提高燃?xì)廨啓C(jī)性能技術(shù)研究

原林

（深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518000）

燃?xì)廨啓C(jī)是與國(guó)家能源相關(guān)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是能源動(dòng)力設(shè)備領(lǐng)域最高端的產(chǎn)品。燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)和能源技術(shù)的研究具有重要意義，在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用廣泛。它不僅是國(guó)防裝備中的關(guān)鍵裝備，而且在電力、能源開(kāi)發(fā)與輸送、分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的戰(zhàn)略作用。燃?xì)廨啓C(jī)投入使用已有幾十年的時(shí)間，在不斷的創(chuàng)新與研發(fā)中已達(dá)到了較高的水平。目前，先進(jìn)的J 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)最大功率460MW，初始溫度1600℃，單循環(huán)效率接近41%，聯(lián)合循環(huán)效率超過(guò)60%。由于重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品體系的特殊性，在行業(yè)中逐漸形成了通用電氣、阿爾斯通、西門子、三菱等幾個(gè)著名企業(yè)壟斷的局面。中國(guó)三大電力集團(tuán)的哈爾濱電氣、上海電氣（上海）通三菱（日本）、東方電氣（東方）和西門子（德國(guó)）共同生產(chǎn)重型燃?xì)廨啓C(jī)，但他們并沒(méi)掌握核心設(shè)計(jì)技術(shù)。由于我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)起步較晚，因此，總體與重型燃?xì)廨啓C(jī)三大巨頭的水平差距較大。嚴(yán)格意義上的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)還沒(méi)有形成，所以我國(guó)還不具備自主創(chuàng)新與研發(fā)的能力，總體水平落后20 ～30 年。

1 采用高循環(huán)參數(shù)

改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)參數(shù)是提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的有效途徑。其主要參數(shù)有熱功率、比功率、壓比、渦輪進(jìn)口溫度等，各參數(shù)的變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能有一定的影響。特別是高循環(huán)參數(shù)下，渦輪進(jìn)口溫度的升高對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的燃點(diǎn)有一定的影響。渦輪進(jìn)口溫度需要達(dá)到溫度定值，如62℃是民航發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所需要的渦輪進(jìn)口溫度。高循環(huán)參數(shù)渦輪進(jìn)口溫度與燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用有一定的關(guān)系。要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用性能，科學(xué)有效地調(diào)整高周參數(shù)汽輪機(jī)進(jìn)口溫度，以適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用，推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能，可以保證現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率一致時(shí)，不管燃油量如何變化，對(duì)轉(zhuǎn)速都不會(huì)產(chǎn)生影響。但是，隨著燃料量的波動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷輸出也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致spref的波動(dòng)。在一定的燃料量下形成spref 的自循環(huán)，從而影響波動(dòng)。隨著燃?xì)廨啓C(jī)本身的熱容量，在此過(guò)程中的緩沖算法就會(huì)減弱波動(dòng)。因此，余熱鍋爐的熱容對(duì)負(fù)荷波動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用。綜上所述，加載階段的燃料體積波動(dòng)小于加速階段，特別是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。

2 改善部件結(jié)構(gòu)及性能

2.1 壓氣機(jī)部件

燃?xì)廨啓C(jī)最重要的部件就是壓氣機(jī)部件。在燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程中，壓縮機(jī)通過(guò)壓縮空氣來(lái)提高燃?xì)廨啓C(jī)的做功。如果能減小壓縮，則可以提高工作的機(jī)械效率。機(jī)械效率越高，燃?xì)廨啓C(jī)的性能越好，在實(shí)際工作中能更好地發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)的作用。有些燃?xì)廨啓C(jī)（如船用燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電用應(yīng)急燃?xì)廨啓C(jī)）對(duì)機(jī)動(dòng)性要求很高，因此，需要對(duì)喘振裕度較高的壓縮機(jī)進(jìn)行計(jì)算，否則，在加減速時(shí)會(huì)發(fā)生喘振。超跨音速壓氣機(jī)最重要的工作特性是“強(qiáng)三維效應(yīng)”，也就是說(shuō)，通過(guò)壓縮機(jī)工作輪的氣流形成了一個(gè)復(fù)雜的三維流動(dòng)場(chǎng)，工作熵沿葉片高度下降，增加了二次流動(dòng)損失和新的沖擊波損失。燃?xì)廨啓C(jī)有著廣泛的應(yīng)用。壓縮機(jī)部件有一定的使用壽命，因此，需要根據(jù)其運(yùn)行強(qiáng)度進(jìn)行更換。例如，一些重型燃?xì)廨啓C(jī)在航海等領(lǐng)域的壓縮比也在不斷提高，提高了三維流動(dòng)的相應(yīng)效果，促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，滿足了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。

