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GE公司F级燃气轮机总体性能参数


GE 公司 F 级燃气轮机

1 F 级燃气轮机产品系列及其性能演变

F 级燃气轮机已有多种多样的型号可满足不同用户的需要,在 MS6000、MS7000、MS9000 系列 中都有 F 级的产品,表 1 列出 F 级燃气轮机最新机型简单循环的性能,表 2 列出 50Hz 的 F 级燃气 轮机联合循环(三压再热蒸汽循环)的性能。?

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表1
基本参数 净出力/MW 效率/%

F 级最新机型燃气轮机简单循环性能
MS9351FA 255.6 36.9 1327 15.4
-1

MS7241FA 171.7 36.4 1327 15.5 432 602 60

MS6101FA 70.1 34 1288 14.9 198 597 50/60

透平进口温度/℃ 压 比

质量流量/kg·s 排气温度/℃ 频率/Hz

624 609 50

表2
基本参数 净出力/MW

50HzF 级燃气轮机联合循环性能
S109FA 390.8
-1

S209FA 786.9 6305 57.1

S106FA 107.4 6767 53.2

S206FA 218.7 6654 54.1

净热耗率/kJ·(kWh) 净效率/%

6350 56.7

MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA 型燃气轮机都有 18 级的压气机和 3 级的涡轮机,以冷端驱动 和轴向排气为特点, 有利于联合循环布置。 级燃 气轮机采用 GE 公司传统可靠的分管式燃烧系统, F

并可配备双燃料燃烧系统,如在以天然气为主燃料时,可以轻油为辅助燃料。当天然气供应发生 故障时,机组可自动切换到轻油燃烧,使燃机不因燃料供应故障而停机,进一步保证了机组的可 靠性和可用性。机组也可根据要求,在一定条件下使用双燃料混合燃烧。此外,F 级燃气轮机可燃 用低热值燃料,从而扩大了发电厂的燃料使用范围和灵活性。F 级燃气轮机应用于 IGCC 电厂,可 最大程度地降低燃煤电厂对环境的影响。? GE 公司在其制造 MS6000 型、MS7000 型和 MS9000 型机组的基础上,发展完善了底盘部套、控 制和辅机组合一体的快装模块结构,这种标准化布置可减少管道、布线及其他现场相关联接的工 作量,缩短安装和启动周期,降低建设成本,同时也提高了机组的运行可靠性。? F 级燃气轮机还显示出不同寻常的环保特点。由于机组的效率高,单位发电量的 NOx 和 CO 排 放量较少。采用干式低 NOx(DLN)燃烧室,大大降低了 NOx 的排放。180 多台采用干式低 NOx 燃烧 室的 F 级燃气轮机已累计运行近 30 0 万 h。有些电厂的 NOx 排放量甚至低于 10mg/kg。 1.1 7F 和 7FA、7FB 型燃气轮机 自从 1987 年生产第一台 7F 型燃气轮机后,经过不断改进,形成了一系列 F 级的燃气轮机。 图 1以 7000 系列中的 F 级燃气轮机为例,展示了 F 级燃气轮机的发展过程。(图中华氏温度 tF

