燃氣輪機發電機組的開發與應用——張樹治
2019-11-03 09:52:35
供稿：網友
燃氣輪機發電機組的開發與應用——張樹治摘 要 本文論述了我國通信用燃氣輪機發電機組開發的意義、過程和取得的成果，對應用中的 若干問題作了論證。關鍵詞 發電機組 燃氣輪機 發電視 開發 應用 1 前言 發電機組是通信電源的重要組成部分，因為當市電停電時，發電機組作為一種應急備用交流電源是必不可少的。同時，隨著現代化城市的建設，一些公用設施、生產、辦公。住宅等對供電的可靠性和供電品質要求愈來愈高，備用交流電源也愈顯重要。 以往的備用交流電源主要是采用柴油發電機組，由于國產柴油發電機存在以下問題：（1）漏水、漏氣、漏油三漏現象未能很好解決；（2）啟動和運行的可靠性較差；（3）較大容量的機組還沒有產品。因此，對要求質量高、容量大的用戶都要采用國外柴油發電機組。但柴油發電機組體積大、重量大。結構復雜、維護麻煩、可靠性不高，且噪聲大，震動厲害，又需采取消噪防震措施。如果容量超過2000 kw，要采用低速柴油機（1000r/min以下）其重量達35噸以上，體積龐大，價格昂貴，低頻噪聲難以消除，更不適宜在城市中應用。 燃氣輪發電機組具有輸出功率范圍廣（小到幾十千瓦，大到幾萬千瓦）、啟動和運行可靠性高、發電品質好、重量輕、體積小、維護簡單等優點，受到用戶的青睞，在一些經濟發達的國家被普遍采用。2 燃氣輪發電機組國內外生產和應用的情況 燃氣輪機1939年問世，是航空史上的一次動力革命，因為它重量輕、體積小、功率大、可靠性高，作為飛機的動力源得到了迅速的發展。以燃氣輪機作為原動機的發電裝置，首先在美國得到應用，不少通信局站都采用了燃氣輪發電機組作為交流備用電源。如美國索拉公司及DreeSser公司等生產的燃氣輪機發電機組已成系列。日本在7O年代開始應用，據介紹，因為日本是一個多地震國家，為保證安全可靠，大部分通信局站都是采用燃氣輪機發電機組作備用電源。川崎重工業株式會社1970年完成第一臺燃氣輪機發電機組，現已生產固定備用式、車載式及拖車式多種容量和多種用途的系列產品。 挪威、意大利、法國等不少歐洲國家也都有自己的產品并得到較普遍的應用。如法國電信公司在9O年代初開始采用燃氣輪機、發電機組作為通信交流備用電源，主要是考慮機組的高可靠性，大大減小了蓄電池的儲備容量，而且維護工作量小，節省維護人員。 我國在5O年代中期開始訪制蘇制軍用燃氣輪機，并逐步形成了燃氣輪機制造工業體系，以滿足我國航空工業的需要。3 通信用燃氣輪機發電機組的研制開發 為推動通信現代化建設，適應通信局站的需要，我國通信部門對國內外燃氣輪機發電機組的生產技術和應用情況十分關注并進行技術跟蹤。1995年1O月，原郵電部科技司在北京組織召開了“電信企業應用航空燃氣輪機發電機組可行性研討會”，會上郵電、航空工業部門的專家對電信企業應用燃氣輪機發電機組的前景和開發條件取得了共識，認為在有條件的大中城市應積極采用燃氣輪機發電機組來解決柴油發電機組的不足，充分利用我國航空工業成就，由郵電和航空兩大系統各自發揮自己的優勢，聯合研制開發我國自己的通信燃機電源是必須的和可行的。為此，原郵電部科技司多次發文，敦促這一研制項目的落實。 1996年 6月又以郵電部（96）科字第1O7號文下發了《關于“研制開發通信用大功率燃氣輪機發電機組”的通知》，部署了燃氣輪機發電機組的研制開發工作。為了盡快開展研制工作并使之直接應用于通信局站中，1997年1月原郵電部科技司和航空工業總公司燃機中心在廣州召開了“燃氣輪機發電機組技術方案和應用試點研討會”，確定了采用“設計、制造、使用”三結合的方式。首先開展研制1600 kw燃氣輪機發電機組的工作，組織了由郵電部設計院、哈爾濱東安發動機制造公司和廣州市電信局組成的“聯合研制組”，各單位密切配合，通力合作，開始了具體的研制工作。