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重型燃气轮机产业的发展与自主化


重型燃气轮机产业的发展与自主化

发电设备( 2007 No. 2)

特约撰稿

重型燃气轮机产业的发展与自主化
沈邱农
( 上海发电设备成套设计研究院 ,上海 200240)
     : 阐述了我国重型燃气轮机发展的背景 ,市场需求 。介绍了引进制造 F” 摘 要 “ 级燃气轮机的主要

技术特 点 。分析了发展燃气轮机产业的基础条件和重型燃气轮机自主化研制的关键技术 。    关键词 : 能源与动力工程 ; 燃气轮机 ; 自主化 ; 研制    中图分类号 :TK47     文献标识码 :A     文章编号 :16712086X (2007) 0220093205
Keywords : energy and power engineering ; gas turbine ; localization ; R& D

Development and Localization of the Heavy Duty G Turbine Industry as
SHEN Qiu2nong

( Shanghai Power Equipment Research Institute , Shanghai 200240 , China)

Abstract : Development background and market demand of domestic heavy duty gas turbines are being described while

main technical features of the licensed“F” class gas turbines presented , together with an analysis of the basic conditions for gas turbine development and the key technologies concerning localization of heavy duty gas turbines.

   随着我国能源结构的调整和天然气资源的开 发利用 ,以天然气为燃料的大型燃气轮机联合循 环电站已开始规模化建设 。随着西气东输工程的 建成和东海油气田开发 ,我国在华北 、 华东地区将 投运一批燃气轮机联合循环电站 ; 利用进口液化 天然气 ,在广东 、 福建等地建设一批 LNG 燃气轮 机联合循环电站 。根据预测 ,到 2020 年我国天然 气发电的装机容量将达到 6 000 万 kW 。以天然 气为燃料的燃气轮机联合循环发电机组在我国具 有良好的市场前景 , 发展燃气轮机产业已成为我 国发电设备制造业面临的重要命题 。 为了推进和发展我国的燃气轮机产业 , 从 2002 年起 ,国家发展和改革委员会实施以市场换 技术的重大举措 , 对规划批量建设的燃气轮机电 站项目进行 “打捆” 式设备招标采购 , 同时引进先 进的大型燃气轮机制造技术 。由资格评审合格的 国外燃气轮机制造商与国内制造企业组成联合
收稿日期 :2006212210

体 ,投标竞争国内一定批量燃气轮机联合循环电 站项目的设备订单 。联合体内部外方转让大型燃 气轮机制造技术 , 国内制造企业根据引进技术消 化吸收进度 、 生产能力 、 获得的订单台数和交货周 期等因素 ,制定自主化制造的进程和方案 ,分阶段 实施 ,逐步实现燃气轮机联合循环电站设备制造 的本地化 、 自主化 。 通过打捆招标引进国外先进燃气轮机联合循 环电站设备及其制造技术 , 一方面满足了西气东 输工程沿线建设天然气电站项目的紧迫需求 , 业 主以优惠的价格和条件采购到了燃气轮机联合循 环电站设备 ; 另一方面 ,国内制造企业获得了国外 先进的重型燃气轮机制造技术 , 使我国燃气轮机 产业实现了高起点起步 。 20 世纪 80 年代后 , 燃气轮机联合循环技术 日臻成熟 ,逐步成为继汽轮机后的主要发电装置 。 美国 、 、 欧洲 日本等国政府制定了扶持燃气轮机技

