燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。 燃气轮机可以是一个广泛的称呼,基本原理大同小异,一般所指的燃气涡轮发动机,通常是指用于船舶(以军用作战舰艇为主)、车辆(通常是体积庞大可以容纳得下燃气涡轮机的车种,例如坦克、工程车辆等)。与推进用的涡轮发动机不同之处,在于其涡轮机除了要带动传动轴,传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨等外,还会另外带动压缩机。至17世纪中叶,透平原理在欧洲得到了较多应用。

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    1基本简介

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    燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中,只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环,通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单,而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。

    压气机从外界大气环境吸入空气,并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压,同时空气温度也相应提高;压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气;然后再进入到透平中膨胀做功,推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转,实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功,并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样,燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能,又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中,压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的,它是透平的负载。在简单循环中,透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机,其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动的时候,首先需要外界动力,一般是起动机带动压气机,直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时,外界起动机脱扣,燃气轮机才能自身独立工作。

    2国内状态

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    燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体,燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平,是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一,具有十分突出的战略地位。

    由于多方面的原因,我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的产业。诸多领域动力落后的状态,已成为制约国民经济发展的“瓶颈”,其技术仅被世界上少数几个发达国家所控制,先进的燃气轮机在西方国家仍然限制对华出口。

    《2013-2017年中国燃气轮机行业发展前景与投资预测分析报告》[1]显示,燃气轮机属于重大核心装备,如果长期依赖进口,在关键技术上受制于人,不利于我国燃气轮机动力产业及相关产业的健康、快速发展。从市场容量看,我国新世纪四大工程中“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等三大工程均需要大量30兆瓦级工业型燃气轮机,同时我国舰船制造业的健康快速发展需要大量30兆瓦级舰船燃气轮机,我国已成为世界最大的燃气轮机潜在市场。

    面对经济全球化、国际燃气轮机市场激烈竞争和国外高度垄断的新形势,国家对我国民族燃机产业的发展非常重视,国家发改委和科技部已经将我国燃气轮机市场发展的思路和对策纳入“十二五”及长期发展规划中,重型燃气轮机是国家优先发展的10项重大技术装备之一。是国家装备制造业重点发展的领域,特别是燃气-蒸汽联合循环机组和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环机组。前瞻网预计随着中国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机正在形成一个“爆发性增长”的市场。到2020年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦,是2000年之前50年已建成同类装机容量的25倍。保守估计,仅中石油一家,每年需要的燃气轮机价值就达到了30亿元。到2015年,国内燃气轮机的市场容量能达到300亿元,而国际市场容量则能达到2700亿元。

    3发展概述

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    1791年,英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程;1872年,德国人施托尔策设计了一台燃气轮机,并于1900~1904年进行了试验,但因始终未能脱开起动机独立运行而失败;1905年,法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机,但效率太低,因而未获得实用。

    1920年,德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机,其效率为13%、功率为370千瓦,按等容加热循环工作,但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热,存在许多重大缺点而被人们放弃。随着空气动力学的发展,人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点,解决了设计高效率轴流式压气机的问题,因而在30年代中期出现了效率达85%的轴流式压气机。与此同时,涡轮效率也有了提高。在高温材料方面,出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢,因而能采用较高的燃气初温,于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。

    1939年,在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机,效率达18%。同年,在德国制造的喷气式飞机试飞成功,从此燃气轮机进入了实用阶段,并开始迅速发展。随着高温材料的不断进展,以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果,燃气初温逐步提高,使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大,在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机,最高能达到130兆瓦。

    与此同时,燃气轮机的应用领域不断扩大。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验;1947年,英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水,它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力;1950年,英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后,燃气轮机在更多的部门中获得应用。

    在燃气轮机获得广泛应用的同时,还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置;50~60年代,出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置,但由于笨重和系统较复杂,到70年代就停止了生产。此外,还发展了柴油机燃气轮机复合装置;另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统,可有效地节约能源,已用于多种工业生产中。[2]目前最经典的应用最多的发动机型有LM2500和GT25000。

