GE公司F級燃氣輪機總體性能參數(shù)

1、GE公司F級燃氣輪機1F級燃氣輪機產(chǎn)品系列及其性能演變F級燃氣輪機已有多種多樣的型號可滿足不同用戶的需要，在MS600QMS700QMS9000系歹U中都有F級的產(chǎn)品，表1列出F級燃氣輪機最新機型簡單循環(huán)的性能，表2列出50Hz的F級燃氣表1F級最新機型燃氣輪機簡單循環(huán)性能基本參數(shù)MS9351FAMS7241FAMS6101FA凈出力/MW255.6171.770.1效率/%36.936.434透平進口溫度/C132713271288壓比15.415.514.9質(zhì)量流量/kg-s-1624432198排氣溫度/c609602597頻率/Hz506050/60表250HzF級燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)性能

2、基本參數(shù)S109FAS209FAS106FAS206FA凈出力/MW390.8786.9107.4218.7凈熱耗率/kJ-(kWh-16350630567676654凈效率/%56.757.153.254.1MS9001FAMS7001FAMS6001FAg!l燃氣輪機都有18級的壓氣機和3級的渦輪機，以冷端驅(qū)動和軸向排氣為特點，有利于聯(lián)合循環(huán)布置。F級燃氣輪機采用GE公司傳統(tǒng)可靠的分管式燃燒系統(tǒng)，并可配備雙燃料燃燒系統(tǒng)，如在以天然氣為主燃料時，可以輕油為輔助燃料。當天然氣供應(yīng)發(fā)生故障時，機組可自動切換到輕油燃燒，使燃機不因燃料供應(yīng)故障而停機，進一步保證了機組的可靠性和可用性。機組也可根據(jù)要

3、求，在一定條件下使用雙燃料混合燃燒。此外，F(xiàn)級燃氣輪機可燃用低熱值燃料，從而擴大了發(fā)電廠的燃料使用范圍和靈活性。F級燃氣輪機應(yīng)用于IGCC電廠，可GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型機組的基礎(chǔ)上，發(fā)展完善了底盤部套、控制和輔機組合一體的快裝模塊結(jié)構(gòu)，這種標準化布置可減少管道、布線及其他現(xiàn)場相關(guān)聯(lián)接的工F級燃氣輪機還顯示出不同尋常的環(huán)保特點。由于機組的效率高，單位發(fā)電量的NO和CO排放量較少。采用干式低NO(DLN)燃燒室，大大降低了NO的排放。180多臺采用干式低NO燃燒室的F級燃氣輪機已累計運行近300萬h。有些電廠的NO排放量甚至低于10mg/kg。1.1 7F和

4、7FA、7FB型燃氣輪機自從1987年生產(chǎn)第一臺7F型燃氣輪機后，經(jīng)過不斷改進，形成了一系列F級的燃氣輪機。圖1以7000系列中的F級燃氣輪機為快展示了F級燃氣輪機的發(fā)展過程。(圖中華氏溫度tF換算因數(shù)為)其主要性能見表3。圖1F級燃氣輪機的發(fā)展過程表37F系列燃氣輪機主要性能基本參數(shù)PG7211FPG7221FAPG7231FAPG7241FAPG7251FB出力/MW147.2159167.8171.7壓比13.5151515.518.5燃氣溫度/c12601288131613271371壓氣機級數(shù)1818181818透平級數(shù)33333燃燒室個數(shù)1414141414出廠日期19881991

5、1993199719992002從1992年開始，美國能源部推出ATS（先進的燃氣輪機系統(tǒng)）計劃，資助進行新機型的開發(fā)。GE公司在這個項目的支持下開發(fā)了H型機組。開發(fā)和研究的新技術(shù)包括：增加壓比，提高初溫，采用DLN和催化燃燒系統(tǒng)，材料高溫防腐，研制了隔熱涂層和陶瓷基體合成燃燒室火焰管，以及陶瓷透平噴嘴和靜子組件，先進的密封和冷卻（蜂窩密封、蒸汽冷卻）設(shè)計，長壽命的軸承等。1998年初，第一臺9H型機組已在美國進行工廠試驗，計劃2002年投入商業(yè)運行。由于H級燃氣輪機開發(fā)成功，GE公司又將某些H級技術(shù)反過來用到7FA型機組上，得到7FB型。這些技術(shù)包括：單晶葉片（單晶N4合金DSN4或GTD4

