燃气轮机发展

1、气轮机展史1939年世界上第台燃气轮机投入使用以来，至今已有65年的历史。在这65年中燃气轮机的发展非常快，其性能、结构不断地提高和完善。燃气轮机的用途已从过去的军事领域扩展到铁路运输、移动电站、海上平台、机械驱动和各种循环方式的大中型电站等。例如：简单循环、回热循环、间冷循环、再热循环、燃气—蒸汽联合循环（单压、双压、三压再热）、增压硫化床燃烧—联合循环（PFBCCC）、整体式煤气化联合循环（）等。由于燃气轮机具有用途广泛、启动快、运行方式灵活、用水量少、热效率高、建设周期短以及对燃料的适应性非常广（各种气体燃料、液体燃料和煤）等特点，因此可以这样说，燃气轮机已经成为热机中的一支劲旅，汽轮机长期独霸发电行业的格局已经开始动摇。近二十年来，燃气轮机在电站中的应用得到了迅猛发展。这是因为燃气轮机启动速度快、运行方式灵活，且能在无电源的情况下启动（黑启动），机动性能好且有极强的调峰能力，可保障电网安全运行。进入八十年代以后，燃气轮机技术得到了迅猛发展，技术性能大幅度提高。到目前为止单机容量已达简单循环的燃气轮机热效率达43.86%，已超过大功率、高参数的汽轮机电站的热效率。而燃气—蒸汽联合循环电站的热效率更高达。先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构，使其运输、安装、维修和更换都比较方便，而且广泛应用了孔探仪定期检查、温度控制、振动保护、超温保护、熄火保护、超速保护等措施，使其可靠性和可用率大为提高。此外，由于燃气轮机的燃烧效率很高，未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化硫等排放物一般都能达到严格的环保要求。注水/汽燃烧室和DLN燃烧室的应用使NOX的排放降至9-25ppm。2、国燃气机工业概况我国解放前没有燃气轮机工业，解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。年我国制造的一批喷气式飞机试飞，年起又有

不少工厂设计试制过各种燃气轮机。1962年上海汽轮厂试制船用燃气轮机，年与上海船厂合作制成550KW气轮机，制成6000KW车电站燃气轮机，1971年制成3000KW卡车电站。在这期间还究所合作制造了18380KW几种船用燃气轮机。1969年哈尔滨汽机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机，1973年与703研究所合作制成4410KW用燃气轮机，与长春机车车辆厂合作制成机车燃气轮机。1964年南京汽轮机厂制成1500KW电站燃气轮机；制成37KW泵用燃气轮机；1972年制成电站燃气轮机；年制成21700KW快装式电站燃气轮机；年与司合作生产了型36000KW燃气轮机；从1984年至2004已生产了PG6541B型、PG6551B型、型、PG6581B型四种型号燃气轮机，功率由36000KW上升到现在的43660KW。2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与公司进一步扩大合作生产范围，在南京汽轮电机集团有限责任公司生产型燃气－蒸汽联合循环发电装置中的燃气轮机、汽轮机和发电机。1978年东方汽轮厂制成6000KW燃气轮机；杭州汽轮机厂制成200KW气轮机；青岛汽轮机厂制成卡车电站燃气轮机。2003国家发改委定在秦皇岛建一座燃气轮机生产基地，与美国公司合作生产MS9001FA燃气轮机。该生产基地隶属于哈电集团，与哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂共同生产型燃气－蒸汽联合循环发电设备。2004年8月在秦皇岛组装的第一台MS9001FA型燃气轮机已发运到杭州半山电厂。3、GE公司力系统GE公司动力系统总部位于纽约州的斯克纳克塔第（）市，纽

