国外的燃气轮机和燃气_蒸汽联合循环装置

1、第13卷第2期2000年6月燃气轮机技术GASTURBINETECHNOLOGYVol.13No.2June.2000国外的燃气轮机和燃气-蒸汽联合循环装置列举了国外动力燃气轮机应用规模及其技术和运行指标。简单探讨了国外各主导厂家已出产或准备出产的新型燃气轮机以及根据由美国政府拔款的发展规划所研制的未来燃机的结构特点。国外的燃气轮机和燃气-蒸汽联合循环装置得到了越来越广泛的应用。每年都会出现一些新的经济性更高的燃气轮机型号或对过去出产的某些型号进行修正而提高参数和各项指标。在这方面所取得的一些成果列于表1和表2。第一家出产初温为1260的级燃气轮机的GE公司已得到165台这种燃气轮机的订货;其

2、中100F台以上的机组已经投入运行,总运行时间超过130万小时。出产首台7F燃气轮机之后的10年内,燃气轮机的功率提高了2030%,而配有该燃机的燃气-蒸汽联合循环装置的热耗降低了10%。晚些时候生产F级燃气轮机的西屋公司同自己的日本伙伴三菱公司已有70台501F和701F的燃气轮机订单。首台501F(3600r/min)机组已运行时间为3.3万小时以上;两种型号的燃气轮机总运行时间已超过25万小时;平均可用率为94%以上,强迫停机率小于1%。总之,各电站的燃气轮机运行指标均处于与传统动力设备相同的或甚至更高的水平。对于这些机组来说,特点是在68年的修理周期内的可用率约90%左右日历时间(大型

3、工业热电站以9596%的可用率多年运行的情况也是常见的),强迫停机时间在1.53%日历时间内,无故障起动率9597%。在总运行8000当量小时后,对燃气轮机关键部件进行不拆卸定期检查,在总运行22.5万当量小时后,打开透平(有时不必吊出转子)进行中修(检查热通道),在总运行4.85万当量小时后,拆开燃气轮机进行大修。在计算当量小时中,对燃用天然气以基本负荷运行的时间取系数为1。在其他工况下的当量系数为:在尖峰负荷下:46燃用燃油燃料:1.5燃用含渣液体燃料和含硫气体燃料:24注水抑制NOx时:1.52.0正常起动(一次)相当于510当量小时,加速起动相当于20当量小时。满负荷停机用10到130

4、当量小时。在试制新一代的各种燃气轮机时所出现的困难和故障的原因是:振动,低排放燃烧室中燃烧不稳定和火焰回火。现在在设计人员的不懈努力下零件的损坏已经消除。因此,世界上对燃气轮机的高需求保持稳定。美国现在每年出产燃气轮机的功率超过15GW。同配套设备一起其总价值超过35亿美元。考虑到动力工业和采用动力燃气轮机今后需要量增长的预测,美国正在实现由政府拨款研制远景燃气轮机的规划(ATS)。此规划将在2000年之后实现2,3。正在根据此规划进行研究和基础研究,其目标是:使大型燃气-蒸汽联合循环装置的效率达到60%以上。(燃用天然气)或工业用小功率燃机的经济性提高15%;这些燃气轮机的NOx排放量应小于

5、9ppm,而CO和未燃的碳氢化合物应小于20ppm(不用任何气体净化装置之下)。用这些机组所发电力的价格应比装有1992年产燃气轮机的电站的发电价格低10%。有四家燃气轮机的设计和制造厂仍在按ATS规划继续工作。即GE,西屋,索拉和艾利逊(Allison)公司。现在正在进行该规划的第三阶段,即动力装置的施工设计和制造、分析运行条件下的各种特性和指标、试验最根本和最关键的部件。2表11060MW燃气轮机的各项指标燃气轮机的制造公司、型号和生产年份罗尔斯罗伊斯(Rolls-Royce)RB211197427.235.8528.8620.891.7122046435.0183.021.74.14.1

6、透平动力公司(TurboPower)FT8199025.4738.127.4520.085.35114545531.8204.024.412.29.2索拉公司(Solar)Mars100198910.732.517.141.7856848817.068.114.52.83.3努沃皮约尼公司(Noverpignone)PGT10198610.130.914.042027.08.12.54.0罗尔斯罗伊斯西屋(Rolls-Royce)Trent199651.241.655.335.0159.4123042754.8231.525.34.14.1251B198250.132

