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燃气轮机发电机组的开发与应用——张树治

2/14/2005来源:通信电源人气:17246

燃气轮机发电机组的开发与应用——张树治 摘 要 本文论述了我国通信用燃气轮机发电机组开发的意义、过程和取得的成果,对应用中的 若干问题作了论证。 关键词 发电机组 燃气轮机 发电视 开发 应用 1 前言 发电机组是通信电源的重要组成部分,因为当市电停电时,发电机组作为一种应急备用交流 电源是必不可少的。同时,随着现代化城市的建设,一些公用设施、生产、办公。住宅等对供电 的可靠性和供电品质要求愈来愈高,备用交流电源也愈显重要。 以往的备用交流电源主要是采用柴油发电机组,由于国产柴油发电机存在以下问题:(1) 漏水、漏气、漏油三漏现象未能很好解决;(2)启动和运行的可靠性较差;(3)较大容量的机 组还没有产品。因此,对要求质量高、容量大的用户都要采用国外柴油发电机组。但柴油发电机 组体积大、重量大。结构复杂、维护麻烦、可靠性不高,且噪声大,震动厉害,又需采取消噪防 震措施。如果容量超过2000 kw,要采用低速柴油机(1000r/min以下)其重量达35吨以上,体积 庞大,价格昂贵,低频噪声难以消除,更不适宜在城市中应用。 燃气轮发电机组具有输出功率范围广(小到几十千瓦,大到几万千瓦)、启动和运行可靠性 高、发电品质好、重量轻、体积小、维护简单等优点,受到用户的青睐,在一些经济发达的国家 被普遍采用。 2 燃气轮发电机组国内外生产和应用的情况 燃气轮机1939年问世,是航空史上的一次动力革命,因为它重量轻、体积小、功率大、可靠 性高,作为飞机的动力源得到了迅速的发展。以燃气轮机作为原动机的发电装置,首先在美国得 到应用,不少通信局站都采用了燃气轮发电机组作为交流备用电源。如美国索拉公司及DreeSser 公司等生产的燃气轮机发电机组已成系列。日本在7O年代开始应用,据介绍,因为日本是一个多 地震国家,为保证安全可靠,大部分通信局站都是采用燃气轮机发电机组作备用电源。川崎重工 业株式会社1970年完成第一台燃气轮机发电机组,现已生产固定备用式、车载式及拖车式多种容 量和多种用途的系列产品。 挪威、意大利、法国等不少欧洲国家也都有自己的产品并得到较普遍的应用。如法国电信公 司在9O年代初开始采用燃气轮机、发电机组作为通信交流备用电源,主要是考虑机组的高可靠性, 大大减小了蓄电池的储备容量,而且维护工作量小,节省维护人员。 我国在5O年代中期开始访制苏制军用燃气轮机,并逐步形成了燃气轮机制造工业体系,以满 足我国航空工业的需要。 3 通信用燃气轮机发电机组的研制开发 为推动通信现代化建设,适应通信局站的需要,我国通信部门对国内外燃气轮机发电机组的 生产技术和应用情况十分关注并进行技术跟踪。1995年1O月,原邮电部科技司在北京组织召开了 “电信企业应用航空燃气轮机发电机组可行性研讨会”,会上邮电、航空工业部门的专家对电信 企业应用燃气轮机发电机组的前景和开发条件取得了共识,认为在有条件的大中城市应积极采用 燃气轮机发电机组来解决柴油发电机组的不足,充分利用我国航空工业成就,由邮电和航空两大 系统各自发挥自己的优势,联合研制开发我国自己的通信燃机电源是必须的和可行的。为此,原 邮电部科技司多次发文,敦促这一研制项目的落实。 1996年 6月又以邮电部(96)科字第1O7号 文下发了《关于“研制开发通信用大功率燃气轮机发电机组”的通知》,部署了燃气轮机发电机 组的研制开发工作。为了尽快开展研制工作并使之直接应用于通信局站中,1997年1月原邮电部科 技司和航空工业总公司燃机中心在广州召开了“燃气轮机发电机组技术方案和应用试点研讨会”, 确定了采用“设计、制造、使用”三结合的方式。