燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用選型與節(jié)能措施研究

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是以氣體為工質(zhì)，經(jīng)壓縮加熱后在透平中膨脹，將氣體能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱力渦輪機(jī)械。燃?xì)廨啓C(jī)一般由壓氣機(jī)、燃燒室、透平、控制系統(tǒng)及必要的輔助設(shè)備組成[1-4]。

1 燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

世界上第一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)誕生于1939年，至今已經(jīng)歷了八十余年。隨著熱力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、高溫材料冷卻技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步，燃?xì)廨啓C(jī)也取得了極大的發(fā)展。當(dāng)前，燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)最大功率、最高透平進(jìn)氣溫度、壓氣機(jī)最高壓比及最高效率等參數(shù)都有了顯著提升[5-6]。

先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用模塊（箱裝體）結(jié)構(gòu)，維修和更換都較為便捷，而且采取了孔探儀、振動(dòng)和溫度監(jiān)控、熄火保護(hù)等措施，提高了整機(jī)可靠性和使用率。其控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用微機(jī)處理器[7]，顯著優(yōu)化了啟動(dòng)、停機(jī)等過程，實(shí)現(xiàn)了無人或遙控操縱運(yùn)行。

燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率很高，排氣干凈。與柴油機(jī)等動(dòng)力裝置相比，未燃燒的碳?xì)浠衔铮║HC）、CO、SO2等排放物相對(duì)較低。采用注水或注蒸汽抑制燃燒或在排氣管路安裝選擇催化還原裝置（SCR），可使NOx的排放量顯著降低。以干式低NOx燃燒技術(shù)為例，通過該項(xiàng)技術(shù)無需向燃燒室注水或蒸汽，而是應(yīng)用合理的燃燒室結(jié)構(gòu)和恰當(dāng)?shù)娜紵^程，來減少NOx的排放量，并充分滿足嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

燃?xì)廨啓C(jī)有很多種形式，按其應(yīng)用領(lǐng)域通?？煞譃橐韵聨追N[8-9]。

1）用于發(fā)電

燃?xì)廨啓C(jī)用于發(fā)電領(lǐng)域時(shí)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷為發(fā)電機(jī)組，大多是單軸等轉(zhuǎn)速運(yùn)行，是目前最主要的一種應(yīng)用方式。

2）驅(qū)動(dòng)通用機(jī)械

在該領(lǐng)域中燃?xì)廨啓C(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵等設(shè)備，多為分軸型，輸出軸轉(zhuǎn)速可變。

3）用于車輛動(dòng)力裝置

燃?xì)廨啓C(jī)可用作車輛動(dòng)力來源，驅(qū)動(dòng)車輪，多為分軸，輸出軸轉(zhuǎn)速可變，在坦克裝甲車輛、機(jī)車車輛、汽車等領(lǐng)域得以應(yīng)用。

4）用于艦船動(dòng)力裝置

燃?xì)廨啓C(jī)也用作艦船動(dòng)力裝置以驅(qū)動(dòng)螺旋槳[10-11]，多為分軸或多軸，且輸出轉(zhuǎn)速可變。

3 燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

1）質(zhì)量輕、體積小

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的金屬消耗量約為同功率汽輪機(jī)的1/3～1/5，因此基建投資省，建設(shè)周期短[12]。

2）水、電潤滑油的消耗少

燃?xì)廨啓C(jī)耗水極少，甚至可以不用水，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠自用電也很少，許多機(jī)組可以無電源啟動(dòng)，所需的潤滑油也明顯低于汽輪機(jī)及柴油機(jī)[13-14]，因此適用于缺水、缺電的地區(qū)。

3）燃料適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境污染小

除能燃用天然氣、蒸餾油等優(yōu)質(zhì)燃料外，還能燃用渣油、原油、中低比能的煤氣等廉價(jià)燃料。同一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)可以燃用液體或氣體等幾種燃料，系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)備無需作大幅度調(diào)整，甚至可以在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)不同燃料間的相互切換?，F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的排氣比較干凈，煙塵、CO、SO2、NOx和未燃碳?xì)浠衔铮║HC）的排放一般都能滿足嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