7、.815.3176.65425115051877.680.545.522.915.3指标ABBGE三菱ABBGEGT10LM1600LM2500LM2500+1981功率MW效率%峰值功率MW压比空气流量kg/s转速r/min透平中的燃气温度入口出口可能产生的热量MW燃机重量t外形尺寸m长宽高24.6334.214.078.57700118053435.855.011.05.45.3198713.835.614.3322.345.47000124048718.4179.020.74.34.3197321.9635.723.1818.867.21_120054231.2184.021.44.34

8、.3199728.5437.323.185.351240520.537.7204.021.74.154.1MFT28199426.7838.728.021.085.8500046432.86.77.02.42.4GTX100GT8CLM6000-PALM6000-PC199843.037.020.0121.2660054656.890.014.07.06.0199452.834.456.815.7179.36300118051778.695.07.83.23.9199240.639.229.6127.1124046048.16.65.02.152.15199743.441.329.4127.1

9、45046.87.25.02.152.15表270以上燃气轮机的各项指标燃气轮机的制造公司、型号和生产年份指标ABBGT13E21993功率MW效率%尖峰功率MW压比空气流量kg/s转速r/min透平中燃气温度入口出口可能产生的热量MW燃机重量t外形尺寸m长宽高一台燃机的燃气-蒸汽联合循环装置的功率MW一台燃机的燃气-蒸汽联合循环装置的效率%功率MW燃机汽轮机燃气轮机最多台数多台燃机的燃气-蒸汽联合循环装置的功率MW多台燃机的燃气-蒸汽联合循环装置的效率%功率MW燃气轮机汽轮机165.135.7176.914.6532.53000118052423733010.86.45.43727.553.

10、5477.9249.6GEGT26PG6101FAPG9171E199426538.530.0562.03000129064030033512.35.05.539658.5257140275058.2465.2260199370.134.273.615.0205.25254129058910536.66.110.4107.453.269.140.12218.754.1138.284.01987123.433.8133.012.3404.13000112453818686335.123.511.9189.252.0121.670.42383.752.7243.2146.1PG923EC19941

11、69.234.9184.714.2499.03000120455824077241.216.213.7259.354.0166.696.62522.654.4333.2197.6三菱PG351FAMW701DAW701GV64.3A1996255.636.915.4645.630001290609345109034.27.615.2390.856.7254.1141.82786.957.1508.2289.21992144.134.814.0445.43000118053620420012.55.25.221.551.4142.170.43642.351.8423.6218.71997270.

12、338.217.0652.43000135058632834017.35.85.839956.9266.1132.92804.757.4532.2272.51998334.039.521.0737.83000141058736042018.26.26.2484.458.0328.9155.52972.158.2657.8314.3199670.036.516.2190.2540013155719411011.04.04.810153.767.532.0220354.013570西门子V94.2V94.2AV94.3A1981159.034.5167.011.1513.9300011005382

13、3729514.012.58.423852.115488247852.33081771997190.036.414.0527.0300057026032012.06.07.428556255854.43642051995255.038.517.0641.03000131557731333012.56.17.538058276058510260西屋W401199785.936.619.0228.956251280573113.555445.829.015.3125.854.383.342.52251.554.3166.684.9西屋公司按ATS规划正在研制420MW、效率为60%和电网周波60H

14、z的燃气-蒸汽联合循环装置。ATS501型燃气轮机功率为300MW左右,其透平转子入口燃气温度的设计值为1510,压气机压比为27时的空气流量为544kg/s35。这种燃气轮机的纵剖面图示于图2。设计了单轴燃气-蒸汽联合循环装置,其中燃气轮机和汽轮机传动共用一个发电机,而且发电机通过自动同步解脱离合器与汽轮机相连。蒸汽部分采用蒸汽中间再热的三压循环。燃气轮机的冷却空气(进行预冷却译注)温度下降时放出的热量用来预热燃料。汽轮机高压缸的部分排气用于冷却从燃烧室至透平的燃气输气管和前两级静叶。此蒸汽在冷却各零件的封闭系统中循环并在其中再热后返回以便在中压部分中继续膨胀。设计了双缸汽轮机的整套叶片并考

15、虑了三维效应(3D)而且在高压部分设计成冲动式叶片,中压部分设计成反动式叶片。低压缸末级钛合金叶片长度为1070mm。在设计压气机时采用501G型燃气轮机的16级压气机作为设计母型。它的压比通过在出口处补加3个级的方法从19提高到27。在最新的三元流模型基础上改善了叶片型线。入口导叶、第一、第二级导叶做成可转。在压气机隔板,前面的轮盘,轮缘和轮盘间的槽上均采用早已在501G型燃气轮机中采用的新型刷子式气封。实物压气机已经制造并试验。各零件经分解和检查后即将安装在定于2000年开始试车的首台燃气轮机上3,4。图2ATS501型燃气轮机为ATS501型燃气轮机设计了燃烧室,此燃烧室具有预混式燃烧器