6、44,耐熱涂層，三維氣動力設(shè)計，更多冷卻氣膜等。使7FB型機組的壓比提高到18.5,燃燒溫度提高到1371C,7FB型燃氣輪機的主要性能見表3。表4列出7FA、7FB和7H型燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)時的性能對比。107FB型的出力比107FA型稍有增加，效率有明顯提高。表47FA、7FB和7H基本參數(shù)107FA107FB107H出力/MW262.6280400效率/%5657.360燃氣溫度/c132713711427壓比15.518.523空氣流量/kgs1430.9430.9557.9_-1NOX/mg-kg92591.2 9F和9FA型燃氣輪機9F型燃氣輪機是在7F型基礎(chǔ)上采用模化原理設(shè)計出

7、來的，模化系數(shù)為1.2。9F型燃氣輪機也經(jīng)歷了一系列發(fā)展過程，壓比、燃氣透平入口溫度逐步提高，從而機組出力和效率也相應(yīng)提高目前，最新型號的9F型機組（PG9351FA簡單循環(huán)出力達255.6MW熱效率為36.9%;聯(lián)合循環(huán)機組S109FA型出力達390.8MW效率為56.7%。表5列出9000系列主要機型的參數(shù)變化情況。表59000系列主要機型的參數(shù)變化情況基本參數(shù)PG9281FPG9311FAPG9351FA凈出力/MW212226.5255.6凈熱耗率/kJ(kWh)-110535102989750壓比13.515.015.4燃氣溫度/c126012881327壓氣機級數(shù)181818壓氣機

8、流里/kgs605.3607.2645透平級數(shù)333出廠日期19931994199419961.3 6FA型燃氣輪機90年代初，GE公司又將7FA型技術(shù)轉(zhuǎn)移到已經(jīng)有30多年運行經(jīng)驗的6B型機組上，開發(fā)出6FA型機組。1993年開始設(shè)計6FA型，模化系數(shù)為0.69,得到了大流量壓氣機，同時將燃氣溫度提高到1288C。1995年第一臺機組出廠，滿足了市場對具有高效率的中等容量機組的需求。MS6001FA型燃氣輪機簡單循環(huán)的額定功率為70MW用于聯(lián)合循環(huán)的功率為107MW燃燒室數(shù)量由6B型的8個減少到6個，減少了維修工作量。表6列出6FA和6B型機組的性能對比。表66FA和6B型機組的性能對比基本參

9、數(shù)簡單循環(huán)聯(lián)合循環(huán)MS6001BMS6001FAS106BS106FA出力/MW39.270.159.8107.1效率/%31.834.248.752.8壓比11.814.911.814.9進氣溫度/c1104128811041288排氣溫度/c541597538597燃燒室個數(shù)8686轉(zhuǎn)速/r-min-151005250510052506FA型燃氣輪機與6B型機組一樣，通過齒輪箱可以將轉(zhuǎn)速降低到3000r/min或3600r/mim,以適應(yīng)不同發(fā)電頻率的要求。減速齒輪箱是由德國RenkAG2 F級燃氣輪機的結(jié)構(gòu)特點GE公司生產(chǎn)的重型燃氣輪機在結(jié)構(gòu)上彼此是非常相似的，F(xiàn)級燃氣輪機的主要結(jié)構(gòu)特點