换算因数为

)其主要性能见表 3。

图1

F 级燃气轮机的发展过程

表3 基本参数 出力/MW

7F 系列燃气轮机主要性能 PG7221FA 159 PG7231FA 167.8 PG7241FA 171.7 PG7251FB

PG7211F 147.2





13.5 1260 18 3 14 1988~1991

15 1288 18 3 14 1993

15 1316 18 3 14 1997

15.5 1327 18 3 14 1999

18.5 1371 18 3 14 2002

燃气温度/℃ 压气机级数 透平级数 燃烧室个数 出厂日期

从 1992 年开始,美国能源部推出 ATS(先进的燃气轮机系统)计划,资助进行新机型的开发。 GE 公司在这个项目的支持下开发了 H 型机组。开发和研究的新技术包括:增加压比,提高初温, 采用 DLN 和催化燃烧系统,材料高温防腐,研制了隔热涂层和陶瓷基体合成燃烧室火焰管,以及 陶瓷透平喷嘴和静子组件,先进的密封和冷却(蜂窝密封、蒸汽冷却)设计,长寿命的轴承等。 1998 年初,第一台 9H 型机组已在美国进行工厂试验,计划 2002 年投入商业运行。由于 H 级燃气 轮机开发成功,GE 公司又将某些 H 级技术反过来用到 7FA 型机组上,得到 7FB 型。这些技术包括: 单晶叶片(单晶 N4 合金 DSN4 或 GTD444),耐热涂层,三维气动力设计,更多冷却气膜等。使 7FB 型机组的压比提高到 18.5,燃烧温度提高到 1371℃,7FB 型燃气轮机的主要性能见表 3。表 4 列 出 7FA、7FB 和 7H 型燃气轮机组成联合循环时的性能对比。107FB 型的出力比 107FA 型稍有增加, 效率有明显提高。

表4

7FA、7FB 和 7H 型机组成?联合循环时的性能对比 107FA 262.6 56 1327 15.5
-1

基本参数 出力/MW 效率/% 燃气温度/℃ 压 比

107FB 280 57.3 1371 18.5 430.9 25

107H 400 60 1427 23 557.9 9

空气流量/kg·s NOx/mg·kg
-1

430.9 9

1.2

9F 和 9FA 型燃气轮机 9F 型燃气轮机是在 7F 型基础上采用模化原理设计出来的, 模化系数为 1.2。 型燃气轮机也 9F

经历了一系列发展过程,压比、燃气透平入口温度逐步提高,从而机组出力和效率也相应提高。 目前,最新型号的 9F 型机组(PG9351FA)简单循环出力达 255.6MW,热效率为 36.9%;联合 循 环机组 S109FA 型出力达 390.8MW,效率为 56.7%。表 5 列出 9000 系列主要机型的参数变化情况。

表5 基本参数 净出力/MW 净热耗率/kJ·(kWh) 压 比

9000 系列主要机型的参数变化情况 PG9281F 212
-1

PG9311FA 226.5 10298 15.0 1288 18 607.2 3 1994

PG9351FA 255.6 9750 15.4 1327 18 645 3 1996

10535 13.5 1260 18

燃气温度/℃ 压气机级数 压气机流量/kg·s 透平级数 出厂日期
-1

605.3 3 1993~1994

1.3

6FA 型燃气轮机 90 年代初, 公司又将 7FA 型技术转移到已经有 30 多年运行经验的 6B 型机组上, GE 开发出 6FA

型机组。1993 年开始设计 6FA 型,模化系数为 0.69,得到了大流量压气机,同时将燃气温度提高 到 1288℃。1995 年第一台机组出厂,满足了市场对具有高效率的中等容量机组的需求。MS6001FA 型燃气轮机简单循环的额定功率为 70MW,用于联合循环的功率为 107MW。燃烧室数量由 6B 型的 8 个减少到 6 个,减少了维修工作量。表 6 列出 6FA 和 6B 型机组的性能对比。 ?

表6

6FA 和 6B 型机组的性能对比 简单循环
联合循环

基本参数 MS6001B 出力/MW 效率/% 39.2 31.8 MS6001FA 70.1 34.2 S106B 59.8 48.7 S106FA 107.1 52.8





11.8 1104 541 8
-1

14.9 1288 597 6 5250

11.8 1104 538 8 5100

14.9 1288 597 6 5250

进气温度/℃ 排气温度/℃ 燃烧室个数 转速/r·min

5100

6FA 型燃气轮机与 6B 型机组一样,通过齿轮箱可以将转速降低到 3000r/min 或 3600r/mim, 以适应不同发电频率的要求。减速齿轮箱是由德国 Renk AG 公司研究开发的。?

2 F 级燃气轮机的结构特点

GE 公司生产的重型燃气轮机在结构上彼此是非常相似的,F 级燃气轮机的主要结构特点有: (1)它们都是整体式结构型式。压气机、燃烧室和燃气透平都联接成为一个整体,安装在同 一个底座上。一些辅助设备,诸如润滑油系统、冷却水系统、燃料系统、启动机系统、传动齿轮 箱等也都安装在一个底座上,这样就能节省现场的安装时间和机组设备的运输费用。 ?

