燃氣輪發(fā)電機發(fā)電廠

英文名： gas turbine power plant

以高溫氣體為工質，按照等壓力加熱循環(huán)工作燃料中的化學能轉變?yōu)闄C械能和電能的工廠。燃氣輪機發(fā)電廠用液體和氣體燃料通過燃氣輪機轉變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。

燃氣輪機的絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹和等壓放熱等四個過程分別在壓氣室、燃燒室、燃氣透平和回熱器或大氣中完成。大型燃氣輪機的壓氣機為多級軸流式，中小型的為離心式。燃氣透平一般為軸流式，在小型機組中有用向心式的。燃氣透平帶動壓氣和發(fā)電機。燃氣輪機組單機容量小的約為10~20kW，最大的已達140MW 。熱效率30%~34% ，最高達38%。燃氣輪機結構有重型和輕型兩種，后者主要由航空發(fā)動機改裝。

由于體積小、重量輕、啟動快、安裝快，用水少或不用水，能使用多種液體和氣體燃料，在發(fā)電上多用于調峰。此外，燃氣輪機在油氣開采輸送、交通、冶金、化工、艦船等領域也得到廣泛應用。 2100433B

概述

燃氣輪機潤滑油系統(tǒng)是任何一臺燃氣輪機必備的一個重要的輔助系統(tǒng)。它的作用是在機組啟動、正常運行以及停機過程中，向正在運行的燃氣輪機發(fā)電機組的各個軸承、傳動裝置及其附屬設備，供應數(shù)量充足的、溫度和壓力合適的、干凈的潤滑油，以確保機組安全可靠地運行，防止發(fā)生軸承燒毀、轉子軸頸過熱彎曲、高速齒輪法蘭變形等事故。此外，部份潤滑油可能從系統(tǒng)分流出來，成為液壓油系統(tǒng)的油源，或經(jīng)過濾后作為控制油系統(tǒng)的用油。

為保證對燃氣輪機及其驅動的設備提供良好的潤滑，除了有設計完善的潤滑油系統(tǒng)外，選擇性能優(yōu)越的潤滑油也是一個重要因素。早期燃氣輪機由于透平進口溫度不是很高，其所用的潤滑油基本與汽輪機用油一致，但隨著透平進口溫度的不斷提高，燃氣輪機對潤滑油質量指標的側重點與汽輪機的側重點明顯不同，燃氣輪機強調的是油的高溫抗氧化性能，而汽輪機則看重油的抗乳化性能（分水性能）。不少廠商正在研制上述兩種性能均優(yōu)的聯(lián)合循環(huán)用油，特別是同一潤滑油系統(tǒng)的單軸機組的用油。潤滑油為基礎油添加防銹、防腐、抗氧化等各種添加劑后的制成品?；A油可以是礦物油，也可以是合成油。由于合成油純度高，其性能及使用壽命均優(yōu)于礦物油，但價格一般為礦物油的2～3倍。評價潤滑油優(yōu)劣的性能指標有油的物理性能、表面性能和氧化性能三個方面，對此燃氣輪機制造廠商會提出選擇建議。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的潤滑油系統(tǒng)有幾種不同的配置，對于單軸機組，燃氣輪機與汽輪機共用一套潤滑油系統(tǒng)；對于多軸機組，燃氣輪發(fā)電機組與汽輪發(fā)電機組可以共用一套潤滑油系統(tǒng)，也可以各自單設一套潤滑油系統(tǒng)，這要視機組的總體布置而定，不過，由于電站分期建設的需要，大多數(shù)多軸機組采取各自單設一套的方式；還有一種航空衍生型的燃氣輪機，由于燃氣初溫很高，其燃氣發(fā)生器要求使用品質更高的潤滑油，因此燃氣發(fā)生器單獨設一套潤滑油系統(tǒng)，而動力渦輪與發(fā)電機另設一套，前者用合成油，后者用礦物油。

