燃气轮发电机组与柴油发电机组的对比研究.pdf

与车辆移动电源2023年第3期燃气轮发电机组与柴油发电机组的对比研究伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海，2 0 0 438）摘要：概要介绍了燃气轮机的运行特点及其与内燃机运行过程的差异，重点对燃气轮机在发电领域的应用进行了阐述。详细描述了燃气轮发电机组的优势及劣势，并将其与柴油发电机组进行对比。燃气轮发电机组具有较高的可靠性、较好的发电品质、较小的维护工作量、重量轻、体积小，有着广阔的应用前景。关键词：燃气轮机；柴油机；发电；内燃机；汽油机；汽轮机Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.003中图分类号：TK42文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 5 0（2 0 2 3）0 3-0 0 0 9-0 51引言燃气轮机是一种热力涡轮机械。燃气轮机的工作原理大体上与汽轮机相似，但其工质不是蒸汽，而是具有高温高压的燃气（即燃烧产生的气体）或加了热的空气。但它又是内燃式的，故兼有汽轮机与内燃机的优点：转速较高、运转平稳、机体紧凑、机组容量较大 。和往复式内燃机的工作过程不同，燃气轮机的热力学工作过程是连续进行的。压气机不断地对空气进行压缩，而压缩空气在燃烧室中持续进行燃烧，再由涡轮输出功率。启动时，可通过电机驱动压气机，将空气吸入到压气机的外壳内，在燃烧过程开始后，由涡轮部分输出动力。压缩空气经过扩压后进入燃烧室，通过喷嘴将液体燃料或气体燃料喷射到压缩空气中，随后由点火器点火，使空气与燃料的混合气在燃烧室中持续燃烧，一旦混合气被成功点燃，点火器会停止点火，随后只需不断将空气和燃料输入燃烧室，燃烧过程会持续进行下去。从燃烧室流出的高温气体流入涡轮叶片，驱动主轴。膨胀后的气体经过扩散器排到大气中去。发电用燃气轮机多采用单轴结构，涡轮通过一根主轴驱动压缩机、辅助装置和外部负载。因此，其速度与功率密切相关，在机组带动不同负载时，可通过控制器使其速度稳定。当控制器发生故障时，可采用自动停机措施，以防止其出现超速故障。航空用燃气轮机要求小型、重量轻、高可靠性能，因此采用了特殊的不锈钢等材料。工艺要求很高，故设备费用比较昂贵。目前，部分车用燃气轮机及舰用燃气轮机均由航空用燃气轮机改型而来。工业用燃气轮机并不要求像航空发动机那样的小型和轻量，主要考虑降低设备成本和运转费用2 。应采用廉价的燃料，附设中间冷却器和再燃烧器等来有效地利用热能，并充分利用排气中的余热3,因而会造成体积和重量较大的设备。2燃气轮发电机组2.1燃气轮发电机组系统的组成燃气轮发电机组由燃气轮机、减速箱、发电机、配电控制屏、启动电源屏、消噪声箱体等组成。机组工作系统可采用电动或人工启动系统、燃油供给系统、滑油供给系统、通风排气系统等。按照是否可移动，燃气轮发电机组可分为固定式和移动式两种。固定式机组又可分为带消噪箱体式和开式两种。移动式机组也分为货车式和拖车102023年第3期移动电源与车辆式两种。2.2燃气轮机在发电领域的实际应用在电力工业中，燃气轮机既可带基本负荷，也可用于调峰运行，同时还适于用作备用机组及移动发电机组。如上文所述，燃气轮机起动快，这样在电网出现故障供电中断时，备用的燃气轮机即可紧急起动投运而保证急需用电部门的供电。燃气轮机适用于大型中心电站，特别是联合循环电站。同时，由于燃气轮机对负荷需求变化适应性较好，还能广泛用作于分布式供电。分布式供电主要是用小型或微型燃气轮机来发电，在电网供电能力不足和电价较高的地区更合适，其不仅可保障供电还可以降低运行成本。这种燃气轮发电机组尺寸小、重量轻、振动小、噪声低、运行平稳，可方便地装在建筑物附近甚至楼顶。视使用者的需要，可设计成热电联供和热电冷三联供，2.3燃气轮机在发电领域的进展在燃气轮机应用的早期，即19 7 0 年前，简单循环燃气轮机的效率低于30%，因而燃气轮机电站主要用作调峰运行，每天在用电高峰时启动投运并网发电，之后即停机，一天运行数小时。另有部分则作备用机组，提高电网供电的可靠性。