重型燃气轮机产业的发展与自主化

重型燃气轮机产业的发展与自主化

重型燃气轮机产业的发展与自主化发电设备(2007No.2)

特约撰稿

重型燃气轮机产业的发展与自主化

沈邱农

(上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

摘　要:阐述了我国重型燃气轮机发展的背景,市场需求。介绍了引进制造“F”级燃气轮机的主要技术特点。分析了发展燃气轮机产业的基础条件和重型燃气轮机自主化研制的关键技术。　　关键词:能源与动力工程;燃气轮机;自主化;研制

中图分类号:TK47　　　文献标识码:A　　　文章编号:16712086X(2007)0220093205

DevelopmentandLocalizationoftheHeavyGasIndustry

SHE(ShanghaiP,,China)

Abstract:andmarketdemandofdomesticheavydutygasturbinesarebeingdescribedwhilemaintechnicalofthelicensed“F”classgasturbinespresented,togetherwithananalysisofthebasicconditionsforgasturbinedevelopmentandthekeytechnologiesconcerninglocalizationofheavydutygasturbines.

Keywords:energyandpowerengineering;gasturbine;localization;R&D

随着我国能源结构的调整和天然气资源的开发利用,以天然气为燃料的大型燃气轮机联合循环电站已开始规模化建设。随着西气东输工程的建成和东海油气田开发,我国在华北、华东地区将投运一批燃气轮机联合循环电站;利用进口液化天然气,在广东、福建等地建设一批LNG燃气轮机联合循环电站。根据预测,到2020年我国天然气发电的装机容量将达到6000万kW。以天然气为燃料的燃气轮机联合循环发电机组在我国具有良好的市场前景,发展燃气轮机产业已成为我国发电设备制造业面临的重要命题。

为了推进和发展我国的燃气轮机产业,从2002年起,国家发展和改革委员会实施以市场换技术的重大举措,对规划批量建设的燃气轮机电站项目进行“打捆”式设备招标采购,同时引进先进的大型燃气轮机制造技术。由资格评审合格的国外燃气轮机制造商与国内制造企业组成联合

收稿日期:2006212210

体,投标竞争国内一定批量燃气轮机联合循环电站项目的设备订单。联合体内部外方转让大型燃气轮机制造技术,国内制造企业根据引进技术消化吸收进度、生产能力、获得的订单台数和交货周期等因素,制定自主化制造的进程和方案,分阶段实施,逐步实现燃气轮机联合循环电站设备制造的本地化、自主化。

通过打捆招标引进国外先进燃气轮机联合循环电站设备及其制造技术,一方面满足了西气东输工程沿线建设天然气电站项目的紧迫需求,业主以优惠的价格和条件采购到了燃气轮机联合循环电站设备;另一方面,国内制造企业获得了国外先进的重型燃气轮机制造技术,使我国燃气轮机产业实现了高起点起步。

20世纪80年代后,燃气轮机联合循环技术日臻成熟,逐步成为继汽轮机后的主要发电装置。美国、欧洲、日本等国政府制定了扶持燃气轮机技

作者简介:沈邱农(1956-),男,上海发电设备成套设计研究院总工程师,教授级高工,主要从事燃气轮机、汽轮机技术研究工作。

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术开发的产业政策和发展计划,投入大量研究经费,使电站燃气轮机的技术水平得到很大的提高。各大燃气轮机制造商通过移植航空发动机的先进技术,开发出一批大功率、高效率的大型燃气轮机,既具有重型燃气轮机的单轴结构、水平中分面和设计寿命长等特点,又具有航空发动机的高燃气初温、高压比、高效率的特点。燃气轮机透平进口温度达1300℃左右,单套燃气轮机联合循环出力达350MW以上,国内技术界称之为“F级”燃气轮机,是这次引进的主要机型。通过打捆招标,我国从3个国外公司引进了F级燃气轮机制造技术,由哈尔滨动力设备股份有限公司与GE公司合作,生产PG9531(FA)型燃气轮机;东方电气集团公司与三菱公司合作,生产M701F型燃气轮机;上海电气(集团)总公司与西门子公司合作,生产V94.3A型燃气轮机。

1　“F”引进的3ISO条件下的主要性能参数如下:

(1)PG9351FA型燃气轮机,功率255.6MW,

(kW 热耗率为9759kJΠh)。单轴联合循环机组

(S109FA)功率为390.8MW,热耗率为6350kJΠ(kW h),净热效率为56.7%。

(2)M701F型燃气轮机,功率270.3MW,热耗

(kW 率为9421kJΠh)。单轴联合循环机组

MPCP1(M701F)功率为397.7MW,热耗率为6317(kW kJΠh),供电效率为57.0%。(3)V94.3A型燃气轮机,功率265MW,热耗

(kW 率为9350kJΠh)。单轴联合循环机组(1S.V94.3A)功率为385.5MW,热耗率为6283kJΠ

(kW h),净热效率为57.3%。

3种型号的燃气轮机联合循环机组的主要技

轮盘压紧面的端面齿传递扭矩。V94.3A采用中

心拉杆压紧压气机和透平各轮盘,并通过各轮盘压紧面处的端面齿来对中和传递转矩。燃气轮机压气机和透平缸均具有水平中分面和垂直中分面,在电厂能够方便地进行大修和更换热部件。

