一、燃氣輪機的發展史

燃氣輪機的發明最早可追溯到我國古代發明（1131-1161 年）"走馬

燈"，靠蠟燭火焰産生的熱氣吹動頂部的葉輪來帶動剪紙人馬旋轉。

1791 年，英國人 J.巴伯首次描述了燃氣輪工作過程。

1872 年，德國人 F.施托爾策設計了一台燃氣輪機，并于 1900～

1904年進行了試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗。

1905 年，法國人 C.勒梅爾和 R.阿芒戈制成第一台能輸出功的燃

氣輪機,但效率太低，僅 3～4％，因而未獲得實用。

1920 年，德國人霍爾茨瓦特制成第一台實用的燃氣輪機，其效

率為 13％、功率 370kw，按等容加熱循環工作，但因等容加熱循環

以斷續爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。

1939 年，在瑞士制成了 4Mw發電用燃氣輪機，效率達 18%。同

年，在德國制造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階

段，并開始迅速發展。

1941 年，瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車（1.64 兆瓦）通過了

交貨試驗。

1947 年，英國制造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以 1.86

兆瓦的燃氣輪機作加力動力。

1950 年，英國制成第一輛燃氣輪機汽車（75千瓦）。此後，燃氣

輪機在更多的部門中獲得應用。

到 1998年世界上有 56個國家在上千艘艦船上使用了燃氣輪機作

為動力，燃氣輪機數量達 2500 多台。在民用高性能商用船舶上的應

用也在增加。

在 1991 至 2000 年的十年中總共生産了近千台艦船用燃氣輪機。

1987 年美國燃氣輪機發電量首次超過其他形式的發電量，專家

預測，到 2020 年全世界燃氣輪機發電可能會接近 50%左右。燃氣輪

機發電較好地解決了高峰及應急用電及自備電源問題。發電應用是燃

氣輪機最為重要的市場領域。

目前，世界上能設計和生産工業重型燃氣輪機的主導廠家有：美

國 GE（通用電氣）公司(22-519MW)、德國 Siemens（西門子）公司

(5-287MW)、法國 Alstom(阿爾斯通)公司(90-335mw)、日本Mitsubishi

（三菱）公司(28-116mw)和日本 HITACHI（日立）公司(16-32mw)。另

外還有一些設計和生産輕型燃氣輪機的廠家，如美國 P&W（普惠-注

意這個不是做打印機的惠普）公司、美國 Solar Turbines（索拉透平）

公司(1-13.5mw)等。

我國已建成了有一定規模的汽輪機行業，如哈汽、上汽、東汽、

北汽，能生産 30-100 萬千瓦的蒸汽輪機機組，還有制造中小機組的

南汽、武汽、杭汽、青汽、廣汽等工廠。但是，燃氣輪機工業還處于

起步階段。雖然航空發動機廠都有生産燃氣輪機的技術能力，機械、

航天、造船和石化系統部分企業也已具有一定的維修和生産能力，不

過燃氣輪機的産量十分有限，尚未形成專業化設計、研發和生産基地。

現在，我國航空工業已開始與外方合作參與燃氣輪機有關的工作，如