为了进一步提高热效率和增加发电功率，有些燃气轮机组，除加入加热器外，还采用了分段燃烧方式，即新鲜燃气在通过一台燃气轮机膨胀作功带动空气压缩机后，再在另设的再热燃烧室内与喷入的燃料燃烧加热，供给下一台燃气轮机作功，发出电功率，尾气余热则通过加热器加以利用。有些燃气轮机组，为了减少空气压缩机的功率消耗，还采用分段压缩、中间冷却的方式。目前，燃气轮机所用的燃料大都是轻油、重油或天然气。到2 0 世纪7 0 年代之后，情况起了很大变化，原因是在这期间燃气轮机的效率有了显著提升，数种10 0 兆瓦级的大功率燃气轮机投运。它们的效率均超过30%，多台余热锅炉型联合循环电站投运，效率超过了40%。另外，价格较便宜的燃气轮机最合适的燃料一一天然气的产量迅速增长，使得做基本负荷运行的机组多了起来，开始了从用于调峰、备用到承担基本负荷。至2 0 世纪9 0 年代后期，大量燃用天然气、且用作于基本负荷的联合循环电站投入运行。近年来，燃气轮机已成为基本负荷、调峰和备用均适用的机组，进而成为作基本负荷运行占主导地位的状态。在国外部分地区，燃气轮机电站和联合循环电站造价远低于燃煤火电站的造价，可靠性高，污染排放低，建设周期短等，使燃气轮机和联合循环电站在各类电站中所占比重不断加大。3燃气轮发电机组的优势3.1发电品质好燃气轮发电机组以燃气轮机为动力，而燃气轮机工作时只有主轴的旋转运动，没有活塞的往复运动，故工作平衡性较好。因此，发电机输出电压稳定、波形失真小、稳压精度能达到土1.5%、波形畸变率为3%。而柴油发电机组的稳压精度只能达到土2.5%、波形畸变率为5%10%，故燃气轮发电机组特别适用于计算机等设备的电源。3.2启动和运行可靠性高燃气轮机具有可靠的点火系统，并能在寒冷的气候条件下启动。燃气轮机的零件个数只有柴油机的1/5 左右，工作时只有主轴的旋转动作，因而运行时的可靠性也高。维护保养方便，工作量小。3.3体积小、重量轻由于燃气轮机的体积小、重量轻，故机组的体积和重量相应小而轻。燃气轮机的体积只有同功率柴油机的1/5 左右，如果二者都采用消噪声箱体，燃气轮发电机组占用机房面积也相对较小。因此燃气轮发电机组特别适宜装在电信大楼屋顶上或楼层平台上，也适宜用作于中、大容量移动式发电机组。3.4对冷却水依赖性低工作时不需要冷却水，省去柴油机复杂的冷却11与车辆移动电源2023年第3期水系统，排除了因水的泄漏、冷却、沸腾和污水所产生的故障。3.5维护成本低、操作简单方便柴油机需要定期维护，带负载测试运行，测试间隔时期短。而燃气轮机只需12 个月间隔5 min的测试运行，而且能够以空载运行，节省了维护成本。燃气轮发电机组采用自动操作，具有各种保护系统和监控系统（包括燃气轮机内部工况的数据），确保机组的安全运行和满足集中监控维护管理。当燃气轮机工作到达大修期，可以将燃气轮机卸下送工厂进行返修，而工厂可以将一台同型号备用机器送到现场临时替换使用，以保证电信部门的供电。3.6有利于环境保护由于燃油在燃气轮机内完全燃烧，排出的废气，包括氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、硫氧化物（SO x）少于柴油机。此外，和柴油机不同，其滑油不会混合在排气管内并形成黑烟排出，故有利于环境保护。3.7噪声低、振动小燃气轮机是以涡轮叶片驱动主轴旋转，转速较高，一般在15 0 0 0 r/min2 2 0 0 0 r/m in 左右。与柴油机所产生的低频噪声相比，燃气轮机所产生的高频噪声更容易消除。除此以外，燃气轮机运行时的振动也小，只有柴油机的1/4。4燃气轮发电机组的劣势（1）燃气轮机的燃油（柴油）的消耗量较大，一般在0.36 kg/（k Wh）0.42 k g/（k Wh)，而柴油机只需0.2 3kg/（k W-h）0.2 6 k g/（k Wh)。因此在频繁使用的情况下，燃气轮发电机组的运转费用相对较高，为此需要充分利用高温燃气的余热，将其用作于供暖或制冷等用途，但在电信局内则用作于备用电源，实际运行的时间较少，故每年总耗油量增加并不显著。（2）由于燃气轮机采用耐高温高压不锈钢特种材料制成，机器成本高，机组价格贵。（3）柴油机运转时所需空气流量约为0.10 m/（k Wmin），而燃气轮机所需要的空气流量较大，约为0.2 5 m/（k Wmin）。