国外大型汽轮机及联合循环(上海汽轮机厂)

1、No.1,2000SHANGHAIQILUNJI41国外大型燃气轮机及联合循环郑云之(上海汽轮机有限公司,上海200240)【摘要】结合介绍国外几家主要大公司的大型燃气轮机及联合循环业绩,综合分析其发展趋势和发展特点,同时对联合循环中汽轮机的特点和总体布置作了阐述。【关键词】燃气轮机;联合循环;联合循环中的汽轮机;总体布置;发展趋势;发展特点【中图分类号】TK47【文献标识码】ALargeGasTurbineandunhi200240)【Abstract】Thisarticleintroducesexperiencesofthelargegasturbineandcombinedcycleof

2、severalmaincompaniesabroadandanalyzesitsdevelopmenttrendsandfeaturescomprehensively.ltalsodescribesthechar2acteristicsofsteamturbineusedincombinedcycleandlayoutarrangement.【Keywords】gasturbine;combinedcycle;steamturbineofcombinedcycle;layoutarrangement;developmenttrends;developmentfeatures进气温度超过1500

3、,联合循环装置热效1燃气轮机及联合循环的发展111发展趋势综述发电用燃气轮机及联合循环装置的发展趋势是,产品技术不断发展和创新,机组容量等级不断增大,单位千瓦造价相应降低,燃机进气温度不断增高,单机出力和热效率相应提高,广泛采用燃气蒸汽联合循环,装置功率和热效率显著提高。具体体现在燃烧、冷却、气动、漏泄、控制、测试以及材料、涂层等技术有了很大的发展和创新,燃机单机出力达300MW(60Hz),联合循环出力(1台燃机+1台汽机)达420MW(60Hz),燃机的率高达60%,并实现机组运行高可靠性、高可用率、维修性好、负荷适应性好、燃料适应性好以及低NOx排放。现从国外生产燃气轮机及联合循环的几家

4、主要大公司的业绩及发展轨迹中简要地作一些介绍和分析。11111SiemensWestinghouse公司图1显示SiemensWestinghouse公司501系列(60Hz)燃气轮机及联合循环的发展过程,有关数据列于表1中。SiemensWestinghouse燃机501系列的发展过程表明,自60年代后期推出501A后,70年代推出501D,单机功率增大1倍,进气温度提高200。90年代较70年代来稿日期:1999-8-23作者简介:郑云之,男,上海汽轮机有限公司副总工程师,教授级高级工程师,中国动力工程学会透平专委会委员兼秘书长,先后发表论文40余篇。42上海汽轮机2000年第1期单机功率

5、再增加1倍以上,进气温度又提高300以上。在进入21世纪初期,联合循环装置热效率将突破60%。可靠。图2列出从501D发展至501F,再发展到501G的进程,虽然燃机进气温度有了一定的提高,由于采用了不断改进的冷却技术,使透平4级的静叶和动叶的金属温度仍保持在同一水平。又以燃烧室为例,501G采用蒸汽冷却燃烧器及其过渡段,以代替原501F的空气冷却,使1020%的冷却空气流量可正常投入工作(参见图3)。冷却蒸汽来自联合循环中余热锅炉的中压蒸汽,冷却燃烧器及其过渡段后受热又回到联合循环中汽轮机的中压部分作功。蒸汽冷却的应用使(501G与,而燃烧室(提高到1500(501G)。图1燃气轮机与联合循

6、环的发展表1SiemensWestinghouse燃气轮机501系列(60Hz)燃机型号501B推出年份1973燃机功联合循环透平转子联合循环率MW功率MW进气温度热效率%45809510716023029015727335742088099011001130129014201510384614461950565860501A1968501D1976501D51982501F1992501G1997501ATS2000SiemensWestinghouse的新产品开发坚持可靠性第一,并不断革新,不断改进,最大程度地利用经过考验的设计概念,逐步进行改进设计,并在不同型号机组上(包括50Hz和60

7、Hz的机组)共享许多已经证实的成果和创新的设计构思,使机组的水平不断提高。501系列的发展就是例证。现以透平为例作简要说明,501F的结构与501D相同,透平转子都是由4个叶轮通过拉紧螺杆以及叶轮端面上具有传递扭矩的环形齿组合而成,这种结构已具有超过40年的运行实践经验,成熟图2SiemensWestinghouse燃气轮机501系列静叶和动叶温度SiemensWestinghouse在发展501G的基础上,又发展了501ATS,使进一步提高进气温度和机组出力,以及进一步提高循环热效率,开发新技术的简要内容于后介绍,在这里值得提出的是,501ATS机组的50%左右部件与501G机组相同。No.