2.2 渦輪部件

改變渦輪部件是燃?xì)廨啓C(jī)的另一重要部件，其參數(shù)是提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的重要指標(biāo)之一。所有燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的效率對(duì)整個(gè)燃?xì)鉁u輪機(jī)至關(guān)重要，因此，必須盡可能提高其參數(shù)。在參數(shù)改進(jìn)過(guò)程中，必須根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用情況，科學(xué)有效地改變了參數(shù)。與此同時(shí)，由于蒸汽渦輪機(jī)的部件是非常昂貴的耐熱合金和復(fù)雜的生產(chǎn)技術(shù)的熱部件，減少蒸汽渦輪機(jī)部件的數(shù)量可能會(huì)大大降低成本。從改進(jìn)性能的角度來(lái)看，燃燒室的主要目的是減少減壓、提高燃燒效率、提高溫度和減少冷空氣量。然而，減少污染物排放是對(duì)當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)房更重要的技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)代工業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。目前，國(guó)家對(duì)企業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)基本實(shí)行一票否決制，環(huán)境評(píng)價(jià)不合格的企業(yè)不能生產(chǎn)。

3 采用先進(jìn)的熱力循環(huán)

3.1 回?zé)嵫h(huán)

回?zé)嵫h(huán)是一種熱循環(huán)方式，是提高機(jī)組效率的有效途徑。通常，余熱用于完成再生循環(huán)。因此，在一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)中，我們必須決定是否要增加熱交換器。通過(guò)從渦輪機(jī)排出的排氣，進(jìn)入燃燒室的高壓空氣升溫，高壓空氣進(jìn)入燃燒室進(jìn)一步燃燒，溫度上升。提高溫度可以保證燃?xì)廨啓C(jī)的性能，有助于提高其效率。在相同的渦輪進(jìn)口溫度下，可以降低油耗，提高熱效率15%～20%。熱效率的提高提高了燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械效率，而高的排氣溫度對(duì)其影響更為顯著。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度高，對(duì)溫度有一定要求。回?zé)嵫h(huán)能更科學(xué)、有效地提高高溫汽輪機(jī)的排氣溫度，有利于提高工作效率。

3.2 再熱循環(huán)

再熱循環(huán)也是一種熱循環(huán)，對(duì)提高燃機(jī)效率起著重要作用。再熱循環(huán)是通過(guò)增加燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹功來(lái)增加燃?xì)廨啓C(jī)的比功。比功率的增加促進(jìn)了整個(gè)再熱循環(huán)。通常在高壓渦輪機(jī)和低壓渦輪機(jī)之間增加燃燒室，在高壓渦輪機(jī)中燃燒氣體，然后，進(jìn)入低壓渦輪機(jī)，稱為再熱循環(huán)。再熱循環(huán)的應(yīng)用提高了燃?xì)廨啓C(jī)的性能，有效地提高了工作效率，保證了工作質(zhì)量。

3.3 間冷循環(huán)

中冷循環(huán)是一種熱循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)通常分為高壓和低壓壓縮機(jī)的兩部分，低壓壓縮機(jī)通過(guò)水或其他媒介冷卻空氣，然后，進(jìn)入低壓壓縮機(jī)形成中間冷卻周期(或冷卻周期)。

3.4 蒸汽回注循環(huán)

