燃气轮机的技术发展趋势

燃气轮机的技术发展趋势燃气轮机的技术发展趋势近年来,燃气轮机的技术发展非常迅速,性能日益完善,大型燃气轮机联合循环电厂的功率等级已与汽轮机电厂相当,发电效率普遍超过了50%,最高已达58%,远远超过汽轮机电厂的效率,加之还有初始投资省、占地面积少、耗水少、环境污染少、运行维护方便等优点,使燃气轮机联合循环电厂在世界范围内获得了迅速的推广应用,因而,各主要燃气轮机制造厂都已成套供应燃气一蒸汽联合循环发电机组,安装和使用都很方便。据统计,目前全世界新增发电设备中,燃气轮机及联合循环发电机组约占40%,已与汽轮发电机组平分秋色,而美、日等发达国家,燃气轮机已经超过了汽轮机。据美国电力研究所的专题报告预测,美国1993一2001年内新增发电设备的2/3将是燃气轮机发电机组,到2015年,世界新增发电设备中燃气轮发电机组约占63%。美好的应用前景进一步刺激了燃气轮机的研究和发展,下面将对近期的研究和发展情况分别进行介绍。由于工业化国家对环境保护的要求越来越严格,促使燃气轮机制造厂将较多的精力放在努力减少排气污染方面,其经费已占燃气轮机研究经费的最大份朽。燃气轮机一般燃用天然气或蒸馏油等清洁燃料,其含硫和含尘量极低,因而,排气中烟尘和502含量极低。所以燃气轮机考虑的排气污染物主要有未燃烧的碳氢化合物(UHC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)3种,由于燃烧技术的成熟和燃烧室结构的完善,目前先进燃气轮机的燃烧效率几近100%,排气中的UHC和CO极其微少,可以满足工业化国家严格的环保要求。但是,由于燃气轮机燃烧室中的火焰温度比较高,在高温下产生了一定数量的NO、,一般可达200又10一6左右,超过了许多工业化国家的环保规定。因此,减少燃气轮机排气污染的努力,近年来主要是集中在减少NO二产生方面。向燃烧室的燃烧区按照一定比例注入水或蒸汽,可以降低最高燃烧温度,有效地抑制Ox的产生量,这是目前一种比较成熟而能有效减少燃气轮机NO、排放的方法,已获得了较广泛的应用。一般注水与燃料之比约为0.95左右。在燃气轮机的排气通道应用选择催化还原S(CR)技术,即布置催化床并注入氨气,使NOx还原成NZ和水蒸气,这也可有效地减少NOx的排放。但上述两种方法成本比较高,而且对环境又会造成另外的有害影响,如氨气泄漏等,所以,目前的研究重点已转向干式低NO、(DLN)燃烧室的研制,即不向燃烧室中注入水或蒸汽,而通过优化燃烧室结构和合理组织燃烧来减少NOx的产生。目前,GE、西屋、ABB、西门子、索拉等主要燃气轮机制造厂都已研制成各自的DLN燃烧室,具体措施大致有以下几种:1预混稀相燃烧(或称预混贫燃料燃烧)该方法通过燃料与空气预先混合成稀相,再组织燃烧,使燃烧更为完全,而且可降低燃烧室内的最高燃烧温度。例如,在大多数范围内,可使火焰温度低于1400’C。因而有效地抑制了NO二的产生量。该方法的缺点是运行范围比较窄,低工况时容易熄火。目前,大多数DLN燃烧室都是应用这种方法,但都采取了一些稳定燃烧的措施,如应用值班喷嘴、控制燃料的分配等。例如,爱利松公司的501型燃气轮机采用预混锥使燃料与空气产生稀相预混,再配合旋流器、值班喷嘴和空气掺混系统来控制燃料/空气比和火焰分布,实现了低NOx排放,同时在低负荷时无熄火和不稳定现象。索拉公司1993年以后应用该方法,使其燃气轮机在50%一100%负荷范围内NOx产生量少于42x10一6。西门子公司应用该技术,使其燃气轮机的NOx排放量低达9火10一6CO排放量少于5火106,而成本仅增加不到10%。GE公司应用该技术,计划要使NOx排放量降低至9又10一6。EGT公司在其Typhn型燃气轮机上应用该方法,烧天然气时的NO、排放量低于37火10一6。