H级燃气轮机介绍

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1、目录GE公司H”联合循环燃机系列介绍2H 型燃气轮机蒸汽冷却技术的开发及技术特点 4H 级燃气轮机进入南韩 9西门子效率超过60%的H级燃气轮机成功推向市场9GE公司“H”联合循环燃机系列介绍21世纪的发电系统一通用电气“H联合循环燃机系列介绍“H系列的背景及基本原理使用燃机发电 50 年来一直在持续稳定地增长，燃机循环自身所固有的性能使其比常规电厂拥用更高 的功率密度，更高的热效率以及更低的排放。燃机的性能是由燃点温度决定的，它和单位功率有直接 的关系，反过来又影响发电的燃耗。这就意味着燃点温度的增高可以提供更高的热效率（降低发电的 燃耗），同时提供更高的单位B剩?堪醮?钙降目掌?刹 嗟牡缌

2、浚?/P通过使用飞机发动机材料 和冷却技术，可以允许GE工业燃机的燃点温度稳定增高，当然燃烧室的高温同时产生更多地的NOx。 在本文的概念设计部分，我们将阐述GE “H系列如何解决NOx问题，如何能将燃点温度比目前“F 系列燃机提高2000F/1100C而同时将NOx排放量维持在“F型燃机的水平。通用电气的业务涵盖不同类型的业务，公司的各项业务得以兴旺发展，部分原因正是借助于改良技术 的迅速引入和运用。公司的一线技术开发部门就是坐落在纽约的GE研发中心。H系列新产品引进部 也坐落在此地，是他们将GE研发中心的研究成果引入到生产中。另外还有一些正式的技术协会，如 热碍喷涂协会，高温材料协会，NO

3、x干燥剂降低协会也在协同推广工作，支持新技术的发展。GE发电部及GE飞机发动机部在很多方面协同作战，包括NOx干燥剂降低测试手段、压气机元件和 汽轮机元件等方面。GE的制造厂拥有独特的资源，GE飞机发动机部可以派出200名工程师到GE研 发中心和GE发电部支持H系列的开发工作，这只有在GE公司才做得到。这些调入人员都成为H系 列设计与系统部的中坚力量，而H系列的技术由GE发电部及GE飞机发动机部共享资源，包括实验 数据和分析源码。与GE发电部及GE飞机发动机部的核心技术人员能够互相交流相比，GE的几个其他竞争对手却不得 不从公司以外购买很有限的飞机发动机技术，结果是只能获得有限的资料，而无法得

4、到核心技术。 相比之下，GE发电部从GE飞机发动机部得到的技术包括但并不限于以下内容：（在后面的章节中将 会详细阐述） 压气机气体力学，机械设计、几何模型装置测试，运行压力和温度状况下的整体燃烧器测试、透平气 体力学、传热、喷嘴测试、材料和喷涂数据的传递、透平片和透平轮超级合金的加工、燃机仪器的使 用与监控、GE 研发中心投入的技术包括： 传热和流体流动源码的开发、热碍喷涂工艺开发、材料特征和数据、特殊功能元件和子系统的测试、 非破坏性评估技艺的设计和引入。概念设计GE“H系列为联合循环设备，燃机排除的热气进入下游锅炉或者余热锅炉，所产生的蒸汽穿过汽轮机， 然后通过汽轮机的功率得到增强。汽轮机

5、这种底部循环”的出力和效率也是燃机排放温度的一个功能。 就“H系列所规定的燃点温度26000F/14300C而言，燃机排放温度很大程度上取决于压气机运行所需 的功。即,它受压气机压力比的影响。“H系列所选择的压力比是23:1，以便优化联合循环的性能， 同时可以允许燃机末级叶片不被冷却，这也符合GE发电部过去的规程。23:1的压气机压力比反过来又决定了使用4级燃机可以优化性能和成本，这是一个与原来“F”系列燃 机不同的主要变化，“F系列的压气机压力比是15:1, 3级燃机结构。“H系列的压力比增高后，3级 燃机会增加各级的负荷载入，直到发生减效错误；而通过使用4级燃机，“H系列可以确定各级最佳的