    市场份额

    全世界从事燃气轮机研究、设计、生产、销售的著名企业有28家,全世界使用的工业燃气轮机约有5万台,而且全球的燃机市场几乎被欧美公司所垄断。

    由于不同的历史背景,燃气轮机不同技术道路发展,一条以罗罗、普惠、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃气轮机(俗称“航改机”);一条是以西门子、ABB、GE三菱公司为代表,遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机(俗称“工业机”),主要用于机械驱动和大型电站。世界范围内市场主要被GE公司、西门子/西屋、阿尔斯通/ABB、索拉公司、罗罗公司、三菱和俄罗斯的企业瓜分。

    工业概况

    我国解放前没有燃气轮机工业,解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。1956年我国制造的第一批喷气式飞机试飞,1958年起又有不少工厂设计试制过各种燃气轮机。

    1962年上海汽轮机厂试制船用燃气轮机,1964年与上海船厂合作制成550KW燃气轮机,1965年制成6000KW列车电站燃气轮机,1971年制成3000KW卡车电站。在这期间还与703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等几种船用燃气轮机。

    1969年哈尔滨汽轮机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机,1973年与703研究所合作制成4410KW船用燃气轮机,与长春机车车辆厂合作制成3295KW机车燃气轮机。

    1964年南京汽轮电机厂制成1500KW电站燃气轮机;1970年制成37KW泵用燃气轮机;1972年制成1000KW电站燃气轮机;1977年制成21700KW快装式电站燃气轮机;1984年与GE公司合作生产了PG6541B型36000KW燃气轮机;从1984年至2004年已生产了PG6541B型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四种型号燃气轮机,功率由36000KW上升到43660KW。2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与GE公司进一步扩大合作生产范围,在南京汽轮电机集团有限责任公司生产S209E型燃气-蒸汽联合循环发电装置中的燃气轮机、汽轮机和发电机。

    1978年东方汽轮机厂制成6000KW燃气轮机;1972年杭州汽轮机厂制成200KW燃气轮机;1972年青岛汽轮机厂制成1500KW卡车电站燃气轮机。

    2003国家发改委决定在秦皇岛建一座燃气轮机生产基地,与美国GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。该生产基地隶属于哈电集团,与哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂共同生产S109FA-SS型燃气-蒸汽联合循环发电设备。2004年8月在秦皇岛组装的第一台MS9001FA型燃气轮机已发运到杭州半山电厂。

    2004年12月15日,中国具有自主知识产权的第一台重型燃气轮机、中航工业黎明R0110重型燃气轮机在中海油深圳电力有限公司现场完成72小时带负荷试验运行考核。此次运行考核验证了R0110重型燃气轮机的设计状态,是重型燃机研制过程的重要里程碑,为未来实现商业化运行打下了良好基础。

    4工作原理

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    燃气轮机的工作过程是,压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气涡轮中膨胀做功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的做功能力显著提高,因而燃气涡轮在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时,需用起动机带着旋转,待加速到能独立运行后,起动机才脱开。

    燃气轮机的工作过程是最简单的,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;此外,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,可使燃气轮机效率显著提高。70年代末,压缩比最高达到31;工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右,航空燃气轮机的超过1350℃。

    内部结构

    燃烧室和涡轮不仅工作温度高,而且还承受燃气轮机在起动和停机时,因温度剧烈变化引起的热冲击,工作条件恶劣,故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命,这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等,须用镍基和钴基合金等高温材料制造,同时还须用空气冷却来降低工作温度。

    对于一台燃气轮机来说,除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统,此外还需要配备良好的附属系统和设备,包括:起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重,大修周期长,寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻,所用材料一般较好,其中以航机的结构为最紧凑、最轻,但寿命较短。

    与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较,燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量,重型燃气轮机一般为2~5千克/千瓦,而航机一般低于0.2千克/千瓦。燃气轮机占地面积小,当用于车、船等运输机械时,既可节省空间,也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高,在部分负荷下效率下降快,空载时的燃料消耗量高。

    不同的应用部门,对燃气轮机的要求和使用状况也不相同。功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电,而30~40兆瓦以上的几乎全部用于发电。

    燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动,机动性好,在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用,能较好地保障电网的安全运行,所以应用广泛。在汽车(或拖车)电站和列车电站等移动电站中,燃气轮机因其轻小,应用也很广泛。此外,还有不少利用燃气轮机的便携电源,功率最小的在10千瓦以下。

    燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料、利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温,即改进涡轮叶片的冷却技术,研制能耐更高温度的高温材料。其次是提高压缩比,研制级数更少而压缩比更高的压气机。再次是提高各个部件的效率。

    高温陶瓷材料能在1360℃以上的高温下工作,用它来做涡轮叶片和燃烧室的火焰筒等高温零件时,就能在不用空气冷却的情况下大大提高燃气初温,从而较大地提高燃气轮机效率。适于燃气轮机的高温陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。

    按闭式循环工作的装置能利用核能,它用高温气冷反应堆作为加热器,反应堆的冷却剂(氦或氮等)同时作为压气机和涡轮的工质。

    润滑系统

    燃气轮机润滑油系统是任何一台燃气轮机必备的一个重要的辅助系统。它的作用是在机组启动、正常运行以及停机过程中,向正在运行的燃气轮机发电机组的各个轴承、传动装置及其附属设备,供应数量充足的、温度和压力合适的、干净的润滑油,以确保机组安全可靠地运行,防止发生轴承烧毁、转子轴颈过热弯曲、高速齿轮法兰变形等事故。此外,部份润滑油可能从系统分流出来,成为液压油系统的油源,或经过滤后作为控制油系统的用油。

    联合循环发电装置的润滑油系统有几种不同的配置,对于单轴机组,燃气轮机与汽轮机共用一套润滑油系统;对于多轴机组,燃气轮发电机组与汽轮发电机组可以共用一套润滑油系统,也可以各自单设一套润滑油系统,这要视机组的总体布置而定,不过,由于电站分期建设的需要,大多数多轴机组采取各自单设一套的方式;还有一种航空衍生型的燃气轮机,由于燃气初温很高,其燃气发生器要求使用品质更高的润滑油,因此燃气发生器单独设一套润滑油系统,而动力涡轮与发电机另设一套,前者用合成油,后者用矿物油。

    单就润滑油系统而言,不管是共用系统还是分设系统,其设计原理是一样的。整个润滑油系统的组成应包括下列一些设备:

    润滑油箱

    润滑油箱可设在机组的一个或几个底盘内,也可以设计成单独的容器。当油箱由几个容器组成时,应在它们之间用管道连通以平衡油箱内的压力。油箱除了起贮油的作用外,还担负着分离空气、水分和各种机械杂质的任务。油箱中油流速度应尽量缓慢,回油管应布置在接近油箱的油面,以利于油层内空气逸出。油箱的容量越大,越有利于空气、水分和各种杂质的分离。通常用循环倍率K(全部润滑油每小时通过油箱的次数)表示系统容积的相对情况,以Q表示系统的每小时油的容积流量,V表示系统的容积(油箱+管路),循环倍率K=Q/V。通常规定K=8~10,最大不超过12。这是为了使从系统回来的润滑油,有足够的时间将其夹带的空气、水分分离掉。不过,为了结构紧凑,避免因油箱体积过大而使设备笨重,多数机组油箱容量偏小,这迫使用户要选择分水性能更好和空气释放值较小的润滑油。

    主润滑油泵

    这是机组正常运行时的工作油泵,可以由主机通过辅助齿轮驱动,也可以由交流电动机驱动,大型机组为了简化结构多采用电动。油泵的容量根据系统总的用油量、调节阀门溢流量和管路的泄漏量决定。主油泵常用的有齿轮泵和螺杆泵,也可以是离心泵。

    辅助油泵

    这是机组启动和停机时的工作油泵,或在主油泵出故障时投入使用,通常由交流电动机驱动。此泵多采用浸入式离心泵。其压力和容量一般和主油泵相同或稍微高一些。

    应急油泵

    该泵在停机时因辅助润滑油泵故障而投入,或因失去交流电源而投入,或因主、辅泵都不能工作机组紧急停机而投入。由于应急泵只在故障时工作,其压力和容量一般较小。也有的润滑油系统用高位油箱代替应急油泵。

    润滑油流过各润滑点(轴承、齿轮等)后温度上升14~33℃(配备减速齿轮时温升可达33℃),因此,从系统回来的润滑油必须冷却以保证合适的供油温度。应用较为广泛的仍然是管式冷油器。常用的冷却方式为水冷,其次是气冷,气冷的优点是不需要冷却水,可在缺水地区使用,但由于空气的传热系数比水的要低得多,因此空冷式冷油器体积相对要庞大得多。在采用水冷方式时,常常设置两个并联的可切换的冷油器。