這個(gè)循環(huán)，也被稱為長(zhǎng)度循環(huán)，使用氣體將熱交換器中的回收水加熱成過(guò)熱蒸汽。不同部分的蒸汽量（從燃燒室噴到汽輪機(jī)前面的一個(gè)地方），與壓縮機(jī)提供的空氣一起加熱到汽輪機(jī)的進(jìn)口溫度，然后，一起流過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)行膨脹工作?？傊?，F(xiàn) 型燃?xì)鉁u輪機(jī)及其改造是我們?nèi)細(xì)鉁u輪機(jī)的主要部件。燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)調(diào)制的靈活性也意味著燃料波動(dòng)引起的輸出能量波動(dòng)也很明顯。結(jié)合燃?xì)鉁u輪機(jī)管理的原則和邏輯，分析不同階段的“靈活性”氣體渦輪機(jī)，指導(dǎo)和建議評(píng)估功能和故障，以及進(jìn)一步提高人們對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)的某些特性的認(rèn)識(shí)。

4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展建議

4.1 驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新

搭建燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，整合工業(yè)開(kāi)發(fā)、研發(fā)和生產(chǎn)資源。大力推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)從引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新向自主、綜合創(chuàng)新轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化，支持配套企業(yè)密切參與發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵產(chǎn)品的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程。逐步建立以企業(yè)為導(dǎo)向、以市場(chǎng)為導(dǎo)向的創(chuàng)新體系，鼓勵(lì)企業(yè)和高校職工建立生產(chǎn)、教學(xué)、研究、使用、投資相結(jié)合的研究平臺(tái)，加快高?？萍汲晒霓D(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。支持企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)向社會(huì)開(kāi)放資源，將一套內(nèi)部平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)共同技術(shù)研發(fā)平臺(tái)和行業(yè)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。鼓勵(lì)各類技術(shù)創(chuàng)新主體在一系列關(guān)鍵領(lǐng)域探索共同的關(guān)鍵技術(shù)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，為產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供動(dòng)力。

4.2 構(gòu)建燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域協(xié)同技術(shù)開(kāi)發(fā)

鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的制造系統(tǒng)研發(fā)更狹窄和協(xié)作，積極鼓勵(lì)和支持研發(fā)力量,強(qiáng)烈的結(jié)合，積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)外研發(fā)力量，支持跨區(qū)域協(xié)同研發(fā)，提高燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力。

4.3 重視燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)新要素的保障與協(xié)調(diào)

促進(jìn)的注意力和保證各類文體的創(chuàng)新研發(fā)單位的燃?xì)鉁u輪機(jī)，以及協(xié)調(diào)和支持的政策研究和發(fā)展的投資，建設(shè)研發(fā)機(jī)構(gòu)和研發(fā)平臺(tái)，高級(jí)研發(fā)和建立團(tuán)隊(duì)。綠色通道的應(yīng)用系統(tǒng)主要的研究和發(fā)展項(xiàng)目，加強(qiáng)協(xié)調(diào)和支持，并優(yōu)先考慮建筑的土地形成大示范項(xiàng)目的研發(fā)領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)從事燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展。

4.4 強(qiáng)化燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)人才培養(yǎng)和管理機(jī)制

建立人才培養(yǎng)機(jī)制的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化配置高校學(xué)科和專業(yè)的制造設(shè)備，完善的職業(yè)培訓(xùn)和繼續(xù)教育制度，提高學(xué)生有效的培訓(xùn)機(jī)制，以滿足工業(yè)氣體行業(yè)人才需求的渦輪機(jī)。加強(qiáng)企業(yè)人才合作，開(kāi)辟人才共享渠道。完善與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)的人力資源管理機(jī)制和政策，滿足燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)人員的多種需求，為實(shí)施以創(chuàng)新為導(dǎo)向的發(fā)展戰(zhàn)略提供智力支持。

5 結(jié)語(yǔ)

由于諸多歷史原因，我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)與世界領(lǐng)先水平還有一定差距。鑒于燃?xì)廨啓C(jī)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防工業(yè)中的重要作用，進(jìn)一步發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)勢(shì)在必行。目前，我們還需要繼續(xù)學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提高自身的研發(fā)能力，正所謂“百尺竿頭更進(jìn)一步”!