GE公司F级燃气轮机

百度文库-让每个人平等地提升自我GE公司F级燃气轮机董卫国国家电力公司热工研究院，陕西西安7100320引言GE公司的F级燃气轮机是80年代末开发出来的一代性能优良的发电机组，是其长期发展计划的成果。1981年GE公司开始实施F级燃气轮机计划，使用较高燃烧温度的大型燃气轮机，来提高联合循环电厂的效率，降低发电厂的运行成本。此项计划采用了GE航空发动机公司和研究发展中心共同推出的先进技术，促进了一批新技术的应用。这些新技术包括了叶片冷却技术（如蛇形紊流式冷却通道和气膜冷却）、先进的空气动力学（如具有大容量空气流量的超音速压气机叶型）、新型合金材料以及定向结晶甚至单晶超耐热合金铸件等。这些新技术在F级燃气轮机上的应用，使机组的燃烧温度提高到超过前几代机组的水平。第一台7F型燃气轮机在1987年组装完成，并进行了各种试验。1990年安装在美国弗吉尼亚电力公司的Chesterfied第7座电站，到1993年6月可靠性就达到％。1992年末，韩国采用7F型燃气轮机联合循环装置建成的1910MWSeoinchon电站净热效率达55％。后来在7F基础上，采用模化原理设计制造了50Hz的9F型燃气轮机和可用于50Hz及60Hz的6FA燃气轮机。目前GE公司F级燃气轮机订货和投运的已超过800台，积累了330多万h的实际运行经验，是目前世界上商业应用数目最多、运行时间最长的大功率先进发电燃气轮机。1F级燃气轮机产品系列及其性能演变1百度文库-让每个人平等地提升自我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。表1F级最新机型燃气轮机简单循环性能基本参数MS9351FAMS7241FAMS6101FA净出力/MW效率/%34透平进口温度/℃132713271288压比质量流量/kg·s-1624432198排气温度/℃609602597频率/Hz506050/60表250HzF级燃气轮机联合循环性能基本参数S109FAS209FAS106FAS206FA净出力/MW净热耗率/kJ·（kWh）-16350630567676654净效率/%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。F级燃气轮机采用GE公司传统可靠的分管式燃烧系统，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。2百度文库-让每个人平等地提升自我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NO和CO排x放量较少。采用干式低NO（DLN）燃烧室，大大降低了NO的排放。180多台采用干式低NO燃烧xxx室的F级燃气轮机已累计运行近300万h。有些电厂的NO排放量甚至低于10mg/kg。x7F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1F级燃气轮机的发展过程表37F系列燃气轮机主要性能基本参数PG7211FPG7221FAPG7231FAPG7241FAPG7251FB出力/MW159压比1515燃气温度/℃126012881316132713713百度文库-让每个人平等地提升自我压气机级数1818181818透平级数33333燃烧室个数1414141414出厂日期1988～19911993199719992002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，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47FA、7FB和7H型机组成联合循环时的性能对比基本参数107FA107FB107H出力/MW280400效率/%5660燃气温度/℃132713711427压比23空气流量/kg·s-1NO/mg·kg-19259x9F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。9F型燃气轮机也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，热效率为％；联合循环机组S109FA型4百度文库-让每个人平等地提升自我出力达，效率为％。表5列出9000系列主要机型的参数变化情况。表59000系列主要机型的参数变化情况基本参数PG9281FPG9311FAPG9351FA净出力/MW212净热耗率/kJ·（kWh）-110535102989750压比燃气温度/℃126012881327压气机级数181818压气机流量/kg·s-1645透平级数333出厂日期1993～1994199419966FA型燃气轮机90年代初，GE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，开发出6FA型机组。1993年开始设计6FA型，模化系数为，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66FA和6B型机组的性能对比简单循环联合循环基本参数MS6001BMS6001FAS106BS106FA出力/MW效率/%压比5百度文库-让每个人平等地提升自我进气温度/℃1104128811041288排气温度/℃541597538597燃烧室个数8686转速/r·min-151005250510052506FA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RenkAG公司研究开发的。2F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。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。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6百度文库-让每个人平等地提升自我定不变，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。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NO排放的或为增加出力的注水或注蒸气装置。另一x种是干式低NO燃烧室，采用稀释态燃料预混干式低NO燃烧技术，可用于气体或轻质液体燃料，xx在燃烧天然气时NO排放量低于25mg/kg，但是用于液体燃料时需要注水来降低NO排放。xx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7百度文库-让每个人平等地提升自我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。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。8百度文库-让每个人平等地提升自我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。关于F型燃气轮机转子故障问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。3GE公司F级燃气轮机的运行业绩9百度文库-让每个人平等地提升自我截止到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35798h，经历了725次启动。F级燃气轮机的运行业绩见表7。表7GE公司F级燃气轮机的业绩已运行机组运行时间机型启动次数/台/hMS6001FA162141192471典型单机31133368MS7001F/FA134196680050676典型单机552202005MS9001F/FA5297120612344典型单机35798725总数202315214465491DLN燃机180296084459245典型单机457342325注：DLN是干式低NO排放燃烧室。x1999年的一个可靠性统计数据表明，25台GE公司的7F和7FA型机组的平均可用率为%，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%。另外，GE公司的7F和7FA型机组的平均可靠性为%，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%。10百度文库-让每个人平等地提升自我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，干式低NO燃烧系统和干氨催化还原装置SCR可使NO的排放量在满负荷运行时xx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STAG207FA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（BlackPoint）电厂装有6台STAG109FA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GES107FA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SierraPacific电力公司的PinonPineIGCC电站，也于2000年投入运行。11