8、1,2000SHANGHAIQILUNJI43图系为60Hz,701系列为。燃气轮机进气温度高于透平转子进气温度,两者差别在于第1级静叶进气侧和出气侧间的温差。Mitsubishi燃气轮机是在引进Westing2house的技术基础上发展起来的,其起点较高,发展很快,如图4及表2所示。燃机的进气温度、功率及热效率均不断提高,联合循环装置的热效率大大超过最新火电超临界机图3SiemensWestinghouse501F与501G燃烧器及冷却系统组。1997年1500级的M501G燃气轮机正式投入实验验证运行,在新产品开发设计中,对该机组的性能、金属温度、应力、振动以及冷却、转子推力、烟尘、差胀、

9、噪音、润滑油等共布置约1800个测点的检测(参见图5),测试结果良好。通过对整台新机组的全面测试,搜集汇总大量测试数据,对改进、发展和提高起十分重要的作用,这也是燃气轮机技术不断可靠而有效发展的重要措施。11113ABB公司11112Mitsubishi公司图4显示日本Mitsubishi燃气轮机及联合循环的发展过程,有关数据列于表2中。表2Mitsubishi大型燃气轮机及联合循环燃气轮机型号D型推出燃气轮机燃气轮机联合循环联合循环年份进气温度功率MW功率MW热效率%1984(M701D)1989(M501F)1997(M501G)1150129(M701D)238(M701F)325(M7

10、01G)1955015图6和图7是ABB公司GT24/GT26燃气轮机燃烧系统图及热力循环图,这是ABB与其他几家大公司在燃气轮机设计中的主要3464825458F型G型13501500区别所在,也是ABB的主要特色之一。ABB为提高机组热效率,不是提高透平进气温度,而是沿用原有的进气温度,通过透平第1级44上海汽轮机2000年第1期(亦称高压透平)作功后,再进行第2次燃烧(再热),燃气进入第25级(亦称低压透平)提高初温带来的材料、结构、冷却等方面所增加的费用,也能达到同样的效果。目前情况是两种风格并存,各有特色,并继续发展。ABB燃气轮机发展至今,以GT24、GT26为代表,由其构成的联合

11、循环装置见表3。作功。这样可不必采用新的高温材料,或不必增加过多的冷却流量,以及可降低NOx。实践表明,已取得好的成效。ABB在燃烧、透平以及总体布置上开发的新技术,避免因图5Mitsbishi501G燃气轮机(第1台)验证(检测)项目(对1800各点的压力,温度,应力进行检测)(A)性能(B)金属温度(C)应力/振动(D)其他1空气流量2入口温度及压力3排气温度及压力4燃料流量5发电机输出功率6压缩机(喘振极限)(级效率)7燃气轮机(级效率)(扩散效率)8燃烧器尾筒91-4级动叶片101-4级静叶片11轴承金属12外缸13内缸14排气缸15压缩机动叶片16压缩机静叶片17燃烧器尾筒18燃气轮

12、机动叶片19转子振动20缸体振动21转子扭转振动22冷却温度网流量温度压力23推力负重24烟尘(NOX等)25转子/缸体伸长差26噪音27润滑油表3ABB大型联合循环装置联合循环型号KA24-1KA24-2KA26-1KA26-2频率Hz6050推出年份19951996装置出力MW274540396790热效率%5811571558155815燃气轮机数量及型号1×GT242×GT241×GT262×GT26汽轮机出力MW102200140280No.1,2000SHANGHAIQILUNJI45燃气轮机两级燃烧系统图1压气机2高压透平3低压透平4SEV