潤滑油系統(tǒng)的組成

單就潤滑油系統(tǒng)而言，不管是共用系統(tǒng)還是分設系統(tǒng)，其設計原理是一樣的。整個潤滑油系統(tǒng)的組成應包括下列一些設備：

潤滑油箱

潤滑油箱可設在機組的一個或幾個底盤內，也可以設計成單獨的容器。當油箱由幾個容器組成時，應在它們之間用管道連通以平衡油箱內的壓力。油箱除了起貯油的作用外，還擔負著分離空氣、水分和各種機械雜質的任務。油箱中油流速度應盡量緩慢，回油管應布置在接近油箱的油面，以利于油層內空氣逸出。油箱的容量越大，越有利于空氣、水分和各種雜質的分離。通常用循環(huán)倍率K（全部潤滑油每小時通過油箱的次數(shù)）表示系統(tǒng)容積的相對情況，以Q表示系統(tǒng)的每小時油的容積流量，V表示系統(tǒng)的容積（油箱 管路），循環(huán)倍率K=Q/V。通常規(guī)定K=8～10，最大不超過12。這是為了使從系統(tǒng)回來的潤滑油，有足夠的時間將其夾帶的空氣、水分分離掉。不過，為了結構緊湊，避免因油箱體積過大而使設備笨重，多數(shù)機組油箱容量偏小，這迫使用戶要選擇分水性能更好和空氣釋放值較小的潤滑油。

主潤滑油泵

這是機組正常運行時的工作油泵，可以由主機通過輔助齒輪驅動，也可以由交流電動機驅動，大型機組為了簡化結構多采用電動。油泵的容量根據(jù)系統(tǒng)總的用油量、調節(jié)閥門溢流量和管路的泄漏量決定。主油泵常用的有齒輪泵和螺桿泵，也可以是離心泵。

輔助潤滑油泵

這是機組啟動和停機時的工作油泵，或在主油泵出故障時投入使用，通常由交流電動機驅動。此泵多采用浸入式離心泵。其壓力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。

應急潤滑油泵

該泵在停機時因輔助潤滑油泵故障而投入，或因失去交流電源而投入，或因主、輔泵都不能工作機組緊急停機而投入。由于應急泵只在故障時工作，其壓力和容量一般較小。也有的潤滑油系統(tǒng)用高位油箱代替應急油泵。

潤滑油流過各潤滑點（軸承、齒輪等）后溫度上升14～33℃（配備減速齒輪時溫升可達33℃），因此，從系統(tǒng)回來的潤滑油必須冷卻以保證合適的供油溫度。應用較為廣泛的仍然是管式冷油器。常用的冷卻方式為水冷，其次是氣冷，氣冷的優(yōu)點是不需要冷卻水，可在缺水地區(qū)使用，但由于空氣的傳熱系數(shù)比水的要低得多，因此空冷式冷油器體積相對要龐大得多。在采用水冷方式時，常常設置兩個并聯(lián)的可切換的冷油器。

主潤滑油濾多采用兩個并聯(lián)的可切換的濾油器。主油濾應設置在冷油器的下游。

除上述的設備之外，潤滑油系統(tǒng)還需要有閥門、孔板、溫度開關、壓力開關、油箱液位指示器、潤滑油加熱器等各種組件和設施，以保證系統(tǒng)正常、安全、可靠地工作。

對潤滑油的要求

原則上有下列幾個方面：

1、要求適應軸承、齒輪裝置等的啟動、加速、滿轉速及超速等各種工況所需要的潤滑油性能。

2、要求適應液壓系統(tǒng)如油缸、伺服閥等所需要的液壓油性能。

3、熱傳遞油性能。能把軸承、齒輪裝置等各種熱表面的熱量吸收，并將其傳輸給潤滑油換熱器（冷油器）。

G4、在一定溫度和壓力下工作、靜止或貯存狀態(tài)都具有穩(wěn)定的物理性能、表面性能和氧化性能。

5、能適應潤滑系統(tǒng)中及其他用油系統(tǒng)中的各種機械材料，并能保護材料不受腐蝕。

6、具有自動排除空氣和水等污染物的性能。

7、具有一定的抗燃能力等。

潤滑油性能指標

在選擇潤滑油時，除了遵照設備制造廠商的建議（如文獻49）之外，應該更側重于下列的性能指標：

黏度和黏度指數(shù)