4）啟動(dòng)快、自動(dòng)化程度高

燃?xì)廨啓C(jī)從冷態(tài)啟動(dòng)、加速，直至帶上滿負(fù)荷，一般只需3～15 min?，F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)可通過微機(jī)進(jìn)行控制，通過程序設(shè)定以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停機(jī)，同時(shí)進(jìn)行集中控制或遙控，運(yùn)行維修便捷，甚至可實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)行。

5）可以綜合利用余熱，大幅提高能源利用率

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度一般為450～600℃，加之排氣流量較大，蘊(yùn)含著大量適于綜合利用的優(yōu)質(zhì)能源。如加裝余熱鍋爐，組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，則其總功率可增加1/3～1/2，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供或熱電冷三聯(lián)供，使能源利用率提高到80%以上[15-16]。

4 燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用與選型

4.1 發(fā)電領(lǐng)域

4.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)發(fā)電

燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)便構(gòu)成了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧，初始投資低，占地少，耗水少或不耗水，且安裝方便，建設(shè)周期短，啟動(dòng)迅速，運(yùn)行靈活，排氣干凈，煙塵及未燃碳?xì)浠衔铮║HC）、CO和NOx的排放量都很少[17]，可滿足國際上最嚴(yán)格的環(huán)保要求，而且可實(shí)現(xiàn)室外安裝，自動(dòng)化水平高，可實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)行或遙控運(yùn)行，非常適合公用電網(wǎng)的尖峰負(fù)荷機(jī)組。該發(fā)電機(jī)組可安裝在用電比較集中的用戶附近，實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)自行調(diào)峰，進(jìn)行分布式能源供給，以減少長距離輸電損失。一般公用電網(wǎng)配有10%～15%容量的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，即可確保電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

目前，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的規(guī)格型號(hào)比較多，通常為單軸定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，單機(jī)功率范圍可從數(shù)百千瓦到數(shù)百兆瓦，選擇余地較大，而且多為箱裝體結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸安裝都較為便捷。

4.1.2 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

利用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的高溫排氣，加裝余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，以此構(gòu)成了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，使總發(fā)電量和發(fā)電效率得以大幅提升，可用作公用電網(wǎng)的基本負(fù)荷機(jī)組。

4.2 管線輸送動(dòng)力

目前，普遍應(yīng)用管道輸送天然氣和石油，當(dāng)輸送距離較長時(shí)，為了克服沿程管道的壓力損失，一般每隔一定距離設(shè)一增壓站，用壓氣機(jī)或泵來提高被輸送介質(zhì)的壓力。燃?xì)廨啓C(jī)適合與壓氣機(jī)或泵直接連接，并可就地取材，以管道輸送的介質(zhì)為燃料。因而，燃?xì)廨啓C(jī)已廣泛地用作管道、管線輸送增壓站的動(dòng)力[18]。

4.2.1 天然氣輸送管線

1）增壓要求

輸氣管線增壓站的出口壓力通?？蛇_(dá)5.5～7.6 MPa，增壓比1.25～1.50。某些新管線增壓站的出口壓力高達(dá)9.6 MPa，增壓比1.15～1.25。

2）設(shè)備配置

一般增壓站選用三套增壓機(jī)組，正常情況下，其中兩套并聯(lián)運(yùn)行，各承擔(dān)50%的流量負(fù)荷，另一套備用。部分增壓站選用兩套增壓機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，每一機(jī)組均通過全部流量，此時(shí)如有一套機(jī)組故障停運(yùn)，對(duì)管線輸送能力影響較小。

3）增壓壓氣機(jī)（壓縮機(jī)）的選擇與匹配

通常優(yōu)先選用離心式壓縮機(jī)，其流量和壓頭應(yīng)滿足增壓站要求。燃?xì)廨啓C(jī)與壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)匹配，以保證壓氣機(jī)工作在最佳效率范圍內(nèi)。其次，二者功率應(yīng)當(dāng)匹配，可根據(jù)壓氣機(jī)的流量、輸送介質(zhì)密度壓力、壓力增加量和效率來確定燃?xì)廨啓C(jī)的功率。