约州地处美国东北地区，而斯克纳克塔第市又位于纽约州的西北部。该市是一座非常小的城市，仅有一万多人口，斯克纳克塔第市的兴衰是与公司动力系统的兴衰紧密相连的。前几年GE公司动力系统裁员时，该市人口也随之减少。除了GE公司动力系统下属的燃气轮机设计、生产、试验等部门之外，公司动力系统总部及下属的产品部、项目部、汽轮机设计部及生产工厂等部门均设在此处。现在的GE公司动力系统总部就是创建于年10月15日的爱迪生电灯公司的前身，1892年爱迪生电灯公司与汤姆森休斯顿电气公司合并，在纽约州的斯克纳克塔第（Schenectady）市创建了通用电气公司（ElectricCo,简称GE）。经过一百多年的发展，至今公司已成为一个特大型跨国电气集团公司，其产品和服务项目涉及航空、航天、广播电视、配电和电机制造、工业与动力、信息、照明工程、机车制造、家用电器、医疗设备以及塑料工程等。GE公司在100多个国家开展了业务活动，全球员工近万人，其中在中国的雇员8700人。GE公司生产的第一台燃气轮机于1942问世，用于航空发动机；第一台用于机械驱动的燃气轮机于1948年装备在机车上，燃气轮机输出功率为4800KW；1949年GE生产出第一台用于发电的燃气轮机，输出功率为。GE公司动力系统主要生产和经营重型燃气轮机、汽轮机、核电设备、输电设备和电力驱动系统等产品。GE公司在全球的合作伙伴有日本的日立、东芝、韩国重工、印度BHEL、中国的南汽集团等5家。过去法国的阿尔斯通和英国的约翰·布朗工程有限公司（JohnBrownEngineering）曾经也是GE公司的生产合作伙伴，现在已被GE公司兼并。2003年中国又多了一个公司的合作伙伴，即“哈电集团秦皇岛燃气轮机生产基地”引进公司MS9001FA型燃气轮机技术，与GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。GE公司动力系统的燃气轮机设计、生产、试验等部门建在美国南卡罗来纳州（SouthCarolina）西部城市格林威尔（），南卡罗来纳州地处美国东南部。1989年之前GE公司动力系统拥有个燃气轮机生产工厂，一个

设在斯克纳克塔第（Schenectady）市的动力系统总部，另一个设在格林威尔（Greenville）市。随着GE公司燃气轮机业务的不断扩大和大功率、高参数燃气轮机的发展，1998年以来，GE在全球范围相继大规模兼并收购了欧洲燃气轮机公司（Alstom）、意大利新庇隆燃气轮机公司（Pignone）、英国约翰·布朗工程有限公司（JohnBrownEngineering）、新加坡艾玛等公司。然后GE公司逐步将小功率燃气轮机的生产转向阿尔斯通、新庇隆生产，并将斯克纳克塔第（Schenectady）的厂房留给了汽轮机生产部。而工程技术人员迁往格林威尔（Greenville）。该项工作于1998年至年两年时间完成。目前，设在格林威尔（Greenville）的燃气轮机工厂只生产7EC、7FA、7FB、9E、9FA、9FB、9H等机型。6000系列和部分型燃气轮机转到了法国贝尔福市（Belfort前阿尔斯通）生产，30005000系列燃气轮机转到了意大利新庇隆生产，但6C和6FA型燃气轮机的研发部仍设在格林威尔（Greenville）。GE公司动力系统格林威尔（Greenville燃气轮机工厂总建筑面积为万平方米，其中厂房面积为9.7万平方米。现有员工人，其中设计人员500多名。2003年共生产7EC、7FA、7FB、、9FA、9FB、9H等型号燃气轮机180台，现在的生产厂房面积比扩建前的面积增加了％，生产能力已提高到年产300台燃气轮机的能力。格林威尔（Greenville）燃气轮机工厂万平方米的生产厂房为全封闭中央空调。其中两跨厂房为总装车间，设有个立式气缸对接台位。燃气轮机生产自动化程度非常高，车间生产工人很少。工厂中设有一座能容纳多人工作的技术大楼、一座整机全速空载试车台厂房、一座燃气轮机燃烧试验厂房和一个燃气轮机维修研究中心，整个工厂面积非常大，有专用铁路通往厂内。厂区外围设有4个大型员工停车场，整座工厂掩映在绿色森林中。工厂的质量管理采用“六个西格玛”体系，公司的企业精神是四句话：“想，解决，制造，服务。”