和 UTC 的 TPM 公司合作設計、生産 FT-8 燃氣輪機，為國外公司生

産零件等業務。然而，目前我國在使用的燃氣輪機多為進口，尤其是

大型機組。

國内燃氣輪機生産廠商：南京汽輪電機公司、哈爾濱汽輪電機公

司、綿陽的東方汽輪電機公司、上海汽輪電機公司、沈陽鼓風機廠、

北京中航世新燃氣輪機公司、沈陽黎明航空發動機公司、西安航空發

動機公司、成都航空發動機公司

二、燃氣輪機分類

按使用對象分：

航空用燃氣輪機（飛機動力）、工業用燃氣輪機（驅動發電機、

壓縮機、泵油機等）、艦船用燃氣輪機（驅動艦船螺旋槳）

按功率大小分：

輕型燃氣輪機（航機改型）、重型燃氣輪機、微型燃氣輪機

按熱力循環方式分：

簡單循環、複雜循環（回熱、再熱、中冷等）、聯合循環（燃機

汽輪機）

按轉子數目分：單轉子、雙轉子、三轉子；

三、燃氣輪機工作原理

壓氣機連續地從大氣中吸入空氣并将其壓縮。壓縮後的空氣進入

燃燒室，與噴入的燃料混合後燃燒,成為高溫燃氣,随即流入燃氣透平

（以下簡稱透平）中膨脹作功，推動透平葉輪帶着壓氣機葉輪一起旋

轉。加熱後的高溫燃氣的作功能力顯著提高,因而透平在帶動壓氣機

的同時,尚有餘功作為燃氣輪機的輸出機械功。

流入動力渦輪的燃氣工質在動力渦輪中膨脹做功，推動動力渦輪

旋轉，并由動力渦輪軸以旋轉扭矩的方式向天然氣壓縮機提供機械能，

驅動離心式壓縮機旋轉工作，由壓縮機對管道天然氣增壓。

燃氣輪機由靜止起動時，需用起動機(如液壓、氣動起動機或變

頻電動機)帶着旋轉，待加速到能獨立運行後，起動機才脫開。

燃氣輪機的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環。此外，還有回

熱循環和複雜循環。

燃氣輪機的工質來自大氣，最後又排至大氣，是開式循環。此外，

還有工質被封閉循環使用的閉式循環。燃氣輪機與其他熱機相結合的

稱為複合循環裝置。

從燃燒室到透平進口的燃氣溫度稱為燃氣初溫。初溫越高透平出

功越多，燃氣輪機的輸出功就越大。燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是

影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫,并相應提高壓縮

比,可使燃氣輪機效率顯著提高。

燃氣輪機的啟動部件

三、燃氣輪機結構

燃氣輪機(Gas Turbine)由燃氣發生器渦輪（Gas Producer,簡稱 GP）和

動力渦輪(Power Turbine,簡稱 PT)組成，再配以進氣、排氣控制、以及

其他輔助系統。

燃氣發生器由壓氣機、燃燒室、渦輪三大部件構成。

3.1、壓氣機

壓氣機是燃氣發生器的一個重要部件，功能是從周圍大氣吸入空

氣并将空氣壓縮增壓，然後連續不斷的向燃燒室提供高壓空氣。

燃氣發生器壓氣機有三種型式：軸流式壓氣機、離心式壓氣機、

軸流 離心混合式壓氣機。

軸流式壓氣機與活塞式壓氣機不同，它不是靠減小體積增壓，軸

流式壓氣機是靠高速旋轉的葉片對流動氣體作功來實現增壓的，稱為

動力式壓氣機。

軸流式壓氣機由兩大基本部分組成：一部分是以轉軸為主體的可

轉動部分，稱為壓氣機轉子。在轉子的輪盤上裝有一排排轉子葉片（又

稱為工作葉片、動葉），是組成轉子的主要部件。另一部分是機匣和

