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1、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 710032 0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）、先进的空气动力学设计（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
2、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 98.8。1992 年末，韩国采用 7F型燃气轮机联合循环装置建成的 1910MW Seoinchon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
3、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 MS9351FA MS7241FA MS6101FA 净出力/MW 255.6 171.7 70.1 效率/% 36.9 36.4 34 透平进口温度/ 1327 1327 1288 压比 15.4 15.5 14.9 质量流
4、量/kgs -1 624 432 198 排气温度/ 609 602 597 频率/Hz 50 60 50/60表 250HzF 级燃气轮机联合循环性能基本参数 S109FA S209FA S106FA S206FA 净出力/MW 390.8 786.9 107.4 218.7 净热耗率/kJ（kWh） -1 6350 6305 6767 6654 净效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1MS9001FA、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
5、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。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作量，缩短安装和启
6、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 NOx和 CO排放量较少。采用干式低 NOx（DLN）燃烧室，大大降低了 NOx的排放。180 多台采用干式低 NOx燃烧室的 F级燃气轮机已累计运行近 300万 h。有些电厂的 NOx排放量甚至低于 10mg/kg。1.17F 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 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
7、 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 PG7211F PG7221FA PG7231FA PG7241FA PG7251FB出力/MW 147.2 159 167.8 171.7压比 13.5 15 15 15.5 18.5燃气温度/ 1260 1288 1316 1327 1371压气机级数 18 18 18 18 18透平级数 3 3 3 3 3燃烧室个数 14 14 14 14 14出厂日期 19881991 1993 1997 1999 2002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
8、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 18.5，燃烧温度提高到 1
9、371，7FB 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 107FA 107FB 107H出力/MW 262.6 280 400效率/% 56 57.3 60燃气温度/ 1327 1371 1427压比 15.5 18.5 23空气流量/kgs -1 430.9 430.9 557.9NO x/mgkg-1 9 25 91.29F 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
10、来的，模化系数为 1.2。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 255.6MW，热效率为 36.9；联合 循环机组 S109FA型出力达 390.8MW，效率为 56.7。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 PG9281F PG9311FA PG9351FA净出力/MW 212 226.5 255.6净热耗率/kJ（kWh） -1 10535 10298 9750压比 13.5 15.0 15.4燃气温度
11、/ 1260 1288 1327压气机级数 18 18 18压气机流量/kgs -1 605.3 607.2 645透平级数 3 3 3出厂日期 19931994 1994 19961.36FA 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 0.69，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6
12、B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MS6001B MS6001FA S106B S106FA出力/MW 39.2 70.1 59.8 107.1效率/% 31.8 34.2 48.7 52.8压比 11.8 14.9 11.8 14.9进气温度/ 1104 1288 1104 1288排气温度/ 541 597 538 597燃烧室个数 8 6 8 6转速/rmin -1 5100 5250 5100 52506FA 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
13、 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 Renk AG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方案。这样就可以使燃气透平实现轴向排气，其排气扩
14、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。2.1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
15、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。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 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，
16、还把气缸沿轴向分为 23 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1418 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。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