2多级燃烧ABB公司应用了双锥预混EV燃烧器来减少NO、的产生,在最近研制的GT24型和GT26型燃气轮机上,为了取得较高的循环效率而又避免太高的进气初温(进气初温为1235℃),便采用了二级燃烧的措施。即向第一级燃烧室喷入2/3的燃料,组织燃烧,其燃气在第一级透平中膨胀做功后,进入第二级燃烧室,再向其中喷入剩余的13/燃料,组织燃烧,将燃气温度再次升高后,进入以后的4级透平膨胀做功。因此,既获得了约38%的高循环效率,又使NO、的排放量控制在较低的水平,烧天然气时,NO、的设计值低于25只10一6;烧蒸馏油时,如配合注水措施,额定负荷下NO、42又10一6。3浓相激混稀相燃烧(或称富燃浇激混贫燃料燃烧)由于预混稀相燃烧在高进气温度时容易产生回火或自动点火现象,而且低负荷时容易熄火。因此,最近又在发展一种浓相激混稀相燃烧(RQIJ)技术。即使浓相燃料喷入燃烧室,在燃烧室中与空气激剧掺混,稀释后形成稀相燃烧,同样可以抑制最高火焰温度,减少NOx的产生量,并有较好的火焰稳定性,该方法已成为各主要燃气轮机制造厂的研究重点。4催化燃烧这类燃烧室应用了催化剂,使燃料与空气在催化剂表面进行反应。由于反应(燃烧)温度可以控制得相应较低,从一开始便减少了NO二的产生量。据称,可使NOx的排放量降低到l只10一6,但此技术目前还处于试验研究阶段。洁净烧煤的联合循环电厂开始商业化应用。洁净烧煤的联合循环电厂主要有整体煤气化联合循环(IGCC)和增压流化床联合循环(PFBC一CC)两种。经过10多年的研制和开发,目前正处于最后的示范阶段,并已开始进入公用电厂规模的商业化应用。例如,美国佛罗里达州西海岸正在建造一座260MW的IGCC电厂,它由一台192MW的MS7001F燃气轮机、一台不补燃的余热锅炉和一台130MW的汽轮机组成,应用了德士古气化工艺和热气净化技术。在煤炭储量丰富的德国,正在建造一座320MW的IGCC电厂,它应用两台烧褐煤的流化床气化炉产生煤气,供应一台西门子KWU公司的212MW的V94.3型燃气轮机,配一台余热锅炉和一台155MW的抽汽式汽轮发电机组,同时供应电力和蒸汽,设计效率46%,1996年已投入试运行。西班牙也正在建造一座类似的IGCC电厂,总功率335MW,烧低灰烟煤时净电厂效率约45%,它应用了干粉供料的Prenfol喷流气化系统,1996年底已投入试运行。最近在捷克北部正在建造一座烧煤的PFBC一CC热电厂,生产60MW电力、10MW工艺蒸汽和100MW地区供热。全套设备由ABBCarbon公司提供,计划于1997年投运。西屋公司正与RR公司合作开发直接烧煤和间接燃烧的联合循环技术。据说应用了液态排渣燃烧室,使煤中的灰份以液态形式在燃烧室中脱除,同时加入石灰石脱硫,燃气再经高温陶瓷过滤器进一步过滤,可有效地解决令人头痛的高温叶片流道的腐蚀问题,具有较低的成本和较高的效率。间接燃烧的联合循环应用了陶瓷换热器技术。燃气轮机最常用的燃料是天然气和蒸馏油,最近通过IGCC和PFBC一CC成功地解决了燃气轮机清洁地燃烧煤炭燃料的问题。除此之外,还有大量的渣油,生物质燃烧煤和沥青基燃料也具有一定的商业应用前景,目前也正在积极开发应用。国外渣油一般不直接用作燃气轮机的燃料,以免对高温通道产生腐蚀和对环境造成污染。最近,正努力通过气化的途径来解决燃气轮机洁净地烧渣油的问题。例如意大利正在建造一座220MW的IGCC电厂,其燃料为炼油厂的减粘裂化渣油,通过德士古气化系统转化成合成气,供燃气轮机燃用,每天将气化7700桶渣油,该电厂已于1996年中期投入试运行。在生物质燃料来源丰富的芬兰,已建成一座15MW的试验电厂,迄今已完成3000t木屑和废木料的气化试验,证明可产生热值较高的清洁生物气,适合在燃气轮机中直接燃烧。