干货 | 一文看懂“皇冠明珠”关键部件及系统

在发电领域，燃气轮机成为了将化石燃料转化为电力的主要技术。传统发电厂已经逐渐被使用燃气轮机的高效联合循环发电厂所取代。联合循环的工作原理如下。首先，燃气轮机驱动发电机，提供总功率输出的三分之二。其次，从燃气轮机排出的高温废气通过锅炉产生蒸汽，驱动蒸汽轮机和与之耦合的发电机。这个次级系统提供了联合循环发电厂总功率输出的剩余三分之一，还有一个重要的应用是热电联产，或者称为联合供热和发电。

除了发电领域，燃气轮机还用于各种其他应用。在石油和天然气行业，燃气轮机常用于管输增压。此外，因为燃气轮机具有更高的功重比，其经常为快速渡轮和军舰提供动力。

在未来几十年里，燃气轮机将成为发电、石油和天然气勘探和运输等领域减少CO2排放的主要技术之一。这一预测基于它们目前的高效率，以及它们在简单循环和联合循环应用中进一步提高效率的强大潜力。本文重点为大家介绍燃气轮机的主要组成部件。

压气机

为了支持的燃气轮机燃烧室燃烧，需要高压下的大流量气体。高压气体的压缩是通过压气机实现的，其中，径向压气机用于较小的流量，而轴流压气机用于较大的流量。燃气轮机所使用的技术主要基于航空发动机。通常来说，压气机的功率需求占燃气轮机总发电功率的60%以上。其中压气机叶片功不可没，这些叶片负责压缩进入的空气。

对于轴流式压气机来说，压气机叶片的形状和轮廓经过精心设计，一侧形成高压区域，另一侧形成低压区域。 这种空气动力学设计使叶片能够在空气流经压气机部分时有效地压缩空气。

压气机叶片的制造过程涉及几个精确而复杂的步骤，包括高精度数控铣机加工，表面精细加工，喷丸表面强化，热处理等。

不同角度下的压气机叶片

燃烧室

现代燃气轮机燃烧室与1939年在瑞士纽沙特尔建造的第一台工业燃气轮机的燃烧系统几乎没有共同之处。目前燃烧强度已经从10 MW/m 3 增加到超过200 MW/m 3 的水平。与此同时，为了满足日益增长的环境标准，氮氧化物（NOx）的排放水平已经从500 vppm以上降低到25 vppm以下。此外，为能够实现燃气轮机功率输出的高灵活性，以及处理不同的燃料，今天的发电市场需要高可靠性和高强度的燃烧室部件。其中，运行效率的提高是关键的发展驱动力，而与之相关的是达到更高的燃烧温度，需要燃烧室在减少排放和压力损失的同时，创新的燃烧室解决方案。

第一台工业燃气轮机

涡轮

涡轮是燃气轮机中的重要部件，它们位于燃烧室后方，直接接受燃烧产生的高温高速气体的作用，将气体的能量转化为机械功。其中，涡轮叶片是燃气轮机中制造难度最高的零部件。我们知道涡轮叶片的工作温度直接影响燃气轮机的性能和效率，一般来说，涡轮转子进口温度越高，燃气轮机的效率越高。然而，提高涡轮进口温度也会增加传递到涡轮叶片的热量，可能导致工作温度远远超过金属的许用温度。目前，先进的燃气轮机涡轮进口温度已经达到了1600度以上，这样的温度已经远远超过了涡轮叶片的金属材料的熔点，如果没有有效的冷却措施，涡轮叶片就会被烧坏，甚至熔化。因此，涡轮叶片的冷却技术是燃气轮机设计的关键问题之一。

涡轮叶片冷却结构

进气系统

进气系统的作用是保持流动介质的清洁，并控制和引导它以均匀的速度分布进入压气机叶片的前缘。保持流动介质的清洁需要过滤系统，过滤系统和流道的设置导致进气总压显著下降。进气系统压降是最关键的指标，进气损失降低了燃气轮机的整体效率。进气系统本身通常是根据特定场地的限制而开发的。比如，要确保过滤器壳体建造到一定的高度，以避免地面上的高浓度灰尘，并确保整个过滤器面上的流动均匀。特别是如果电厂位于工业环境内或靠近城镇的话，噪音水平要求也越来越严格，下图显示了典型进气系统的高度复杂性。