作者简介 : 沈邱农 (1956 - ) ,男 ,上海发电设备成套设计研究院总工程师 ,教授级高工 ,主要从事燃气轮机 、 汽轮机技术研究工作 。

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重型燃气轮机产业的发展与自主化

术开发的产业政策和发展计划 , 投入大量研究经 费 ,使电站燃气轮机的技术水平得到很大的提高 。 各大燃气轮机制造商通过移植航空发动机的先进 技术 , 开发出一批大功率 、 高效率的大型燃气轮 机 ,既具有重型燃气轮机的单轴结构 、 水平中分面 和设计寿命长等特点 , 又具有航空发动机的高燃 气初温 、 高压比 、 高效率的特点 。燃气轮机透平进 口温度达 1 300 ℃ 左右 , 单套燃气轮机联合循环 出力达 350 MW 以上 ,国内技术界称之为 F 级” “ 燃 气轮机 ,是这次引进的主要机型 。通过打捆招标 , 我国从 3 个国外公司引进了 F 级燃气轮机制造技 术 ,由哈尔滨动力设备股份有限公司与 GE 公司 合作 ,生产 PG9531 ( FA) 型燃气轮机 ; 东方电气集 团公司与三菱公司合作 , 生产 M701F 型燃气轮 机 ; 上海电气 ( 集团) 总公司与西门子公司合作 ,生 产 V94. 3A 型燃气轮机 。

1   F” “ 级燃气轮机的主要技术特点
引进的 3 种型号的燃气轮机在 ISO 条件下的 主要性能参数如下 : (1) PG9351FA 型燃气轮机 , 功率 255. 6 MW , ( 热耗 率 为 9 759 kJΠ kW·) 。 轴 联 合 循 环 机 组 h 单 ( S109FA) 功率为 390. 8 MW , 热耗率为 6 350 kJ Π ( kW·) ,净热效率为 56. 7 % 。 h ( 2) M701F 型燃气轮机 ,功率 270. 3 MW ,热耗 ( 率为 9 421 kJΠ kW · ) 。单 轴 联 合 循 环 机 组 h MPCP1 (M701F) 功率为 397. 7 MW ,热耗率为 6 317 ( kJ Π kW·) ,供电效率为 57. 0 % 。 h
( 3) V94. 3A 型燃气轮机 , 功率 265 MW , 热耗 ( 率为 9 350 kJΠ kW·) 。 轴 联 合 循 环 机 组 ( 1S. h 单 3 种型号的燃气轮机联合循环机组的主要技

轮盘压紧面的端面齿传递扭矩 。V94. 3A 采用中 心拉杆压紧压气机和透平各轮盘 , 并通过各轮盘 压紧面处的端面齿来对中和传递转矩 。燃气轮机 压气机和透平缸均具有水平中分面和垂直中分 面 ,在电厂能够方便地进行大修和更换热部件 。 ( 2) 压气机通流部分采用先进的设计方法 ,使 压气机获得大流量 、 高压比 。叶栅通道三维设计 以满足气流的三元流动条件 , 通过减少压气机叶 片根部和顶部的流量 ,降低二次流损失 ,提高压气 机效率 。PG9351FA 的压气机共有 18 级 , 压比为 15. 4 ;M701F 的压气机共有 17 级 ,压比为 17 ;V94. 3A 的压气机共有 15 级 , 压比也是 17 。为了防止 起动过程中压气机发生喘振 , 上述机组的压气机 中都装有 1 级进口可转导叶和中间级放气口 。进 口可转导叶还能在联合循环运行时 , 在一定负荷 范围内使燃气轮机排气温度保持不变 , 以提高部 分负荷下的热效率 。 (3) F 级燃气轮机采用干式低 NOx ( DLN) 燃烧 技术 ,其工作特点是燃料与空气匀相预混 、 贫态主 燃区 ,火焰温度控制在 1 670~1 900 K 范围内 ,使 - 6 NOx 排放降低到 25 × 10 以下 。PG9351FA 采用 逆流 分 管 式 、 向 分 级 的 干 式 低 NOx 燃 烧 室 ; 轴
M701F 采用环管型结构的多喷嘴预混燃烧室 , 并

