燃气轮机
概述
燃气轮机（Gas turbine）是一种内燃机，通过压缩空气并与燃料混合燃烧产生高温高压气体，驱动涡轮旋转以获得机械能。其原理与喷气发动机相同，广泛应用于发电、航空和工业领域。优点是功率密度高、启动迅速，但存在部分负荷效率低、高温部件耐久性不足等问题。
主要内容
工作原理
燃气轮机基于布雷顿循环（Brayton cycle）。空气在压气机（compressor）中被压缩至高压，然后在燃烧室（combustor）中与燃料混合燃烧。高温高压的燃烧气体通过涡轮（turbine）膨胀，产生旋转动力。涡轮排出的废气可用于获取额外动力，或通过余热回收装置产生蒸汽，用于联合循环发电。
主要组成部分
- 压气机：采用轴流式或离心式，将空气压缩10至30倍。采用多级结构以提高效率。
- 燃烧室：将燃料（天然气、柴油、氢气等）与空气混合燃烧，火焰温度可达1500至1700°C。采用稀薄燃烧技术以减少氮氧化物排放。
- 涡轮：利用高温气体膨胀获得旋转动力的核心部件。采用单晶高温合金和热障涂层（TBC）。
- 排气系统：将废气排入大气或送至余热锅炉（HRSG）。
类型
- 中型和大型燃气轮机：50至600兆瓦级发电用。联合循环效率超过60%。主要制造商包括通用电气、西门子和三菱重工。
- 航空燃气轮机（涡轮风扇、涡轮喷气）：以推力为中心设计，追求轻量化和高温化。
- 工业用小型燃气轮机：1至50兆瓦，用于热电联产（CHP）、海洋平台、管道压缩机驱动。
- 微型燃气轮机：30至300千瓦，用于分布式电源和混合动力车辆。
效率与性能
简单循环效率为30%至40%，但联合循环（燃气轮机+蒸汽轮机）可达60%以上。最新的H级和J级涡轮入口温度超过1600°C，压比超过23:1。为弥补部分负荷效率下降，采用可调进口导叶（IGV）等技术。
优点与缺点
优点：启动迅速（数分钟内达到额定功率）、功率密度高、燃料多样性（天然气、氢气、沼气）、初始投资低（与燃煤电厂相比）。
缺点：部分负荷效率低、高温部件寿命有限（需定期更换）、噪声和排放（氮氧化物、二氧化碳）问题。
应用领域
- 发电：基荷和峰荷发电，补偿可再生能源的波动性（备用电源）。
- 航空：民用和军用飞机推进。
- 工业：化工和炼油厂动力、液化天然气液化和再气化。
- 海洋：船舶推进（COGAS、CODLAG）。
- 军事：坦克（M1艾布拉姆斯AGT1500）、舰船。
最新趋势
2024至2025年，燃气轮机技术的核心是脱碳、氢燃烧和数字化。通用电气、西门子和三菱重工正致力于实现100%氢燃烧燃气轮机的商业化，2024年通用电气的7HA.03型号获得了50%氢混烧认证。日本计划到2025年完成1700°C级J级涡轮的示范。此外，氨混烧和燃料电池混合系统的研究活跃。通过数字孪生和基于人工智能的预测性维护提高运行效率，结合碳捕集（CCUS）的低碳发电解决方案备受关注。韩国斗山能源已成功实现380兆瓦级超大型燃气轮机的国产化（2024年商业运行），并正在开发氢混烧技术。
相关主题
- [[布雷顿循环]]
- [[联合循环发电]]
- [[喷气发动机]]
- [[氢燃烧]]
- [[热障涂层]]
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