(2)压气机通流部分采用先进的设计方法,使压气机获得大流量、高压比。叶栅通道三维设计以满足气流的三元流动条件,通过减少压气机叶片根部和顶部的流量,降低二次流损失,提高压气机效率。PG9351FA的压气机共有18级,压比为15.4;M701F的压气机共有17级,压比为17;V94.3A的压气机共有15级,压比也是17。为了防止起动过程中压气机发生喘振,上述机组的压气机中都装有1。进,在一定负荷,以提高部。

(3)F级燃气轮机采用干式低NOx(DLN)燃烧技术,其工作特点是燃料与空气匀相预混、贫态主燃区,火焰温度控制在1670～1900K范围内,使

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NOx排放降低到25×10以下。PG9351FA采用逆流分管式、轴向分级的干式低NOx燃烧室;M701F采用环管型结构的多喷嘴预混燃烧室,并

且在每个火焰管过渡段上安装一只可调的旁通阀,根据机组负荷的大小调节旁通阀的开度,控制一次燃烧区中的燃料空气比,改善低负荷下的燃烧效率;V94.3A采用环形燃烧室,配置24个干式低NOx的混合型燃烧器,机组结构紧凑,透平前的燃气温度场比较均匀。

(4)透平静叶和动叶均使用高效叶型,以减少燃气流动损失,提高级效率。在通过提高燃气初温而达到更高性能的目标引导下,先进的大功率燃气轮机透平进口温度大幅度提高,达到了1300°C以上。透平进口温度的大幅度提高,是借助于采用先进的材料技术和叶片冷却技术。此外,燃气轮机的第1级和第2级高温透平叶片采用单晶或定向结晶技术,改善高温蠕变强度。叶片表面喷涂热障涂层,有效地起隔热保护作用,降低透平叶片金属的最高温度。PG9351FA的燃气透平设计为3级,有利于简化燃气轮机的整体结构,但透平级的焓降比较大;M701F和V94.3A的燃气透平均设计为4级,透平效率略高一些。

术特点是:

(1)燃气轮机均为重型结构,双轴承、双支承方案,压气机冷端输出功率,燃气透平轴向排气,排气扩散段直接与余热锅炉连接。压气机与燃气透平转子为盘鼓式结构,其中PG9351FA的压气机和燃气透平转子采用外围拉杆型式结构,依靠压紧面上的摩擦力传递转矩;M701F的压气机和透平转子也采用周向拉杆连接,但压气机通过轮盘压紧面外缘间的扭矩销传递扭矩,透平通过各

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(5)机岛均采用单轴布置方式。燃气轮机、汽

轮机和发电机连接成一个轴系,燃气轮机和汽轮机驱动同一台发电机,组成一个燃气轮机联合循环机岛。机组采用静态变频启动(SFC)方式。S109FA和MPCP1(M701F)按燃气轮机2汽轮机2发电机顺序布置,用联轴器刚性连接;汽轮机向下排汽,机组为双层布置,启动时需要辅助冷却蒸汽。1S.V94.3A采用燃气轮机2发电机2汽轮机顺序布置,燃气轮机和发电机用联轴器刚性连接,汽轮机和发电机用3S离合器连接,可进行燃气轮机简单循环运行;汽轮机轴向排汽,机组为单层布置。两种布置形式从工程造价、运行和维护等方面比较,各有长短。

(6)采用三压再热蒸汽循环。“F级”燃气轮机高达600℃左右的高温排气可以为余热锅炉提供充足的高温能量,使再热蒸汽循环成为现实,分。,允许将余热锅炉排烟温度降得更低,更充分地利用燃气轮机排气余热,获得比单压蒸汽循环更高的热效率。用于联合循环的汽轮机技术也相应发展,以适应燃气轮机联合循环多压补汽、快速启动的要求。

燃气轮机联合循环机组良好的机动性使其成为理

想的调峰机组,能够经济有效地保障电网的安全运行。同时,燃气轮机联合循环电站将来也有可能承担部分增加的基本负荷或中间负荷。此外,在工业大城市附近,往往也是常规燃煤热电厂污染的严重地区。为改善工业大城市周边的大气环境,也有必要用以天然气为燃料的燃气轮机热电联供机组替代常规燃煤热电厂。