裝在機匣裡的一排排靜止葉片（又稱為靜葉、導流葉片）構成的靜止

不動部分，稱為壓氣機靜子。壓氣機的構成：壓氣機轉子 壓氣機靜

子

壓氣機裝配圖

3.1.1、壓氣機工作原理

壓氣機葉栅構成：轉子葉片構成的動葉栅 靜子葉片構成的靜葉

栅。壓氣機"級"的定義： 一排動葉栅和緊随其後的一排靜葉栅構

成壓氣機的一個"級"。

級是多級軸流式壓氣機進行能量交換的基本單元。由于單級增壓

有限，所以需要多級串連實現需要的增壓比。軸流式壓氣機通過高速

旋轉的葉片對流動中的氣體做功，把從渦輪傳來的機械能轉化為氣流

的動能和壓力能，使氣流絕對速度增大，壓力增壓。動能在導流葉片

通道裡再轉化成壓力能，使氣流壓力進一步增大。

壓氣機轉子葉片的葉型彎曲角越大，級的增壓能力越強。但彎曲

角越大，氣流分離的也越容易發生，使壓氣機的效率降低，所以壓氣

機轉子葉片的氣流彎曲角最大也就 30~40 度的樣子，不能太大。

3.2、燃燒室

燃燒室的基本類型：分管燃燒室、聯管燃燒室、環形燃燒室

燃燒室結構

燃燒室的主要部件有燃燒室外套、燃燒室内套、進口擴壓器、火

焰筒、燃料噴嘴、渦流器、點火器等。

環形燃燒室是一種先進的燃燒室設計，它具有體積小、重量輕、

流阻損失小、聯焰方便、排氣冒煙少、火焰筒加工成本低等優點，現

代燃氣輪機幾乎全都采用這種形式的燃燒室。

燃燒室是靜止高溫部件，結構設計中主要應考慮熱膨脹和減小局

部熱應力的問題。火焰筒有氣膜保護冷卻，不會被火焰燒壞。但燃燒

室工作時的強烈振動會造成火焰筒裂紋。噴嘴積碳也會使燃料噴霧錐

傾斜，将燃料噴射到火焰筒上，造成火焰筒燒傷。

進入燃燒室的高壓空氣流分為 "一次空氣"、冷卻空氣、 "二

次空氣"，其用途分别為：一次空氣流經火焰筒的旋流器、火焰筒頭

部進氣魚鱗孔及火焰筒前部的幾排射流孔進入火焰筒的燃燒區。

一次空氣約占總空氣量的 20%。這樣比例的燃料空氣混合氣燃燒後，

變成 1800~2000℃的高溫燃氣。 一次空氣是為了保證燃料完全燃燒

必須供入到燃燒區的燃燒用空氣。一次空氣流入火焰筒時的空氣柱的

後部低速區，還起火焰穩定器的作用。

冷卻空氣

穿過火焰筒壁上的許多間隙縫進入火焰筒，并力圖沿着火焰筒壁

流動，形成一層空氣冷卻膜保護火焰筒壁溫度不會超過 700℃，使火

焰筒有較長的工作壽命。

二次空氣

經火焰筒後段的射流孔射入從燃燒區來 1800~2000℃高溫燃氣

之中，進行摻混降溫，使燃氣溫度降低到有冷卻的渦輪葉片所能承受

的限制最高溫度。

紅色：一次空氣流；藍色：二次空氣流

火焰筒内的火焰和氣流

3.3渦輪

渦輪是把燃氣工質的能量轉變成渦輪轉子軸輸出機械功的部件。

燃氣發生器渦輪用來帶動壓氣機，動力渦輪用來帶動外部負載天然氣

壓縮機。對渦輪的要求是：級數少，效率高，冷卻措施有效，工作壽

命長。

燃氣發生器渦輪是指帶動壓氣機的渦輪，不對外做功。燃氣發生

器後部的大直徑渦輪是對外帶動天然氣壓縮機工作的動力渦輪。這兩

種渦輪擔負的任務不同，但工作原理是完全相同的。

在燃氣發生器渦輪中燃氣的一部份能量被轉換成渦輪轉子的機

械功帶動壓氣機，燃燒室出口燃氣能量的 2/3 被燃氣發生器渦輪轉換

吸收，燃氣的溫度和壓力大幅度降低，但仍然具有相當高的能量和做

功能力。燃氣的這部分剩餘能量在動力渦輪中再次充分膨脹做功，機

械能由動力渦輪軸輸出，帶動天然氣壓縮機。從動力渦輪出來的燃氣

