9FA燃机的研发历程

9FA燃机的研发历程美国GE公司于二十世纪八十年代中期投入了大量资金，进行F型燃气轮机的开发研制，主要是将飞机发动机的先进技术和部件移植到工业和发电用燃气轮机上，从而使其性能大幅度提高。GE公司于1987年制成了首台60Hz的MS7001F型燃气轮机发电机组，输出功率135.7MW，发电效率32.8%。接着，GE公司与GECAlsthom公司联合开发，通过MS7001F型燃气轮机的模化放大，模化系数1.2，制成了50Hz的MS9001F型燃气轮机发电机组，输出功率212.2MW，发电效率34.1%。其燃气轮机的所有部件，除轴承和燃烧室以外，都是按1.2的比例进行模化放大。第一台MS9001F型燃气轮机发电机组于1991年8月在美国南卡罗莱纳州的格林维尔（Greenville）厂制造成功并满意地运行。接着，GE公司又将其MS7001FA型燃气轮机模化缩小，模化比2/3，于1995年末研制成70MW等级的MS6001FA型燃气轮机，通过齿轮箱减速，用于50Hz/60Hz发电。GE公司还与其意大利的伙伴新庇隆公司联合开发了50Hz的9EC型燃气轮机发电机组，该机组结合了9E燃气轮机的设计和9F型燃气轮机的透平段技术，使9E型燃气轮机发电机组的性能有了较大幅度的提高。烧天然气时，9EC型机组的额定功率达169MW，发电效率35%，首台9EC型发电机组于1996年秋天制成。9F型燃气轮机的结构和性能1．9FA型燃气轮机的结构该机组为典型的单轴结构，与传统的9E型燃气轮机相比较，省去了一个中间轴承，三支承变成了双支承。动力输出由透平排气端（热端）改变为压气机进气端（冷端）。透平改变为轴向排气，有利于与余热锅炉的连接。其控制系统应用GE公司的SpeedtronicMKV，有三冗余度，由3台计算机分担燃气轮机的控制职能，三冗余的计算机或传感器之一发生故障时，内部的表决逻辑将透平控制重新定向于两台能工作的计算机和传感器，因而有较高的可靠性。其辅机安装在分开的底盘上，也有一定的冗余度。9FA型燃气轮机主要部件的结构、性能和材料的情况如下：压气机：18级轴流式，压比15.4∶1，空气质量流量645kg/s。头两级为跨音速级，带可调进口导叶，用于调节透平的排气温度，提高运行效率。第9级和第13级开有排气口，以配合起动过程。其转子是由单个叶轮用多根IN738合金钢轴向拉杆连接成的刚性转子，末级叶轮上附有一向心式透平槽道，将压缩空气引入中心孔，用于透平段的冷却。转子的一阶临界转速高于同步转速20%。燃烧室：有18个逆流管环形燃烧室，直径350mm，每个燃烧室有6个燃料喷嘴，共108个燃料喷嘴。可烧天然气、蒸馏油和中热值气体燃料。两只高能点火器分装在两个燃烧室上点火，各燃烧室之间用联馅管联馅。可以注蒸汽或注水抑NOx的形成，或应用干式低NOx（DLN）燃烧室。9FA采用的DLN-2.6燃烧室主要由火焰筒、过滤段、导流衬套、帽罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件构成。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。压缩空气由压气机的排气缸流出，首先对过滤段形成冲击冷却，再逆流向前，流过火焰筒与导流衬套之间的环形空间，流向燃烧室头部。其中，有少量空气用于冷却帽罩，其余空气经喷嘴上的旋流器进入头部的预混区，与由燃料喷管喷出的燃料气进行预混合，燃料/空气混合物由预混区经帽罩流入火焰筒，被置于2个上部燃烧室上的高能点火器点燃，火焰附着在喷嘴尖端与帽罩形成的平面上，并被火焰筒包容，燃烧产物经过渡段进入透平第一级喷嘴环。各燃烧室之间用联焰管连接，未安装点火器的燃烧室靠联焰管联焰而着火。每个燃烧室外的头部均布置了6个预混喷嘴，其中5个喷嘴均布于四周，称为外围喷嘴。但在其中央增加了一个喷嘴。这样，当周围的5个燃烧器的燃料/空气比维持高于其贫着火极限时，可以使中央燃烧器的燃料/空气比低于周围的贫着火极限，同样可以保持火焰的稳定。由于增加了中央燃烧器，使总燃料/空气比可以比均匀地供燃料的燃烧器减到更低的数值，从而使总预混空气量增加了6%，因而，降低了燃烧区的火焰温度，减少了热NOx的产生量。透平：为3级轴流式，应用压气机的排气冷却。第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。第1级动叶无围带，第2、3级动叶应用整体的乙形围带。