且在每个火焰管过渡段上安装一只可调的旁通 阀 ,根据机组负荷的大小调节旁通阀的开度 ,控制 一次燃烧区中的燃料空气比 , 改善低负荷下的燃 烧效率 ;V94. 3A 采用环形燃烧室 ,配置 24 个干式 低 NOx 的混合型燃烧器 , 机组结构紧凑 , 透平前 的燃气温度场比较均匀 。 ( 4) 透平静叶和动叶均使用高效叶型 ,以减少 燃气流动损失 , 提高级效率 。在通过提高燃气初 温而达到更高性能的目标引导下 , 先进的大功率 燃气 轮 机 透 平 进 口 温 度 大 幅 度 提 高 , 达 到 了 1 300 °以上 。透平进口温度的大幅度提高 , 是借 C 助于采用先进的材料技术和叶片冷却技术 。此 外 ,燃气轮机的第 1 级和第 2 级高温透平叶片采 用单晶或定向结晶技术 , 改善高温蠕变强度 。叶 片表面喷涂热障涂层 ,有效地起隔热保护作用 ,降 低透平叶片金属的最高温度 。PG9351FA 的燃气 透平设计为 3 级 , 有利于简化燃气轮机的整体结 构 ,但透平级的焓降比较大 ;M701F 和 V94. 3A 的 燃气透平均设计为 4 级 ,透平效率略高一些 。
 

V94. 3A ) 功率为 385. 5 MW , 热耗率为 6 283 kJ Π ( kW·) ,净热效率为 57. 3 % 。 h

术特点是 : ( 1) 燃气轮机均为重型结构 , 双轴承 、 双支承

方案 , 压气机冷端输出功率 , 燃气透平轴向排气 , 排气扩散段直接与余热锅炉连接 。压气机与燃气 透平转子为盘鼓式结构 , 其中 PG9351FA 的压气 机和燃气透平转子采用外围拉杆型式结构 , 依靠 压紧面上的摩擦力传递转矩 ;M701F 的压气机和 透平转子也采用周向拉杆连接 , 但压气机通过轮 盘压紧面外缘间的扭矩销传递扭矩 , 透平通过各
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( 5) 机岛均采用单轴布置方式 。燃气轮机 、 汽

轮机和发电机连接成一个轴系 , 燃气轮机和汽轮 机驱动同一台发电机 , 组成一个燃气轮机联合循 环机 岛 。机 组 采 用 静 态 变 频 启 动 ( SFC ) 方 式 。 S109FA 和 MPCP1 (M701F) 按燃气轮机2汽轮机2发 电机顺序布置 ,用联轴器刚性连接 ; 汽轮机向下排 汽 ,机组为双层布置 , 启动时需要辅助冷却蒸汽 。 1S. V94. 3A 采用燃气轮机2发电机2汽轮机顺序布 置 ,燃气轮机和发电机用联轴器刚性连接 ,汽轮机 和发电机用 3S 离合器连接 ,可进行燃气轮机简单 循环运行 ; 汽轮机轴向排汽 ,机组为单层布置 。两 种布置形式从工程造价 、 运行和维护等方面比较 , 各有长短 。 ( 6) 采用三压再热蒸汽循环 。 F 级” “ 燃气轮 机高达 600 ℃ 左右的高温排气可以为余热锅炉提 供充足的高温能量 , 使再热蒸汽循环成为现实 。 三压蒸汽循环是在余热锅炉中增加传热面积 , 在 原先单压蒸汽循环上加上中压蒸汽和低压蒸汽部 分 。同时由于使用天然气为燃料 , 允许将余热锅 炉排烟温度降得更低 , 更充分地利用燃气轮机排 气余热 ,获得比单压蒸汽循环更高的热效率 。用 于联合循环的汽轮机技术也相应发展 , 以适应燃 气轮机联合循环多压补汽 、 快速启动的要求 。

燃气轮机联合循环机组良好的机动性使其成为理 想的调峰机组 , 能够经济有效地保障电网的安全 运行 。同时 ,燃气轮机联合循环电站将来也有可 能承担部分增加的基本负荷或中间负荷 。此外 , 在工业大城市附近 , 往往也是常规燃煤热电厂污 染的严重地区 。为改善工业大城市周边的大气环 境 ,也有必要用以天然气为燃料的燃气轮机热电 联供机组替代常规燃煤热电厂 。 到 2020 年 ,我国将建成约 60 000 MW 的天然 气发电装机容量 , 除去目前已建和在建的 26 000 MW 规模 ,今后 14 年还将建设 35 000 MW 左右的 燃气轮机电站 。如果再考虑 IGCC 等燃煤Π 燃气2 蒸汽联合循环等洁净燃煤技术的开发和应用 , 应 该说我国重型燃气轮机产业的市场前景广阔 。 但值得注意的是我国重型燃气轮机联合循环 电站的发展很大程度上取决于天然气供应量和价 格 。由于燃油价格的上涨 , 原来以轻油和重油为 燃料的燃气轮机电站在经济性方面已经难以为 继 ,目 前 燃 气 轮 机 电 站 的 燃 料 主 要 是 天 然 气 。
2005 年起 ,西气东输管线上的一批燃气轮机电站