由于能量已充分被利用，溫度壓力都已經很低，除其中的熱能（約

500℃）可用回收利用之外，已是一股沒有多大用處的廢氣，人們往

往稱其為煙氣，可直接排入大氣之中。

燃氣在渦輪膨脹做功，燃氣體積膨脹增大，因而渦輪流通面積要

逐漸變大成為擴散通道，葉片長度逐級加長。

渦輪轉子

渦輪轉子葉片是燃氣輪機中工作條件最惡劣、承受應力最大的零

件，它的材料和冷卻設計，決定了渦輪前燃氣溫度的高低，對燃氣輪

機性能有極大的影響。渦輪前燃氣溫度越高，動力渦輪的輸出功率越

大，機組熱效率越高。 人們往往把燃氣發生器渦輪前燃氣溫度的高

低作為衡量燃氣輪機性能水平的指标。

渦輪設計工作在很大程度上關注的是渦輪葉片的冷卻設計。渦輪

葉片冷卻效果好，渦輪前燃氣溫度就可高一些，渦輪的做功能力會更

強，機組的熱效率會有所提高。現代發動機的渦輪葉片冷卻設計都很

複雜講究，采用的冷卻方式有對流、沖擊、氣膜冷卻等，能将渦輪葉

片表面溫度降低 500℃以上。渦輪葉片所用的高溫耐熱合金在不冷卻

的情況下可承受 700℃的高溫，如果有 500℃的冷卻效果，渦輪前燃

氣溫度就可提高到 1200 ℃的高水平。

渦輪導向葉片靜止不動，不承受離心應力的作用，因而隻要稍作

一些冷卻設計，就可承受很高的渦輪前燃氣溫度。

燃氣在渦輪中的膨脹流動是從高壓流向低壓，沒有壓氣機中的氣

流分離等現象，因而渦輪的效率比壓氣機高，做功能力強。6、7 級

壓氣機，1級渦輪就可帶動。

渦輪葉片

渦輪工作原理及組成

渦輪基本上是由前面靜止的導向葉片組件和後面旋轉的工作輪

（轉子葉片 輪盤 渦輪軸）組件組成。

渦輪" 級"的定義為由處于前面的靜止的一圈導向葉片和緊随

其後的旋轉的一圈工作葉片組成。導向葉片引導燃氣以恰當的角度沖

擊渦輪工作葉片。工作葉片被燃氣"吹轉"，把燃氣中的能量轉換成

渦輪轉子的軸功率。

燃氣流在導向葉片通道中隻進行能量的轉化，将燃氣的壓力能和

熱能轉換成動能，使燃氣速度大幅度提高并引導燃氣以合适的方向沖

擊渦輪轉子葉片。在轉子葉片通道中燃氣流進行能量的交換，燃氣對

轉子葉片做功，推動轉子葉片旋轉，将其壓力能和熱能轉換成從渦輪

軸輸出的機械功。

四、燃機電站概況

燃氣輪機（Gas Turbine）先廣泛應用于航空和宇航領域，随後迅

速向能源（發電）、石化、冶金以及海陸交通等諸多領域發展。

先進的燃氣輪機已普遍應用模塊化結構。運輸、安裝、維修和更

換都比較方便，而且廣泛地應用了孔探儀，振動和溫度監控、焰火保

護等措施，其可靠性和可用率大為提高，指标已超過了蒸汽輪機電站

的相應指标。9E、9F 級重型燃氣輪機已在發電領域得到廣泛地應用。

GE和西門子公司都已研發了 H 級燃氣輪機。

其中 GE 公司基于空氣冷卻透平技術的 9H 級燃氣輪機其聯合循

環效率約 61%，聯合循環出力可達到 592MW。西門子公司全内空冷

H 級燃機單機出力約 400MW，聯合循環出力約 600MW ，效率也在

60%以上，自 2011 年以來全球已投産 9 台，首台投産于德國巴伐利

亞州

在環保方面，由于燃氣輪機的燃燒效率很高，排氣幹淨，未燃燒

的碳氫化合物，CO、S0x，等排放物一般的都能夠達到嚴格的環保标

準，再結合應用注水或注蒸汽抑制燃燒、幹式低 NOX 燃燒室，或者

在排氣管路中安裝選擇性催化還原裝置(SCR)等技術措施，可使 NOx