首先开展研制1600 kw燃气轮机发电机组的工 作, 组织了由邮电部设计院、哈尔滨东安发动机制造公司和广州市电信局组成的“联合研制组”,各 单位密切配合,通力合作,开始了具体的研制工作。 3.1设计思想 为了使我国研制的产品能和国外产品相竞争,开发研制工作确立了如下的设计思想: (1)采用成熟的先进设备,吸收国内外的先进技术,使机组具有较高的可靠性和先进性。 (2)机组配套部件力求标准化、质量好,必要时选用国外产品。 (3)应用计算机技术,提高机组的自动化程度,做到运行全过程的自动监测和控制,具备无 人值守的功能。 (4)尽量减小体积和重量,使其具 有广泛的适用性。 (5)提高工艺水平,做到美观、大方。 3.2技术指标 因为我国还没有现成的标准,主要技术指标系接25O~3000 kw柴油发电机组的标准GB282O并 参考国外机组的指标确定。相对GB282O,有些电气指标有所提高。通过实践的检验,应该承认, 这些指标对燃气轮机发电机组是非常保守的。具体技术指标如表1所示。 机组应具有启动、运行、停机全过程的自动化控制功能,具有自动保护功能,满足无人值守 要求,具有手动操作功能,具有抑制无线电干扰措施。 3.3设计方案 (1)机组的发动机 采用我国运7飞机用的航机改型组成。该型航机已累计安全运行120万小时,是我国最成熟的 民用机种,具有良好的可靠性基础。由于通信备用机组需要低压(400V)发电,本机组在航机的 基础上对减速器、燃料系统、电气系统进行了改型设计和研制,为单轮前输出、简单循环式燃机。 燃机转速为15 155r/min,经减速器输出油转速为150Or/min。其核心部分均保留了原航机的本体 结构,充分继承了原型机的安全、可靠和优良的运行性能。 (2)机组的发电机 由于目前国产电机容量较小,故选用的英国斯坦福HCI734H2型l 600 kw无刷励磁交流发电 机, 该机具有技术成熟、体积小、重量轻、效率高、波形畸变小、采用双支点滚动轴承和油脂润滑等 优点。 (3)弹性联轴器 两端采用直五直升机使用的弹性联轴节,吸收燃机和发电机两轴端的不同心度,并可消除二 者之间的震动干扰。中间轴采用航空发动机标准设计,并使用有限元法进行强度校核,该轴既具 有一定的弹性,同时还具有过载保护作用。 (4)电调与监控 机组的电调与监控系统是机组可靠运行的神经中枢。该机组采用我国成熟的数字式电调装置 和计算机技术,对燃机和发电机组进行调节与监控,实现对燃机燃料给油量、转速、排气温度、 输出轴功率、滑油温度、启动过程、工作过程和停机过程的自动控制,并对机组的电气和其他重 要参数进行监测,并可进行远程通信和操作。其控制功能及可靠性目前在国内轻型燃机领域处于 领先地位。 (5)燃油系统 采用原型机系统,高压泵由可调流量泵改为定量泵。调节规律为等转速调节,启动后机组直 接升速到工作转速,去掉了原有的慢车转速。与电调协调工作的燃油液位调节机构,为了提高控 制敏感度、缩小加减载稳定时间,采用了比例阀式控制方案。 (6)滑油系统 确定采用闭式循环润滑方式,采用原航空发动机上的润滑系统及元伴,在燃机外部设置一个 较小滑油补给箱和风冷散热器;为了保证燃机滑油温度的自动化控制要求,风冷散热器的散热能 力可根据燃机的进油温度自动调节。 (7)启动系统 全部采用航空发动机的启动系统。其启动电源有24V转48V的要求,为简化直流电源,对启动 箱进行改进,直接采用48V电源,由启动箱解决48Y→24V→48V的转化问题。 (8)进、排气系统 燃机进气消音器选用美国进口产品。燃机排气消音器因国外产品的尺寸和消音量不能满足要 求,经与国内厂家反复研究并且进行模拟试验,认为国产设备在给定的长度上完全可以满足设计 要求,机船进、排风消音器因消音量小,国产的比较有把握,并要求生产厂家对消音器材料要精 选优质的,以保证燃机的降噪要求。 (9)直流供电系统 根据燃机启动、工作和控保系统要求,直流供电系统分为两部分,一部分是48V电源,供启动 使用;一部分为24V电源;用于各调节元件、仪表和控制系统。