為了常溫下燃氣輪機啟動時確保各軸承的靜壓潤滑和液壓系統(tǒng)的快速反應能力，希望在啟動時潤滑油的黏度不要太高，為此絕大多數(shù)透平機械選擇40℃時黏度為28.8～35.2/s的潤滑油，即黏度等級為ISOVG32的潤滑油。在燃氣輪機正常帶負荷運行時，軸承間隙內的工作溫度有可能高達120℃以上，此時要求油的黏度高一些。為此，應選擇黏度隨溫度變化較為平緩的、即黏度指數(shù)較大的潤滑油。這里建議油的黏度指數(shù)在100以上，至少不應小于90。

氧化安定性

燃氣輪機工作時，潤滑油受到強烈的熱氧化作用，汽輪機油常用的揮發(fā)型防銹抗氧化劑對燃氣輪機用的潤滑油已不適宜。對于在溫度高于260℃的環(huán)境中工作的軸承，文獻49中明確規(guī)定其使用的潤滑油中不宜含有DBPC（二叔丁基對甲酚）一類的揮發(fā)型抗氧化劑。對于氧化安定性，傳統(tǒng)的考核指標是油氧化后酸值達2.0mgKOH/g時所需要的小時數(shù)（國外常簡稱為TOSTLife，即總的氧化穩(wěn)定性試驗壽命），在燃氣初溫不是很高的情況下，僅考核這一指標已足夠，而且只要求其在2000h以上就可。

但是，由于TOST是在95℃的試驗條件下進行，而這一溫度與燃氣輪機軸承的工作溫度頗有距離，對新一代燃氣初溫更高的燃氣輪機，光考核TOST已經(jīng)不夠，因此增加了油的旋轉氧彈試驗指標，以便在更高的溫度下考核油的性能。旋轉氧彈試驗的溫度為150℃，比TOST要高得多。

分水性能

這是指油和水的分離能力，測量的方法是在專用的試管內放入40mL的油和40mL的水，按規(guī)定的試驗程序混合，然后測量油水完全或基本完全分離的時間（min），油水分離的程度可以是40-37-3、40-40-0等。對于燃氣輪機，這不是十分強調的性能指標，因為在燃氣輪機中，潤滑油被水（或蒸汽）污染的可能性不大。而在汽輪機中，油水混合的可能性很大，對油的破乳化值不能忽視，其指標至少是油水分離至40-37-3，時間不大于15min。對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，如果燃氣輪機與汽輪機共用潤滑油系統(tǒng)，則必須兼顧油的高溫性能和分水性能。

空氣釋放值

由于大多數(shù)燃氣輪機的軸承均使用密封空氣，因此軸承的回油中必然會混進空氣。這些進入油層中的空氣，必須要在油回到油箱后的短暫停留時間內從油層中釋放掉。在選擇潤滑油時，其空氣釋放值應不大于油在油箱內循環(huán)一次的時間。

起泡性能

起泡性能與空氣釋放值是兩個相互關聯(lián)而又容易混淆的概念。其實空氣釋放發(fā)生在油層之內，泡沫則產生于油的表面之上。通常認為，在油面上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫過多，油箱的通（排）氣口充滿泡沫時，就會因妨礙空氣的排放而招致嚴重的后果。因此油的起泡性能至少應符合一般汽輪機油的標準。

除此之外，新油的顏色應淺，以不超過ASTMD1500中的2.0為宜。對于帶有負荷齒輪箱的機組，必須考慮油的承載能力，應選擇承載能力（FZG）7級以上的油。

燃氣輪機的未來發(fā)展趨勢是提高效率、采用高溫陶瓷材料、利用核能和發(fā)展燃煤技術。提高效率的關鍵是提高燃氣初溫，即改進透平葉片的冷卻技術，研制能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比，研制級數(shù)更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。

高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作，用它來做透平葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時，就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃氣初溫，從而較大地提高燃氣輪機效率。適于燃氣輪機的高溫陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。

按閉式循環(huán)工作的裝置能利用核能，它用高溫氣冷反應堆作為加熱器，反應堆的冷卻劑(氦或氮等)同時作為壓氣機和透平的工質。

不同的應用部門，對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數(shù)用于發(fā)電，而30～40兆瓦以上的幾乎全部用于發(fā)電。