13、燃烧室5燃料注入器6EV燃烧室7EV燃烧器8对流冷却内衬9混合区10旋流区11扩散段冷却SEV燃烧器表4Siemens大型燃气轮机及联合循环燃气轮机型号出力(MW)频率(Hz)热效率(%)V8413A180603815V9413A255503815单轴联合循环GUD1S.8413AGUD1S.9413A总出力(MW)260380热效率(%)57185810多轴联合循环GUD2.8413AGUD2.9413A燃机出力(MW)2×1752×250汽机出力(MW)170260总出力(MW)520760热效率(%)57175718图7两级燃烧热力循环Siemens自1998年收购W

14、estinghousePGBU后,现已拥有两种风格的燃气轮机,即Siemens(KWU)及SiemensWestinghouse两11114Siemens公司表4列出Siemens公司现有高水平的大型燃气轮机V8413A、V9413A以及联合循环的主要特征参数。种技术,目前是两种共存,并具有许多共同点,如:两种技术都具有轴向排气、单轴布置的特点,燃气透平与压气机组合为单轴转子,46上海汽轮机2000年第1期并由两个径向轴承支持,发电机由冷端驱动等。主要不同点是Siemens(KWU)采用环形燃烧器,而SiemensWestinghouse采用筒形燃烧器。Siemens联合循环GUD219413

15、A的能量平衡图参见图8,从中可见各项损失的组成,若热效率为57%,各项损失总和为43%,简汇如下:燃气轮机联合循环装置机械及电气损失0.5%辐助(设备)功率损失总损失0.2%43%辐射及机械损失0.3%烟囱排气损失8.6%机械及电气损失0.3%总效率57%辅助(设备)功率损失0.9%3%9为S107H/S109H的联合循环示意图。表5GE大功率联合循环装置联合循环频率总功率热效率产品型号(Hz)(MW)(%)S107FAS107GS107HS109FAS109GS109H506025712350400352184204805519586056135860燃机数量燃机功汽机功及型号率(MW)率(

16、MW)1×MS7001FA1×MS7001G1×MS7001H1×MS9001FA1×MS9001G1×MS9001H22112282101311613810164139219余热锅炉汽轮机图9GEMS7001H/9001H型联合循环示意图从图9可见,GE“H”型燃机配置的联合循环,其中汽轮机是三压、再热式(高压、中压、低压三种压力供汽,中压供汽经再热),其进汽参数为1615MPa/566/566,与常规汽轮机的进汽参数相同。从图中还可看到燃气轮机的热部件(高温叶片)采用蒸汽冷却,由汽轮机的高压缸排汽(温度较低)冷却燃气图8Sieme

17、nsGUD219413A能量平衡图如上所列,损失份额最大的是排汽(凝汽器-凝汽)损失和排气(烟道-烟气)损失。进一步降低排汽和排气损失,是提高装置热效率的重要途径。11115GE公司GE公司大功率联合循环装置见表5,图轮机的高温叶片,冷却蒸汽受热后又回到中压缸作功,形成冷却回路,并使热交换赋于冷却蒸汽的热量得到利用。112美国对大型燃气轮机联合循环发展的要求及其进展图1和表1中提到的501ATS燃气轮机产品的ATS(AdvancedTurbineSystems)表示先进的透平系统(又称“先进级”技术),No.1,2000SHANGHAIQILUNJI47ATS技术的发展得到美国能源部的财务支持

18、,能源部要求美国GE公司及原Westing2house公司负责“先进级”技术的燃气轮机联早期已对透平第1级静叶进行模型验证试验,1997年进行全比例(1:1)的试验,利用第1级静叶弧段在蒸汽冷却的真实工作条件下进行试验,进行热传导的试验分析,并模拟现场工作条件进行低周疲劳的试验分析,在全比例的试验结束后,即进行空负荷的9H机组试验,相同的试验也将在7H机组上进行,计划于1999年实施;最大的先进的单晶体透平部件的铸件已经完成,向商业化运行跨出了关键的一步;9001H、50Hz、采用蒸汽冷却的燃气轮机,联合循环功率1台机组已为501ATS燃气轮机的发展做了大量工作,主要有:降低内部泄漏损失、提高