两部分均有蓄电池组和自动充电设 备,根据航机启动电流电压测试图及燃机实际用电情况,将直流供电系统所需设备设计成组合电 源柜形式,在机组外安装,以便满足安装、运输和维护的需要。 (1O)底盘设计 重点解决重量轻而刚性好的结构问题及生机舱与外面各管线路连接的防噪措施。 (11)主体箱设计 采用集装箱式,可安装在室内,也可安装在室外。主机舱外廓尺寸为5.5m×2.om×2.2m,机 组的核心部件(燃机、发电机、各辅助机械、电气和控制系统等)均置于主机舱内,主机舱采用 防噪结构,进行箱体的振动刚性和整体结构优化。 3.4机组生产 机组的生产主要进行以下几个方面的工作: (1)配套部件的选型及采购 经验证明,配套部件往往是影响整机可靠性的重要部件。按既定的设计思想,以可靠性为选 型 的首要条件。 (2)燃机的改型研制 针对燃机改用轻柴油,重点对燃机内启动点火器和空喷嘴进行了多次试验和改进。 (3)主要配套部件的生产 根据发电机组的要求,前输出为1 5OO/min的新型体内减速器是整机的关键,该减速器要将燃 机转速15 155r/min减速为1500r/min,其可靠性和精密程度要求十分严格。 (4)成套和调试 按设计要求对各部分的成品分别进行测试和验收后进行成套组装工作,并采取边装配、边检 验、 边调整和改进的方式,以确保整机的装配质量。 机组成套组装后,进行了启动调测试验、加减载调测试验、大功率满载运行试验等。 经过研制单位的共同努力,1998年8月,完成了我国第一台1600 kw通信用燃气轮机发电机组 的 研制任务。原邮电部科技司会同中国航空工业总公司燃机中心,组织各有关部门的专家对机组进行 了出厂验收,确认机组的各项性能指标和技术指标符合技术条件的规定,允许出厂交付用户安装使 用。并在1999年2月通过了信息产业部和中国航空工业总公司组织的鉴定。 4 测试报告 机组整机的测试工作,通过了三次全面测试:一是厂内测试,二是出厂验收测试,三是邮电 部 通信电源设备质量监督检验中心的测试。三次测试结果基本一致,详见电气性能表。 5 机组的性能和特点 第一台通信用 160O kw燃气轮机发电机组自 1999年1月开始在广州市电信局客村机楼正式投 入 运行以来,机组显示了良好的性能和特点。 (1)发电质量好 由于机组工作时只有旋转运动,电调反应速度快,工作特别平稳,使发电机输出电压和频率 稳 定、输出精度高、波动小,在突加减50%和75%负载时,机组运行仍非常稳定。机组在调试和试 运 行阶段,考核机组电气性能的九项指标其实测值均优于《通信用 16O0 kw燃气轮机发电机组技术 条 件》的规定,并超过柴油发电机组国家标准的优等品指标,与国外机组相比毫不逊色,其大部分指 标的实测值优于国外机组的指标。 (2)启动性能好 至今,机组启动次数(手动或自动)已达100多次,没有一次启动失败,成功率为1O0%。从 冷 态启动成功后带满载的时间为30s(国家标准规定,柴油发电机组启动成功后3min带载)。而且, 燃 气轮机发电机组可在任何环境温度和气候条件下保证启 动的成功率。 (3)体积小、重量轻 机组箱体5.5m×2.0m×2.2m,重11吨,其中,燃气轮机重量仅有 600 kg,比同容量的国外 机组 (如日本川崎和俄罗斯机组)尺寸和重量都小,比不带消音箱体的辛普森油机尺寸和重量都小,带 消音箱体的辛普森油机和其容量小,体积却大于本机组。本机组箱体和重量还有富余度,仍可进一 步 缩小。 (4)噪声低、振动小 经广州市海珠区环境监测站在现场机房的条件下测试证明,机组箱体外lm处测出噪声仅为82 dBA; 机房外lm处噪声为 63 dBA,完全满足国家噪声标准规定。局外广州大道的汽车噪声高于燃机噪 声, 在同一机房的辛普森油机开机时噪声高达11O dBA左右。燃机排气中有害气体少,易满足环保要 求。 (5)可使用多种燃料 燃机可使用多种燃料,柴油、天然气、煤气等都可使用。本机组使用柴油。