燃氣輪機發(fā)電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網(wǎng)中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網(wǎng)的安全運行，所以應用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動電站中，燃氣輪機因其輕小，應用也很廣泛。此外，還有不少利用燃氣輪機的便攜電源，功率最小的在10千瓦以下。

與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較，燃氣輪機的主要優(yōu)點是小而輕。單位功率的質量，重型燃氣輪機一般為2～5千克/千瓦，而航機一般低于0.2千克/千瓦。燃氣輪機占地面積小，當用于車、船等運輸機械時，既可節(jié)省空間，也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高，在部分負荷下效率下降快，空載時的燃料消耗量高。

燃氣輪發(fā)電機內部結構

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣透平等組成。

壓氣機有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機效率較高，適用于大流量的場合。在小流量時，軸流式壓氣機因后面幾級葉片很短，效率低于離心式。功率為數(shù)兆瓦的燃氣輪機中，有些壓氣機采用軸流式加一個離心式作末級，因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。

燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料制造，同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對于一臺燃氣輪機來說，除了主要部件外還必須有完善的調節(jié)保安系統(tǒng)，此外還需要配備良好的附屬系統(tǒng)和設備，包括：起動裝置、燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

燃氣輪發(fā)電機分類

燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長，壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機的結構為最緊湊、最輕，但壽命較短。

燃氣輪機的工作過程是，壓氣機(即壓縮機)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時，需用起動機帶著旋轉，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

燃氣輪機的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環(huán)；此外，還有回熱循環(huán)和復雜循環(huán)。燃氣輪機的工質來自大氣，最后又排至大氣，是開式循環(huán)；此外，還有工質被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合循環(huán)裝置。

燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫，并相應提高壓縮比，可使燃氣輪機效率顯著提高。70年代末，壓縮比最高達到31；工業(yè)和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200℃左右，航空燃氣輪機的超過1350℃。

中國在公元十二世紀的南宋高宗年間就已有走馬燈的記載，它是渦輪機(透平)的雛形。15世紀末，意大利人列奧納多·達芬奇設計出煙氣轉動裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀中葉，透平原理在歐洲得到了較多應用。

1791年，英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程；1872年，德國人施托爾策設計了一臺燃氣輪機，并于1900～1904年進行了試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗；1905年，法國人勒梅爾和阿芒戈制成第一臺能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，因而未獲得實用。

1920年，德國人霍爾茨瓦特制成第一臺實用的燃氣輪機，其效率為13%、功率為370千瓦，按等容加熱循環(huán)工作，但因等容加熱循環(huán)以斷續(xù)爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。

隨著空氣動力學的發(fā)展，人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設計高效率軸流式壓氣機的問題，因而在30年代中期出現(xiàn)了效率達85%的軸流式壓氣機。與此同時，透平效率也有了提高。在高溫材料方面，出現(xiàn)了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能采用較高的燃氣初溫，于是等壓加熱循環(huán)的燃氣輪機終于得到成功的應用。

1939年，在瑞士制成了四兆瓦發(fā)電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國制造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階段，并開始迅速發(fā)展。

隨著高溫材料的不斷進展，以及透平采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果，燃氣初溫逐步提高，使燃氣輪機效率不斷提高。單機功率也不斷增大，在70年代中期出現(xiàn)了數(shù)種100兆瓦級的燃氣輪機，最高能達到130兆瓦。

與此同時，燃氣輪機的應用領域不斷擴大。1941年瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗；1947年，英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力；1950年，英國制成第一輛燃氣輪機汽車。此后，燃氣輪機在更多的部門中獲得應用。

在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時，還出現(xiàn)了燃氣輪機與其他熱機相結合的復合裝置。最早出現(xiàn)的是與活塞式內燃機相結合的裝置；50～60年代，出現(xiàn)了以自由活塞發(fā)氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置，但由于笨重和系統(tǒng)較復雜，到70年代就停止了生產。此外，還發(fā)展了柴油機燃氣輪機復合裝置；另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統(tǒng)，可有效地節(jié)約能源，已用于多種工業(yè)生產中。

1998年，經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布。

《電氣工程名詞》第一版。 2100433B

備案信息

備案號：0030-1994 2100433B