4）燃?xì)廨啓C(jī)的選擇要點(diǎn)

（1）雙軸機(jī)組或單軸機(jī)組的選擇問題。同樣功率的燃?xì)廨啓C(jī)，雙軸機(jī)組所需的啟動(dòng)功率較小，并且當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速變化時(shí)，輸出功率曲線變化平緩，可較好地滿足變工況情況下壓氣機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要，所以幾乎所有的管線用燃?xì)廨啓C(jī)都選用雙軸機(jī)組。

（2）壓氣機(jī)臨界轉(zhuǎn)速問題。燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)組是變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，一般運(yùn)行范圍為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的80%～105%，燃?xì)廨啓C(jī)的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開這一運(yùn)行區(qū)。

（3）輔助電力供應(yīng)問題。一般燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)組都會(huì)配備一些輔助設(shè)備，該類設(shè)備需要通過電力驅(qū)動(dòng)，如冷卻泵、風(fēng)扇等。當(dāng)無外部電源供應(yīng)或外部電源發(fā)生故障時(shí)，增壓站必須由燃?xì)廨啓C(jī)的輔助軸驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)組，或能快速啟動(dòng)備用輔助發(fā)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)供電。

（4）效率問題。天然氣管線增壓站是長期連續(xù)運(yùn)行的，一般燃?xì)廨啓C(jī)的燃料成本對(duì)其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性起關(guān)鍵作用，希望選用的燃?xì)廨啓C(jī)效率盡可能高，通?？赏ㄟ^增加回?zé)崞骷安捎没責(zé)嵫h(huán)以大幅提高燃?xì)廨啓C(jī)熱效率。在此前提下，整機(jī)熱效率通常可提高約1/3～1/2。

（5）機(jī)組控制問題。管線增壓站通常設(shè)立于荒無人煙的西部地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，要求能實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)行或遙控運(yùn)行。因此，用于該領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)有較高的控制水平，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)微機(jī)全自動(dòng)控制。

4.2.2 輸油管線

輸送原油或石油產(chǎn)品的管線增壓站的要求與天然氣輸送管線類似，不同之處是增壓油泵所需驅(qū)動(dòng)功率相對(duì)較小。一般當(dāng)增壓站由公用電網(wǎng)供電時(shí)，多選用電動(dòng)機(jī)或調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通常在地廣人稀且無公用電網(wǎng)供電的地區(qū)，才會(huì)選用燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

由于泵的工作轉(zhuǎn)速范圍比較寬，與燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速匹配比較容易。大功率燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速多為3 000～3 600 r/min，可以直接與泵連接。小功率燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速通?？蛇_(dá)7 000～8 000 r/min以上，此時(shí)可通過減速齒輪箱連接。

管線增壓站的布置與管徑大小和輸油量有關(guān)。燃?xì)廨啓C(jī)的燃料可采用管道中輸送的原油，由于原油中含有少量鈉、鉀等堿性鹽類物質(zhì)，會(huì)對(duì)高溫通流部件產(chǎn)生腐蝕，從而可配備小型拔頂蒸餾裝置，以燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱為能源，生產(chǎn)拔頂油作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料，剩下的底部產(chǎn)品再返回輸油管線。

4.2.3 油氣分離

油井開采出的原油通常為高壓下的油氣混合物，需逐級(jí)減壓至大氣壓力，每一次減壓過程中都有一些天然氣自然分離出來，可通過壓氣機(jī)組將其壓縮至適當(dāng)?shù)膲毫Γ瑥亩┫蜉敋夤芫€或天然氣回注裝置。用于該領(lǐng)域的壓氣機(jī)組以燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)較為適宜，其燃料可直接取用分離出來的天然氣，有著較高的便利性。

4.3 海洋采油平臺(tái)動(dòng)力

近年來，燃?xì)廨啓C(jī)作為海洋鉆井平臺(tái)和采油平臺(tái)的動(dòng)力，已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，主要用于發(fā)電和直接驅(qū)動(dòng)天然氣壓氣機(jī)、油泵、水泵等。