2  重型燃气轮机的市场前景
以天然气为燃料的燃气轮机联合循环是一种 高效率 、 低污染的发电方式 , 主要具有供电效率 高、 比投资低 、 建设周期短 、 启停灵活 、 运行自动化 程度高 、 污染少等优点 。由于其优越性 ,20 世纪
80 年代以来燃气轮机技术进入了一个高速发展

陆续投运 , 到 2006 年 , 都不同程度地遇到了天然 气供应量不足的问题 。 我国建设的燃气轮机电站主要用于调峰 , 每 天起停一次 ,运行 12 ~ 14 h 。天然气消耗量可以 通过如下方法简单测算 , 以哈尔滨动力设备股份 有限公司与 GE 公司合作生产的 S109FA 单轴燃 气轮机联合循环机组为例 , 其出力为 390. 8 MW , ( 热 耗 率 6 350 kJΠ kW·) , 天 然 气 低 热 值 以 h 3 35 000 kJ Π 计算 , 一套 S109FA 消耗天然气量为 m
7. 1 ×10 m Π 。目 前 靠 西 气 东 输 管 线 供 气 的 h
4 3 4 3 8 3 4 3

时期 ,国外大公司相继推出了先进的大功率高效 率的燃气轮机 。燃气轮机联合循环在世界电力生 产中的地位也发生明显变化 , 不仅用作紧急备用 电源和调峰机组 ,而且能带基本负荷和中间负荷 。 燃气轮机联合循环在世界发电容量中所占的份额 快速增长 ,据前几年统计 ,全世界每年增长的发电 容量中 , 约有 36 %为燃气轮机联合循环机组 , 燃 气轮机联合循环电站已开始与传统的蒸汽轮机电 站持平 ,并有超越的趋势 。 以天然气为燃料的燃气轮机联合循环发电机 组适用于大城市及负荷中心地区 。随着社会经济 的高速发展 , 大电网昼夜负荷峰谷差越来越大 。

S109FA 或其他相当容量的燃气轮机联合循环机

4 000 h ,理论上每年需要有 76. 8 × m 的天然 10

组大约有 27 套 , 天然气消耗量约为 192 × m Π 10 h 。由于这些燃气轮机联合循环机组均用作调峰 , 机组基本上在同一时间段运行 , 假定年平均运行 气供气量 , 并且满足 192 × m Π 流量要求才能 10 h 保证这些机组同时运行 。 天然气价格直接影响燃气轮机联合循环机组 的发电成本 。我国的电力生产以煤为主要燃料 , 相对低廉的动力煤价对电力价格起主导作用 。天 然气发电的经济性很大程度上将受到煤与天然气 比价的影响 。在国际市场上 , 一般按热值计算的
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重型燃气轮机产业的发展与自主化

天然气价约比煤价高出 1 倍 。我国煤和天然气的 价格由于受资源丰度的影响 ,与国际市场相比 ,气 煤差价较大 , 根据 2001 年的有关数据测算 , 发电 3 用天然气价如果按可接受的 1. 3 元Π ( 标准状态 m 下) 计算 ,大约是正常动力煤价的 2. 8 倍 。天然气 价格偏高对发展燃气轮机联合循环电站将产生负 面影响 。 图 1 列举了一个天然气燃气轮机联合循环发 电与常规燃煤发电技术方案上网电价相对于燃料 价格的敏感性分析算例 。燃气轮机联合循环机组 按 380 MW ( ISO ) 容量 , 常规燃煤火电机组按 350 MW 容量参考计算 ,并全部为新建电厂 。

