50MW级SGT800型西门子燃气轮机的性能验证.docx

50mw级sgt-800型西门子燃气轮机的性能验证 王列科1 ，daniellrstad2 ，sven axelsson2 ，mats bjrkman2( 1西门子研究院，北京100102; 2西门子工业透平有限公司，瑞典)摘 要: sgt-800 是西门子工业透平公司制造的功率最大的工业燃气轮机。2010 年推出 sgt-800 增强型，其额定功率为 50 5 mw。为保证产品的质量，对此增强型燃气轮机进行了细致的实验验证，包括零部件级和整 机级的验证工作。零部件级试验主要包括第 1 级静叶和第 1 级动叶的热动力学性能的验证工作。整机试验 包括测试燃气轮机综合性能、压气机性能与转子动态性能、燃烧室的稳定性 /排放 /热状态、透平性能及其热状 态等。测试结果表明，其性能圆满地达到了预期水平。截止 2014 年 4 月，首台增强型燃气轮机商业运行的累 计等效运行小时数( eoh) 已经超过 24 000 h。在 20 000 等效运行小时数之后计划进行的开机检查结果表明， 所有部件的状态均达到或预期达到设计寿命。关 键 词: sgt-800; 燃气轮机; 效率; 技术发展; 验证; 运行经验中图分类号: tk479文献标识码: a文章编号: 1009-2889( 2014) 04-0001-06sgt-800 是西门子工业透平机械公司制造的功率最大的工业燃气轮机。首台该系列燃气轮机的型 号为 gtx-100，额定功率为 43 mw，于 1997 年投入使 用1。此 后 不 久，sgt-800 的 额 定 功 率 提 高 到 45 mw; 2007 年，该型机器的功率增大至 47 5 mw， 简单循环发电效率为 37 7%2 3，联合循环运行效 率为 53 8% ，热 循 环 ( 区 域 供 热) 效率可进一步增 大至 94%3。此后，基于经验和已经获得认可的设 计方案，西门子公司连续不断地对其进行逐步改进 和开发，以追求高可靠性。2010 年，sgt-800 再次升 级到 50 5 mw: 简单循环发电效率为 38 3% ，联合循 环效率高达业内中型燃气轮机的最优水平 55 1% 。 本文描述了与本次升级有关的验证和商业使用经验。截止 2014 年 4 月，sgt-800 燃气轮机已售出 242 台 套。 sgt-800 系列产品的等效运行小时数 ( eoh) 已累计超过了 275 万 h，单机最长等效运行 时间已经超过了 10 万 h。2011 年期间，该机器获得 了优异的平均在舰可用性和可靠性，其指标分别为96 9% 和 99 8% 。目 前，处 于 运 行、调 试 和 交 付 阶 段的该新功率值型产品总计约有 60 台套。此外，额 定功率为 47 5 mw 和 50 5 mw 的产品同时供应。sgt-800 是一种单轴式燃气轮机，由进气壳、15 级轴流式压气机、环形燃烧室、3 级轴流式透平和出口扩散器组成。为了满足该机器的运行要求，压 气机的前 3 级采用了可变导流叶片设计。燃烧室配 有 30 个干式低排放( dle) 双燃料燃烧器，在 50% 100% 负载水平 时，其 排 放 性 能 为 nox 体 积 分 数 15 10 6 ( 使用柴油燃料时25 10 6 42 10 6 )和 co 体积分 数 5 10 6 。透 平 前 2 级 叶 片 采 用空气冷却，且第 1 级动叶片采用了单晶材料。sgt-800 不仅具备非常高的简单 循 环 效 率，而 且 由 于 出 口扩散器后的排气温度很高，使得它尤其适合联合 循环和废热利用。1设计更改本次增强型设计项目始终追求燃气轮机更高的工作性能和零部件的耐用性。为了保持高温部件的可靠性，对于透平的进气温度，增强型方案决定采用 与 47 5 mw 型产品相同的温度。为了 获 得 更 大 的 输出功率和工作效率，增强型方案稍微增大了透平 的进气压力和质量流量。图 1 描述了对该机器进行 的更改设计。从图中可见，主要的改动均位于透平 部分。收稿日期: 2014-04-15 改稿日期: 2014-05-09作者简介: 王列科( 1972-) ，博士，从事燃气轮机的研究开发工作。e-mail: lieke wang siemens com。2燃气轮机技术第 27 卷图 1 sgt-800 常见结构和主要的设计更改2验证为了保证燃气轮机工作的可靠性，西门子始终对设计进行零部件级和系统级的验证。