当发电机组安装在大楼内时，如果将所需的冷却空气全部包括在内，燃气轮发电机组所消耗的空气量会更多，因而必须认真考虑进、排气的设备与方案。（4）大气温度的变化对燃气轮机输出功率的影响较大。进气温度较低时，燃气轮机输出的功率增大；而当进气温度升高时，燃气轮机输出的功率会相应降低。5燃气轮发电机组与柴油发电机组的对比5.1柴油发电机组的优势及劣势柴油发电机组供电可靠性高，使用维护技术成熟，同时国内定型产品种类多，设备容量从几十千瓦至数百千瓦4。目前新型产品还具有智能监测或监控性能。但柴油发电机组存在如下缺点：（1）零部件多，可靠性差。（2）体积大、振动大，在楼层安装受楼的荷重限制。（3）燃料局限于柴油，燃烧过程并非连续进行，燃烧时的噪声较大。燃烧过程中所产生的有害气体如CO、NO 2、SO 2 等，极易造成环境污染。（4）运转时柴油机缸体需要采用循环冷却水，同时需要大量滑油以减小摩擦，因此水和油耗较大。5.2燃气轮发电机组与柴油发电机组的对比5.2.1燃烧方式不同柴油机是燃烧室内将空气与高压雾状柴油混合，并经压缩而自行燃烧。而在汽油机中，则是将汽油与空气均匀混合的可燃混合气在燃烧室内用火花塞点燃。它们的燃烧只是在整个循环过程中的一个短暂瞬间，因此燃烧过程是不连续的。燃气轮12与车辆2023年第3期移动电源机燃烧室既有喷油装置，又有点火装置。但是点火只用于启动瞬间，而喷油是持续进行的，所以其燃烧过程是连续进行的5 5.2.2动力传输方式不同柴油与汽油机组为往复运动改变转动。因为在整个循环过程中，只存在短暂的做功过程，所以吸收过载惯性力的能力较弱，必须借助飞轮来平衡惯性力。在平衡负载下，燃气轮发电机组的转轴运动基本上是匀速的，因此其瞬时电压的变动率较小。燃气轮发电机总失效率远小于柴油发电机组，换言之运行可靠性更高6 5.2.3炒燃油和滑油耗消耗率不同燃气轮机可采用多种燃料，若以轻柴油为例，1000kW的燃气轮机燃油消耗率为410 g/（k Wh），比柴油机约多1.5 倍。为了降低成本可采用天然气。滑油消耗率则比柴油机少许多，约为柴油机的1%。5.2.4运转所需空气量不同燃气轮机运转所需空气量比柴油机约大2.5 倍。若考虑燃气轮机各部分冷却空气，所需空气量则会更大。5.2.5制造成本不同涡轮机叶轮端头线速度较高，运转速度也很高。故须选用耐高温的高强度材料，因此增加了制造成本。综上所述，燃气轮发电机运行可靠性高、体积小、重量轻、结构简单、维修保养工作量少、使用振动小，并且污染较低，所以优越性显著，具有较好的发展前景。但设备成本高，燃油消耗量较大。燃气轮机发电机组与柴油发电机组的对比如表1所示。表1火燃气轮机发电机组与柴油发电机组的对比项目燃气轮发电机组柴油发电机组发电特性一次启动成功率/%99.695.0过渡时间的频率波动/%4（开机到10 0%负荷）10（开机到7 5%负荷）稳定运转时的频率波动/%0.3发电特性（3.0 5.0)稳定运转时的电压波动/%1.52.5表1燃气轮机发电机组与柴油发电机组的对比（续）项目燃气轮发电机组柴油发电机组波形畸变率/%3.0以下发电特性10.0左右过载能力/%200以内110以内环境条件噪音（离机1m）/d B（A）85左右105115维护周期/h2000左右200左右小（部件数仅为柴油机维护量大的5 0%）设备台数不要再备另一台一般要备2 台维护特性不需带负荷即可判断其维护时带载荷运行情况起码要带2 5%的载荷好杯维护情况与维护人员的资历柴油机要装、拆、更换部件，维护基本免维护要求人员要有一定资格和经验冷却水不用大型时，空气冷却要改为水冷却燃油使用燃油油种柴油/煤油柴油情况润滑油及滑油油种混合油高品质润滑油冷却水使用油量极低高用情况冷却水使用情况不用冷却水需要冷却水6结论与展望如上所述，燃气轮机可以在高温条件下持续运作、热效率较高、无笨重的锅炉设备、无需水或仅需少量的水、起动速度较快、能适应负荷的急剧变化、运行操作简单、易实现自动化、投资和运行维护费用低、检修时间很短。所以，燃气轮机发电机组特别适用于缺水地区，可用于电力系统调峰、或作为备用电源及移动电源。与同容量的柴油发电机组相比，燃气轮发电机组可靠性高、发电品质好、维护工作量小、重量轻、体积小，有着较好的应用前景。