产的基础上 ,还必须有针对性地对燃气轮机关键 技术进行科研攻关 ,进行二次开发 ,掌握大型燃气 轮机研制的核心技术 , 逐渐形成自主设计开发体 系 ,促进我国燃气轮机产业发展 。 ( 1) 消化吸收引进技术 ,掌握大型燃气轮机制 造的技术关键 。自主化制造的 F 级燃气轮机各项 技术性能指标应达到国外同类产品水平 , 并形成 批量生产能力 。其中包括压气机研制 、 燃气透平 研制 、 燃烧系统研制 、 燃气轮机控制系统研制 、 燃 气轮机总装配技术消化吸收 、 高温转子及叶片材 料制造等 。同时相应地形成具有自主知识产权的 制造标准和工艺规范 。 (2) 燃气轮机辅助系统制造技术消化吸收 。 燃气轮机辅助系统是实现自主化制造的主要组成 部分 。由于这部分设备国外制造商只向国内企业 提供采购技术规范 , 首先需要国内企业按技术规 范进行设计 ,然后进行制造和采购 。一般来说 ,除 了少量关键部套目前尚需进口外 , 辅助系统的大 部分可以实现自主化制造 , 但必须符合外方对辅 助系统严格的质量规范 , 使自主化制造的辅助系 统设备的质量得到保证 。 (3) 燃气轮机设计技术研究 。这是燃气轮机

   从图上看出 , 以天然气为燃料的燃气轮机联 合循环上网电价与常规燃煤电价相比 , 对燃料价 格比较敏感 。天然气价上升时 , 上网电价上升幅 度较大 ,主要是由于燃气轮机联合循环电厂较之 于常规燃煤电厂上网电价中固定成本所占比例 小 ,燃料成本所占比例大 。当天然气价波动时 ,上 网电价受影响较明显 。

3  重型燃气轮机自主化制造的技术

   重型燃气轮机是技术密集型产品 , 集多项高 新技术于一体 。其核心技术包括高效率 、 高性能 的通流部分设计技术 、 燃烧技术 、 先进的冷却技 术、 高温热部件的材料 、 制造工艺 、 涂层保护技术 、 高转速机械轴系稳定性 、 总能系统的优化技术 、 先 进控制技术等 。实现燃气轮机的自主化制造 , 需 要投入大量的资金和装备 。在消化吸收引进制造 技术 ,实现燃气轮机联合循环成套设备自主化生
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( 天然气低热值按 39. 175 M Π 3 计 ,年运行小时按 5 000 h 计) J m

核心技术开发的重要内容 , 包括燃气轮机热力系 统优化设计 、 控制技术研究 、 压气机气动设计和特 性研究 、 透平气动设计和冷却技术研究 、 干式低 NOx 燃烧室和设计研究 、 燃气轮机联合循环机组 特性研究 、 燃气轮机强度和振动特性研究等 。 (4) 三压再热余热锅炉和联合循环汽轮机自 主化制造 。这部分设备需要投入的主要是设计技 术的研究 ,关键技术包括余热锅炉结构和受热面 布置研究 、 高效传热并烟气阻力小的翅片管研究 、 低温段受热面的低温腐蚀机理研究 、 多压再热余 热锅炉热力系统研究及方案设计 、 多压余热锅炉 设计软件开发等 。适用于三压再热循环和单轴布 置的大功率联合循环汽轮机的关键技术也集中在 设计技术研究上 。 我国燃气轮机工业基础虽然相对薄弱 , 但燃 气轮机自主化制造仍具备较好的基础条件 。在发 电设备制造能力方面 ,20 世纪 80 年代以来各大 汽轮机厂为生产引进型 300 MW 和 600 MW 等大 型汽轮机 , 配备了大型制造厂房 , 购置了国外先 进、 大型数控加工设备和精密测试设备 ,除少数特

