燃气轮机性能指标主要影响因素及提高性能途径研究
摘要: 本文以9E燃机为例，概括介绍了国内已经投产的燃气轮机的主要性能指标，并通过对不同设计和运行条件下技术性能指标的对比，分析对燃气轮机性能指标产生影响的主要影响因素，从而总结和简述了提高性能指标的主要途径。
关键词: 燃气轮机;性能指标;功率;热耗率;影响因素;
1. 引言
燃气轮机是从本世纪50年代开始逐渐登上发电工业舞台的。但是由于当时机组的单机容量较小，而热效率又比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。
60年代时欧美的大电网曾发生过电网瞬时解列的大事故，这些事故促使人们加深了对电网中必须配备一定数量的燃气轮机发电机组的认识，因为燃气轮机具有快速“黑启动”的特性，它能保证电网运行的安全性和可恢复性。欧美国家的经验表明：从安全和调峰的目的出发，在电网中安装功率份额为8%~12%的燃气轮机发电是合适的。
然而，从80年代以后，随着燃气轮机透平初温不断提高，燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，燃气轮机的单机功率已经超过250MW，热效率已达36%以上;而联合循环的单机功已达甚至超过350MW，热效率则已超过55%甚至达到58%。从热力性能的角度看，它们完全可以承担基本负荷，而且比超超临界参数的燃煤蒸汽轮机电站更具有优越。
2. 燃气轮机的性能指标
评价一台燃气轮机设计和性能优劣的技术指标有很多，例如机组的效率、尺寸、寿命、污染物排放(NOx, CO等)、动态和热力特性、制造和运行费用，以及启动和携带负荷的速度等等，但是从热力循环的角度看，燃气轮机的性能指标包括燃气轮机热效率、燃气轮机的燃机的出力(发电机输出功率)、比功率、有用功系数，以及压比和温比等，其中最引起投资方注意的主要指标就是热效率、出力和比功率。
2.1 热效率：
即燃气轮机的净能量输出与按燃料的净比能(低位热值)计算的燃料输入之比。
燃气轮机的热效率与热耗率本质上为同一指标，相互之间可以互换换算(即：热效率与热耗率的乘积为3600)，效率越高，则热耗值越低，则说明发1度电所消耗的热量越低;因此热效率是表征燃气轮机的经济性，也是衡量能量利用率高低的热力性能指标。
9E级燃气轮机简单循环效率为36%左右;配置余热锅炉的联合循环机组效率可达到52%或以上。
2.2 出力：
即指燃气轮机发电机输出功率，等同于通常所说的燃气轮机毛功率，也就是未扣燃机励磁系统及燃气轮机变压器损耗前的出力。
9E级燃气轮机简单循环出力可达到123MW;1+1+1配置S109E联合循环机组出力可达到185MW左右。
2.3 比功率：
即燃气轮机净输出功率与压气机进气质量流量的比值。比功率越大，发出相同功率所需工质流量越少，尺寸越小;因此比功率是从热力性能方面衡量燃气轮机尺寸大小的一个指标。
3. 影响性能指标的主要因素
通过国内已经投运的燃气轮机组的运行和试验数据，可发现相同或者近似配置的燃气轮机组在不同厂址的环境条件、不同类型的燃料等前提条件下，所发出的功率和机组热效率均存在一定的差别。
3.1 燃料类型：
由于氢碳含量较高的甲烷可产生较多的水蒸气，因此天然气的燃烧产物中有较高的比热，所以总体来说，燃用天然气要比燃用轻柴油增加将近2%的功率。
以GE公司9E燃气轮机为例，在ISO工况下(即：环境温度15℃，1个标准大气压下，相对湿度60%，海拔0米)，燃用天然气时的额定功率为123.4MW，而燃用轻柴油时的额定功率仅为121.3MW。
3.2 厂址环境条件：
由于燃气轮机吸入周围环境的空气，因此在采用同种燃料的前提下，影响进入空压机空气的质量流量的任何因素，例如环境温度、大气压力和相对湿度等，对燃气轮机组的功率和热耗率等性能均会产生一定的影响。
3.2.1 环境温度：
较低的环境温度下，空气的比容较小，因此在压气机吸入同容积流量空气的前提下，其质量流量是较大的，这就使得燃气轮机的功率会有一定程度的提高。也就是说，外界环境温度越低，机组的功率越大，环境温度越高，机组的功率越小。而且，随着环境温度的降低，燃气轮机的温压比逐渐增大，这对改善燃气轮机的热力循环效率是有利的，因此其热耗率也会相应的降低。
以GE公司9E型燃气轮机为例，环境温度降低10℃，其机组功率约增大6%左右，热耗率降低约1%左右。