参考文献：1伍赛特燃气轮机应用选型与节能措施研究J.上海节能，2 0 2 0，No.383（11)：12 5 8-12 6 4.2伍赛特燃气轮机现阶段应用与未来发展研究J机械管理开发，2 0 2 3，38（0 1)：6 0-6 1+6 5.3朱雄世燃气轮发电机组在电信企业中应用的探(上接第17 页）-+-+-.-F气轮机技术，19 9 3(01):13-22+26.13与车辆移动电源2023年第3期讨J.邮电设计技术，19 9 6（0 3）：2 0-2 4.4伍赛特柴油机应用于发电设备的行业前景展望J上海节能，2 0 19，No.362（0 2)：130-134.5 邹新林，顾守录燃气轮机发电机组与柴油机发电机组特点分析及应用J.能源研究与信息，19 9 8（0 3：44-46.6 王炳辰.柴油机发电和燃气轮机发电的比较J.燃作者简介：伍赛特（19 9 0-），男，湖南邵阳人，工学硕士，工程师、经济师，研究方向为内燃机与动力装置。Comparative Study of Gas Turbine Generator Set and DieselGenerator SetWU Sai-te(SAIC Motor,Shanghai200438,China)Abstract:This article provides an overview of the operating characteristics of gas turbines and their differences from internalcombustion engines,with a focus on the application of gas turbines in the field of power generation.The advantages anddisadvantages of gas turbine generator set are described in detail,and compared with diesel generator set.Gas turbine generator unitshave high reliability,good power generation quality,small maintenance workload,light weight,and small volume,and have broadapplication prospects.Keywords:gas turbine,Diesel engine,Power generation,Internal combustion engine,Gasoline engine,steam turbineDesign of a Machine Room power StationGONG Xing-yuan,WANG Ya-hui,ZHANG Jing(Zhengzhou Foguang Electric Power Equipment Co.Ltd,Zhengzhou450001,China)Abstract:This paper introduces the overall layout of a machine room power station.It conducts detailed calculations on themain performance of air intake and exhaust noise reduction and exhaust noise reduction in the machine room power station.Thepower station has undergone on-site acceptance and third-party testing to verify the feasibility of the design scheme.Keywords:machine room power station,inlet and exhaust noise reduction,exhaust noise reduction