到2020年,我国将建成约60000MW的天然气发电装机容量,除去目前已建和在建的26000MW规模,今后14年还将建设35000MW左右的燃气轮机电站。如果再考虑IGCC等燃煤Π燃气2,应。,原来以轻油和重油为燃料的燃气轮机电站在经济性方面已经难以为继,目前燃气轮机电站的燃料主要是天然气。2005年起,西气东输管线上的一批燃气轮机电站

2　重型燃气轮机的市场前景

以天然气为燃料的燃气轮机联合循环是一种高效率、低污染的发电方式,主要具有供电效率高、比投资低、建设周期短、启停灵活、运行自动化程度高、污染少等优点。由于其优越性,20世纪80年代以来燃气轮机技术进入了一个高速发展

陆续投运,到2006年,都不同程度地遇到了天然

气供应量不足的问题。

我国建设的燃气轮机电站主要用于调峰,每天起停一次,运行12～14h。天然气消耗量可以通过如下方法简单测算,以哈尔滨动力设备股份有限公司与GE公司合作生产的S109FA单轴燃气轮机联合循环机组为例,其出力为390.8MW,

(kW 热耗率6350kJΠh),天然气低热值以

3

35000kJΠm计算,一套S109FA消耗天然气量为7.1×10mΠh。目前靠西气东输管线供气的

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3

时期,国外大公司相继推出了先进的大功率高效

率的燃气轮机。燃气轮机联合循环在世界电力生产中的地位也发生明显变化,不仅用作紧急备用电源和调峰机组,而且能带基本负荷和中间负荷。燃气轮机联合循环在世界发电容量中所占的份额快速增长,据前几年统计,全世界每年增长的发电容量中,约有36%为燃气轮机联合循环机组,燃气轮机联合循环电站已开始与传统的蒸汽轮机电站持平,并有超越的趋势。

以天然气为燃料的燃气轮机联合循环发电机组适用于大城市及负荷中心地区。随着社会经济的高速发展,大电网昼夜负荷峰谷差越来越大。

S109FA或其他相当容量的燃气轮机联合循环机

组大约有27套,天然气消耗量约为192×10mΠh。由于这些燃气轮机联合循环机组均用作调峰,机组基本上在同一时间段运行,假定年平均运行

4

3

4000h,理论上每年需要有76.8×10m的天然

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气供气量,并且满足192×10mΠh流量要求才能保证这些机组同时运行。

天然气价格直接影响燃气轮机联合循环机组的发电成本。我国的电力生产以煤为主要燃料,相对低廉的动力煤价对电力价格起主导作用。天

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然气发电的经济性很大程度上将受到煤与天然气比价的影响。在国际市场上,一般按热值计算的

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天然气价约比煤价高出1倍。我国煤和天然气的价格由于受资源丰度的影响,与国际市场相比,气煤差价较大,根据2001年的有关数据测算,发电

3

用天然气价如果按可接受的1.3元Πm(标准状态下)计算,大约是正常动力煤价的2.8倍。天然气价格偏高对发展燃气轮机联合循环电站将产生负面影响。

图1列举了一个天然气燃气轮机联合循环发电与常规燃煤发电技术方案上网电价相对于燃料价格的敏感性分析算例。燃气轮机联合循环机组按380MW(ISO)容量,常规燃煤火电机组按350MW容量参考计算,并全部为新建电厂

。

产的基础上,还必须有针对性地对燃气轮机关键技术进行科研攻关,进行二次开发,掌握大型燃气轮机研制的核心技术,逐渐形成自主设计开发体系,促进我国燃气轮机产业发展。

(1)消化吸收引进技术,掌握大型燃气轮机制造的技术关键。自主化制造的F级燃气轮机各项技术性能指标应达到国外同类产品水平,并形成批量生产能力。其中包括压气机研制、燃气透平研制、燃烧系统研制、燃气轮机控制系统研制、燃气轮机总装配技术消化吸收、高温转子及叶片材料制造等。同时相应地形成具有自主知识产权的制造标准和工艺规范。

(2)燃气轮机辅助系统制造技术消化吸收。部分,。一般来说,除了少量关键部套目前尚需进口外,辅助系统的大部分可以实现自主化制造,但必须符合外方对辅助系统严格的质量规范,使自主化制造的辅助系统设备的质量得到保证。

(3)燃气轮机设计技术研究。这是燃气轮机

(天然气低热值按39.175MJΠm3计,年运行小时按5000h计)

核心技术开发的重要内容,包括燃气轮机热力系统优化设计、控制技术研究、压气机气动设计和特

性研究、透平气动设计和冷却技术研究、干式低NOx燃烧室和设计研究、燃气轮机联合循环机组特性研究、燃气轮机强度和振动特性研究等。

(4)三压再热余热锅炉和联合循环汽轮机自主化制造。这部分设备需要投入的主要是设计技术的研究,关键技术包括余热锅炉结构和受热面布置研究、高效传热并烟气阻力小的翅片管研究、低温段受热面的低温腐蚀机理研究、多压再热余热锅炉热力系统研究及方案设计、多压余热锅炉设计软件开发等。适用于三压再热循环和单轴布置的大功率联合循环汽轮机的关键技术也集中在设计技术研究上。