(2)不同于 B 级和 E 级燃气轮机,F 级燃气轮机改为由压气机侧的冷端输出功率的方案。这 样就可以使燃气透平实现轴向排气,其排气扩压器能直接与余热锅炉相联,有利于减小流阻损失, 但却会增大压气机的传扭负载。? (3)采用双轴承支承的方案,2 个轴承分别位于压气机和燃

气透平转子的两端,这样可以使燃气轮机的总体结构最简单。? (4)压气机和透平均采用水平中分面结构,便于安装和检修。? 2.1 压气机 GE 公司 F 级燃气轮机所用的压气机, 是由 E 型燃气轮机 17 级压气机按空气动力学模化原理设 计的,并增加了 1 个零级,由 18 级组成,压缩比为 15 左右。为了防止启动过程中压气机发生喘 振,压气机中都装有进口可转导叶和 1~2 个中间级的放气口,F 级机组的放气口布置在第 9 和第 13 级后。在联合循环方式运行时,进口可转导叶还能在一定负荷范围内确保透平前的燃气温度恒 定不变,以提高部分负荷时的效率。 压气机通流部分的前 5 级采用等内径的结构型式,其后各级则采用等外径的结构型式。由于 叶片外径增大,圆周速度增加,前 2 级为超音速级,相应的叶型设计为直线形薄叶片,以减小流 动损失。为适应空气流量与压缩比的增加,压气机叶片要求强度高,疲劳强度和衰减率大的材料。

在第 0~8 级,用新开发的强度高耐腐蚀的 C-450 材料代替以前的防腐涂层叶片。第 9~17 级采用 高温强化材料 SUS403。 压气机转子根据以前用 15 根通穿螺栓紧固的经验, 采用多段积层结构与透 平转子结合成高刚性转子 ,其一阶弯曲振动频率为额定转速的 125%。 压气机气缸除采用具有水平中分面外, 还把气缸沿轴向分为 2~3 段。 分段气缸结构的优点是: 由于前后段温度的不同,前后段可以采用不同材料;每段气缸比较短,便于气缸内表面静叶叶根 槽的加工;配合中间级防喘放气,在每段的接合处可以设计成为圈环状的放气口,使 气流均匀, 减少对叶片的激振力。 GE 公司生产的燃气轮机,压气机的转子采用了外围拉杆螺栓联接的盘鼓式的转子结构型式。 盘鼓式的转子是把各级轮盘在接近轮缘处的鼓环,用多根细而长的拉杆螺栓彼此压紧而连接成为 一体的,因而它在接近轮缘处是一个转鼓,可以使转子具有很好的刚性。转子旋转时产生的离心 力则是依靠轮盘来承受的, 致使这种转子也能具有很高的强度。 压气机转子的拉杆数目大约为 14~ 18 根不等。为了保证转子运行的安全和可靠,各轮盘之间必须有足够的压紧力,因而拉杆的预紧 力是很大的。? 2.2 燃烧室 GE 公司 F 级燃气轮机均采用其传统的逆流式分管型燃烧室,不同容量的机组配用不同数量的 燃烧室。GE 公司提供 2 种燃烧室,一种是标准型的,可用于气体或各种液体燃料,一般都配置空 气雾化式的双燃料喷嘴,可带或不带用于降低 NOx 排放的或为增加出力的注水或注蒸气装置。另一 种是干式低 NOx 燃烧室,采用稀释态燃料预混干式低 NOx 燃烧技术,可用于气体或轻质液体燃料, 在燃烧天然气时 NOx 排放量低于 25mg/kg,但是用于液体燃料时需要注水来降低 NOx 排放。? 随着燃气透平前温度的提高,燃烧室出口过渡段的冷却必须加强。GE 公司在 F 级燃气轮机上 专门设计了一种有冲击冷却效果的过渡段。该过渡段是双壳体型式的,内过渡段被一个钻有许多 小孔的外套包围着。从压气机来的空气通过这些小孔,形成射流去冲击冷却内过渡段。外套用 AISI-304 不锈钢制成。内过渡段是用 Nimonic263 制作,并在其内表面喷涂耐热涂层。燃烧室的外 壳选用 SA/516-55 钢制造,火焰管的前段用 HASTX/HS-188 制造,火焰管尾部一段改用 HS-188 制 造,火焰管的内表面上均喷涂耐热涂层。? 2.3 透平 GE 公司 F 级燃气轮机的透平均采用 3 级轴流式透平, 是运用 GE 公司航空技术进行设计的。 随 着高温材料和冷却技术地不断发展,其进口燃气温度由最初的 1260℃逐步提高到最新 FA 型的 1327℃和 FB 型的 1371℃。 第 1、2 级动叶片与全部 3 级静叶片采用适应高温化的高性能空气冷却。压气机第 13 级抽气