（Image、Solve、Building、Service）。4、GE公司动力系统气轮机品系及编号公司生产的重型燃气轮机由五个系列组成，即、、MS6001、，每个系列中又有若干个型号。例如：、、MS9001F、MS9001FA、、MS9001G、MS9001H等。每个型号的燃气轮机又可分为发电和机械驱动两个类型，例如：PG6541B型是用于发电的，M6501B型是用于机械驱动的。公司燃气轮机型号中的字母和数字的含义规定如下：MS－MachineSeries1=用途：M—机械驱动(Drive)；—箱装式发电设备(；2=系列号，3、5、6、7、93=输出功率，以英马力为单位的近似值4=轴的数量，单轴双轴5=型号，B、、G、H等公司燃气——蒸汽联合循环系列产品中的字母和数字含义规定如下：－SS、－MS、S209FA－MS、等

STAG表示联合循环，Gas的写1—燃气轮的台数0—没有意9—燃气轮系列号FA—燃气轮机型号－SingleMS－Multi－用数字和字母命名的设备及元件名称数字命名的名称：12—机械超速机构63—压力开关20—电磁阀65—用于燃料调节的电液伺服阀23—加热设备71—液位检测26—温度开关77—转速传感器28—火焰检测器86—复位或闭锁开关33—限位开关

88—电动机39—振动传感器90—电液伺服阀43—手动开关59—火花塞或点火变压器45—火灾探测器96—压力变送器49—过载保护装置第一字母A——空H——液压油或加热器C——离合器或压气机或CO2—清吹D——柴油机或分配器—截止或转速或启动F——料或流量T——遮断或透平G—气体W——水或暖机一般来说，第一个字母用来表示设备或元件所在地点。

第二字母A——报或附件或空气或雾化M——中等或介质或最小B——增压机或放气N——正常C——冷却或控制压力或泵D——分配器或之差Q—润滑油——紧急R——松开或比值或棘轮F——燃料—启动G—气体T——透平或遮断或箱（罐）H——加热器或高V——阀叶片L——液体或低一般来说，第二字母用来表示设备或元件的功能或使用状况。举例如下：

63QA——压力开关，用于润滑油系统的压力低报警；——压力开关，用于润滑油系统的压力低跳闸；20VG——电磁阀，用于气体燃料系统的通风；88QE——电动机，润滑油系统中的急泵；71WL——液位检测器，水系统低位检测；5、燃轮机结型式的发展目前，大中型燃气轮机的结构型式大体上可分为两类；一类是工业型，另一类是航机改装型。工业燃气轮机是按地面工作要求而设计的，其主要特点是寿命长、造价低、能长期安全运行、体积较大等。航机改装型是把航空发动机加以改装后用于工业及船用的机组，其主要特点是体积小、重量轻、热效率高、维修周期短、使用寿命较短等。工业型燃气轮机的结构分为两种，一种是压气机、燃烧室、透平之间的气流用管道连接起来，布置较分散。另一种是压气机、燃烧室、透平直接连接成一个整体，故结构比较紧凑。过去曾根据上述特点把分散布置的燃气轮机称为重型燃气轮机，整体式的燃气轮机称为轻型燃气轮机。现在则把航空燃气轮机及其改型机称为轻型机组，把工业燃气轮机称为重型燃气轮机。6、燃轮机的热力环燃气轮机的工作介质是压缩空气和高温燃气，压气机从大气中吸入空气，并把空气压缩到一定压力，然后送往燃烧室与喷入的燃料混合、燃烧，形成高温、高压燃气。然后经透平喷嘴和动叶逐级膨胀做功，推动透平转子带着压气机一起旋转，从而把燃料中的化学能部分地转变为机械功。做功后的废气直接排入大气，这种循环方式称之为简单循环。若将做功后的废气引入余热锅炉加以回收利用，由余热锅炉产生的蒸汽用来发电、供热或回注到燃气轮机燃烧室中以提高燃气轮机出力和降低NOX等，这些循环方式又分别称之为常规联合