    主润滑油滤多采用两个并联的可切换的滤油器。主油滤应设置在冷油器的下游。

    除上述的设备之外,润滑油系统还需要有阀门、孔板、温度开关、压力开关、油箱液位指示器、润滑油加热器等各种组件和设施,以保证系统正常、安全、可靠地工作。

    为保证对燃气轮机及其驱动的设备提供良好的润滑,除了有设计完善的润滑油系统外,选择性能优越的润滑油也是一个重要因素。早期燃气轮机由于涡轮进口温度不是很高,其所用的润滑油基本与汽轮机用油一致,但随着涡轮进口温度的不断提高,燃气轮机对润滑油质量指标的侧重点与汽轮机的侧重点明显不同,燃气轮机强调的是油的高温抗氧化性能,而汽轮机则看重油的抗乳化性能(分水性能)。不少厂商正在研制上述两种性能均优的联合循环用油,特别是同一润滑油系统的单轴机组的用油。润滑油为基础油添加防锈、防腐、抗氧化等各种添加剂后的制成品。基础油可以是矿物油,也可以是合成油。由于合成油纯度高,其性能及使用寿命均优于矿物油,但价格一般为矿物油的2~3倍。评价润滑油优劣的性能指标有油的物理性能、表面性能和氧化性能三个方面,对此燃气轮机制造厂商会提出选择建议。

    & 对润滑油的要求,原则上有下列几个方面:

    1.要求适应轴承、齿轮装置等的启动、加速、满转速及超速等各种工况所需要的润滑油性能。

    2.要求适应液压系统如油缸、伺服阀等所需要的液压油性能。

    3.热传递油性能。能把轴承、齿轮装置等各种热表面的热量吸收,并将其传输给润滑油换热器(冷油器)。

    4.在一定温度和压力下工作、静止或贮存状态都具有稳定的物理性能、表面性能和氧化性能。

    5.能适应润滑系统中及其他用油系统中的各种机械材料,并能保护材料不受腐蚀。

    6.具有自动排除空气和水等污染物的性能。

    7.具有一定的抗燃能力等。

    在选择润滑油时,除了遵照设备制造厂商的建议之外,应该更侧重于下列的性能指标:

    1.黏度和黏度指数

    为了常温下燃气轮机启动时确保各轴承的静压润滑和液压系统的快速反应能力,希望在启动时润滑油的黏度不要太高,为此绝大多数涡轮机械选择40℃时黏度为28.8~35.2/s的润滑油,即黏度等级为ISOVG32的润滑油。在燃气轮机正常带负荷运行时,轴承间隙内的工作温度有可能高达120℃以上,此时要求油的黏度高一些。为此,应选择黏度随温度变化较为平缓的、即黏度指数较大的润滑油。这里建议油的黏度指数在100以上,至少不应小于90。

    2.氧化安定性

    燃气轮机工作时,润滑油受到强烈的热氧化作用,汽轮机油常用的挥发型防锈抗氧化剂对燃气轮机用的润滑油已不适宜。对于在温度高于260℃的环境中工作的轴承,文献49中明确规定其使用的润滑油中不宜含有DBPC(二叔丁基对甲酚)一类的挥发型抗氧化剂。对于氧化安定性,传统的考核指标是油氧化后酸值达2.0mgKOH/g时所需要的小时数(国外常简称为TOSTLife,即总的氧化稳定性试验寿命),在燃气初温不是很高的情况下,仅考核这一指标已足够,而且只要求其在2000h以上就可。

    但是,由于TOST是在95℃的试验条件下进行,而这一温度与燃气轮机轴承的工作温度颇有距离,对新一代燃气初温更高的燃气轮机,光考核TOST已经不够,因此增加了油的旋转氧弹试验指标,以便在更高的温度下考核油的性能。旋转氧弹试验的温度为150℃,比TOST要高得多。