用于透平第 2、3 级冷却后,作为转子冷却空气与密封空气使用。压气机第 17 级空气由通道内径 侧抽出,由于流场的离心作用,消除了气流中的有害粒子,清洁的抽气作为第 1 级冷却空气。利 用从另外的压气机引入的空气冷却透平轴承座和透平第 3 级叶根。透平第 1 级静叶片温度最高, 采用耐高温腐蚀与热疲劳强度高、焊接性能优良的 Co 基超合金 FSX-414,第 2、3 级静叶片采用抗 蠕变与热疲劳强度高的 Ni 基超合金 GTD-222。3 级静叶片均采用精密铸造,第 1 级 静叶片内部有为冲击冷却用的金属插件,除冲击冷却外,前缘采用喷头冷却,内背弧采用气膜冷 却。第 2 级静叶片采用冲击冷却与强制对流冷却相结合,冷却空气从叶片后缘吹出。第 3 级静叶 片仅采用强制对流冷却。? 3 级动叶片均采用具有航空使用经验、高温强度好的γ 相析出硬化型 Ni 基超合金 GTD-111, 也采用精密铸造成型。 使用环境严酷的第 1 级动叶片采用定向凝固的 GTD-111DS, 以控制径向晶界, 改善蠕变断裂强度。第 1 级动叶片是由先进的航空技术引进的蛇形通道对流冷却,冷却空气从叶 片底部输入,从叶顶和叶片后缘的轴向开口混入主流燃气,同时也通过叶片前缘与侧壁排出并形 成冷却气膜。9FA 型机组透平第 1 级工作部分与叶根之间的长柄减轻了 通流部分向叶根的传热, 第 2 级动叶片采用以前从叶根到叶顶钻有许多冷却孔的强制对流冷却。第 1 级扇形护环是保持叶 顶最小间隙的主要部件,为改善低频热疲劳,护环的高温内侧与低温外侧采取分开结构,内侧护 环使用热疲劳强度好的材料 IN-738,并采取冲击冷却、强制对流冷却与气膜冷却。热障涂层是延 长零件寿命不可缺少的高温化技术之一。为保护在高温下工作的透平叶片,对前 2 级叶片进行双 喷涂处理,即用真空等离子喷涂抑制腐蚀,用铂铝化合物喷涂抑制氧化。第 3 级叶片仅用 Cr 扩散 防腐涂层。? GE 公司设计的燃气轮机中采用外围拉杆型式的透平转子,它们是依靠压紧面上的摩擦力传递 转矩的。每级轮盘上都轴向地开出枞树形叶根槽,用于安装动叶片。这种叶根槽的优点是多对齿 承力,强度高,承载能力大;尺寸紧凑,连接质量轻,可以使动叶片的叶根接近于等强度设计; 采用有间隙的松装结构,能自由热膨胀,可以让冷却空气从间隙中流过,增强了对叶根和轮盘轮 缘的冷却效果。? 透平气缸采用双层结构并有空气进行冷却,其外层为气缸,内层则由静叶片的外缘板和护环 等元件组成,是一种承压件与承热件分开的结构型式。气缸与高温燃气隔绝,这样不仅可以有效 地降低气缸的工作温度,以便采用较差的材料,同时还能减少气缸的热膨胀量和热应力,并能减 少对气缸的热冲击,有利于机组的快速启动和加载,还有利于控制透平动叶片顶部径向间隙在运 行之中的变化。? 2.4 关于 F 型燃气轮机转子故障问题