16、及两个沿轴线分布的燃烧区,预混合的空气-燃料混合物送入第一燃烧区。由处在当值燃烧器中心的旋转产生的再循环使其燃烧区的燃烧稳定。空气-燃料混合物沿第一区周围的环形槽进入沿气流处于较低位置的第二区。低压试验时在NOx很低的情况下保证了燃烧的高稳定性。通过在输送入第一区之前进一步改进燃料与空气的混合以优化排放和拓宽运行范围,在高压下进行了试验。将来还将研究催化燃烧。在研制四级透平时通过三元粘性法优化了型面的气动载荷以增大相对间距和减少叶片数量和冷却介质用量。前三级(6个轮缘)叶片做成内冷叶片。前两级设计成可有效控制各叶片的径向间隙。各叶片型线部分的冷却回路是封闭回路。第一级和第二级的喷嘴用蒸汽作冷却

17、介质,动叶用空气。采用空气代替蒸汽可使燃气-蒸气联合循环装置的效率降低0.2%,并且大大简化了结构并消除了在蒸汽介质中腐蚀和沉积的危险。整个看来空冷情况下生产费用低一些,而且维护和修理简单。在送入转子之前从燃烧室范围抽出的空气温度在外部冷却器中降温,这样可增大了空气的冷容量而减少了空气的需求量。空气进行过滤。冷却叶片加工成薄壁叶片并用各热障涂层保护。尽管公司从1986年起就有采用这些涂层的成功经验,而且涂有该涂层的叶片在运行24000小时后依然保持良好状态,但还正进一步完善陶瓷材料和粘合层。为提高抗蠕变性和疲劳强度,第一级动、静叶片均用单晶CMSX-4合金制成。改善了转子的气封结构。透平前两级

18、的模型(比例1:3)在试验台上进行研究以确定气动特性和燃气的散热系数。GE公司正在研制7H和9H型燃气轮机(其透平第一级和第二级蒸汽冷却系统为封闭系统)。这些燃气轮机的动叶入口燃气温度为1430,而透平后的排气温度为595,压气机压比为23。美国能源部仅拨款研制7H燃气轮机。GE公司早在1998年1季度就已制成9H型燃气轮机,因为认为50Hz电网市场更有前景和容量更大,所以这台机组由公司自已提供资金。这两型燃气轮机的一些指标如下:燃气轮机型号7H9H透平后的燃气流量kg/s558685功率MW:燃气-蒸汽联合循环装置燃气轮机(按估算)400275480322系统的蒸汽管道与余热利用循环的中间再

19、热器并联。透平的第三级叶片用空气冷却,第四级不冷却。制造了第一级全尺寸单晶体动、静叶片(N5合金)。对第一级喷嘴进行的试验,证明可以达到所要求的寿命。静叶栅正在运行条件下,用蒸汽冷却进行试验台试验。进行了压气机模型(1:3)试验:基本型1995年进行,9H1997年进行,7H将在1999年进行。3图3水星50燃气轮机索拉公司根据ATS规划研制了4.2MW的动力燃气轮机水星50(图3)。这样功率和效率为39.4%的机组拟用于基本负荷工况运行(5000小时/年以上),也常常以最大或接近最大负荷进行热电联供。半峰负荷工况(20005000小时/年)运行时,燃气轮机的功率增大到4.6MW,而效率达到4

20、0.9%,在尖峰负荷工况和备用时(小于500小时/年)功率和效率分别达到4.8MW和41.4%。这些指标是ISO条件燃用天然气,且压气机进气口压力损失750Pa,透平出口压力损失1750Pa下运行的指标6。燃气轮机装置为简单循环,具有透平排气回热;压气机、透平和发电机在一根轴上。对透平组的结构图作如下修改:压气机空气进气口和透平排气口布置在机组的中心,而压气机排气口和燃烧室在其相对的两端。在压气机排气口和燃烧室进气口之间沿机组布置回热器,大致在其中间位置装设燃气(透平排气)的进气管和排气管。涡轮组设计成模块式。10级轴流压气机的压比为9.1,此压气机输送的空气流量为16.1kg/s。压气机装有