6、 功率负荷载入从而获得燃机的高功效。“H系列燃机使用的是透平的封闭环蒸汽冷却，这项独特的冷却工艺可以使燃机高温燃烧，增强性能， 而不会增加燃烧温度和排放水平。正是该封闭环蒸汽冷却才使得GE“H联合循环燃机能够取得60%之 高的热效，同时又能严格维持低NOx的标准。（见图一）燃烧温度必须尽量降低以确定低NOx的排 放，同时应该尽可能地提高燃点温度以优化循环效率，目的在于能够充分冷却一级喷嘴，同时最大限 度降低穿过一级喷嘴的燃烧物的温度，这一目标可以通过封闭环蒸汽冷却实现。在“H”系列以前常规燃 机的设计中，一级喷嘴由压气机的排放空气进行冷却，这种冷却工艺会使一级喷嘴处温度骤降 2800F/155

7、0C,而 H”系列燃机通过封闭环蒸汽冷却一级喷嘴，温度只减少800F/440C。（见图二）这 样使得燃点温度达到26000F/14300C，或者说比原来高出2000F/1100C，还不会增加燃烧温度。“H” 系列燃机的另一个额外好处是，蒸汽冷却喷嘴时，顺便采集了可用于汽轮机的热量，将传统工艺中浪 费掉的热能转换为可用的功率。封闭环蒸汽冷却的第三个优点是，它最大限度减少了压气机排放空气 的寄生吸收，从而使更多气流进入燃烧室顶端进行燃料的预混和。常规燃机中，压气机空气也被用于透平段一级喷嘴下游的转动和静止的元件，这部分空气传统上被称 为花钱的空气，因为它降低了循环性能；而在“H”系列燃机中，这部分

8、花钱的空气由蒸汽取代，还 在功效方面使循环性能增加了 2个点，从而显著地提高了燃机出力，这是因为所有的元件都可以经过 透平流径做些有用功。“H系列的技术及其循环系统由一台燃机、一个3重压力水平的锅炉和余热汽轮机组成。该联合循环系 统的特色（含冷却蒸汽流动）见图三。来自锅炉的高压蒸汽经过汽轮机高压段后得到扩充，本透平段 的排放蒸汽然后被分离。一部分回到锅炉进行再热，另一部分与中压蒸汽汇合并用于燃机内的冷却。 蒸汽被用于冷却燃机的转动和静止部件，反过来燃机输送过来的热能将蒸汽温度大约提高到再热温度 的水平，燃机冷却蒸汽回到蒸汽循环，在此处与来自锅炉的再热蒸汽混合，然后进入汽轮机中压段。 关于“H联

9、合循环系统及其运行的更多详细资料请参阅GER2926A联合循环先进技术，本文就不赘 述了。“H系列技术凭借其更高的压力比和更高的燃点温度设计，将成为燃机产品中的又一个新家族。9H和 7H联合循环与“F系列的对比见表一、表二。9H和7H没有按几何比例相对应，这与过去的一贯做法有所不同，这是客户需要所决定的。H机组规 定的出力是400MW，60H及480MW，50Hz，单轴联合循环系统9H已在25ppm NOx的基础上推出， 这是根据全球市场需求和经济学角度所制定的。“H技术和联合循环一个极具吸引力的特点就是它很高的单位功率，和常规设计相比，这个特点使得设 备能够被设计的很紧凑，减少占地，节约投资

10、成本。（见图四）在60Hz配置中，“H技术的紧凑设计 使其出力比“F”系列设备提高了 54%，而占地只增加了 10%。GE9H和7H的开发是同时进行的，但为满足特别客户的要求，9H首先推出，7H紧随其后，大概12 个月后推出。7H的开发工作作为美国能源部高级透平规划一部分已取得重大进展，在此也感谢能 源部的鼓励与支持。系统战略与集成 验证元件和子系统是必要的，这已成为多数新产品引入的焦点，但同时还应该考虑其他影响开发成功 的因素。燃机必须是作为一个系统在运行，必须结合压气机、燃烧室及透平并能在设计点（基本负荷）、 部分负荷及空载情况下运行。整个电厂和动力岛元件必须稳定运行，能够在瞬变工况运行，

11、包括从启 动、至净化至全速的过程。和常规的联合循环机组不同的是，“H系列燃机、汽轮机、锅炉被集于一体，又互相依赖。显然GEH 系列元件的设计与传统方式正相反，它把各元件设计为排成一列的整体。“H”系列燃机、联合循环机电 厂其他部分的性能已模式化，无论是在稳定状态还是在瞬变状况，同时也经过认真的概念分析被设计 为一个大型集成系统。GEH系列的概念用集成式控制系统作为胶水，将所有子系统粘合为一体。（见 图五） 系统和控制部门相互协同工作，并与客户密切配合，已建立了改良后的硬件、软件及控制概念。这项 集成系统通过新的第三代全权数字系统即Mark VI控制器的运用得到了进一步的发展。该控制系统由 GE