1994~1995 年期间, 一些 7F 和 9F 型机组在运行中出现了一些质量问题。 后来 GE 公司经过分 析与改进,将很多机组返厂进行检修,基本解决了这些问题。出现的转子问题主要有:? (1)转子轮盘间扭转侧滑。转子轮盘间侧滑仅发生在一台 7F 型机组上,其原因是:在确定 用 15 根拉杆螺栓将多个轮盘结合在一起所需要的拉力时, 设计者计算错误, 致使施加给螺栓的 拉 力不够。GE 公司对 20 多台运行中的机组增加了螺栓的拉力,问题就解决了。 (2)机组振动增大及拉杆问题。关于机组振动增大的问题,在 7F、9F 型机组中均有发生, 主要是由二方面原因造成的。其一,2~3 级级间轮盘刚性太低,由于转子自身质量使转子轴线下 垂弯曲,运转时偏心质量力使转子振动较大,并使第 2 级和第 3 级叶轮与第 2~3 级级间轮盘发生 相对运动,使振动水平进一步扩大。这个问题主要出现在 9F 型机组中,通过更换一个刚性更高的 第 2~3 级级间轮盘,解决了这个问题。另外,9F 型机组有 5 根拉杆螺栓出了问题,2 根失效,3 根断裂。经调查,9F 型机组的螺栓由 2 个供货商提供,出问题的 5 根螺栓都是其中一个 供货商的产品,原因是他们没有按规定的标准加工螺栓。GE 公司已经取消了这个供货商的订货。

3 GE 公司 F 级燃气轮机的运行业绩

截止到 2000 年 8 月,共有 800 台 F 级燃气轮机已安装或已订货,其中 202 台机组已累计运行 315 万 h。某台 MS7001F 型机组至今已累计运行超过 55220h,并经历了 2005 次启动。MS9001FA 型 机组运行最长的已达到 35 ? 798h,经历了 725 次启动。F 级燃气轮机的运行业绩见表 7。?

表7

GE 公司 F 级燃气轮机的业绩 已运行机组 运行时间 启动次数 /台 /h 214119 31133 134 1966800 55220 52 971206 35798 2471 368 50676 2005 12344 725





MS6001FA 典型单机 MS7001F/FA 典型单机 MS9001F/FA 典型单机

16





202 180

3152144 2960844 45734

65491 59245 2325

DLN 燃机 典型单机

注:DLN 是干式低 NOx 排放燃烧室。?

1999 年的一个可靠性统计数据表明, 台 GE 公司的 7F 和 7FA 型机组的平均可用率为 89.3%, 25 而包括 GE 公司机组在内的 53 台同等级世界主要燃气轮机的平均可用率为 84.9%。另外,GE 公司 的 7F 和 7FA 型机组的平均可靠性为 99.5%, 而包括 GE 公司机组在内的同等级世界主要燃气轮机的 平均可靠性为 95.7%。? MS9001FA 型联合循环机组应用的里程碑是东京电力公司的 1 座总容量为 2800MW 电厂的 8 台 STAG109FA 型机组。 其中第一批 2 台机组于 1996 年 1 月并网发电, 全部 8 台机组已于 1998 年投入 运行。这些机组每天开机停机运行,周末完全停机,以液化天然气(LNG)为燃料,采用蒸汽拖动 静态启动的方法,干式低 NOx 燃烧系统和干氨催化还原装置 SCR 可使 NOx 的排放量在满负荷运行时 减少到 5mg/kg(氧含量为 16%)。世界上容量最大的联合循环发电厂是韩国电力公司的 Seoinchon 电厂。该厂一期有 8 台 STAG107F 型机组已累计商业运行约 20 万 h,二期 4 台 STAG 207FA 型机组 现已安装就位,该厂总出力达到 4000MW,效率大于 55%。中国香港中华电力公司的龙鼓滩(Black Point)电厂装有 6 台 STAG 109FA 型机组,总容量超过 1800MW。 F 级燃气轮机有较大的燃料适应性,可燃用蒸馏油和天然气,包括煤制气、液化天然气和液化 石油气(LPG)。机组启动后,燃料可以切换而不会导致性能损失。出力范围广,排气能量高,模 块式组合设计布置使得在联合循环和 IGCC 系统中 F 级燃气轮机能理想地适应多种多样的用途,包 括热电联产、 地区供热或单纯发电。 例如, 美国佛罗里达州 Tampa 电力公司的 Polk 电站容量为 250MW 的机组是以 GE S107FA 型燃气轮机为基础的 IGCC 机组。自 1996 年以来,该机组燃用合成煤气累 计运行了 1 万多 h,电厂效率超过 41%。1 台 6FA 型机组用于加里福尼亚州 Sierra Pacific 电力公 司的 Pinon Pine IGCC 电站,也于 2000 年投入运行。?


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