3.1設計思想 為了使我國研制的產品能和國外產品相競爭，開發研制工作確立了如下的設計思想： （1）采用成熟的先進設備，吸收國內外的先進技術，使機組具有較高的可靠性和先進性。 （2）機組配套部件力求標準化、質量好，必要時選用國外產品。 （3）應用計算機技術，提高機組的自動化程度，做到運行全過程的自動監測和控制，具備無人值守的功能。 （4）盡量減小體積和重量，使其具有廣泛的適用性。 （5）提高工藝水平，做到美觀、大方。3.2技術指標 因為我國還沒有現成的標準，主要技術指標系接25O～3000 kw柴油發電機組的標準GB282O并參考國外機組的指標確定。相對GB282O，有些電氣指標有所提高。通過實踐的檢驗，應該承認，這些指標對燃氣輪機發電機組是非常保守的。具體技術指標如表1所示。 機組應具有啟動、運行、停機全過程的自動化控制功能，具有自動保護功能，滿足無人值守要求，具有手動操作功能，具有抑制無線電干擾措施。3.3設計方案 （1）機組的發動機 采用我國運7飛機用的航機改型組成。該型航機已累計安全運行120萬小時，是我國最成熟的民用機種，具有良好的可靠性基礎。由于通信備用機組需要低壓（400V）發電，本機組在航機的基礎上對減速器、燃料系統、電氣系統進行了改型設計和研制，為單輪前輸出、簡單循環式燃機。燃機轉速為15 155r/min，經減速器輸出油轉速為150Or/min。其核心部分均保留了原航機的本體結構，充分繼承了原型機的安全、可靠和優良的運行性能。 （2）機組的發電機 由于目前國產電機容量較小，故選用的英國斯坦福HCI734H2型l 600 kw無刷勵磁交流發電機，該機具有技術成熟、體積小、重量輕、效率高、波形畸變小、采用雙支點滾動軸承和油脂潤滑等優點。 （3）彈性聯軸器 兩端采用直五直升機使用的彈性聯軸節，吸收燃機和發電機兩軸端的不同心度，并可消除二者之間的震動干擾。中間軸采用航空發動機標準設計，并使用有限元法進行強度校核，該軸既具有一定的彈性，同時還具有過載保護作用。 （4）電調與監控 機組的電調與監控系統是機組可靠運行的神經中樞。該機組采用我國成熟的數字式電調裝置和計算機技術，對燃機和發電機組進行調節與監控，實現對燃機燃料給油量、轉速、排氣溫度、輸出軸功率、滑油溫度、啟動過程、工作過程和停機過程的自動控制，并對機組的電氣和其他重要參數進行監測，并可進行遠程通信和操作。其控制功能及可靠性目前在國內輕型燃機領域處于領先地位。 （5）燃油系統 采用原型機系統，高壓泵由可調流量泵改為定量泵。調節規律為等轉速調節，啟動后機組直接升速到工作轉速，去掉了原有的慢車轉速。與電調協調工作的燃油液位調節機構，為了提高控制敏感度、縮小加減載穩定時間，采用了比例閥式控制方案。 （6）滑油系統 確定采用閉式循環潤滑方式，采用原航空發動機上的潤滑系統及元伴，在燃機外部設置一個較小滑油補給箱和風冷散熱器；為了保證燃機滑油溫度的自動化控制要求，風冷散熱器的散熱能力可根據燃機的進油溫度自動調節。 （7）啟動系統 全部采用航空發動機的啟動系統。其啟動電源有24V轉48V的要求，為簡化直流電源，對啟動箱進行改進，直接采用48V電源，由啟動箱解決48Y→24V→48V的轉化問題。 （8）進、排氣系統 燃機進氣消音器選用美國進口產品。燃機排氣消音器因國外產品的尺寸和消音量不能滿足要求，經與國內廠家反復研究并且進行模擬試驗，認為國產設備在給定的長度上完全可以滿足設計要求，機船進、排風消音器因消音量小，國產的比較有把握，并要求生產廠家對消音器材料要精選優質的，以保證燃機的降噪要求。 （9）直流供電系統 根據燃機啟動、工作和控保系統要求，直流供電系統分為兩部分，一部分是48V電源，供啟動使用；一部分為24V電源；用于各調節元件、儀表和控制系統。