3级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护。轴承：由拉杆组装的整体转子支承在两个可倾瓦支持轴承上，轴向推力由双销轴推力瓦轴承自行平衡。排气：排气缸应用加长的轴向扩压器，减小了排气速度。降低了排气损失。材料和涂层：压气机的1～9级动叶和静叶以及进口导叶的材料为C-450（Custom450），这是一种抗腐蚀的不锈钢，可以不加保护涂层安装在受化学侵蚀的环境中。其它级的叶片应用加铌的AISI403不锈钢，同样不加保护涂层。气缸用球墨铸铁铸造。叶轮用CrMoV钢和NiCrMoV钢制造。燃烧室外的火焰筒由HastelloyX制造，后段应用HS-188材料，内表面加隔热涂层。过渡段材料为Nimonic263，带冷却。后座为铸造的FSX-414。外壳为SA/516-55钢。透平的三级动叶都应用GTD-111材料，它是由Rene80改进了抗热腐蚀性能而形成的，与常用的U-500材料比较，其强度提高了50%，低周疲劳性能改进了20%。动叶为精密铸造，第一级动叶为定向结晶，头两级动叶应用了CoCrAly涂层，外面再复以氧化物表层。第3级动叶采用堆积工艺的高铬涂层，并进行了扩散热处理。气缸由CrMo钢制造。轴和叶轮都是Inconel706合金。第1级喷嘴是熔模烧铸的FSX-414钴基超级合金。第2、3级静叶为熔模烧铸的GTD-222镍基合金。第1级喷嘴加真空等离子喷涂涂层，第2级静叶加堆积工艺涂层。气缸由SA/516-55钢制造，再加347不锈钢内衬。燃气轮机、辅机组件和内部连接组件都有完全配套的罩壳，其中装有照明系统、插座、CO2灭火保护系统、出入门、通风系统和隔音层，隔音层和消音设施根据需要使用，可以满足1m处噪声等级85dBA的要求。9F燃气轮机发电机组还备有一电气设备控制室，该外箱中装有MarkVSpeedtronic透平控制盘、发电机控制盘、马达控制中心、带双充电器的机组蓄电池和励磁系统。所有电气设备都是在工厂内组装，并加PEECCTM（快装电气设备控制室）标签。9F燃气轮机发电机组应用GE公司的324S型发电机，用刚性联轴器连接到燃气轮机的压气机进气端。这是一种氢冷发电机。有一套低速盘车设备连接到发电机的集流环端。进口空气过滤器一般布置在发电机上面，其滤芯水平安装。该过滤器为“自洁型”，脉冲反吹下来的灰尘依靠重力排出。整个进气系统的额定压降为89mmH2O。此外，还有一套压气机水洗设备，能够离线或在线清洗压气机，以清除积垢，减少堵塞，保持压气机的效率接近新机状态。9F型燃气轮机连同底盘的净重约299吨，连同罩壳的体积约870m3。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7100320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1910MWSeoinchon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MS9351FAMS7241FAMS6101FA净出力/MW255.6171.770.1效率/%36.936.434透平进口温度/℃132713271288压比15.415.514.9质量流量/kg•s-1624432198排气温度/℃609602597频率/Hz506050/60表250HzF级燃气轮机联合循环性能基本参数S109FAS209FAS106FAS206FA净出力/MW390.8786.9107.4218.7净热耗率/kJ•（kWh）-16350630567676654净效率/%56.757.153.254.1MS9001FA、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。其主要性能见表3。表37F系列燃气轮机主要性能基本参数PG7211FPG7221FAPG7231FAPG7241FAPG7251FB出力/MW147.2159167.8171.7压比13.5151515.518.5燃气温度/℃12601288131613271371压气机级数1818181818透平级数33333燃烧室个数1414141414出厂日期1988～19911993199719992002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