12、工业系统部设计并提供，这是GE内部另一配合GE发电部工作的部门。“H系列的控制系统控制着锅炉、汽轮机和燃机之间的蒸汽流动，同时安排冷却蒸汽向燃机的传送。该 控制系统具有内置诊断能力，还能储存电子记录中的关键数据，便于日后检索和消缺的需要。Mark VI及其集成控制系统的开发已经被有意安排在开发H燃机前进行，以降低燃机的风险。在GE 研发中心的帮助下，Mark VI完成了严格的新产品引入风险排除程序，它包括对概念试验的验证和在 麻萨诸塞州GE飞机发动机厂对联合循环设备进行的摇晃试验。 系统和控制部门拥有最新的计算机模拟设施，随时支持控制和后退战略的全面设计与策划。新操作人 员使用数字模拟作为培训

13、工具接受培训。1998年5月利用模拟设施进行了 9H全速空载的实时试验，这项试验促成了燃机加速扭矩需求曲线的 修订、启动马达电流以及燃机燃烧器燃料进度的复位。最终结果是燃机获得了自动化的、一键式的平 稳启动，这项技术由TEPCO的人员在1998年5月30日的客户见证试验中首次应用。H型燃气轮机蒸汽冷却技术的开发及技术特点H型-蒸汽冷却片300 MW燃气轮机的开发是基于美国能源部“先进轮 机系统计划”的要求而进行的，该计划共分为3个阶段：第一阶段是“循 环选择”；第二阶段是“概念设计及项目开发”，于2000年完成；第三阶 段是“电站商业运行展示阶段”。其总体目标是展示燃气轮机联合循环 60%的效

14、率，低于10 mg/kg的NOx排放（以天然气为原料）以及减少 10%的机组电力损耗，预计于20022003年投入商业运行。GE公司赢 得了第二阶段蒸汽冷却燃气轮机的“概念设计及项目开发”的合同，负责 第二个阶段的工作。1蒸汽冷却燃气轮机的发展现状GE公司没有参加美国能源部“先进轮机系统计划”的第一阶段（循环选择）GE公司参与了第二阶段蒸汽冷却燃气轮机“概念设计及项目开发”的工作。50 Hz的MS9001H （以下的Fr9H同）燃气轮机以及60 Hz的MS7001H （以下的Fr7H同）燃气轮机全速空载试验已于1999年11月完成，GE 公司已经着手准备分别在美国和英国进行“运行展示机组”的建

15、设及运 行试验工作，其中包括：（1）800 MW / Fr7H 电站两套额定功率为400 MW的S107H （1台MS7001H燃机加1台汽轮 机，下同）联合循环电站将安装在美国纽约，投资额估计为4亿美元。（2）500 MW / Fr9H 电站1套额定功率为480 MW的S109H （1台MS9001H燃机加1台汽轮机, 下同）的联合循环电站将安装在英国南威尔士，作为热电联供机组，投 资额约为5亿美元。从1999年到准备全比例设计之前，GE公司进行了如下的工作：包 括燃烧系统设计开发、材料开发、导热性试验、热涂层开发及元件刚性 试验，以及缩小的Fr7H压气机的刚性试验以及正在进行的全比例火焰筒

16、 开发。分析并试验了大规模应用蒸汽冷却技术的技术要求，其范围包括 材料与蒸汽的兼容性问题、蒸汽清洁度的要求、蒸汽冷却转动部件的热 传导问题、联合循环性能及系统启动要求等。当前GE公司从事的是美国能源部先进轮机系统计划的第三阶段，Fr7H的全速空载试验包括“设计、制造以及专用工具及测试仪表的安 装”。GE公司称Fr9H试验的成功，为Fr7H的设计提供了重要的技术 依据，并可应用于以后的试验计划中。Fr7H的全速空载试验是投入运行 的第一阶段，目的是检验用蒸汽代替空气进行冷却后对燃机的影响。空 气冷却（而不是蒸汽冷却）将用于初始的试验中。一旦完成，燃机将被 运回制造厂进行评估，并重新进行运输前的出厂试验（不使用蒸汽）。 以上工作成功完成后，下一阶段是将设备运至展示现场进行全蒸汽冷却 的运行。2 H型燃气