10、有：2.1 它們都是整體式結(jié)構(gòu)型式。壓氣機、燃燒室和燃氣透平都聯(lián)接成為一個整體，安裝在同一個底座上。一些輔助設(shè)備，諸如潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、啟動機系統(tǒng)、傳動齒輪箱等也都安裝在一個底座上，這樣就能節(jié)省現(xiàn)場的安裝時間和機組設(shè)備的運輸費用。2.2 不同于B級和E級燃氣輪機，F(xiàn)級燃氣輪機改為由壓氣機側(cè)的冷端輸出功率的方案。這樣就可以使燃氣透平實現(xiàn)軸向排氣，其排氣擴壓器能直接與余熱鍋爐相聯(lián)，有利于減小流阻損失，(3)采用雙軸承支承的方案，2個軸承分別位于壓氣機和燃2.32.4 壓氣機GE公司F級燃氣輪機所用的壓氣機，是由E型燃氣輪機17級壓氣機按空氣動力學(xué)?；碓O(shè)計的，并增加了1個零級，由

11、18級組成，壓縮比為15左右。為了防止啟動過程中壓氣機發(fā)生喘振，壓氣機中都裝有進口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和12個中間級的放氣口，F(xiàn)級機組的放氣口布置在第9和第13級后。在聯(lián)合循環(huán)方式運行時，進口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉還能在一定負荷范圍內(nèi)確保透平前的燃氣溫度恒定不變，以提高部分負荷時的效率。壓氣機通流部分的前5級采用等內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)型式，其后各級則采用等外徑的結(jié)構(gòu)型式。由于葉片外徑增大，圓周速度增加，前2級為超音速級，相應(yīng)的葉型設(shè)計為直線形薄葉片，以減小流動損失。為適應(yīng)空氣流量與壓縮比的增加，壓氣機葉片要求強度高，疲勞強度和衰減率大的材料。在第08級，用新開發(fā)的強度高耐腐蝕的C-450材料代替以前的防腐涂層葉片。第917級采用

12、高溫強化材料SUS40區(qū)壓氣機轉(zhuǎn)子根據(jù)以前用15根通穿螺栓緊固的經(jīng)驗，采用多段積層結(jié)構(gòu)與透平轉(zhuǎn)子結(jié)合成高剛性轉(zhuǎn)子，其一階彎曲振動頻率為額定轉(zhuǎn)速的125%壓氣機氣缸除采用具有水平中分面外，還把氣缸沿軸向分為23段。分段氣缸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：由于前后段溫度的不同，前后段可以采用不同材料；每段氣缸比較短，便于氣缸內(nèi)表面靜葉葉根槽的加工；配合中間級防喘放氣，在每段的接合處可以設(shè)計成為圈環(huán)狀的放氣口，使氣流均勻，減少對葉片的激振力。GE公司生產(chǎn)的燃氣輪機，壓氣機的轉(zhuǎn)子采用了外圍拉桿螺栓聯(lián)接的盤鼓式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式。盤鼓式的轉(zhuǎn)子是把各級輪盤在接近輪緣處的鼓環(huán)，用多根細而長的拉桿螺栓彼此壓緊而連接成為一體的，因而

13、它在接近輪緣處是一個轉(zhuǎn)鼓，可以使轉(zhuǎn)子具有很好的剛性。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力則是依靠輪盤來承受的，致使這種轉(zhuǎn)子也能具有很高的強度。壓氣機轉(zhuǎn)子的拉桿數(shù)目大約為1418根不等。為了保證轉(zhuǎn)子運行的安全和可靠，各輪盤之間必須有足夠的壓緊力，因而拉桿的預(yù)緊2.5 燃燒室GE公司F級燃氣輪機均采用其傳統(tǒng)的逆流式分管型燃燒室，不同容量的機組配用不同數(shù)量的燃燒室。GE公司提供2種燃燒室，一種是標準型的，可用于氣體或各種液體燃料，一般都配置空氣霧化式的雙燃料噴嘴，可帶或不帶用于降低NO排放的或為增加出力的注水或注蒸氣裝置。另一種是干式低NO燃燒室，采用稀釋態(tài)久料預(yù)混干式低NO燃燒技術(shù)，可用于氣體或輕質(zhì)液體燃料，在