采油平臺(tái)上通常要安裝2～3種功率等級(jí)的供電設(shè)備，最低生活用電和應(yīng)急備用電力約數(shù)百千瓦，多由柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電；1～3 MW的次主發(fā)電設(shè)備多采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組或大功率柴油發(fā)電機(jī)組；功率較大的主發(fā)電設(shè)備一般選用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。為保證安全供電，常采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)組協(xié)同運(yùn)作，以此留有一定的備用發(fā)電容量[19]。海洋采油平臺(tái)的獨(dú)特工作環(huán)境決定了其對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)有一些特殊要求。

1）安全可靠性高

維持海洋平臺(tái)運(yùn)行所需的動(dòng)力不便由外部輸入，為此需在平臺(tái)上建設(shè)獨(dú)立的發(fā)電和供電設(shè)備。發(fā)電機(jī)組的故障將造成平臺(tái)生產(chǎn)停滯、工作人員生活困難，后果較為嚴(yán)重。因此，應(yīng)選擇在陸地上已經(jīng)長期運(yùn)行考驗(yàn)和技術(shù)水平較為成熟可靠的機(jī)組。目前，大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性都比較高，可靠性一般達(dá)95%以上，可有效地滿足海洋平臺(tái)的運(yùn)行要求。

2）尺寸小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊

海洋平臺(tái)的運(yùn)行成本較高，且工作環(huán)境惡劣，對(duì)設(shè)備的占用面積和承受質(zhì)量有嚴(yán)格限制。一般燃?xì)廨啓C(jī)的比重量約為柴油機(jī)的1/10～1/3，能充分滿足海洋平臺(tái)對(duì)設(shè)備尺寸和質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

3）能燃用多種燃料

采油平臺(tái)上的燃?xì)廨啓C(jī)一般會(huì)設(shè)計(jì)成能燃用氣體和液體兩類燃料，并在運(yùn)行中相互切換。平臺(tái)正式產(chǎn)油前可燃用液體燃料，產(chǎn)油后往往就地取材，以原油中分離出來的天然氣作為燃料。

4）進(jìn)氣需要嚴(yán)格過濾

海洋大氣中含有較多的鹽分，約為0.5×10-6～5×10-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），不僅會(huì)造成壓氣機(jī)葉片積垢，引起機(jī)組功率迅速下降，而且還會(huì)引起透平葉片的熱腐蝕，縮短機(jī)組壽命。通常認(rèn)為進(jìn)氣含鹽量小于0.01×10-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）是允許的，為此需要安裝三級(jí)進(jìn)氣過濾器。當(dāng)大氣相對(duì)濕度小于70%，尺寸小于10 μm的干鹽晶體仍能通過三級(jí)過濾器進(jìn)入壓氣機(jī)，為此還需要增加第四級(jí)過濾器[20]。

5）采用防腐蝕材料和涂層

即使采用了高效率的進(jìn)氣過濾器，透平葉片的高濕腐蝕仍然是一個(gè)重要問題，為此需采用耐腐蝕的材料和涂層。

6）加強(qiáng)清洗

平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)為了清除積垢以恢復(fù)功效，過濾器需定期進(jìn)行清洗，清洗間隔時(shí)間視進(jìn)氣過濾情況而定，一般每周清洗一次，而部分配備有高效率四級(jí)進(jìn)氣過濾器的燃?xì)廨啓C(jī)，可以三個(gè)月清洗一次。

7）合理布置排氣管道

為了防止排氣吹到進(jìn)氣口或操作人員身上，排氣管道一般采取垂直向上的布置形式，但垂直向上的排氣管道的排煙有可能對(duì)直升機(jī)的起飛和降落構(gòu)成威脅，因此還要注意使排氣管道遠(yuǎn)離直升機(jī)起落場(chǎng)。