    3.破乳化值,也称分水性能

    这是指油和水的分离能力,测量的方法是在专用的试管内放入40mL的油和40mL的水,按规定的试验程序混合,然后测量油水完全或基本完全分离的时间(min),油水分离的程度可以是40-37-3.40-40-0等。对于燃气轮机,这不是十分强调的性能指标,因为在燃气轮机中,润滑油被水(或蒸汽)污染的可能性不大。而在汽轮机中,油水混合的可能性很大,对油的破乳化值不能忽视,其指标至少是油水分离至40-37-3,时间不大于15min。对于联合循环发电装置,如果燃气轮机与汽轮机共用润滑油系统,则必须兼顾油的高温性能和分水性能。

    4.空气释放值

    由于大多数燃气轮机的轴承均使用密封空气,因此轴承的回油中必然会混进空气。这些进入油层中的空气,必须要在油回到油箱后的短暂停留时间内从油层中释放掉。在选择润滑油时,其空气释放值应不大于油在油箱内循环一次的时间。

    5.起泡性能

    起泡性能与空气释放值是两个相互关联而又容易混淆的概念。其实空气释放发生在油层之内,泡沫则产生于油的表面之上。通常认为,在油面上形成5mm的泡沫是正常的。但泡沫过多,油箱的通(排)气口充满泡沫时,就会因妨碍空气的排放而招致严重的后果。因此油的起泡性能至少应符合一般汽轮机油的标准。

    除此之外,新油的颜色应浅,以不超过ASTMD1500中的2.0为宜。对于带有负荷齿轮箱的机组,必须考虑油的承载能力,应选择承载能力(FZG)7级以上的油。[1]

    5发电厂

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    燃气轮机发电厂英文名:gas turbine power plant

    以高温气体为工质,按照等压力加热循环工作燃料中的化学能转变为机械能和电能的工厂。燃气轮机发电厂用液体和气体燃料通过燃气轮机转变为机械能,然后带动发电机发电。

    燃气轮机的绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热等四个过程分别在压气室、燃烧室、燃气涡轮和回热器或大气中完成。大型燃气轮机的压气机为多级轴流式,中小型的为离心式。燃气涡轮一般为轴流式,在小型机组中有用向心式的。燃气涡轮带动压气和发电机。燃气轮机组单机容量小的约为10~20kW,最大的已达140MW 。热效率30%~34% ,最高达38%。燃气轮机结构有重型和轻型两种,后者主要由航空发动机改装。

    由于体积小、重量轻、启动快、安装快,用水少或不用水,能使用多种液体和气体燃料,在发电上多用于调峰。此外,燃气轮机在油气开采输送、交通、冶金、化工、舰船等领域也得到广泛应用。

    6密封

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    燃气轮机先进密封技术是近十几年来在国外引起高度重视的一个分支领域,先进密封技术带来的好处,已经实实在在地体发动机性能提高、燃油消耗率降低、运行和维修成本减少等方面。
    汽缸密封:

    在汽轮机运行过程中,汽轮机渗漏和汽缸变形是最为常见的设备问题,汽缸结合面的严密性直接影响机组的安全经济运行,检修研刮汽缸的结合面,使其达到严密,是汽缸检修的重要工作,在处理结合面漏汽的过程中,要仔细分析形成的原因,根据变形的程度和间隙的大小,可以综合的运用各种方法,以达到结合面严密的要求。

    汽缸密封是金属对金属的密封接触,只有在密封接触压力使接触面产生永久变形时,才能形成绝对的密封。但这是不允许的,缸面变形必将影响下一次的密封效果。因此,螺栓预紧力的极限必须保证缸面变形在弹性范围内。然而,这种使缸面产生弹性变形的螺栓力不足以形成耐高温高压的气密性密封,即使在具有超高表面光洁度的完善的缸面情况下,也仍会出现泄漏。因为,尽管表面非常良好,但总是存在着极其细微的能生成足以通过空气流的泄漏通道的表面缺陷。