的排放低至 9ppm,滿足最嚴格的環保要求。因此，燃氣輪機發電機組，

特别是燃氣-蒸汽聯合循環機組已作為基本負荷機組或備用機組得到

了迅速的應用。

燃氣輪機的應用發展現已提高到降低總能耗的高度，它是當前世

界節能技術的主要發展方向之一。能量的分級利用與綜合利用的全能

量系統工程的概念被普遍重視，以熱電聯産及熱動聯供為核心的總能

系統同樣有廣闊的前景，今後在能量轉換過程的系統中，燃氣輪機将

占更重要的位置，并将大量采用燃氣輪機總能系統。

現在世界上已有二十多個國家，一百多個企業生産近千種型号的

燃氣輪機，國内主要引進通用（GE）、西門子、三菱技術。

燃氣輪機簡單循環原理（布雷登循環）

燃氣輪機标準工況定義（ISO11086:1996）

燃氣輪機的标準額定出力指燃氣輪機在透平溫度、轉速、燃料、

進氣溫度、壓力和相對濕度、排氣壓力為标準參考條件，且處于新的

和清潔狀态下運行時的标準或保證的出力。

ISO工況定義：壓氣機進口壓力為 101.3kPa，溫度 15℃，相對濕

度 60%；用來冷卻工質的冷卻水或空氣溫度為 15℃；标準氣體燃料

的 H/C 重量比為 0.333，淨比能為 50000kJ/kg；标準燃料油的 H/C 重

量比為 0.1417，淨比能為 42000kJ/kg。

*燃機訂貨四工況：1.ISO 工況：标況、2.性能考核工況（年均工況）、

3.夏季工況：考核最小出力、4.冬季工況：選發電機。

燃機電站相關名詞定義：

簡單循環：依次由壓縮、燃燒、膨脹過程組成的熱力循環；

聯合循環：燃氣輪機循環與蒸汽或其他流體的朗肯循環相聯合的

熱力循環；

燃料比能(熱值) ：總比能是單位質量的燃料燃燒時所釋放的總熱

量，用 kJ/kg 表示，淨比能是總比能減去燃燒過程中水分蒸發所吸收

的熱量，也用 kJ/kg 表示；

熱耗率：每單位時間消耗的淨燃料能量與輸出的淨功率的比值，

單位是 kJ/kWh；

熱效率：淨輸出功率與基于燃料淨比能的熱消耗量之比。

五、聯合循環發電技術

1 1 聯合循環發單系統簡圖

聯合循環發電技術的優點：較低的單位千瓦造價；建設周期短、

低排放，NOx<25ppm；SO2 及煙塵量與天然氣成分有關，但很小，無

需脫硫、除塵、可靠性高；聯合循環熱效率高。

聯合循環的型式一：燃氣-蒸汽聯合循環發電

聯合循環的型式二：燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯産

聯合循環的型式三：燃氣輪機 低壓餘熱鍋爐

餘熱鍋爐型式

餘熱鍋爐構成

餘熱鍋爐由省煤器（凝結水加熱器）、蒸發器、過熱器以及聯箱

和汽包等換熱管簇和容器等組成。在省煤器中鍋爐的給水完成預熱的

任務，使給水溫度升高到接近于飽和溫度的水平；在蒸發器中給水相

變成為飽和蒸汽；在過熱器中飽和蒸汽被加熱升溫成為過熱蒸汽；

卧式餘熱鍋爐：燃氣水平地流過過熱器、蒸發器、省煤器等，燃

氣呈"橫向流動",而與其相配的傳熱管束為垂直布置，并通常采用

自然循環。

立式餘熱鍋爐：鍋爐中燃氣由下向上順序流過過熱器、蒸發器、

省煤器等，燃氣呈"縱向流動",與其相配的傳熱管束為水平布置。

在蒸發段，借助循環泵把水壓入蒸發器管束，形成了強制循環。

聯合循環機組的蒸汽輪機

六、聯合循環熱力系統選擇

實用的燃氣輪機—汽輪機聯合循環發電裝置（簡稱聯合循環）從

