压缩空气温度过高实际上是压缩空气再次获得了热量，重复了燃料燃烧获得的热量的过程。

二是由于压缩空气压力过低，透平能够完成热力过程过短2。对于9F级重型燃机而言，透平仅有3级或4级，也就是说2MPa的压力仅能够用于完成3-4级透平的有效的膨胀做功，烟气排出透平后仅有4-5kPa的压力，失去做功的能力。

对于燃气循环，工质为天然气和空气燃烧生成的高温高压烟气，烟气的初始压力来自于轴流压气机，燃机压气机消耗的功率占到透平做功的60%以上，但压气机压力不高，也说明了轴流压气机提升压力的能力有限，压气机出口温度过高，说明轴流压气机工作过程中将更多的机械能转化为热能。

燃烧室生成烟气的热量一部分来自于压气机出口，另一部分来自于燃烧燃烧的热量，为了防止高温烟气烧坏燃烧器和透平，需要用大量压缩空气对烟气进行降温，造成了压气机流量的增大，耗功进一步增多。当前先进的 H 型燃机烟气初始温度温度高达 1500℃左右，但燃机压气机出口压力只有2MPa 左右，如此低的压力是不足以驱动烟气完成高效的热力循环的。

燃气循环改进策略

通过以上分析可以看出，燃机压气机的主要功能在于提高空气的压力，但耗功较大的轴流式压气机提升压力并不高，反而大量的机械功用于提高压缩空气的热量，因此压气机设备是造成循环效率低的主要原因。

最初的燃气发电循环技术来自于航空发动机，由于航空发动机需要在天空飞行，发动机设备的系统紧凑，所占空间较小是必备条件，压气机、燃烧室和透平全部集中设置在发动机的壳体中。但对于民用重型燃机或航改型工业用燃机而言，工作性质、设计条件已然发生了改变，对于地面上布置的压气机、燃烧室和透平有了更多的便利条件，因此不必拘泥于整体式箱式或筒式设计，可以分散布置上述设备，应将合理利用燃料，把燃气发电循环效率放在首位。

目前常用的空气压缩机有活塞式、螺杆式等多种形式，活塞式压缩机原理最为简单，压缩速度较慢，压缩过程的参数变化可按气体状态方程进行测算。空气在压缩过程中压力升高、比容增加，温度也略有增加。活塞式压气机结构简单，具备一次性可以将空气压力提升很高的特性，若采用多组活塞可以获得较大的流量。为满足燃机燃烧用高压空气的需要，可根据所需气量组成更大的活塞矩阵群，因此通过活塞式压缩机可以满足燃机燃烧所需气量的要求，并能获得更高的压力，如将压气机出口压力提升至8MPa，透平的膨胀做功过程就将会延长，排烟将会有效降低，燃机的效率也会有较大幅的的提升。

燃气循环的设计思路

容积式活塞压气机可以解决原压气机出口压力较低的问题，压缩空气将会获得更高的压力，能够有效延长透平做功的长度，也即可以增加透平的级数，在烟气膨胀做功中充分利用热能，形成完整高效的燃气热力循环。

为了实现这一目标，经过分析研究可以对燃机循环进行反向设计，主要过程如下。

将燃机尾部排烟作为热力循环的终点，该点燃气应具有接近外部环境的压力和温度，压力稍高于大气压力，以使烟气能够顺利排出，烟气温度则与环境温度相当。设定透平烟气入口温度，如设定烟气入口温度为1500℃，反向设计燃机透平各级的焓降，确定透平的级数。可利用等效焓降分布设计燃机各级的尺寸，确定透平各级烟气的压力温度等参数。根据透平各级的压降，确定透平入口的压力和燃烧室烟气所具有的压力，进而推算所需压气机出口压力。通过压气机的出口压力设计空气压缩装置。空气压缩装置采用多级活塞方式，采用集群布置，满足燃机所需的压缩空气流量。如所需的压缩空气压力为6MPa，则可以分3级压缩进行设计，每级活塞装置提升压力2MPa。压气机流程确定后，压气机出口的压力、温度参数也就基本确定了。燃气流量估算，依据燃料的热值和压缩空气的温度、燃机透平入口温度等参数，可以估算燃气的流量，并完成燃机燃烧系统的设计。通过上述设计推算，可以得出燃气循环可以获得的热效率。

图 1 燃气热力循环示意图

预期效果

当前自动化、信息化加速了工业产业的进步，通过技术手段实现热力循环的优化，提高热循环效率是必由之路。如果能实现空气工质高效加温加压，将大幅提高热循环的效率3。如采用活塞型式的加压装置，几个连续的压缩行程即可减小空气所占的容积，并获得较高的压力。通过设计方案改进可以达到以下预期效果.

通过活塞式加压装置对空气加压，能够减少机械能向热能的转化，减少压气机的耗功。通过现有的自动化技术成组安装容积式加压装置，形成加压群组实现装置交替循环运作，能够形成连续的压缩空气连续供给流量。压缩空气工质的压力得到提高，燃机燃烧室的压力相应提高，下游透平入口压力也能够得到提高，高温高压烟气具备更高的压力能。高温高压烟气经过透平的多级膨胀做功，排出的烟气能够达到常温和常压，则会大幅提高燃气轮机的热效率。进入透平的烟气压力升高，烟气比容增大，体积减小，各级透平通流面积将减小，动静叶长度缩短，高温段的叶片制造难度降低。在同样烟气流量下，烟气膨胀做功，末级叶片烟气温度降低，体积也会相应减小，末级叶片长度也会变短。燃机压气机改进后，燃机的热力循环更为合理，燃机透平排烟基本接近环境温度和压力，烟气的能量基本耗尽，不必设计安装朗肯循环作为补充。小结

随着燃气发电事业的快速发展，我国燃机制造业也将会在近年取得突破，届时燃气发电装机也将得到大幅增加，成为我国电力和热力能源的主要来源。航改燃、民用重型燃机发电设备应用已有超过五十年的历史， 随着技术的进步，发电的效率也得到了一定的提高。但燃气循环由于压气机耗功过大的原因，单循环和联合循环的效率仍处于较低水平。因此有必要通过改进燃机设备来提高热力循环效率，采取可行的技术方案提高工质的初压和初温，能够显著提高循环热效率和单机发电功率。

本文对原有的燃气热力循环存在的缺点进行了分析，提出了压气机设备的改进方案，并对压气机设计方案进行了初步的研究，提出了活塞式压气装置集群设计和反向燃气循环的设计思路，有效延长透平热力过程，将燃机的烟气排放降至环境压力、温度，如果能够通过技术手段付诸实践，获得的循环热效率将会达到一个新的水平。

参考文献

蒋洪德，重型燃气轮机的现状和发展趋势[J]，热力透平，2012（02）唐豪杰，孙鑫强，发电燃气轮机效率分析及提高措施，燃气轮机技术[J]，2007（12）周支柱，大功率发电用燃气轮机的发展概况[J]，发电设备，2010（01）

作者简历：

刘建生(1976-)，男，本科，教授级高级工程师，主要从事汽轮机、燃气-蒸汽联合循环机组的设备管理工作。E-mail: 1170852860@qq.com 电话：18857575919

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