通常，在系统级测试之前，还需在低温 /高温环境中进行零部件 级测试。其目的是在早期阶段发现一切问题以免运 行中出现性能不足的问题，并尽可能早地在成品中 引入更改设计。一旦完成燃气轮机的制造，即可针 对不同负载、稳态和瞬态条件，甚至不同燃料，进行 与空气动力学、冷却、排放和控制能力等方面性能有 关的测试。基于这些检测结果，对客户的机器进行 最终的设计调整。即使这些实验结果完全与设计期 望相一致，它们也为今后的改进打下了坚实的基础。 sgt-800 的研发完成遵循了这种获得广泛认同的成 熟方法。图 2 采用红外线摄像机的气膜冷却测试工具动态性能测试。2 1 2 第 1 级动叶对于第 1 级动叶，其零部件测试的目的主要是 验证所引入的新型设计，即连续矩阵冷却、高性能扰 流肋等。为此，我们为双矩阵和连续矩阵制作了塑 料模型，此后，在我们的科研合作院校，采用瞬态液 晶( liquid crystal) 技术对其进行测试。图 3 为 典 型 的液晶颜色示例。从中可以看出，在临界区导热性 能方面，新型专利设计明显优于 47 5 mw 型产品中 的双 矩 阵 设 计。此 外，还采用锌浴对第 1 级 动 叶( 实际上也包括第 2 级动叶) 进行了全尺寸热测试， 以评估新引入的高性能扰流肋和尾缘连续矩阵等的 性能。上述零部件级测试极大地帮助了我们了解第 1 级静叶和第 1 级动叶与空气动力学和冷却等方面有 关的性能。我们也对产品后期性能的提升潜力进行 了相应的研究分析。这些工作对于技术开发和后期 产品升级具有极大的好处。2 1零部件级零部件级的验证工作主要针对透平零部件第 1级静叶和第 1 级动叶进行，其原因在于对透 平 第 1级的空气动力学特性、冷却和涂层进行了重新设计。 对于第 1 级静叶，着重验证空气动力学性能和包括 外部热传导和气膜冷却功能等的冷却设计。对于第1 级动叶，重点在于验证已经获得专利的尾缘 设 计 和综合冷却性能。2 1 1第 1 级静叶对于第 1 级 静 叶，我们建立了一个测试平台 ( 见图 2) ，用来研究这种增强型设计方案中的气膜 冷却性能4。该实验采用了一种瞬态测量技术，通 过红外线摄像机获得外部导热系数的分布。除了热 传导实验之外，我们还和我们的科研合作院校采用 扇环型叶栅测试装置对第 1 级静叶进行了全尺寸的3第 4 期50mw 级 sgt-800 型西门子燃气轮机的性能验证2 2 1 压气机压气机的整体性能，通过扩压器入口 4 个不同 切向位置的温度和压力测量值来判定。为了精确地 捕捉径向分布值，每个倾角采用了 9 个探测器。测 试结果表明，相较于 47 5 mw 型设计，该压气机的 效率提高了约 0 3% 。该结果与数值计算方法的预 测相一致。为了验证新型动静叶片设计的有效性，通过每 一级后侧 的 测 压孔对压气机进行了测试。除 此 之 外，为了对优化后的前级设计进行验证，还测量了第3 级动叶前缘的径向温度分布和压力分布。这些检 测结果与压气机完整工作范围 的 贯 流 和 三 维 cfd ( 计算流体动力学) 计算结果进行了对比分析，以验 证压气机的匹 配 和 性 能。该 测 量 结 果 与 47 5 mw型产品测量结果的比对，进一步证实了这种增强型 设计的成功性。为了确保燃气轮机在整个运行工作范围的运行 稳定性，压气机的稳定性是一个关键性的因素。为 了测试压气机的性能极限，我们完成了多次不同的 喘振测试。在其中的一个测试中，压气机在可变导 流叶片完全打开、且排泄阀处于关闭状态下开始减 速，直至压气机出现喘振。该测试证实了该压气机在 高工作温度下具备良好的稳定性和较大的喘振裕度。 为了检测启动期间转速失速的可能性，我们在 压气机的内缸上安装了压力传感器。据此，我们可 以优化可变导流叶片的动作顺序，确保压气机的启动稳定性。图 3 采用液晶对 50 5 mw( 左) 和 47 5 mw( 右) 的尾缘冷却设计观察其局部分布系统级用于设计验证的全燃气轮机测试包括主要用于2 2透平部分的晶体( thermo-crystal) 实验。第一次燃气轮机测试必须涵盖各种大量的运行情况，因此，它采 用了传统的测量技术，即使用热电偶而不是热晶体 来测量金属的温度。然而，对于高温零件热梯度的 捕捉，我们没有办法安装足够数量的热电偶。因此， 在晶体测试中，我们采用了温敏晶体技术5以良好 精度探测了详细的温度分布。简 而 言 之，增 强 型 sgt-800 的验证方法与首次开发该型机器所用的方 法相同。