新建的柴油油库 可 同时供油机和燃机使用。油机和燃机使用同一燃料对用户方便有利。 (6)自动化程度高,维护工作量小,维护简单机组的电调系统对机组的待启动状态、启动、 带 载运行及停机的全部过程实行自动调节和监控,对机组的所有运行参数(包括燃机系统、供油系统 和电气系统)以及监控、保护等功能均由计算机控制,并在计算机中予以存储、显示并可打印。维 护人员除规定定期(一月一次)对机组进行试机(按动一次启动和停车按钮)和保证燃油供油系统 畅通外,无其他维护工作量。若出现故障,由厂家负责 处理。 6 燃气轮机发电机组的应用 从产品鉴定和实际运行的情况来看,燃气轮机发电机组作为交流备用电源无疑是一种高品质、高 可 靠性的电源设备,具有广阔的应用前景。 由于燃气轮机所采用的金属材料、加工的精密程度、制造的技术难度以及试验的复杂性等决定了 其 生产成本大大高于柴油机。 以每kw的价格相比,国产燃气轮机发电机组约为国外机 组的1/2左右。 目前,我国通信电源中所采用的大容量柴油发电机组,主要是引进的美国的卡特皮拉、加拿大的 辛 普森、日本的三菱、美国的劳斯来司等品牌,容量为1600 kw的价格均在320万元左右。国外燃气 轮机 发电机组是其价格的2~3倍,而国产的燃气轮机发电机组约为1.5倍。然而,在实际应用中燃气轮 机发 电机组较之柴油发电机组可节省以下费用: (1)环保治理费用 随着现代化城市的发展,对环境要求愈来愈严格,并逐步实行强制性法律措施,以保证人们生活 环 境的提高,这是必然的和现实的发展趋势。 发电机组对环境造成污染主要是噪声,其次是排放。 对于燃气轮机发电机组,由于本身采用集装箱式装配结构,并要求在箱体外lm处测量噪声≤ 85dBA, 达到消噪声机组的技术指标,因而噪声基本得到了控制。而大容量的柴油发电机组不可能做成消噪 声 式机组,噪声往往高达1O5~115dBA,必须投入大量资金在机房上采取消噪措施,效果还往往不尽 人意。 另外,由于安装条件要求简单,可在室内,也可在室外,甚至可安装在楼顶平台上,更可大大节 省 建筑费用和占地面积,并对抗击各种自然灾害,保证供电的可靠性更具有实际意义。 (2)基础费用 燃气轮机发电机组运行中动力部分完全是高速旋转运动,因此运行平稳,振动小,其振动量 小于 柴油发电机组的1/5,而动态负荷小于静负荷的5%~10%,而柴油机要达到静负荷的50%,因 此,对 安装基础无特殊要求,基础费用可以节省。 (3)维护费用 燃气轮机本体的构造简单部件数量要比柴油机少得多,约为柴油机的1/3,而且一旦装配调试 完成, 便不再有需要维护人员,调节和更换部件的工作平常的年试机时数也仅为柴油发电机组的1/4。所 以维 护工作量大大减少,而且通过计算机监控,各种运行参数及故障,均可进行统计和显示。维修工作 属 厂家服务的工作范围,因而维护费用大大降低。 (4)无需冷却水系统。适用环境更加宽广,可靠性提高。 (5)关于燃油消耗 燃气轮机发电机组与柴油发电机组满载运行时的燃油消耗之比约为1:7.1。但从年运行情况 来看, 作为备用电源,往往试机运行累计时间要比实际运行时间还长,尤其是柴油发电机组。 燃气轮机发电机组试机的周期较之柴油发电机组可大大延长,且试机又分为冷启动(即由启 动机 带转至2O%的转速,不喷油、不点火)和热启动(即喷油、点火),带载或不带载运行。 燃机与柴油机每年的试机燃油消耗比均为1:2.5~1:4,因此,总的燃油耗量,只有在实际 运行 时间较长时,燃机的耗油才会比油机大。而且,燃机维护工作无需消耗滑油。 7 结束语 我国通信用燃气轮机发电机组的研制成功填补了我国的空白,为通信建设和现代化城市建设 提供 了品质优良的大容量应急电源设备,并为进一步发展和提高奠定了坚实的基础。作为开发研制和生 产 厂家还有不少工作尚待努力,目前正在为完善产品的容量系列、改进和提高产品的工艺、质量而不 懈 地工作,希望得到我国各界同行的指导和帮助。