兩部分均有蓄電池組和自動充電設備，根據航機啟動電流電壓測試圖及燃機實際用電情況，將直流供電系統所需設備設計成組合電源柜形式，在機組外安裝，以便滿足安裝、運輸和維護的需要。 （1O）底盤設計 重點解決重量輕而剛性好的結構問題及生機艙與外面各管線路連接的防噪措施。 （11）主體箱設計 采用集裝箱式，可安裝在室內，也可安裝在室外。主機艙外廓尺寸為5.5m×2.om×2.2m，機組的核心部件（燃機、發電機、各輔助機械、電氣和控制系統等）均置于主機艙內，主機艙采用防噪結構，進行箱體的振動剛性和整體結構優化。3．4機組生產 機組的生產主要進行以下幾個方面的工作： （1）配套部件的選型及采購 經驗證明，配套部件往往是影響整機可靠性的重要部件。按既定的設計思想，以可靠性為選型的首要條件。 （2）燃機的改型研制 針對燃機改用輕柴油，重點對燃機內啟動點火器和空噴嘴進行了多次試驗和改進。 （3）主要配套部件的生產 根據發電機組的要求，前輸出為1 5OO/min的新型體內減速器是整機的關鍵，該減速器要將燃機轉速15 155r/min減速為1500r/min，其可靠性和精密程度要求十分嚴格。 （4）成套和調試 按設計要求對各部分的成品分別進行測試和驗收后進行成套組裝工作，并采取邊裝配、邊檢驗、邊調整和改進的方式，以確保整機的裝配質量。 機組成套組裝后，進行了啟動調測試驗、加減載調測試驗、大功率滿載運行試驗等。 經過研制單位的共同努力，1998年8月，完成了我國第一臺1600 kw通信用燃氣輪機發電機組的研制任務。原郵電部科技司會同中國航空工業總公司燃機中心，組織各有關部門的專家對機組進行了出廠驗收，確認機組的各項性能指標和技術指標符合技術條件的規定，允許出廠交付用戶安裝使用。并在1999年2月通過了信息產業部和中國航空工業總公司組織的鑒定。 4 測試報告 機組整機的測試工作，通過了三次全面測試：一是廠內測試，二是出廠驗收測試，三是郵電部通信電源設備質量監督檢驗中心的測試。三次測試結果基本一致，詳見電氣性能表。 5 機組的性能和特點 第一臺通信用 160O kw燃氣輪機發電機組自 1999年1月開始在廣州市電信局客村機樓正式投入運行以來，機組顯示了良好的性能和特點。 （1）發電質量好 由于機組工作時只有旋轉運動，電調反應速度快，工作特別平穩，使發電機輸出電壓和頻率穩定、輸出精度高、波動小，在突加減50％和75％負載時，機組運行仍非常穩定。機組在調試和試運行階段，考核機組電氣性能的九項指標其實測值均優于《通信用 16O0 kw燃氣輪機發電機組技術條件》的規定，并超過柴油發電機組國家標準的優等品指標，與國外機組相比毫不遜色，其大部分指標的實測值優于國外機組的指標。 （2）啟動性能好 至今，機組啟動次數（手動或自動）已達100多次，沒有一次啟動失敗，成功率為1O0％。從冷態啟動成功后帶滿載的時間為30s（國家標準規定，柴油發電機組啟動成功后3min帶載）。而且，燃氣輪機發電機組可在任何環境溫度和氣候條件下保證啟動的成功率。 （3）體積小、重量輕 機組箱體5.5m×2.0m×2.2m，重11噸，其中，燃氣輪機重量僅有 600 kg，比同容量的國外機組（如日本川崎和俄羅斯機組）尺寸和重量都小，比不帶消音箱體的辛普森油機尺寸和重量都小，帶消音箱體的辛普森油機和其容量小，體積卻大于本機組。本機組箱體和重量還有富余度，仍可進一步縮小。 （4）噪聲低、振動小 經廣州市海珠區環境監測站在現場機房的條件下測試證明，機組箱體外lm處測出噪聲僅為82 dBA；機房外lm處噪聲為 63 dBA，完全滿足國家噪聲標準規定。局外廣州大道的汽車噪聲高于燃機噪聲，在同一機房的辛普森油機開機時噪聲高達11O dBA左右。燃機排氣中有害氣體少，易滿足環保要求。 （5）可使用多種燃料 燃機可使用多種燃料，柴油、天然氣、煤氣等都可使用。本機組使用柴油。