8）安全防火措施

采油平臺(tái)產(chǎn)出的原油中混有大量天然氣，燃?xì)廨啓C(jī)一般以天然氣為燃料，泄漏的天然氣與空氣的混合物易引起爆炸和火災(zāi)，特別是在發(fā)生意外的井噴事故時(shí)。因此，需要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)采取嚴(yán)格的防火安全措施。燃?xì)廨啓C(jī)一般安裝在采油平臺(tái)的安全區(qū)域內(nèi)或采油平臺(tái)旁專門建造的發(fā)電機(jī)平臺(tái)上。燃?xì)廨啓C(jī)罩殼內(nèi)必須進(jìn)行通風(fēng)，以稀釋泄漏的天然氣，若通風(fēng)中斷，燃?xì)廨啓C(jī)則應(yīng)停止運(yùn)行。

9）維修方便

采用模塊（箱裝體）結(jié)構(gòu)，并備有一定數(shù)量的備件。當(dāng)某一模塊發(fā)生故障時(shí)可迅速更換，并可用直升機(jī)或運(yùn)輸船送到岸上維修基地進(jìn)行維修。

10）防冰消聲和余熱回收等問題

當(dāng)平臺(tái)在寒冷地區(qū)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)需要安裝進(jìn)氣防冰系統(tǒng)，以提高進(jìn)氣溫度，防止進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰，同時(shí)應(yīng)安裝應(yīng)急進(jìn)氣流道，防止進(jìn)氣濾清器被冰堵塞時(shí)造成其它損壞。另外，平臺(tái)上工作人員的生活區(qū)和工作場(chǎng)所應(yīng)盡量靠近燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行地點(diǎn)，以此降低噪聲，改善環(huán)境。燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣應(yīng)盡量通入余熱鍋爐而產(chǎn)生蒸汽，以供工作人員生產(chǎn)和生活使用，既經(jīng)濟(jì)又方便。

4.4 艦船動(dòng)力

自1947年世界上第一艘以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力的英國海軍MGB2009高速炮艇下水以來，很快便顯示了燃?xì)廨啓C(jī)作為水面艦艇動(dòng)力裝置的優(yōu)勢(shì)，較好地滿足了戰(zhàn)術(shù)性能要求。最初燃?xì)廨啓C(jī)主要用作小型艦艇的加速機(jī)組，隨著性能的不斷完善，現(xiàn)已更廣泛地為水面艦艇所采用，不僅可作為加速機(jī)組，而且也可用作巡航機(jī)組。

水面艦艇的全速功率一般為巡航功率的3～7倍，有的達(dá)10多倍，而燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運(yùn)行油耗率偏大，降低了艦艇的續(xù)航力。為了彌補(bǔ)這一缺陷，一般用多臺(tái)同型機(jī)或異型機(jī)以實(shí)現(xiàn)組合的辦法，稱為聯(lián)合動(dòng)力裝置推進(jìn)方式。至今，燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)成為世界各國大、中型水面艦艇的主要?jiǎng)恿ρb置。其發(fā)展趨勢(shì)主要為“全燃化”，即巡航主機(jī)和加速機(jī)組都用燃?xì)廨啓C(jī)，組合方式有COGAG和COGOG兩種。

COGAG方式多數(shù)為數(shù)臺(tái)同型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合組成，如美國阿里·伯克級(jí)驅(qū)逐艦，裝有4臺(tái)LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)，巡航時(shí)兩根軸各用1臺(tái)機(jī)組，全速時(shí)4臺(tái)一起工作。COGOG方式多為兩種不同功率的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合組成，如英國謝菲爾德級(jí)驅(qū)逐艦有兩軸，每根軸用1臺(tái)3.13 MW的燃?xì)廨啓C(jī)作為巡航主機(jī)，大于巡航速度時(shí)，巡航機(jī)組停止工作，由20.61 MW的燃?xì)廨啓C(jī)接替工作，單獨(dú)滿足由巡航到全速的功率需求。這種推進(jìn)方式特別適合于巡航功率小于全速功率20%的艦艇。

通常而言，對(duì)艦船燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)要求總體如下。

1）輕型箱裝體結(jié)構(gòu)。用于艦船動(dòng)力裝置時(shí)，要求燃?xì)廨啓C(jī)尺寸小，質(zhì)量輕，功率密度大，通常多采用航空衍生機(jī)型，并制成箱裝體，以便于安裝和維修。