我国燃气轮机工业基础虽然相对薄弱,但燃气轮机自主化制造仍具备较好的基础条件。在发电设备制造能力方面,20世纪80年代以来各大汽轮机厂为生产引进型300MW和600MW等大型汽轮机,配备了大型制造厂房,购置了国外先进、大型数控加工设备和精密测试设备,除少数特

图1　燃气轮机联合循环上网电价对燃料价格敏感性分析

从图上看出,以天然气为燃料的燃气轮机联

合循环上网电价与常规燃煤电价相比,对燃料价格比较敏感。天然气价上升时,上网电价上升幅度较大,主要是由于燃气轮机联合循环电厂较之于常规燃煤电厂上网电价中固定成本所占比例小,燃料成本所占比例大。当天然气价波动时,上网电价受影响较明显。

3　重型燃气轮机自主化制造的技术

关键

重型燃气轮机是技术密集型产品,集多项高新技术于一体。其核心技术包括高效率、高性能的通流部分设计技术、燃烧技术、先进的冷却技术、高温热部件的材料、制造工艺、涂层保护技术、高转速机械轴系稳定性、总能系统的优化技术、先进控制技术等。实现燃气轮机的自主化制造,需要投入大量的资金和装备。在消化吸收引进制造技术,实现燃气轮机联合循环成套设备自主化生

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殊设备外,生产大型燃气轮机的装备缺口不大,基本上能满足生产燃气轮机及其联合循环设备大多数部件的需要。在研究开发能力方面,我国拥有相当规模的研究机构,具备一定规模的试验研究设备,过去为开发国产燃气轮机曾发挥过重要作用,提供过各关键部件的设计母型。制造企业、科研院所、高校还拥有一批长期从事燃气轮机技术研究的专业人员,这也是发展我国燃气轮机工业的重要条件之一。我国航空工业经过几十年发展,具备了先进的燃气轮机制造设备,掌握了制造先进燃气轮机的工艺技术,已经能够制造大型燃气轮机的压气机和透平叶片、燃烧室火焰筒、过渡段及喷嘴等部分核心零部件。

代世界先进水平的重型燃气轮机联合循环电站设备制造业已经初步形成。在可以预见的将来,通过国家强有力的支持和引导,我国制造企业将最终掌握燃气轮机研制的核心技术,实现燃气轮机产业的自主化发展。参考文献:

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[4]　沈邱农.电站燃气轮机技术研究[R].上海发电设备成套设

计研究院,2002.

4　结　语

,[5]obertGasHandbook[Z].A

,行业信息

东方电机两项成果荣获2006年度四川省科技进步奖

2006年12月7日,根据《四川省科学技术奖

励办法》的规定,经四川省科技进步奖评审委员会严格评选,省科技厅审核,报省政府批准,2006年四川省科技进步奖正式揭晓。东方电机股份有限公司两项成果“:三峡右岸电站水轮机水力开发”荣获二等奖“,万能轧生产线轧机主传动大型交交变频调速同步电动机研制”荣获三等奖。

三峡电站共装机26台单机容量700MW水轮发电机组,分为左岸和右岸机组,左岸厂房的14

房水轮机的水力稳定性。2006年东方电机股份有限公司研制的第一台D3992F13巨型混流式水轮机转轮已经交付三峡业主,2008年将有4台D3992F13转轮在三峡电站陆续运行。由于该转轮优秀的性能和良好的稳定性,将为电网发出充足的电能,产生丰厚的经济效益。未来的几十年中将是中国水电大发展的时期。D3992F13可以广泛应用于60～115m水头段的电站,为开发我国丰富的水力资源作出更大贡献。

台水轮发电机组已于1997年通过国际招标全球采购。三峡电站右岸厂房作为整个三峡电站的二期工程,机组稳定性尤显重要。“三峡右岸电站水轮机水力开发”项目组经过潜心攻关,为三峡右岸机组自主开发出D3992F13水轮机转轮,在水轮机能量、空化性能与左岸厂房水轮机相当的情况下,进一步提高了机组的技术性能参数,降低压力脉动值,消除高部分负荷压力脉动带,提高了右岸厂　

东方电机股份有限公司在为攀枝花新钢钒股份有限公司轨梁厂100m高速重轨万能轧生产线研制万能轧生产线轧机主传动大型交交变频调速同步电动机过程中,采用了新型轴承等诸多新技术,对结构等进行了创新改进和优化,实现了产品

技术性能先进、制造和使用更方便、更经济合理的综合技术进步。

(余小波　供稿)

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