新建的柴油油庫可同時供油機和燃機使用。油機和燃機使用同一燃料對用戶方便有利。 （6）自動化程度高，維護工作量小，維護簡單機組的電調系統對機組的待啟動狀態、啟動、帶載運行及停機的全部過程實行自動調節和監控，對機組的所有運行參數（包括燃機系統、供油系統和電氣系統）以及監控、保護等功能均由計算機控制，并在計算機中予以存儲、顯示并可打印。維護人員除規定定期（一月一次）對機組進行試機（按動一次啟動和停車按鈕）和保證燃油供油系統暢通外，無其他維護工作量。若出現故障，由廠家負責處理。 6 燃氣輪機發電機組的應用 從產品鑒定和實際運行的情況來看，燃氣輪機發電機組作為交流備用電源無疑是一種高品質、高可靠性的電源設備，具有廣闊的應用前景。 由于燃氣輪機所采用的金屬材料、加工的精密程度、制造的技術難度以及試驗的復雜性等決定了其生產成本大大高于柴油機。 以每kw的價格相比，國產燃氣輪機發電機組約為國外機組的1/2左右。 目前，我國通信電源中所采用的大容量柴油發電機組，主要是引進的美國的卡特皮拉、加拿大的辛普森、日本的三菱、美國的勞斯來司等品牌，容量為1600 kw的價格均在320萬元左右。國外燃氣輪機發電機組是其價格的2～3倍，而國產的燃氣輪機發電機組約為1.5倍。然而，在實際應用中燃氣輪機發電機組較之柴油發電機組可節省以下費用： （1）環保治理費用 隨著現代化城市的發展，對環境要求愈來愈嚴格，并逐步實行強制性法律措施，以保證人們生活環境的提高，這是必然的和現實的發展趨勢。 發電機組對環境造成污染主要是噪聲，其次是排放。 對于燃氣輪機發電機組，由于本身采用集裝箱式裝配結構，并要求在箱體外lm處測量噪聲≤85dBA，達到消噪聲機組的技術指標，因而噪聲基本得到了控制。而大容量的柴油發電機組不可能做成消噪聲式機組，噪聲往往高達1O5～115dBA，必須投入大量資金在機房上采取消噪措施，效果還往往不盡人意。 另外，由于安裝條件要求簡單，可在室內，也可在室外，甚至可安裝在樓頂平臺上，更可大大節省建筑費用和占地面積，并對抗擊各種自然災害，保證供電的可靠性更具有實際意義。 （2）基礎費用 燃氣輪機發電機組運行中動力部分完全是高速旋轉運動，因此運行平穩，振動小，其振動量小于柴油發電機組的1/5，而動態負荷小于靜負荷的5％～10％，而柴油機要達到靜負荷的50％，因此，對安裝基礎無特殊要求，基礎費用可以節省。 （3）維護費用 燃氣輪機本體的構造簡單部件數量要比柴油機少得多，約為柴油機的1/3，而且一旦裝配調試完成，便不再有需要維護人員，調節和更換部件的工作平常的年試機時數也僅為柴油發電機組的1/4。所以維護工作量大大減少，而且通過計算機監控，各種運行參數及故障，均可進行統計和顯示。維修工作屬廠家服務的工作范圍，因而維護費用大大降低。 （4）無需冷卻水系統。適用環境更加寬廣，可靠性提高。 （5）關于燃油消耗 燃氣輪機發電機組與柴油發電機組滿載運行時的燃油消耗之比約為1：7.1。但從年運行情況來看，作為備用電源，往往試機運行累計時間要比實際運行時間還長，尤其是柴油發電機組。 燃氣輪機發電機組試機的周期較之柴油發電機組可大大延長，且試機又分為冷啟動（即由啟動機帶轉至2O％的轉速，不噴油、不點火）和熱啟動（即噴油、點火），帶載或不帶載運行。 燃機與柴油機每年的試機燃油消耗比均為1：2.5～1：4，因此，總的燃油耗量，只有在實際運行時間較長時，燃機的耗油才會比油機大。而且，燃機維護工作無需消耗滑油。7 結束語 我國通信用燃氣輪機發電機組的研制成功填補了我國的空白，為通信建設和現代化城市建設提供了品質優良的大容量應急電源設備，并為進一步發展和提高奠定了堅實的基礎。作為開發研制和生產廠家還有不少工作尚待努力，目前正在為完善產品的容量系列、改進和提高產品的工藝、質量而不懈地工作，希望得到我國各界同行的指導和幫助。