排气系统

排气系统主要由排气管道、排气支架、旁路系统、消声器、扩散器、过渡管、隔热层、排气罩等结构组成，其中排气管道用于连接燃气轮机和余热回收装置，具有高温、高压和低噪音的特点；排气支架用于支撑和固定排气管道，具有高强度、高刚度和抗震的特点；

旁路系统用于在联合循环系统中控制燃气轮机的排气流量；消声器用于降低燃气轮机的排气噪音；扩散器用于将燃气轮机的高速排气气流转换为低速气流；过渡管用于连接燃气轮机和排气管道；隔热层用于保护排气系统的各个部件；排气罩用于覆盖排气系统的外部，具有美观、防腐和防尘的特点。

通风系统

燃气轮机封闭式安装是一种能够在恶劣环境中保护燃气轮机的结构，它由支撑框架、隔音和隔热的面板和门、通风消声器等组成。封闭式安装的通风系统主要用于冷却运行中主机传递到环境中的温度，它包括以下几个方面：单风机或双风机通风系统，用于提供足够的空气流量，保持封闭式安装内部的温度在合理范围内；加压系统，用于使封闭式安装呈正压状态，防止外部有害气体的进入；温度控制，用于监测和调节封闭式安装内部的温度，避免过热，通常利用计算流体动力学（CFD）工具辅助设计，用于验证设计标准和优化通风效果，分析封闭式安装内部的温度分布和气流分布。

通风系统

控制系统

燃气轮机控制技术是以自动控制、气体动力学及转子动力学等多学科为基础形成的现代控制技术，是燃气轮机的大脑和神经。燃气轮机在起动过程中各所属执行机构的顺序动作、在负荷提升时的燃料量调节、在遇到运行事故时的安全保护以及长期运行过程中的性能监测，都需要由控制系统执行。燃气轮机控制系统的性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能，随着工业燃气轮机对现场运行安全保护、健康管理及对清洁能源控制利用的发展需求，对燃气轮机的控制精度和智能化提出了更高的要求。

控制系统

燃料系统

石油和天然气是传统燃气轮机的主要热源，对于这些最常见的燃料，燃料系统包括一个燃料输送系统，包括泵、阀门、管道和其他附件；燃料喷嘴，单喷（一种燃料类型，通常是气体），双喷（气体或液体），双燃料（同时使用气体和液体），或三喷（三种燃料类型）。如果所使用的燃料是非常规的，例如重残油，燃料系统还包括燃料添加剂（用于处理钒）；燃料洗涤（用于处理钠和钾盐）；燃料输送系统的改进（例如预热以更容易地移动更粘稠的燃料）和燃料喷嘴。

滑油系统

滑油系统是燃气轮机机组的一个组成部分，其主要目的是为主机、发电机和齿轮箱的轴承提供润滑。滑油系统减少了摩擦功率损失，同时滑油系统监控滑油的温度在要求范围内并及时过滤滑油污染物，在机组运行期间，系统不断监测油的压力和温度。特别是轴承的滑油温度需要特别注意。轴承过热会导致工作部件的磨损和润滑剂本身性能的变化。如果系统存在滑油泄漏必须及时补充。否则将显著缩短燃气轮机的使用寿命。

结语

正如爱因斯坦所说：“科学的最高目标是使复杂的事物简单化。”燃气轮机将利用简单的布雷顿循环产生了无穷的动力，通过阅读本文，我们从功能、结构、制造、应用多角度了解了燃气轮机的九大主要部件，分别是压气机、燃烧室、涡轮、进气系统、排气系统、通风系统、控制系统、燃料系统和滑油系统，感受了燃机这一装备制造业“皇冠上的明珠”的璀璨珠光！