循环、热电联供联合循环和程氏循环。在压气机中，空气被压缩、比容减小、压力增高，因此必须输入一定的压缩功。这些压缩功由透平提供，透平所做的功约有是压气机消耗的，只有1/3于驱动负载。因此减少压气机耗功、提高压气机效率是提高燃气轮机出力的有效途径。空气

加入燃料

排气燃烧室

负载压气机

透平简单循环回热器

回热循环冷却器冷却水燃烧室压气机透平高压压气

间冷循环燃烧室

燃烧室压气机

高压透平

低压透平

燃气发生器

发电机再热循环主烟囱旁通烟囱

燃烧室余热锅炉发电机

给水泵

除氧器燃气轮机

汽轮机发电机冷却水凝汽器凝结水泵常规联合循环

空气进口燃烧室

旁通烟囱

余热锅炉除氧气

启动电机压气机

透平

发电机

给水泵给水泵空气进口燃烧室

旁通烟囱

余热锅炉汽轮机

发电机

冷却水出口启动电机压气机

透平

发电机

冷却水进口凝汽器凝结水泵多轴布置联循环发电装置示意图燃轮电组介、制升演过二十世纪八十年代中期，美国GE公投入了大量资金开始了F型燃气轮机的研制。GE公司动力系统与航空发动机系统进行合作，将飞发动机上先进的冷却技术和材料应用到重型燃气轮机上，使得透平进气温度一下提高了167

℃，

从而使燃气轮机的性能有了大幅度提高，为F型气轮机的研制奠定了基础。PG9351（FA型燃气轮机是由PG9281）型燃气轮机、（）型燃气轮机和PG9331（FA）型燃气轮机逐步演化升而来的，而（F型燃气轮机又是在的础上，通过模化大演化而成的F级术的原型机是，MS7001E型组的基础上，引入了航空发动机的先进冷却技术和材料，经历了九年漫长的研制、演化过程后，于年成了首台60HZMS7001F型气轮机。通过对

型气轮机的模化放，除轴承和燃烧室之外，模化系数都是按1.2比例进行模化放大后，演化为50HZPG9281（）型燃气轮机。又经历四年的研制时间后，于将（）型燃气轮机升级、演化为PG9301（）燃气轮机。在PG9301（）型燃气轮机的基础上，于1992经过改进、升级为（FA型燃气轮机。在PG9331FA）型燃轮机的基础上做了如下改进后，于年升级为（）燃气轮机。、改进了热通道的气封；、将二级动叶的围带改成扇形围带；、改进了二级动叶的冷却孔结构；、改进了第一级喷嘴、动叶、复环的隔热涂层；、减少了第一级喷嘴、动叶、复环的冷却空气；、加强了压气机转子；、1#2#轴承采用了列探针；、采用了DLN2.0+燃烧室·火焰筒直径为英N263火筒；

·火焰筒密封改成了柔性密封；、将透平排气缸的内支撑改成了两头渐缩的锥形内支撑，减少了气流阻力；、对不合理的气缸法兰进行了改进；、将排气扩压器入口与2#承之间的隔板改成了双层锥形，同时改进了隔板的气封，减少了漏气量；、高压通道密封改成了蜂窝密封；、压气机末级轮盘与透平一级叶轮之间的过渡轴罩壳改成了四个1/4圆扇罩壳；、增加了压气机轮盘拉杆螺栓和结合法兰的冷却；上述种型号9F机组的基本性能参数条、本负荷、以然气为燃料）对照生产年代输出功率