2）專用的進(jìn)氣過濾裝置。如上文所述，海洋大氣中的鹽含量約為0.5×10-6～5×10-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），遠(yuǎn)超過0.1×10-6的允許進(jìn)氣標(biāo)準(zhǔn)。此外，在寒冷地區(qū)還可能遇到冰霧、雨雪等環(huán)境，因此燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣部分需設(shè)置專用的過濾裝置，并采取防冰措施。

3）耐傾搖和抗沖擊結(jié)構(gòu)。這是由艦船的工作環(huán)境決定的，需要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)，特別是支承系統(tǒng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

4）優(yōu)良的變工況性能。艦用燃?xì)廨啓C(jī)因?yàn)槌Ｔ诓糠重?fù)荷下運(yùn)行，要求低負(fù)荷時(shí)的低耗油率變化平坦，為此常采用壓氣機(jī)可調(diào)靜葉和變幾何動(dòng)力透平等措施。

5 燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)能措施研究

燃?xì)廨啓C(jī)除可采用復(fù)雜循環(huán)（回?zé)嵫h(huán)、回冷循環(huán)、再熱循環(huán)等）以提高自身效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性外，還可通過充分利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱以達(dá)到節(jié)能目的。其主要實(shí)現(xiàn)方式包括直接供電、熱電聯(lián)供（或功熱聯(lián)供）、熱電冷三聯(lián)供聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等。

5.1 利用排氣直接供熱

燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度較高，通常約為450～600℃，流量大，蘊(yùn)含了大量可利用的熱能。將該部分熱能直接用于干燥物料，加熱其它液體并向相關(guān)設(shè)備供熱，是最簡單的排氣余熱利用方案。

5.2 利用余熱鍋爐生產(chǎn)供熱蒸汽

將燃?xì)廨啓C(jī)的排氣通入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽以用于供熱，這也是最常用的一種余熱利用方式。余熱鍋爐大致分為三種類型。

5.2.1 無補(bǔ)燃型余熱鍋爐

該類余熱鍋爐實(shí)際上是一臺(tái)對(duì)流換熱器，產(chǎn)生的蒸汽一般比透平排氣溫度低40～56℃，約可回收排氣熱量的80%～90%，并根據(jù)產(chǎn)生蒸汽壓力等級(jí)的不同，又分為單壓、雙壓、三壓型等幾類余熱鍋爐。

5.2.2 部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐

燃?xì)廨啓C(jī)排氣中含有大量氧氣，若在余熱鍋爐中補(bǔ)加少量燃料進(jìn)行燃燒，使其溫度升高至870～930℃，可以大幅增加余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，提高供熱能力。

5.2.3 充分補(bǔ)燃型余熱鍋爐

將燃?xì)廨啓C(jī)的排氣用于助燃空氣，在余熱鍋爐中補(bǔ)加足量燃料，并使其充分燃燒，可使余熱鍋爐的產(chǎn)汽量達(dá)到無補(bǔ)燃型余熱鍋爐的6～7倍，而且由于燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度遠(yuǎn)高于大氣溫度，還可有效降低余熱鍋爐的燃料消耗率。

5.3 熱、電、冷三聯(lián)供

燃?xì)廨啓C(jī)熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng)為一類有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的方案。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的排氣通入余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽，除保證一臺(tái)汽水加熱器一年四季供應(yīng)熱水外，還可在夏季通過一臺(tái)溴化鋰吸收式制冷機(jī)，以蒸汽為能源而產(chǎn)生一定的冷媒水，用于集中式空調(diào)降溫。在冬季時(shí)，其通過另一臺(tái)汽水加熱器產(chǎn)生熱水，用于集中供暖使熱負(fù)荷更為均衡，以保持較高的設(shè)備和能源利用率。該系統(tǒng)可用于賓館、飯店、辦公樓、機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、車站、飛機(jī)場(chǎng)等地，同時(shí)滿足電、熱、冷多種能源的需求。

