GE公司F级燃气轮机总体性能参数

1、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MS6OO0 MS7OO0 MS9000系列中都有F级的产品，表1列岀F级燃气轮机最新机型简单循环的性能，表2列岀50Hz的F级燃气表1 F级最新机型燃气轮机简单循环性能基本参数MS9351FAMS7241FAMS6101FA净出力/MW255.6171.770.1效率/%36.936.434透平进口温度厂 c132713271288压比15.415.514.9质量流量/kg s-1624432198排气温度/c609602597频率/Hz506050/60表2 50HzF级燃气轮机联

2、合循环性能基本参数S109FAS209FAS106FAS206FA净出力/MW390.8786.9107.4218.7净热耗率/kJ ( kWh -16350630567676654净效率/%56.757.153.254.1MS9001FA 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

3、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F级燃气轮机还显示岀不同寻常的环保特点。由于机组的效率高，单位发电量的NQ和CO排放量较少。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 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

4、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 7F系列燃气轮机主要性能基本参数PG7211FPG7221FAPG7231FAPG7241FAPG7251FB岀力/MW147.2159167.8171.7压比13.5151515.518.5燃气温度/ c12601288131613271371压气机级数1818181818透平级数33333

5、燃烧室个数1414141414岀厂日期198819911993199719992002从1992年开始，美国能源部推岀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7

6、FB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 1371C, 7FB型燃气轮机的主要性能见表3。表4列岀7FA、7FB和7H型燃气轮机组成联合循环时的性能对比。107FB型的岀力比107FA型稍有增加，效率有明显提高。表 4 7FA、7FB 和口 7H基本参数107FA107FB107H岀力/MW262.6280400效率/%5657.360燃气温度/ c132713711427压比15.518.523空气流量/kg s1430.9430.9557.9-1NOX/mg kg

7、92591.2 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岀来的，模化系数为1.2 o 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，从而机组岀力和效率也相应提高目前，最新型号的9F型机组（PG9351FA简单循环岀力达255.6MW 热效率为36.9 %;联合 循环机组S109FA型岀力达390.8MW 效率为56.7 %。表5列岀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净岀力/MW212226.5255.6净热耗率/kJ ( kWh) -1105351

8、02989750压比13.515.015.4燃气温度/ C126012881327压气机级数181818压气机流量/kg s-1605.3607.2645透平级数333岀厂日期19931994199419961.3 6FA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，开发岀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 °Co 1995年第一台机组岀厂，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1

9、07MW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列岀6FA和6B型机组的性能对比。表6 6FA和6B型机组的性能对比基本参数简单循环联合循环MS6001BMS6001FAS106BS106FA岀力/MW39.270.159.8107.1效率/%31.834.248.752.8压比11.814.911.814.9进气温度/ c1104128811041288排气温度/ c541597538597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

10、同发电频率的要求。减速齿轮箱是由德国Renk AG2 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岀功率的方案。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，（3）采用双轴承支承的方案

11、，2个轴承分别位于压气机和燃（42.1 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12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

12、。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08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917级采用高温强化材料SUS40&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

13、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

14、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排放的或为增加岀力的注水或注蒸气装置。另一种是干式低NQ燃烧室，采用稀释态燃料预混干式低NQ燃烧技术，可用于气体或轻质液体燃料，在燃烧天然气时 NQ排放量低于25mg/kg，但是用于液体燃料时需要注水来降低NQ随着燃气透平前温度的提高，燃烧室岀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 Nimonic2

15、63 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 C逐步提高到最新 FA型的1327C和 FB型的 1371 Co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17 级空气由通道内径用于透平第 2、3 级冷却后，作为转子冷却空气与密封空气使用。压气机第侧抽出，由于流场的离心作用，消除了气

16、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3级动叶片均采用具有航空使用经验、高温强度好的丫相析岀硬化型 Ni基超合金GTD-111,也采用精密铸

17、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岀并形 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

18、。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岀枞树形叶根槽，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

19、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2.4 关于 F 型燃气轮机转子故障问题后来GE公司经过分19941995年期间，一些7F和9F型机组在运行中岀现了一些质量问题。（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

20、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。其一，23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23级级间轮盘发生相对运动，使振动水平进一步扩大。这个问题主要岀现在9F型机组中，通过更换一个刚性更高的第23级级间轮盘，解决了这个问题。另外，9F型机组有5根拉杆螺栓岀了问题，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，岀问题的 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。

21、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35798h，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级燃气轮机的业绩机型已运行机组/台运行时间/h启动次数MS6001FA162141192471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NQ1999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89.3% ,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