1燃气轮机驱动系统介绍1.1燃气轮机简介
燃烧后的高温高压烟气的作功能力很强，因而使燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。
对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气过滤器、进气和排气消声器等。
燃气轮机是一种新兴机械。自1939年瑞士BBC公司制成世界上**台工业燃气轮机以来，经过60多年的发展，燃气轮机已在发电、舰船动力、坦克、机车动力、石油化工等领域获得了广泛应用，逐步成为继蒸汽轮机后的主要动力装置。
1.2大氮肥装置燃气轮机驱动现状从20世纪80年代以来燃气轮机在我国的氮肥工业中就开始有了成功的应用。
1988年中原化肥厂首次在合成氨装置中使用了燃气轮机驱动工艺空气压缩机，至今已经运行了20多年。随后有几套引进的大氮肥装置（海南富岛一期、海南富岛二期、乌鲁木齐化肥厂、四川合江化肥厂、锦西化肥厂、建峰一期、建峰二期等）也都采用了燃气轮机。可以说，采用燃机驱动工艺空气压缩机在国内已经有了不少成功的使用运行经验，而且也达到了显著的节能效果。
燃气轮机自身的内效率不算很高，功率*高可达40%～50%之间，但是燃气轮机产生的烟气温度高达450℃～600℃，可进行余热利用。在合成氨装置中烟气的余热利用通常有以下两种方式：（1）作为一段转化炉的燃烧空气。
（2）加设补燃余热锅炉产生蒸汽，供其他工艺蒸汽透平、换热器等设备使用。这相当于采用了高效的联合循环系统，提高了能源利用效率。
1.3燃气轮机驱动系统的特点燃气轮机是以燃气而不是以水蒸汽作为工作介质，所以它的工作原理与蒸汽轮机有本质的差别，有其自身显著的特点：（1）重量轻、体积小，因此基建投资省，建设周期短。
（2）水、电、润滑油消耗少。燃气轮机耗水极少，甚至可以不用水，系统自用水也很少，许多机组可以无电源起动，润滑油消耗量也比汽轮机或内燃机少得多。因此，适用于缺水、缺电的地区。
（3）启动快、自动化程度高。工业燃气轮机从冷态启动、加速，直至带上满负荷，一般只需3min～15min。现代燃气轮机多数已应用微机控制，可以程序起动或停机，集中控制或遥控，运行维修方便，甚至可以无人运行。
（4）使用燃气驱动可以减少外供蒸汽的用量。
大型氮肥装置中的工艺空气压缩机功率很大，而且在开车时需要首先启动。如果采用蒸汽透平驱动的话，需要外供大量的蒸汽供开车使用，使用燃机则可以大大减少开车蒸汽用量。
（5）可以综合利用余热，大幅度提高能源利用率。现在燃气轮机满负荷时的排气温度一般为450℃6℃，加之排气流量比较大，如加装余热锅炉，组成燃气-蒸汽联合循环，则总功率可以增加30%50%。
（6）环境温度、大气压力（或现场海拔高度）对燃机的功率影响很大，燃气轮机现场实际功率应按制造厂的特性曲线进行核算。
（7）经过长期运行后，由于进入压气机的空气中，仍然含有小量灰尘，压气机和燃机的叶片上，虽然定期清洗，仍会产生结垢，甚至燃机叶片在长期高温状态下，可能产生变形，这些因素，都会引起燃机的功率下降。因此，一般燃机机组需要定期进行大修。
2燃气轮机系统与蒸汽轮机系统热平衡计算及节能分析使用燃气轮机驱动工艺空气压缩机具有明显的节能效果。以下以45万t/a合成氨、80万t/a尿素的大型氮肥装置为例，对燃气轮机系统与蒸汽轮机系统进行计算和比较。
2.1燃气轮机系统热平衡计算某天然气为原料的45万t/a合成氨装置中，工艺空气压缩机的功率约为13000kW。燃气轮机除了驱动工艺空气压缩机以外，排出的高温烟气还加设补燃双压余热锅炉产生中压蒸汽和低压蒸汽供装置中其它设备使用（4.9 MPa、393℃的中压蒸汽51.0t/h，0.5 MPa、190℃的低压蒸汽6.2t/h）。燃气轮机和余热锅炉系统的计算结果。燃机驱动空压机，并在补燃余热锅炉内产生蒸汽，共消耗约5t/h的天然气燃料。
2.2蒸汽轮机系统热平衡计算若工艺空气压缩机采用蒸汽轮机驱动，在外送同样蒸汽量及满足空压机功率要求的前提下，蒸汽轮机及锅炉系统的平衡计算见下图（图2）。从计算结果看，系统满足外供蒸汽及空压机功率的前提下，共消耗6.78t/h天然气燃料。同时蒸汽透平表面冷凝器需消耗2287t/h的循环冷却水，循环冷却水泵的轴功率消耗约295kW。另外，锅炉运行时的风机轴功率电耗约250kW。
2.3燃气轮机系统和蒸汽轮机系统能耗比较从以上的简单计算结果可以看出，若使用燃气轮机系统，在满足同样工艺要求的前提下，与蒸汽轮机和锅炉系统相比：（1）天然气燃料节省1.78t/h，燃料消耗相当于节省26.2%；（2）电力消耗不考虑锅炉给水泵功率的差别，节省了545kW；（3）循环冷却水系统按3%的补水计算，可以节省69t/h的水资源消耗。
综上所述，采用燃气轮机系统可节省的能耗如表1所示。
需要说明的是，以上计算只是针对透平和锅炉系统的简单理论计算。如果采用蒸汽轮机驱动工艺空气压缩机的话，可以对整个蒸汽系统的综合利用进行优化和调整，降低部分能耗。实际上采用燃气轮机系统比采用蒸汽轮机系统大约节能1GJ/t（NH 3）。
3燃气轮机系统与蒸汽轮机系统的综合比较通过热平衡和能耗计算可以看出燃气轮机在节能方面有一定的优势，但它也有一些不利的方面，也不是一种可以完全替代蒸汽轮机的驱动型式。表2从能耗、投资、操作和维护等四个方面对二者进行了综合比较分析。
4结论从以上介绍和对比结果来看，虽然以燃气轮机做工艺空气压缩机驱动的一次性投资较高、维护相对复杂，但其具有以下明显优势：（1）明显的节能优势，燃料气、水、电的节省是相当显著的；（2）虽然一次性投资高，但操作费用较低；（3）燃气轮机占地小、重量轻，在装置规模大型化方面有一定的优势；（4）减少了开车时外来蒸汽的用量，减少了开车费用；（5）控制系统先进，可以减少人员的操作负荷。
总体来说，在当今国家越来越强调节能减排、清洁生产的大政策环境下，在大型氮肥装置中选用燃气轮机作为工艺空气压缩机的驱动是合理的。
当然，在选用燃气轮机作为空压机驱动时，还需要工艺流程与其相配合，并全面考虑当地气象条件对其效率的影响，使燃气轮机的使用效率达到或接近其*优点。在日常生产中生产厂还需要注意对其进行合理地保养和维护，使之保持良好的运行状态。
另外需要提及的是，近年来燃气轮机不但在化肥行业日益受到重视，国内炼油、乙烯、天然气压缩和天然气储运等石油化工装置中也都注重了燃气轮机的应用。随着其技术的不断发展，性能的不断改进，相信它的应用将越来越广泛。