将来还准备建造50~100MW的烧生物质燃料的IGCC电厂。德国的纽兰多有两台38.5MW的MS600113型燃气轮发电机组,计划烧制碱工业的废气(2%甲烷与8%6氮的混合物),此时机组功率可增至44Mw二委内瑞拉正在进行一项工程,将一种沥青基燃料经气化后用作燃气轮机的燃料。目前,由美国电力研究所牵头,正在进行一项国际合作的先进燃气轮机项目C(AGT),主要是开发一种新的间冷航空改型燃气轮机(ICAD),并推广为商业应用。母型机选择了3种大推力的“超级风扇”发动机:一种是GE公司的CF6航空发动机:另一种是PW公司的PW4000航空发动机:第三种是RR公司的Ternt型三轴发动机。其推力均超过了267kN,正在开发中的变型机推力已达356一400kN。第一阶段的研究目标是应用中间冷却技术,使这些航空改型燃气轮机在烧天然气时150基本负荷功率提高到100~125MW,简单循环的效率超过45%,如用两台燃气轮机驱动一台发电机,可发电200一250MW,其安装面积非常紧凑。而且,这些燃气轮机都采用了DLN燃烧技术,其排气非常干净。在烧天然气时,不需注水或蒸汽,。如结合应用SCK技术,可使NO、排放降低到6又10一6。这些燃气轮机的排气温度比较低,约454一468℃,如组成联合循环或热电联供系统,其底部循环可应用中低参数的汽轮发电机组,造价较低,且有利于快速起动和调峰运行。该项目已于1994年完成了第一阶段的研究,第二阶段准备实际建造50H:或60Hz的燃气轮机发电机组,不带齿轮箱直接驱动发电机,以减少附加损失,计划于1998年进行样机示范。更加复杂的航空改型燃气轮机也正在论证之中。例如,FT4000湿空气透平循环(HAT)燃气轮机,烧天然气时功率达200MW,效率55.35%;用Ternt发动机改型成间冷、回热循环的燃气轮机,将CF6发动机与重型的“F”技术相结合,改型成高进气温度的GEX型燃气轮机,简单循环时功率90MW,效率46%,如组成联合循环可接近60%。美国能源部和工业界联合发起了先进透平系统的研究,主要由索拉、西屋、GE和爱利松四大公司参加。索拉公司提出了一种应用间冷、回热循环和大量陶瓷元件的方案,对于1~25MW的小型燃气轮机,可使简单循环的效率高达50%,而且,排气非常干净,排放指标为NOx.s1火106、CO20又10一6、uHC低于20义10一6,总成本还比现有机组下降10%,而且机组的可靠性、可用性和可维修性与现有机组相当,甚至更好一些。GE公司正在致力于100MW以下的工业型燃气轮机和200MW以上的发电型燃气轮机的ATS研究,主要有蒸汽冷却系琉等。西屋公司正在评估进一步提高透平转子进气温度(高于1437℃),以及叶片应用单晶材料和陶瓷热障涂层采用间冷、回热循环和闭回路蒸汽冷却等。爱利松公司正对其生产的501型燃气轮机考虑应用新的循环,包括间冷、回热、化学回热和湿空气透平循环等。最近,欧洲经济共同体国家也开始了先进透平系统的研究,其目标与美国的ATS计划相类似,主要项目有开发更精确的分析计算方法、研究进一步提高透平进气初温的途径和改进燃烧室设计以减少排气污染等。结论(1)目前燃气轮机和联合循机组的性能已经比较完善,因而在世界范围内获得了广泛的应用。(2)减少燃气轮机的排气污染,发展干式低NOx(DLN)燃烧室,以满足世界各国日益严格的环保要求,是当前燃气轮机的研究重点之一。(3)洁净烧煤的IGCC和PFBC一CC电厂技术上已经比较成熟,并己开始进人商业化应用。(4)生物质燃料,渣油和沥青燃料等也可以在燃气轮机中清洁地应用,成为燃气轮机和联合循环电厂有潜力的代用燃料。(5)美国和西欧等国正通过先进透平系统计划来进一步提高燃气轮机的性能,近期内仍有希望较大幅度地改进燃气轮机的性能,促使其应用进一步扩大。