14、燃燒天然氣時NO排放量低于25mg/kg,但是用于液體燃料時需要注水來降低NO隨著燃氣透平前溫度的提高，燃燒室出口過渡段的冷卻必須加強。GE公司在F級燃氣輪機上專門設(shè)計了一種有沖擊冷卻效果的過渡段。該過渡段是雙殼體型式的，內(nèi)過渡段被一個鉆有許多小孔的外套包圍著。從壓氣機來的空氣通過這些小孔，形成射流去沖擊冷卻內(nèi)過渡段。外套用AISI-304不銹鋼制成。內(nèi)過渡段是用Nimonic263制作，并在其內(nèi)表面噴涂耐熱涂層。燃燒室的外殼選用SA/516-55鋼制造，火焰管的前段用HASTX/HS-188制造，火焰管尾部一段改用HS-188制2.6 透平GE公司F級燃氣輪機的透平均采用3級軸流式透平，是運

15、用GE公司航空技術(shù)進行設(shè)計的。隨著高溫材料和冷卻技術(shù)地不斷發(fā)展，其進口燃氣溫度由最初的1260c逐步提高到最新FA型的1327c和FB型的1371C。13級抽氣第1、2級動葉片與全部3級靜葉片采用適應(yīng)高溫化的高性能空氣冷卻。壓氣機第用于透平第2、3級冷卻后，作為轉(zhuǎn)子冷卻空氣與密封空氣使用。壓氣機第17級空氣由通道內(nèi)徑側(cè)抽出，由于流場的離心作用，消除了氣流中的有害粒子，清潔的抽氣作為第1級冷卻空氣。利用從另外的壓氣機引入的空氣冷卻透平軸承座和透平第3級葉根。透平第1級靜葉片溫度最高，采用耐高溫腐蝕與熱疲勞強度高、焊接性能優(yōu)良的Co基超合金FSX-414,第2、3級靜葉片采用抗蠕變與熱疲勞強度高的

16、Ni基超合金GTD-222。3級靜葉片均采用精密鑄造，第1級靜葉片內(nèi)部有為沖擊冷卻用的金屬插件，除沖擊冷卻外，前緣采用噴頭冷卻，內(nèi)背弧采用氣膜冷卻。第2級靜葉片采用沖擊冷卻與強制對流冷卻相結(jié)合，冷卻空氣從葉片后緣吹出。第3級靜葉3級動葉片均采用具有航空使用經(jīng)驗、高溫強度好的丫相析出硬化型Ni基超合金GTD-111,也采用精密鑄造成型。使用環(huán)境嚴酷的第1級動葉片采用定向凝固的GTD-111DS，以控制徑向晶界，改善蠕變斷裂強度。第1級動葉片是由先進的航空技術(shù)引進的蛇形通道對流冷卻，冷卻空氣從葉片底部輸入，從葉頂和葉片后緣的軸向開口混入主流燃氣，同時也通過葉片前緣與側(cè)壁排出并形成冷卻氣膜。9FA型

17、機組透平第1級工作部分與葉根之間的長柄減輕了通流部分向葉根的傳熱，第2級動葉片采用以前從葉根到葉頂鉆有許多冷卻孔的強制對流冷卻。第1級扇形護環(huán)是保持葉頂最小間隙的主要部件，為改善低頻熱疲勞，護環(huán)的高溫內(nèi)側(cè)與低溫外側(cè)采取分開結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)護環(huán)使用熱疲勞強度好的材料IN-738,并采取沖擊冷卻、強制對流冷卻與氣膜冷卻。熱障涂層是延長零件壽命不可缺少的高溫化技術(shù)之一。為保護在高溫下工作的透平葉片，對前2級葉片進行雙噴涂處理，即用真空等離子噴涂抑制腐蝕，用粕鋁化合物噴涂抑制氧化。第3級葉片僅用Cr擴散GE公司設(shè)計的燃氣輪機中采用外圍拉桿型式的透平轉(zhuǎn)子，它們是依靠壓緊面上的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩的。每級輪盤上都軸向