19、效率,采用刷子气封和具有涂层的耐磨气封;为达到ATS的目标要求,采用大量的新技术并进行验证,涉及燃烧、冷却、气动、漏泄控制、涂层和材料等领域;对燃烧器的NOx排放进行了低压和高压试验;对第1级透平静叶部件在试验透平内进行了大量的传热性能试验,并在全热态的叶栅试验装置上进行试验;1998年全比例(1:1)的压气机试验已经完成,对设计点的性能、叶片振动、导向静叶等性能按总体检测要求进行了全面的测试;具有1/3比例的气动性能的试验装置,刷子气封已连续地进行长期性能试验,并已应用于501F机组,在501D5机组改进时也加以应用。一种新的涂层已进行超过20000小时的周期性试验,将用于501ATS机组中

20、;燃气通流部份的受热部件的铸件开发不断地受到重视,以提高透平的性能和可靠性;合循环装置的开发,具体目标是:燃气轮机功率300MW级(60Hz);联合循环装置功率400420MW(60Hz);实现低成本、高效率、低NOx排放;热效率要求大于60%(燃烧天然气的联合循环);NOx排放低于9ppm,CO和未燃碳氢化合物低于20ppm(无特殊要求的清洁装置);燃料适应性好外,;此种“先进级”技术的产品要求在2000年进行空负荷试验。GE公司(产品型号为7001H/9001H)和SiemensWestinghouse公司(产品型号为501ATS)均投入大量人力、物力进行“先进级”技术的开发,进行了大量的

21、科学试验研究,按照上述目标作出努力,在20世纪末至21世纪初期热效率达到60%的联合循环发电机组将投入运行。现再以此两实例举例说明燃气轮机技术发展的一些进展:11211GE公司GE的ATS产品即为MS7001H(60Hz)/M9001H(50Hz),已进行压气机、燃烧室、透平的有效设计和硬件制造,并进行大量的科学分析和科学实验工作,已取得以下进展:1998年已获得压气机和透平第1级静叶的叶栅试验结果;9H压气机的效率、性能、运行性能试验结果达到要求;7H压气机预计会达到相似的结论,试验于1999年进行;48上海汽轮机2000年第1期首台机组的试运行有期可行。113发展特点小结综上所述,燃气轮机

22、及联合循环发展的特点有:11增大机组容量、提高进气温度或应用多级燃烧技术、提高燃气轮机效率、推广应用燃气-蒸汽联合循环,以显著提高电厂热效率,大力节约燃料资源。这些发展是建筑在不断追求技术进步并充分利用经实践考验的先进技术基础上实现的。除了机组的出力和热效率两大主要因素外,必须注重提高机组可靠性、可用率、可维修性的开发,必须注重低NOx排放的实现以及为延长机组和部件的工作寿命、降低机组造价而努力。21,验设施,在做好试验的基础上还十分重视第1台新机组的现场性能测试,对新开发的大机组而言,首台验证检测点的布置均在1000个点以上,检测涉及压力、温度、流量、振动、应力、功率、以及烟尘、噪音等,为验

23、证机组性能,满足用户的需要积累了大量最新数据,也为进一步提高机组水平提供良好的条件。31技术进步、技术发展是不断的,在不同阶段提出不同的努力目标,在20世纪末至21世纪初联合循环装置的热效率会达到60%,现正在提出下一阶段的奋斗目标。同实践经验,使机组水平不断提高。2联合循环中的汽轮机特点和总体布置211联合循环中的汽轮机特点联合循环能实现高效率,不久即将突破60%。而最新技术的超临界蒸汽动力机组热效率约为4445%,先进的简单循环的燃气轮机组热效率约为39%,即使采用ATS技术,将来预计可达43%,因此单一循环的汽43,燃气-蒸汽联合循环装置离不开汽轮机,而联合循环中的汽轮机不同于常规的汽轮