    汽缸密封可采用博科思高温密封剂,博科思高温密封剂已经在西门子涡轮机上用了50多年(1952年与西门子合作研发)。博科思高温密封剂是一种单组份、膏状密封剂,是一种工业用途优质密封剂,适用于对光滑、平整密封面(对接接头)的温度和压力情况要求高的工况。尤其适用于密封金属接头:蒸汽轮机和燃气轮机、压缩机、泵、外壳、法兰接头等。博科思耐高达900℃的热蒸汽、气体,热、冷水,轻质燃油、润滑剂,原油及天然气。密封面及接头处极好的粘着力可确保耐压高达250巴(255kg/cm2)的压力。我们可以发布一个对于产品应用在蒸汽涡轮机和燃气涡轮机机加密封面(对接接头)10年的担保,但要基于产品的正确使用和行业规定的维修。博科思不是一种危险物质。

    7舰船用机

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    舰船动力装置主要有:蒸汽动力装置、柴油机动力装置、核动力装置、燃气动力装置和联合动力装置。前两种装置发展得比较早,广泛应用于各类舰船,后面三种,系近十多年来迅速发展起来的新型动力装置。舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置。它自五十年代末期起,尤其是六十年代中期以来,已得到了极其广泛的应用。功率总数日益增长,装舰使用范围日益扩大,已由快艇发展到了护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰和直升机航空母舰等,可谓是舍我其谁。

    动力优势

    在军舰动力方案选择上,燃气轮机的主要竞争对手是舰用柴油机和舰用蒸汽轮机,但是由于燃气轮机先天优势与军舰动力系统性能要求更为吻合,燃气轮机成为了各国军舰动力系统发展的唯一选择。老牌海军强国如美国海军、英国海军、日本海上自卫队的主力水面作战舰只早已完成动力燃气轮机化。

    燃气轮机第一个优势是功率密度极大。一般情况下,同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一,是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。这是由于燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构造成的,体积小、功率大,非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。

    燃气轮机的第二个优势是启动速度快。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的,但是由于整个转子十分轻巧,在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复,加速较慢,蒸汽轮机更是“反应迟钝”,整个系统达到最高功率输出可能需要长达一小时的时间。而启动速度,对于军舰的战时出动和反潜作战时加减速性能有着直接的影响。

    燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中,产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声,恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点,导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。

    劣势

    由于燃气轮机工作时需要吸入大量的新鲜空气,同时排放出大量的废气,因此燃气轮机在军事舰艇中的使用会带来排烟系统占据大量舰艇空间,简单来说就是需要较蒸汽轮机更大的烟囱,从而导致其余设备在空间和结构上的局限性。

    尚未装备

    我国舰用燃气轮机研发的起步并不算晚。根据“中国舰用燃气轮机总师访谈录”的介绍,1958年我国开始着手研发计划的具体组织实施,决定成立南、北方两个联合设计组,先开展大、中、小三型机组的可行性论证和方案设计。1959年底,前苏联向我国转让了M-1舰用燃气轮机技术,我国对该机组进行了以技术练兵为目的的仿制工作。仅用了11个月,上海轮机厂就完成了该型燃机的首台样机制造。不过由于各种原因,仿制样机经过3年才排除大量故障通过验收试验。后来该型燃机在一艘高速炮艇上进行了试验并且装备了部队。1964年完成设计的6000马力燃机组是我国第一次自行设计研制的舰用燃机,但是由于研制周期过长加之原装配对象计划调整未能装备部队。与世界上其他国家主要依靠航空发动机改燃机不同,我国由于航空发动机水平落后,采取的是改进和专用研制并举的道路。

    1967年我国决定将轰六轰炸机上的涡喷8发动机改进为大功率舰载燃气轮机,这是我国首次进行“航改燃”实践,但是最终因为发达国家同意进口相应型号受到冲击无果而终。后来我国一直在舰用燃机方面不断尝试,但是一直没能拿出一款成熟可靠性能优良的舰载燃气轮机。这就是中国6艘装备燃气轮机的驱逐舰都采用外国产品的原因,其中112.113两艘驱逐舰因为受到美国禁运影响,其装备的LM2500燃气轮机到了使用时限也难以获得大修。