18、地開出楓樹形葉根槽，用于安裝動葉片。這種葉根槽的優(yōu)點是多對齒承力，強度高，承載能力大；尺寸緊湊，連接質(zhì)量輕，可以使動葉片的葉根接近于等強度設(shè)計；采用有間隙的松裝結(jié)構(gòu)，能自由熱膨脹，可以讓冷卻空氣從間隙中流過，增強了對葉根和輪盤輪透平氣缸采用雙層結(jié)構(gòu)并有空氣進行冷卻，其外層為氣缸，內(nèi)層則由靜葉片的外緣板和護環(huán)等元件組成，是一種承壓件與承熱件分開的結(jié)構(gòu)型式。氣缸與高溫燃氣隔絕，這樣不僅可以有效地降低氣缸的工作溫度，以便采用較差的材料，同時還能減少氣缸的熱膨脹量和熱應(yīng)力，并能減少對氣缸的熱沖擊，有利于機組的快速啟動和加載，還有利于控制透平動葉片頂部徑向間隙在運2.7 關(guān)于F型燃氣輪機轉(zhuǎn)子故障問題后來

19、GE公司經(jīng)過分19941995年期間，一些7F和9F型機組在運行中出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題。(1)轉(zhuǎn)子輪盤間扭轉(zhuǎn)側(cè)滑。轉(zhuǎn)子輪盤間側(cè)滑僅發(fā)生在一臺7F型機組上，其原因是：在確定用15根拉桿螺栓將多個輪盤結(jié)合在一起所需要的拉力時，設(shè)計者計算錯誤，致使施加給螺栓的拉力不夠。GE公司對20多臺運行中的機組增加了螺栓的拉力，問題就解決了。(2)機組振動增大及拉桿問題。關(guān)于機組振動增大的問題，在7F、9F型機組中均有發(fā)生，主要是由二方面原因造成的。其一，23級級間輪盤剛性太低，由于轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量使轉(zhuǎn)子軸線下垂彎曲，運轉(zhuǎn)時偏心質(zhì)量力使轉(zhuǎn)子振動較大，并使第2級和第3級葉輪與第23級級間輪盤發(fā)生相對運動，使振動水平進一

20、步擴大。這個問題主要出現(xiàn)在9F型機組中，通過更換一個剛性更高的第23級級間輪盤，解決了這個問題。另外，9F型機組有5根拉桿螺栓出了問題，2根失效，3根斷裂。經(jīng)調(diào)查，9F型機組的螺栓由2個供貨商提供，出問題的5根螺栓都是其中一個供貨商的產(chǎn)品，原因是他們沒有按規(guī)定的標準加工螺栓。GE公司已經(jīng)取消了這個供貨商的訂貨。3 GE公司F級燃氣輪機的運行業(yè)績截止到2000年8月，共有800臺F級燃氣輪機已安裝或已訂貨，其中202臺機組已累計運行315萬ho某臺MS7001F型機組至今已累計運行超過55220h,并經(jīng)歷了2005次啟動。MS9001FA型機組運行最長的已達到35798h,經(jīng)歷了725次啟動。F

21、級燃氣輪機的運行業(yè)績見表7表7GE公司F級燃氣輪機的業(yè)績機型已運行機組/臺運行時間/h啟動次數(shù)MS6001FA162141192471典型單機31133368MS7001F/FA134196680050676典型單機552202005MS9001F/FA5297120612344典型單機35798725總數(shù)202315214465491DLN燃機180296084459245典型單機457342325注：DLN是干式低NO1999年的一個可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，25臺GE公司的7F和7FA型機組的平均可用率為89.3%,而包括GE公司機組在內(nèi)的53臺同等級世界主要燃氣輪機的平均可用率為84.9%。另外，GE公司的7F和7FA型機組的平均可靠性為99.5%,而包