24、机,它必须适应和满足整个装置的配置要求,这里简要地讨论联合循环中汽轮机的特点。联合循环中汽轮机的蒸汽参数取决于燃气轮机的排气温度及排气量以及余热锅炉的具体配制,实质上主要取决于汽轮机的功率大小。汽轮机的蒸汽来自于余热锅炉,而余热锅炉的供汽温度取决于燃气轮机的排气温度,余热锅炉可以设计成在相当大的压力范围内生产蒸汽,因此蒸汽压力通常取决于汽轮机的功率大小。当功率较小时,压力偏高则进汽的容积流量较小,通流部分的喷嘴和动叶高度较短,内效率较低,故汽压要低一些;反之,当汽机功率大,则汽压要高,且宜采用再热,以降低低压部分的蒸汽湿度,提高机组效率和末级动叶工作寿命。联合循环中蒸汽循环的类型大致有以下几种

25、:三压;再热(3P,R)三压;非再热(3P)双压,再热(2P,R)双压,非再热(2P)时对已取得的技术成果,注重于推广应用于中、小功率机组(30150MW燃气轮机)上,使大、中、小机组水平共提高,以更好地满足不同用户、多方面、多用途的需要,并能适应世界上不同国家、不同地区发展的需要。41重视用户现场信息反馈,从实践中提取养料,不断改进。燃气轮机及联合循环的可靠性十分重要,高温部件的工作寿命十分重要,这些都需经历长期的运行实践考验,必须从现场实践中反馈机组现实动态,并采取有效措施,改进不足之处,发展、推广有益的No.1,2000SHANGHAIQILUNJI49再热联合循环装置的热效率显著超过了

26、早期的双压非再热循环,由于燃气轮机初温的提高,使机组功率增大,并导致提高了其排气温度,使应用再热蒸汽循环和三压余热锅炉于联合循环更趋合理,其热效率较双压非再热提高1%以上。三压再热的概念是汽轮机除高压进汽及低压补汽外,汽轮机的高压缸排汽进入余热锅炉再热(包括中压补汽也进行再热),使进入中压缸的进汽温度得到提高,这就形成了三压再热循环,循环流程简图可参见图9。现有的大功率联合循环装置大多采用三压、再热式。燃气蒸汽联合循环中的燃气轮机排气热量大多全部回收,。因此,联合循环中的汽轮机不同于常规的汽轮机,除了有多次进汽(补汽)外,其低压部份的排汽量超过约30%的主蒸汽流量,而常规的热循环中,汽轮机的排

27、汽量约低于30%的主蒸汽流量,这也是联合循环中汽轮机的基本特点之一。212总体布置先进的燃气蒸汽联合循环中的燃气轮机和蒸汽轮机可以设计成单轴或多轴,单轴布置使汽轮机、燃气轮机和发电机紧密结合成一体,有时一台汽轮机是由2台燃气轮机的排气热量(通过余热锅炉供汽)所驱动,结果必然是各台分别驱动各自的发电机,则为3轴布置,因此在总体布置上有单轴和多轴两种型式,现把各自的特点简介如下:单轴布置单轴机组将先进的燃气轮机技术与现代再热汽轮机结合起来,组合成一个单一的原动机。单轴机组除适应于小型的、非再热循环的汽轮机外,也能适用于大功率的再热汽轮机。对于单轴而言,在汽轮机设计中缩短其长度是很重要的,主要采用的

28、措施是采用冲动级以减少级数以及提高末级动叶片高度以提高通流能力并缩短机组长度。由于单轴机组的转子惯性大,驱动燃气轮压气机的耗功大,根据计算分析和运行实践表明,在不需要汽轮机再热主汽门和调节汽阀的情况下可以实现超速保护,也不需对低压进汽阀进行快速关闭。单轴机组使两台透平驱动1台共用的发电机以代替燃气轮机和汽轮机分别驱动各自的发电机,可降低成本。同时可以使升压变压器和高压线路的投资减少包括润滑油系,使整个电大型,具有高、中、低压再热多缸汽轮机,能适应当前市场剧烈竞争的需要。单轴布置中允许联接发电机与汽轮机的同步离合器以优化方式起动,在燃气轮机以简单循环方式运行的同时,在汽轮机轴实现同步之前加热余热