5.4 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

5.4.1 常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的高溫排氣供入余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，供給凝氣式汽輪機(jī)做功發(fā)電[21-24]。在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中應(yīng)用的汽輪機(jī)與常規(guī)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，主要差別是由定壓調(diào)節(jié)改為滑參數(shù)調(diào)節(jié)，即當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，汽輪機(jī)前的蒸汽壓力并非保持不變，而是隨負(fù)荷一起降低，以減少汽輪機(jī)末幾級(jí)的蒸汽濕度，提高內(nèi)效率。

此外，由于可利用余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽加熱給水，故可去掉常規(guī)汽輪機(jī)組的給水加熱抽氣系統(tǒng)。如果應(yīng)用了雙減壓或三壓余熱鍋爐，則汽輪機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)成可從中間級(jí)補(bǔ)充供入低壓蒸汽組的結(jié)構(gòu)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

在聯(lián)合循環(huán)中應(yīng)用的余熱鍋爐有無補(bǔ)燃余熱鍋爐、部分補(bǔ)燃型余熱鍋爐、充分補(bǔ)燃型余熱鍋爐三種形式。無補(bǔ)燃余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電量約比燃?xì)庋h(huán)發(fā)電量增加1/3～1/2，不增加燃料消耗量，系統(tǒng)發(fā)電效率可以得到大幅度提高。如果應(yīng)用補(bǔ)燃型余熱鍋爐，通過燃燒一部分補(bǔ)充燃料，顯然可使蒸汽產(chǎn)量和蒸汽循環(huán)部分的發(fā)電量進(jìn)一步增加，但系統(tǒng)發(fā)電效率卻未必高于無補(bǔ)燃余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)。如果將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的高溫排氣送入鍋爐，代替燃料燃燒的助燃空氣，并產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組，所構(gòu)成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式被稱作排氣再燃型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方案。該方案多用于對(duì)現(xiàn)有汽輪機(jī)電廠進(jìn)行的節(jié)能改造。在這種改造中，原鍋爐的送風(fēng)機(jī)保留備用，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣供入量由一旁通風(fēng)門調(diào)節(jié)。

在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，隨著余熱鍋爐中補(bǔ)燃料量的增加，總發(fā)電量雖在逐步增加，但系統(tǒng)的熱效率卻逐步下降。所以，以無補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)為代表的節(jié)能方案目前仍得以廣泛應(yīng)用。

5.4.2 蒸汽回注燃?xì)廨啓C(jī)

將余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽全部或部分注入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室，用來增加工質(zhì)流量，從而增加燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率。此時(shí)，透平中的工質(zhì)為燃?xì)夂驼羝幕旌衔铮瑯?gòu)成了雙工質(zhì)平行復(fù)合循環(huán)，或稱程氏循環(huán)（以該循環(huán)的發(fā)明者程大猷先生的姓氏命名）。該方案的最大特點(diǎn)是省去了常規(guī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的汽輪發(fā)電機(jī)組，使系統(tǒng)變得比較簡單，并同樣可以回收利用排氣的余能，提高燃?xì)廨啓C(jī)的功率和熱效率。但缺點(diǎn)是凝結(jié)水無法實(shí)現(xiàn)回收利用，水處理費(fèi)用較高。

5.4.3 熱電型聯(lián)合循環(huán)

將常規(guī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的凝汽式汽輪機(jī)替換成背壓式或抽氣式汽輪機(jī)，使其排氣或抽氣用于供熱，便構(gòu)成了熱電型聯(lián)合循環(huán)。此時(shí)，系統(tǒng)的總能源利用率可高達(dá)80%～90%。對(duì)于蒸汽回注燃?xì)廨啓C(jī)，還可以將余熱鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽，一部分注入燃?xì)廨啓C(jī)用于發(fā)電，另一部分直接用于供熱，從而對(duì)熱負(fù)荷有更好的調(diào)節(jié)適應(yīng)性能。

6 結(jié)論及展望

燃?xì)廨啓C(jī)作為廣泛應(yīng)用的熱力渦輪機(jī)械，以其突出的性能優(yōu)勢(shì)，在未來的工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)及國防領(lǐng)域仍將發(fā)揮重要的作用。在當(dāng)前的技術(shù)體系下，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的節(jié)能而進(jìn)行的相關(guān)研究仍有著深遠(yuǎn)的意義。