图1  燃气轮机联合循环上网电价对燃料价格敏感性分析

关键

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殊设备外 ,生产大型燃气轮机的装备缺口不大 ,基 本上能满足生产燃气轮机及其联合循环设备大多 数部件的需要 。在研究开发能力方面 , 我国拥有 相当规模的研究机构 , 具备一定规模的试验研究 设备 ,过去为开发国产燃气轮机曾发挥过重要作 用 ,提供过各关键部件的设计母型 。制造企业 、 科 研院所 、 高校还拥有一批长期从事燃气轮机技术 研究的专业人员 , 这也是发展我国燃气轮机工业 的重要条件之一 。我国航空工业经过几十年发 展 ,具备了先进的燃气轮机制造设备 ,掌握了制造 先进燃气轮机的工艺技术 , 已经能够制造大型燃 气轮机的压气机和透平叶片 、 燃烧室火焰筒 、 过渡 段及喷嘴等部分核心零部件 。

代世界先进水平的重型燃气轮机联合循环电站设 备制造业已经初步形成 。在可以预见的将来 , 通 过国家强有力的支持和引导 , 我国制造企业将最 终掌握燃气轮机研制的核心技术 , 实现燃气轮机 产业的自主化发展 。 参考文献 :
[1 ]   焦树建 . 燃气2蒸汽联合循环 [ M] . 北京 : 机械工业出版社 , 2000. [2 ]   何语平 . 大型天然气联合循环电厂 [ R] . 浙江省电力设计院 , 2002. [3 ]   沈邱农 . 天然气发电的技术经济分析 [ C] . 亚太区燃气轮机

发电应用及气体燃料技术研讨会 ,2001.
[4 ]   沈邱农 . 电站燃气轮机技术研究 [ R ] . 上海发电设备成套设

计研究院 ,2002.

4    结 语
我国重型燃气轮机联合循环装备制造与天然 气发电进入了建国以来最好的发展阶段 , 具有现

行业信息

东方电机两项成果荣获 2006 年度四川省科技进步奖
   2006 年 12 月 7 日 , 根据 《四川省科学技术奖 励办法》 的规定 ,经四川省科技进步奖评审委员会 严格评选 ,省科技厅审核 , 报省政府批准 ,2006 年 四川省科技进步奖正式揭晓 。东方电机股份有限 公司两项成果 “三峡右岸电站水轮机水力开发” : 荣获二等奖 “万能轧生产线轧机主传动大型交交 , 变频调速同步电动机研制” 荣获三等奖 。 三峡电站共装机 26 台单机容量 700 MW 水轮 发电机组 , 分为左岸和右岸机组 , 左岸厂房的 14
 

台水轮发电机组已于 1997 年通过国际招标全球 采购 。三峡电站右岸厂房作为整个三峡电站的二 期工程 ,机组稳定性尤显重要 。 “三峡右岸电站水 轮机水力开发” 项目组经过潜心攻关 ,为三峡右岸 机组自主开发出 D3992F13 水轮机转轮 ,在水轮机 能量 、 空化性能与左岸厂房水轮机相当的情况下 , 进一步提高了机组的技术性能参数 , 降低压力脉 动值 ,消除高部分负荷压力脉动带 ,提高了右岸厂  

房水轮机的水力稳定性 。2006 年东方电机股份 有限公司研制的第一台 D3992F13 巨型混流式水 轮机转轮已经交付三峡业主 , 2008 年将有 4 台 D3992F13 转轮在三峡电站陆续运行 。由于该转 轮优秀的性能和良好的稳定性 , 将为电网发出充 足的电能 ,产生丰厚的经济效益 。未来的几十年 中将是中国水电大发展的时期 。D3992F13 可以 广泛应用于 60 ~ 115 m 水头段的电站 , 为开发我 国丰富的水力资源作出更大贡献 。
 

东方电机股份有限公司在为攀枝花新钢钒股 份有限公司轨梁厂 100 m 高速重轨万能轧生产线 研制万能轧生产线轧机主传动大型交交变频调速 同步电动机过程中 , 采用了新型轴承等诸多新技 术 ,对结构等进行了创新改进和优化 ,实现了产品
 

技术性能先进 、 制造和使用更方便 、 更经济合理的 综合技术进步 。
( 余小波   供稿)
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[5 ]   Robert Fammer. Gas Turbine World 200022001 Handbook [ Z] . A Pequot Publication , Volume 21.


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