熱力循環系統的角度來分主要有以下五類：

（1）無補燃的餘熱鍋爐型聯合循環

所有的熱量都由燃氣輪機帶入的聯合熱力循環，這是一種以燃氣

輪機為主的聯合循環，燃氣側參數對系統性能影響較大。

（2）有補燃的餘熱鍋爐型聯合循環

在工質經過燃氣輪機做功後加入一部分熱量參與循環的聯合熱

力循環。補燃作用是提高蒸汽參數與蒸汽産量，增加汽輪機的功率或

對外部工藝流程提供額外的供熱蒸汽。

（3）排氣全燃型聯合循環

利用燃氣輪機排氣作為熱風助燃的聯合循環。工質中剩餘的氧幾

乎全部與燃料發生化學反應。這是一種以汽輪機為主的聯合循環，系

統性能在很大程度上取決于蒸汽側循環參數。

（4）增壓鍋爐型聯合循環

蒸汽發生器放在循環的燃氣側燃燒室之後和燃氣透平之前的聯

合循環。也是一種以汽輪機為主的聯合循環，系統性能主要取決于蒸

汽側循環參數。

（5）給水加熱型聯合循環

燃氣輪機的排氣主要用于加熱蒸汽循環系統給水的聯合循環。更

是以汽輪機為主的聯合循環；系統性能主要取決于蒸汽循環；适用于

燃氣輪機排煙溫度較低的情況。

上述五類聯合循環不僅都能用于發電，而且還都可以做成熱電聯

産或熱電冷三聯供的聯合循環，即可從系統某處引出蒸汽供工藝流程

使用。通常，無補燃的餘熱鍋爐型聯合循環是各種聯合循環中效率最

高的，因為輸入的熱量全部在燃氣側的較高溫度下加入循環體系的，

因而得到最多的應用，最适合于帶基本負荷和中間負荷的機組。

因此分布式能源項目推薦采用無補燃的餘熱鍋爐型聯合循環。

聯合循環機組軸系配置

就聯合循環電廠而言，系統的軸系布置方案是決定電廠結構和機

組效率及靈活性的重要因素。通常，軸系布置方案可以分為單軸和多

軸，單軸是指燃氣輪機和汽輪機在同一根軸上共同推動發電機做功；

多軸則是燃氣輪機和汽輪機的軸分開，分别推動各自的發電機做功。

多軸方案中可以是 1 台燃氣輪機對應一台汽輪機，也可以是多台燃氣

輪機對應一台汽輪機，根據燃氣輪機的台數，分别稱為"1 1"、"2 1"、

"X 1"多軸系統。通常大容量燃機多配單軸，容量較小的常按多軸

配置。

聯合循環軸系配置對電站投資成本、總體布置與占地面積、運行

操作以及熱力性能(特别是變工況的性能)、機組是否承擔電網調峰等

都有很大影響。除此之外，還應适當考慮投資、運行靈活性、占地面

積、建設周期、國産化率、維修等因素的影響。電站設計優化選擇時

應綜合考慮以上各種因素來确定選擇軸系配置總體方案。

對于分布式能源項目，以熱（冷）定電，所供熱（冷）負荷基本為工

業熱負荷和空調冷、熱負荷，其可靠性要求較高，因此采用單軸配置

優勢不明顯；且對于熱電冷三聯供機組，将同時承受電網和熱（冷）

網波動的影響，為保證安全可靠，推薦采用多軸配置方案。

七、燃氣輪機的種類的應用區别

（1）根據各方技術數據的比較，若采用純凝發電工況運行則航

改型燃氣輪機占優，對于分布式能源項目長期抽汽發電工況運行則工

業重型燃氣輪機占優。

（2）對于分布式能源項目選用的燃氣輪機不僅要注重經濟性，

更要注重安全性和可靠性。

（3）對于分布式能源項目，采用工業重型燃機比較合适，對于

要求啟停快的調峰電廠采用航改型燃機比較合适。

（4）對于分布式能源項目，宜采用無補燃的餘熱鍋爐型聯合循

環，并采用多軸配置方案。

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