（）kw10550kj/k

（）kw

（FA）kw

（FA）kw热耗率

kj/kwh

kj/kwh

kj/kwh热效率压比

34.1%13.6:1

34.9%13.6:1

35.65%15.0:1

%15.4:1空气质量流609.1609.1623.7kg/s量

透平进气温℃

1260℃

1287.8℃

℃度透平排气温℃

583℃

589.4℃

609.4℃度转速

≤25NOx

≤

≤

≤（ppm）≤15CO

≤

≤

≤近似重量近似体积

吨

（ppm）上述种型号9F机组组成联合循环的基本性能参数条、基本负荷、以天然气为燃料）对照S109F（9331）

S109FA（9351）（9281投运年代总输出功率

kw

kw

kw其中燃机输出功kw254100kw率其中汽机输出功

（再

kw再率

热）

热）热耗率热效率

kj/kwh%

kj/kwh%

kj/kwh%

、、气统燃气轮机的进气系统由进气室、进气弯头、进气消声器和进气过滤器室等组成。进气系统与机组成90°布置，进气过滤器室布置在机组罩壳上方，过滤器滤芯水平安装在过滤器室中。该过滤器为“脉冲自清洁型”，脉冲空气反吹下来的灰尘依靠重力排出。整个进气系统的压力损失为77.2mmH2O排系统与GE公的统结构相比作了较大改进，将传统的侧排气改成了水平排气。这样既可以直接与余热锅炉进气烟道相连，又能够减少排气压力损失。整个排气系统的压力损失为。此外，该机组还设有一套压气机水洗设备，可以离线或在线清洗压气机，以清除压气机动静叶片上的积垢，减少通流部分的堵塞，保持压气机的高效率。、气压气机为18级流式压气机压缩比为：，空气质量流量，设有可调进口导叶，用于调节透平排气温度和防止压气机喘振。第9级第级开有抽气口，用于冷却以及在燃气轮机启动和停机过程中通过该抽气口排出一部分压缩空气用来防止压气机喘振。压气机第17级轮毂开有一个径向抽气槽道，将压缩空气引入转子中心孔送往透平段，用来冷却透平第一级和第二级动叶片压气机轮盘通过18根拉杆将其连成一个整体。其中第一级轮盘与压气机输出轴做成一个整体，作为压气机的前半轴。而最后一级轮盘通过过渡轴与透平叶轮相连。由于该型号机组的输出为“冷端”输出，增加了压气机转子的扭矩。因此根杆的材料采用了合钢。整个压气机气缸分为压气机进气缸、压气机缸和压气机排气缸三部分，压气机进气缸和压气机缸的材料为球墨铸铁，压气机排气缸的材料为或NiCrMo、烧整台机组共有18个管、逆流型燃烧室，个燃烧室有5个料喷嘴，整台机组共有燃料喷嘴。燃烧室型号为型。在18个燃烧室中只有顶部2燃烧室设有高能点火装置，其余燃烧室通过联焰管联焰。该燃烧室可烧天然气、蒸馏油和中热值的气

体燃料，还可以注入蒸汽或水来抑制NOx的成。燃烧室外壳的材料为钢；火焰筒的材料为（基合金钢），内表面加隔热涂层；过渡段的材料为Nimonic263（镍铬钛合金钢）。DLN2.0+燃室主要由火焰筒、过渡段、导流衬套、帽罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件组成。其中，端盖、喷嘴、前外壳和帽罩又形成了一个可以单独拆卸的头部组件。每个燃烧室外的头部均布置有5个混喷嘴个嘴沿圆周方向均布。DLN2.0+燃室的燃料是分级供应的，设有1个度比例截止阀（）控制阀（、、GCV3），其控制系统比传统的气体燃料控制系统更为复杂。气体燃料的供应分为3条管路PM1、PM4）PM1管路供应1个嘴PM4管供应其余4个喷嘴、D5管仅在点火至负荷时供应全部喷嘴。速度比截止阀（SRV）用来调节控制阀前的气体燃料压力个制阀（GCV1、、）用来控制通向3条管路（PM1PM4和D5的气体燃料流量。、平透平为轴流式透平，第1级、第2级叶采用等离子耐高温保护涂层，内部冷却空气取自压气机排气；第级动叶用堆积耐高温保护涂层，不进行冷却；第1级叶叶冠无围带，第2动叶叶冠采用整体的乙型围带3透平动叶的材料均为。静叶均采用空气内部冷却，第1级第2级叶设计成两片叶片为一整体的扇形段结构，并采用等离子耐高温保护涂层；第3级叶设计成三片叶片为一整体的扇形段结构，并采用堆积耐高温保护涂层；第级叶的材料为钴超级合金；第、第级静叶的材料为GTD-222镍合金。透平缸的材料为钢