21、3排可转导叶使燃气轮机在变负荷时保持各项指标最佳。两级燃气透平悬臂布置。燃气初温(转子入口处)等于1165,第一级喷嘴具有防护性冷却和吹风。此喷嘴用MAR-M-247合金用定向结晶法制成。对用CMSX-10合金制成的第一级单晶体动叶采用涡流冷却系统。第二级喷嘴也是用空气冷却。动叶(MAR-M-247合金等轴铸件)不冷却,该叶片是自带围带的。燃气轮机转子是三支点转子。透平气缸和压气机气缸用外部刚性框架连接。这些框架不受燃气轮机管道中的热影响,也不限制由此作用产生的透平气缸轴向位移。预混和贫化的燃料-空气混合物在带有8个燃烧器(从透平侧分布)的环形燃烧室中燃烧。通过改变空气通道截面的方法保持燃烧室

22、在宽工况范围内以小于25ppm的排放量稳定燃烧和燃烧室中的压力损失大致不变。燃烧室火焰筒通过从里面涂陶瓷热障涂层进行保护;将压力为1.2MPa的天然气送入火焰筒。回热器(空气加热器)中的空气温度升高到593。回热器是板翅式的,热交换面由薄不锈钢板,经变形折叠成型而形成,因而使与空气和燃气的接触面积增大数倍。钢板沿周边成对地焊接以形成空气通道槽,然后再与热交换组件焊在一起。回热器的弹性结构保证其在循环的各工况下可靠运行。这些回热器在燃气轮机装置上的总工作时间为25万次起动条件下,运行了150万小时。回热器的排气温度为368,其热量可用来加热水和生产蒸汽。在水星50燃气轮机完成后要在此燃机上进行陶

23、瓷部件试验。艾利逊(Allison)公司研制了效率为40%的13.5MW燃气轮机。燃气轮机是三轴的。两个压气机(低压压气机3级,高压压气机12级)的压比设计值为30左右。由于空气温度高(555)末两级轮盘用U-720镍合金制造。这种材料也设计用于在转子进气温度为1430下长期运行的透平第一级和第二级轮盘(试验在1315下开始)。采用双级动力透平发出功率。一项新的研究是联合燃烧室,它在接近空转和低负荷下由预混的贫化燃料-空气混合物进行燃烧,在大于0.5N额定负荷下进行催化燃烧。Allison公司和 ! # 公司一起确定了催化元件在燃气轮机条件下的运行参数,评价了催化剂的稳定性并准备了全面试验修整

24、的试验台。许多外国公司在没有国家资助下已经研制出一些新的燃气轮机并推入市场。下面按功率发展的顺序对其中的一些燃气轮机进行分析。英法GEC-Alsthom公司(目前归AAP英国公司译注)生产了在效率为35%以上时发电机端功率为12.9MW的Cyclone(旋风)燃气轮机。该机为分轴可用来传动各种机械。12级压气机由两级悬臂布置的透平传动。它们一起形成一根支承在两个椭圆轴承上的空转轴。压气机的通流部分沿用了公司以前的母型并增设了0级跨音速级。在保持相同转速即14100r/min的前提下,压气机的压比从14增到16.7,而空气流量从29.4增到39.2kg/s。为保证起动时稳定,入口导叶和压气机前四

25、级导叶均作成可转式。燃气轮机装置可燃用天然气和蒸馏液体燃料。在任何负荷下都可以由一种燃料自动切换成另一种燃料。燃料在有六个火焰筒的逆流燃烧室中燃烧,(每个火焰筒都布置在专用圆柱壳体中)。燃烧过程组织成使得在燃用天然气时NOx排放量不高于25ppm,燃用液体燃料时NOx排放量不超过50ppm。压气机透平进气温度为1250。该透平的两级叶片和转子的叶轮都用从压气机中抽出的空气进行强化冷却。动叶做成无围带式。可以以10000r/min转速运转(用于驱动9500r/min发电机)的两级动力透平做成悬臂式。它的各级动叶均装有围带以减少径向间隙损失和允许转速范围内的膨胀,动力透平转子各轮盘均用空气冷却,叶

26、片均无冷却。燃气额定温度为579。动力透平轴承是椭圆轴承。燃气轮机装置和发电机一起布置在长12m,宽2.7m和3.65m的箱装体上;箱装体的重量为60t。在标准条件下(外部温度等于15,压气机进气压力损失为1kPa,透平排气损失为2.5kPa,减速器效率为99%,发电机效率为97%)热电联供时的热负荷达到17.7MW(烟囱排气温度为150情况下,以压力为1MPa,流量为27.5t/h的饱和蒸汽供热),电功率为12.5MW,电端效率为33.7%。燃料的热量利用率为81%7。ABB公司研制了新型GTX100型动力燃气轮机,填补了GT10(25MW)和GT8C(53MW)燃机装置间的空白。此新型燃气