    航空动力工业发展拖累舰用燃机

    我国在舰载燃气轮机方面一直没能突破技术瓶颈的主要原因有很多,既有航空动力方面的问题也有舰用燃机工业本身的体制问题。其中最主要的一个原因是我国航空动力工业缺乏长期发展规划。我国航空动力工业像很多落后国家一样是从仿制和修理开始的。在老大哥的帮助下,我国迅速建立起一个能够和世界一流水平比肩的航空工业体系,但是我国并没有为航空工业以及航空动力工业制定一个从仿制到研制的长远发展规划,而是将航空工业本身的任务局限于仿制、生产和修理,确定了以生产为主的“遍地批量厂”发展方针。我国航空工业的运行状态就是,仿制生产再仿制再生产,长期处于这种发展状态下,我国航空动力工业对于现代航空动力系统的研究发展客观规律认识极为不足。

    航空发动机研制没能突破相关技术瓶颈,与航空发动机技术相通的舰用燃机更是无从谈起。在2004年,中国一航开发研制的国产新型燃气轮机QC185在珠海航展上首次面世。而该机就是以太行核心机为基础改进的轻型燃机,不过输出功率17兆瓦的水平也不足于我国发展大型水面舰艇的需要。另外,我国舰用燃气轮机主要研制和生产单位存在于航空工业之外,在体制方面非常不利于航空发动机向燃气轮机的改进工程。

    8发电形式

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    简单发电

    由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统,也称为开式循环。其优点是装机快、起停灵活,多用于电网调峰和交通、工业动力系统。目前的最高效率的开式循环系统是GE公司LM6000PC 轻型燃气轮机,效率为43%。

    发电

    由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统,它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收,转换为蒸汽或热水加以利用。主要用于热电联产,也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。最高效率的前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120 轻型燃气轮机,效率为43.3%。前置循环热电联产时的总效率一般均超过80%。为提高供热的灵活性,大多前置循环热电联产机组采用余热锅炉补燃技术,补燃时的总效率超过90%。

    热电联产

    燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统,它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽,再将蒸汽注入蒸汽轮机发电,或将部分发电作功后的乏汽用于供热。形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环,也有燃气轮机、蒸汽轮机各自推动各自发电机的多轴联合循环。主要用于发电和热电联产,发电时的最高效率的联合循环系统是ABB公司GT26-1,效率为58.5%。

    整体化循环

    由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循环系统,也称为IGCC。主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用气体、液体燃料,提高煤炭利用效率,降低污染物排放。可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。GE公司使用MS7001F技术组成的整体循环系统发电效率可达到42%。

    联合循环

    由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。通过燃气轮机排出的烟气再热核反应堆输出的蒸汽,主要为提高核反应堆蒸汽的温度、压力,提高蒸汽轮机效率,降低蒸汽轮机部分的工程造价。目前处于尝试阶段。

    辅助循环

    在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中,使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统,为锅炉预热、鼓风,改善燃烧,提高效率,并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统运行的。

    燃气烟气

    由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统,利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热焓进一步推动烟气轮机发电。该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水,但烟气轮机造价较高,还未能广泛使用。

    燃气热泵

    由燃气轮机和烟气热泵,燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵,或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵,以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽(烟气)热泵组成的能源利用系统。该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后,进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用,或将动力直接推动热泵。这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷使用,该系统热效率极高,如果用于直接供热,热效率可达150%,是未来能源利用的主要趋势之一。

    燃料电池

    美国能源部宣布开发出了世界第一个将燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备,这种设备能更有效地产生电力并大大减少环境污染。据了解,这一设备的燃料电池由1152个陶瓷管构成,每个陶瓷管就像一块电池。电池以天然气为燃料,能放出高温高压的废气流,燃气涡轮机则用燃料电池产生的热废气流制第二轮电力。由于燃料电池中没有燃烧过程,只是通过化学分解天然气燃料来产生电力,因此可以大幅度减少污染。 设备不会产生二氧化硫,其反应产物中的氮氧化物含量不及天然气发电设备的2%,二氧化碳排放量则减少了15%。而且,只要有天然气和空气存在,燃料电池就能工作。新型发电设备的发电功率为220千瓦,能为200户人家提供电力。其发电效率达到55%,这意味着来自天然气燃料的能量中有55%转化成了电能,远远高于燃煤发电设备的35%发电效率,也高于燃气涡轮机50%的发电效率。[2]

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    参考资料

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    [1].燃气轮机
    [2].2013—2017中国燃气轮机行业发展前景与投资预测分析报告

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    燃气轮机 图册

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    • 更新时间:2014-10-14
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