29、锅炉管网和汽轮机阀门,当汽轮机轴与发电机轴转速同步时离合器自动结合,然后汽轮机加负荷。如果无同步离合器,则需要较高的启动功率,但运行灵活性较差。图10所示为Siemens典型的单轴布置、三压再热联合循环,已应用于联合循环装置出力为265MW(60Hz)和385MW(50Hz)的机组。Siemens的单轴机组均应用同步离合器,充分发挥单轴机组的优点,使运行简化,提高了机组的负荷适应性,节约投资,并提高机组效率,简化起动系统和减少维护工作量,改善了机组的可靠性和可用率。单轴机组的不足之处是不能采用电厂建设分两阶段实施的策划,即不能实现前期安装简单循环的燃气轮机,先行投入运行,而后期建设增加蒸汽循环

30、以构成联合循环的总体构思。单轴机组基本上不能适用于对已有的汽轮发电机组进行提高效率、增大容量的技术改造。50上海汽轮机2000年第1期、三压再热联合循环多轴布置多轴机组适应性好,主要应用于大功率汽轮机。多轴布置的汽轮机既能适应于低压缸轴向排汽或向下排汽的布置需要,又能适应低压缸单流、双流、或4流的布置需要,一般当汽轮机的单机功率发展至200300MW时,汽轮机常独自带动自己的发电41EricJeffs.GT26atTaranakiPassesFirstYearofOperation.Turbomachinery,Mar./Apr.199951RolfBachmann,RalphSchulz.K

31、A2421ICSTM2MarketSuccessForStandardizedPowerPlant.ABBReview,3/199961HansUlrichFrutschi.HighestEfficienciesforElectricalPowerGenerationwithCombinedCyclePlants.ABBReview,3/199981GasTurbineWorld:1998299Handbook<ForProjectPlanning,DesignandConstruction>Vol.1991ContractorsReportontheStatusofTheirAT

32、SDevelopmentProjects.GasTurbineWorld,Nov./Dec.1998101IrwinStambler.HardWareBeingReadyforPrototypeTestinginAdvancedTurbineSystems.GasTurbineWorld,Jan./Feb.1998111ThomasBarkey.SiemensWestinghouseShipsTheirFirstW501G.Turbomachinery,Nov./Dec.1998121G.McQuiggan,L.R.Southall.Anevolution2aryapproachtotheDe

33、velopmentofNewAdvancedTechnologyGasTurbines.ASMEPaper982GT2223,June1998(下转第54页)机,当2台及2台以上燃机配置1台汽机时,汽机必然自带1台发电机。多轴布置能适应对老电厂已有机组的技术改造,能适应燃机(简单循环)前期先上、后期再上蒸汽循环的分期建设需要。参考文献11DavidSmith.FirstHSystemGasTurbinePlannedforBaglan.ModernPowerSystems,May199921JohnNedderman.First701GasPrepareforCommercialOperati

34、on.ModernPowerSystems,Jan.199931ThomasBarker.SiemensMergesDivisions,ProductLinesandProducts.Turbomachinery,May/June199954上海汽轮机2000年第1期符合要求,检查员对该工序签证后才能进入下道工序。同样,检验记录也是表明检验和试验状态的一种方式,它记载了经检验的客观证据。通过低压转子在生产制造中实施GB/19001-ISO9001质量保证模式中有关要素,取得了一定成效。如:11通过零件编号和控制卡的配套使用,使零件具有可追溯性,对今后机组的安装、调试和运行都起到积极作用。)21以1572121(吴泾600MW1#机)低压(转子为例,向用户提供的质量数据高达2892项,满足用户的要求。31实施600MW汽轮机低压转子制造质量控制,为分析和处理质量问题提供科学和真实的依据,从而为塑精品、创名牌,建设质量新高地作出贡献。(上接第50页)