3.2.2大气压力(或海拔高度)：
大气压力的变化直接影响空气的比热容，进而影响进入压气机的空气质量流量和输出功率。
当大气压力增加时，空气的比热容下降，其质量流量增加，从而增加了机组的输出功率。也就是说，随着大气压力的降低，空气将变得稀薄，在压气机吸入空气容积流量不变化的前提下，燃气轮机的进气质量流量将会相应减少，因而导致燃气轮机的功率下降。由于燃料量随着空气质量流量的变化而调整，只要燃烧室内的温度保持不变，则燃气轮机的效率就会基本不变，从而其热耗率的变化可忽略不计。
以GE公司9E型燃气轮机为例，大气压力降低1KPa，其功率约降低1%左右。
3.2.3 相对湿度：
由于水蒸气的比重较空气小，因此湿空气相对于干空气亦会对燃气轮机组的功率和热耗率产生影响。但是，与环境温度及大气压力对燃气轮机功率的影响程度相比，相对湿度的影响最小。
随着市场对增大燃气轮机功率的需求，以及排放标准不断提高，而在燃烧器的首端或者压气机的排气缸注入蒸汽或者水从而加大功率以及控制和消除NOX。因此，对于采用此种方案的燃气轮机，相对湿度对机组功率的影响较为显著，但对热耗率的影响可忽略不计。而对于不采用注蒸汽(或水)运行的燃气轮机而言，相对湿度的变化对其功率和效率的影响均可忽略不计。
4. 提高性能指标的途径
一般而言，人们无法对影响燃气轮机组性能的厂址和布置方案进行控制，因为大多数项目受前期投资规划的限制，然而在需要额外功率的情况下，可通过设计方案的优化或系统配置的改进来实现性能的相应提高，例如采用高循环参数、采用先进的热力循环、以及改善部件结构和性能等。
现代燃气轮机组，通常通过充分利用余热能或者再加热等先进的热力循环方式，即用复杂循环替代简单循环，不断提高燃气轮机组的性能。采用的方式包括回热循环、再热循环和中冷循环等。
4.1 回热循环：
即利用透平排出的废气对进入燃烧室的高压空气进行预热(温度可提高200℃左右)，预热后的高压空气再进入燃烧室参加燃烧。在同样透平进口技术参数下，可以减少燃料消耗量，增加热效率约15%-20%左右。
4.2 再热循环：
即将透平分为高压和低压两部分，并在高低压透平之间增设一个再热燃烧室，对从高压透平做功后排出的燃气进行二次供油燃烧加热，然后再进入低压透平进行做功。
4.3 中冷循环：
即将压气机分为高压和低压两部分，并在高低压压气机之间增设一个中间冷却器，利用水或者其他冷却介质对从低压压气机中排出的空气进行中间冷却，然后再进入高压压气机进行压缩。
4.4 压气机入口冷却：
从前面的介绍可知，在压气机入口空气温度降低的情况下，可适当提高燃气轮机组的功率和降低热耗率，因此可在入口过滤器的下游通道中设置蒸发冷却器等冷却装置，同时在冷却装置的后方安装气水分离器或水收集器，以减少湿气穿越的可能性，否则在水分将加重压气机的负荷而影响其性能。
4.5 注入蒸汽或水：
如前述，在空气进入透平之前，可通过注入蒸汽或者水，以增大质量流量，从而增加燃气轮机组的功率。注入的蒸汽必须有一定的过热度(一般考虑13℃)，并且其压力是同燃料气的压力相匹配的。GE公司燃气轮机的设计，一般考虑向燃烧器及压气机排气口注入的蒸汽量可达到压气机空气流量的5%左右。
5. 结束语
在“西部大开发”国家战略的指引下，西气东输工程全面启动，被誉为“绿色电力”的燃气轮机组日益引起重视，特别是燃气-蒸汽联合循环渐成熟，再加上世界范围内天然气的资源的进一步开发，以及世界范围内水资料的紧缺，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位就发生了明显的变化，它们不仅可以用作紧急备用电源和尖峰负荷机组，而且还能携带基本负荷和中间负荷，燃气轮机发电行业必定会在电力系统取得良好的经济效益和长足的发展。
参 考 文 献
[1] 《燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行》，杨顺虎编著，北京：中国电力出版社2003.
[2]《现代燃气轮机技术》，李孝堂编著，航空工业出版社2006.
[3]《燃气轮机发电技术》，中国电机工程学会主管，燃气轮机发电专业委员会主办;孙永平编写，9E燃气轮机在高原和平原运行性能差异的试验比较，2010年10月。
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