对样机进行首次燃气轮机测试的目的是测试燃 气轮机综合性能、压气机性能与转子动态性能、燃烧 室的稳定性 /排放 /热状态、透平性能及其热状态等。2010 年春，我 们 在燃气轮机中添加了各种附加仪 器，完成了该项测试。对于压气机、燃烧室和透平部 分，所用的仪器包括约 260 个压力 传 感 器 和 400 个 温度传感器。压力测试结果表明透平的空气动力学 性能完全符 合 其 预 期 水 平，但 是，温度测量结果表 明，隔热罩的某些位置出现过温现象。据此，我们立 即进行快速处理，保证所有客户在收到他们的燃气 轮机前这些改进设计已被采用。基于这些测试结果，表 1 所示的增强型燃气轮 机性能完全得到了验证。表 1 sgt-800 的性能指标2 2 2燃烧稳定性和尾气排放燃烧稳定性和排放的验证是最关键的燃气轮机测试内容之一。原因在于，单个的燃烧器燃烧室测 试方法可能无法用于环形燃烧室测试，因此，目前尚 没有足够精确的方法可以预测相关参数。图 4( a) 给出了从采用天然气为燃料的、典型的 燃气轮机测试中获得的排放-负载曲线，其中，导向 燃料比( pf) 为导向燃料占总燃料的比值。从该图 可以看出，采用 标 准 pf 设 置 时，nox 排 放 水 平 在50% 负载时就已经完成下降过程，因此，其至保证值 有足够的裕 度。至 30% 负 载 时，co 的 体 积 分 数 就 降至不足 2 10 6 。这证实了该种燃烧室的优点， 即相对较大的燃烧室容积和高温管，以及高温管中 无任 何 冷 却 气 体，都 有 助 于 保 持 低 co 排 放 水 平。 未燃碳氢化 合 化 ( uhc) 的变化趋势类似于 co，但 其值更小。gt 输出功率 /mw50 547 5联合循环输出功率 /mw简单循环热效率 /%71 466 638 337 7联合循环热效率 /%55 153 8压气机的压比排气质量流量 /( kgs 1 )排气温度 /nox 排放体积分数 15% o2 /( 10 6 )co 排放体积分数 15% o2 /( 10 6 )20 820 2134 2132 85531555411554燃气轮机技术第 27 卷a)加载和卸载性能a)采用天然气b) 10 min 启动示例图 5 运行灵活性示例guide vane) 为可调导向叶片。b) 采用液态燃料图 4 sgt-800 燃气轮机排放数据燃气轮机采用液态燃料时，其 co 和 uhc 值的 变化趋势与天然气类似，在约 30% 负载时完成下降 过程，但是，在低负载情况下，其排放水平略高于天 然气作为燃料时的排放水平，见图 4( b) 。采用 e10 柴油( 夏季型) 进行这种典型的燃气轮机测试后，可 以发现，对于标准 pf 设置，dle nox 排放的体积 分数在大负载情况下约为 20 10 6 ; 当 负 载 降 至50% 时，约为 25 10 6 。但是，对于 40% 100% 负 载范 围，通 过 pf 调 节，该排放水平可下 降 至 约20 10 6 。采 用 e32 柴 油 ( 冬 季 型) 进 行 的 相 应 测 试也给出了类似的结论。优异的燃烧稳定性和稳定的燃烧控制系统 ( 该 系统 仅采用少量燃料管道且 不进行燃料分级处 理) ，使得诸如突发性负载增长和负载甩除这种快 速负载变化的处理成为可能，见图 5。在本测试中， 负载甩除是指从满载 一 直 减 小 至 0% 负 载 水 平 ( 空 载工况) 。另一个示例也充分体现了该燃气轮机的 运行灵活性: 从冷机启动开始，仅需 10 min 即 可 加 载至 100% 负载水平，见图 5 所示。vgv( variable2 2 3透平液晶测试燃气轮机完成第一次测试后，机器即被拆下，并进行彻底检查。此后，在机器中安装上热晶体仪器 元件，准 备 做 液 晶 测 试。 在 透 平 部 分，总 共 用 了1 710 个热晶体，其中，1 528 个用于测量金属温度，176 个用于测量定叶片和旋转叶片的进气温度; 6 个 用于测量旋转叶缘冷却气的进气温度。此外，还使用了一定数量的热电偶和压力传感器。某些典型位 置还安装了少量热电偶，以记录用于评估热晶体等 效保持时间的短暂变化。某些位置上还采用了测温 漆，以作为补充测温方法。采用热晶体测量进气温 度的分布极有价 值，据 此，可以根据测量结果对 cfd 空气动力学模型进行校正。