27、轮机的各项指标列于表1。燃气轮机为单轴机组,其双支点转子支在椭圆滑动轴承上,并通过减速器从压气机侧驱动发电机(1500或1800r/min);转子的额定转速为6600r/min。15级压气机的压比等于20。压气机采用的型线形成可控扩压的通道;压气机入口导叶和前三级导叶均做成可转。调节这些导叶的安装角以提高部分负荷时经济性和降低排放量,并保证起动时的稳定。为此同一目的,还进行通过第5和第10级后的防喘振阀排气。压气机转子各轮盘通过电子束焊连在一起。压气机气缸的垂直中分面保证在维修装拆时可以轴向分离。气缸用从压气机中抽出的空气从外部通入进行冷却。这一点以及415级采用磨蚀气封和用线性膨胀系数小的I

28、N909合金制造1115级的持环可以减小径向间隙和提高效率。在第3级、5级、8级、10级和15级之后有抽气口以便冷却透平。三级透平的装配没有水平中分面。转子各轮盘用螺栓固定在中间轴和终端轴上。前两级叶片用空气强3图4GTX100型燃机的布置图1交流发电机;2点火用气体;3润滑油泵;4减速器;5空气进气口;6清理系统;7气体燃料箱;8液体燃料箱;9就地控制盘;10灭火系统;11排气管;12排气扩压器;13燃气透平;14起动电动机;15起动减速器和离合器化冷却,第一级动叶是单晶体叶片。装有30个低排放量EV-燃烧器的环形燃烧室可燃用天然气(NOx排放量在O2=15%时NOxCO<15ppm)

29、和轻液体燃料(NOxCO<25ppm)。所列的排放量值是在无射水和射气情况下排气在50%到100%负荷下达到的值。燃烧室可燃用两种燃料形式,而且在任何负荷下都可以由一种燃料切换至另一种燃料。燃烧室的火焰筒做成双层结构。内壁燃气侧涂热障陶瓷涂层进行保护。冷却空气通过两壁间的缝隙流过,然后参加燃烧。燃烧室没有水平中分面。机组由三个部件组成:压气机,燃烧室,透平。表1所列的各项指标相当于燃用天然气运行。燃用液体燃料时燃气轮机的功率在效率36.3%下为41.4MW。配有GTX100型燃气轮机和无中间再热双压蒸汽循环下联合循环装置的功率在效率为54%下为62MW。基本上在单独运行情况下GTX100

30、的效率较低(为37%,而后者为41.642%),而配有此燃机的燃气-蒸汽联合装置的效率却明显高于航空燃气轮机LM6000PC和 !(为54%而后者为51.752%)(见表1)。GTX100对于热电联供来说也更经济。燃气轮机的起动时间为13分钟。负荷调节通过关闭压气机导叶的方法进行。若负荷从100%降到60%左右,则关闭导叶使透平排气温度在透平前的燃气温度不变情况下升高到t2 =600。当负荷进一步降到20%25%(相当于可转导叶关到极限),则t2 =const=600。在负荷更低的情况下此两温度即透平前的温度和透平的排气温度都降低。在这种控制程序下配有GTX100型燃机的燃气-蒸汽联合循环装置

31、的效率在70%负荷以内保持不变(54%)。图4所示为GTX100型燃气轮机的布置图。燃气轮机装置设计成使其技术维修的费用达到最低程度。所有修理工作都可在运行条件下进行。设定了内窥镜检查特殊零件的观察孔并在三个面上装有平衡配重。燃气轮机中的部件可以解体,每个部件都可就地拆卸并修理,机组也可在装配状态进行拆卸以便返回工厂修理,为此要拆卸空气管道和排气扩压段将其放在一边。燃气轮机计划每隔1万当量小时进行检查和技术维护,每隔4万小时进行大修。超过寿命(取寿命为12万小时),燃气轮机还可运行9697%的时间。西屋公司研制了新型燃气轮机W401。它在外部条件为国际标准条件(即进气压力损失为1kPa排气压力损失为1.25kPa)下的各项指标列于表2。同菲亚特航空公司一起研制的燃气轮机装置采用了罗尔斯罗伊斯公司的一些航空发动机技术。此燃气轮机用功率为235MW的501G型燃气轮机以0.64的比例进行模化。W401型燃气轮机的16级压气机中采用更有效的型线。其入口导叶作成可转式并用来在部分负