中国航发燃机：燃气轮机如何提升发电效率

前言：

未来将大规模以可再生能源发电为主体，但可再生能源自身存在随机性、间歇性和波动性，使得电网和电力供应系统的安全性和稳定性备受考验。燃气轮机具有占地小、可靠性好、效率高、快速启停等优点，必将在电网过渡阶段发挥至关重要的作用。

目前燃气轮机联合循环模式相较于简单循环配置下能增加约20%的效率。对通过采用更高的燃烧温度和提高部件性能，可显著提升燃气轮机发电的效率。中国航发燃机瞄准世界燃气轮机技术发展方向，为进一步提高燃气轮机发电效率进行了深入研究并编译本文，以期引发行业更多有益的思考。

热力循环

当今世界大多数燃气轮机采用简单循环运行，只有少数燃气轮机用压缩机中间冷却、再加热（顺序燃烧）或通过回热器进行内部热回收。简单循环需要更高的入口温度和更高的部件性能，每一代燃气轮机的效率都有会小幅提升。然而提高效率需要不断完善技术，鉴于热力学和材料学的高需求，这些效率的提高在经济性上有待商榷。基于此，业内已经有一些声音在呼唤——其他循环，如热布雷顿循环，将被考虑用于未来的联合循环燃气轮机，在不达到如此高温度的情况下实现类似的效率。需要进一步探索在额定和非设计条件下对循环性能、燃烧器运行、冷却流量管理、涡轮机热管理以及重要的灵活性的影响。

气路设计

目前燃气轮机中的压气机和涡轮的气路设计已经实现了核心等熵流（远离环空的流动）的精细化水平。通过多目标优化获得的高度三维叶片现在普遍使用，产生了前所未有的空气动力学效率。进一步的内部效率提升将是适度的，尤其是在压气机中。

尽管如此，仍有些二次流动可进一步提高效率。涡轮间隙控制就是其中之一，估计有可能通过主动间隙控制系统实现0.25%的联合循环效率增益。主动间隙控制系统可用于新的燃气轮机和现有装置升级；其中一些依靠转子的轴向位移，而另一些则径向工作。无论采用什么方法，都面临着发动机瞬态温度分布的挑战，这些挑战受到负载变化的影响，更加频繁启动或停止。未来的系统需要能够进一步减少压气机端部泄漏流量，避免旋转部件和静止部件之间的物理接触。

冷却系统

大约20%的压缩机流量从气路排出，用于冷却和密封发动机的（高压）热部分。其中大部分用于冷却一级涡轮叶片。在涡轮高压段内气路的根部，吸入热气也可能导致机械故障和空气动力损失。当燃气轮机的高应力部件（如转子盘）被从气路吸入的热气过热时，可能会触发机械故障。轮辋密封件通常与内部密封件一起从压缩机排出冷却/密封空气以防止流入空腔，但这也会降低燃气轮机效率。从压气机排出的空气会导致热效率减少，更重要的是气体路径中的出口和核心流之间的相互作用会产生进一步的动力损失。这些现象也受到瞬态操作的影响，因为这会改变所有相关流动的压力和温度分布，以及密封元件的公差。

因此，二级气路的改进设计、多目标拓扑优化和冷却流的主动控制是需要进一步研究的领域，以进一步提高现有和新燃气轮机的性能。

底层循环

现代热回收蒸汽发生器在压力水平下产生蒸汽并结合，目前能够在技术上可行的情况下回收尽可能多的能量，受最低烟道温度限制，这会引发烟道气流中的冷凝问题。从第二定律的角度（即火用破坏）来看，超临界高压蒸发器可以减少这种不可逆性，但相关成本可能无法通过边际性能增强（估计最先进技术的联合循环效率点为0.5个百分点来补偿）。

多压力热回收蒸汽发生器（HRSG）在燃气轮机的低排气温度下最受关注。当从单压到多压降低时，随着温度提高性能，并且在热气温度（HRSG入口）大约为700℃时，两种布局之间的差异消失了。随着燃气轮机排气温度的升高（现在超过650℃）需要以较低容量系数运行的联合循环发电厂的经济成本，可能有机会采用亚临界的单压再热底部循环。

附加说明

在未来几十年，联合循环发电厂高效发电将依赖于部分负荷效率而不是额定工况效率。因此，提高部分负荷性能和瞬态响应（尽可能快地过渡到更高负载以减少低负载下的运行时间）将对于运行的灵活性和电网的利益至关重要。这同样适用于减少燃气轮机的最小环境负荷，从而减少启动和关闭的次数，并减少相关的燃料消耗、提高使用寿命和降低排放。这一切都与提高联合循环和简单循环燃气轮机的整体效率有关。