1.1.2 燃气轮机的组成及基本工作原理

现代燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平三部分组成，其基本热力循环是由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却四个过程组成的布雷顿循环（Brayton cycle）（图1-2）。压气机和透平都是高速旋转的叶轮机械，主要进行工质能量与机械功之间的相互转换。压气机由透平驱动连续地从大气中吸入空气并压缩升压，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧成为高温燃气，然后进入透平膨胀做功，做功后的燃气压力降至大气压并排入大气。就像从低处提升至高处的石头势能显著增加一样，燃烧后形成的高温燃气的做功能力也大大提高，因而透平的输出功明显大于压气机耗功，这些富余的功可对外输出，用以驱动负载。在上述工作过程中，燃烧室燃烧加热过程的压力近似不变，因此燃气轮机热力循环也称为等压燃烧加热循环。

图1-2 布雷顿循环示意图

只由压气机、燃烧室和透平这三大部件组成的燃气轮机循环称为简单循环。这种循环具有体积小、重量轻、起动快、冷却水用量少等优势，是大多数燃气轮机采用的循环方案。一般来说，燃气轮机发电系统中，透平做功的1/2～2/3用于驱动压气机，其余1/3左右用于发电。燃气轮机起动时，需要外界提供动力带动压气机升速，直到透平做功大于压气机耗功时，才可解除外界动力，此时燃气轮机可正式工作。压气机压比和透平进口燃气初温是决定燃气轮机运行效率的重要因素，并呈现正相关的变化规律。目前，高参数燃气轮机一般在低压压气机和高压压气机间设有中冷器，以提高压比，部分燃气轮机还设有再热器。

除简单循环外，基于能量梯级利用原则，国内外各大主机厂一直致力于研发高效燃气-蒸汽联合循环机组（图1-3），以合理利用排烟温度，提升循环效率。较之简单循环，燃气-蒸汽联合循环通过将燃气轮机高温尾气引入余热锅炉，产生的蒸汽进入蒸汽轮机再发电，极大地提高了循环效率。最新的H级燃气轮机，如美国通用电气公司（简称GE公司）9HA燃气轮机、三菱公司M701J燃气轮机和西门子公司SGT6-9000HL燃气轮机等，其联合循环效率已突破64%。

图1-3 典型的燃气-蒸汽联合循环机组示意图