接下来，将经过校 正的 cfd 空气动力学模型提供的边界条件用于冷 却模型，并根据热晶体测试结果，对冷却模型的最终 金属温度进行校正。例如，图 6 给出了第 1 级静叶和第 1 级动叶采用热晶体测试结果经过校正后的温 度分布。图 6 中，圆点为热晶体测量点。通过采 用5第 4 期50mw 级 sgt-800 型西门子燃气轮机的性能验证大量的热晶体，可以确保获得热梯度分布。对于透平部分高温气路上的全部零件，均进行了该项测试。 这些测量结果不仅证实了透平的高温零部件已经达 了预期的温度，而且，也为今后的产品升级打下了坚 实的基础，例如，这些测试已经指出了多个区域存在 着节省冷却气的潜力。总之，这些系统级测试证明，这种增强型设计无 论在功率扩容、工作效率，还是在工作寿命等其它方 面，都达到了预期指标。如表中所示，得益于我们对 47 5 mw 和 50 5 mw型产品的容许极限值的改进努力，氢含量得到了提 升。图 7 为测试期间提高天然气中的氢含量( 0% 32% 体积比) 通过孔窥摄像头观察到的实验燃烧器 图片。图 6 采用热晶体测量技术校正后的第 1 级静叶和第 1 级动叶的金属温度分布图 7 单燃烧器燃烧测试期间环状高压测试内部的孔窥探测图片2 2 4提高燃料适应能力47 5 mw 和 50 5 mw 型 产 品 的 商 用 sgt-800燃料适应能力见表 3。最新测试表明某些燃料具备 更好的适应能力。我们正在进行相关工作，以进一 步改进。3商业使用经验2010 年 春 季，第一台额定功率为 50 5 mw 的sgt-800 燃气轮机 已经成功地运行，且 完 成 了 相 关测试。这些测试工作中的首次燃气轮机测试和晶体 测试见上文所述。此后，这种增 强 型 sgt-800 在 多个不同客户的工厂一直进行商业使用。这些机器的功率输出和工作效率完全符合我们的预期值，有的 甚至超出了我们的预期值。目前，处于运行、调试和 交付阶段的该增强型产品总计约 60 台 套。 截 止2014 年 4 月，这种增强型产品系列的累计等效运行小时数已经超过了 100 000 h，其中单机最长累计等 效运行小时数已经超过了 24 000 h。在 10 000 个等效运行小时数之后，我们开展了 计划中的高温区域孔窥探测跟踪检测。结果表明，所有的压气机、燃烧室和透平部件，包括重新设计的 第 1 级静叶、第 1 级动叶和第 2 级静叶均处于极佳 状态。在 20 000 个等效运行小时数之后，我们开展了计划中 的 开 机检测跟踪检测。开机检查结果表 明，所有部件的状态均达到或预期达到设计寿命。表 2sgt-800 燃气适应能力物质的量百分比最大值燃气成分说明( 1)甲烷，ch4100基于 成功的燃烧器测 试数据，完成 相 应 更 改 后，乙烷可达到 100%降低涡轮进 口 温 度 后，可接受 95% 的丙烷( 1)乙烷，c2 h630( 1)丙烷，c3 h830丁 烷及其它高分 子 烷，( 3)15( 1)c4 +基于 成功的燃烧器测 试数据，完成 相 应 更 改 后，氢气可达到 32%氢 气 和 一 氧 化 碳，h2 +co( 1)10( 2)惰性气体，n2 /co2硫化氢，h2 s50 /40( 4)根据具体情况进行评估其它 成 分 ( 芳 香 族 化 合物、烷类、烯烃、氧，等)根据具体情况进行评估注: ( 1)( 2) ( 3) ( 4)易反应物的百分比含量( 即不含惰性物质) ;总百分比含量( 惰性物质 + 易反应物) ; 可能被限制在较低水平，具体视其它气体成分而定; 高惰性物质含量的燃料，可能需要使用独立的点火和起4结论西门子能源业务领域集团公司成功地完成了 2010 年 推 出 的、额 定 功 率 为 50 5 mw 的、增 强 型动燃料。6燃气轮机技术第 27 卷sgt-800 燃气轮机 的 验 证 工 作，并获得了宝贵的商 业应用经验。本论文详细描述了与该燃气轮机有关 的验证工作和商业运行经验。致谢: 本文作者向中国西门子研究院和瑞典西 门子工业透平有限公司同意发表该文表示感谢。此 外，本文作者向在本项目的方案制订阶段、设计阶段 和验证阶段参与相关研制工作的所有西门子员工表 示感谢。experiencec gt2008-50087，asme turbo-expo，berlin，germa-ny，2008sgt-800 information in brochure available oneb /ol2014-07-17 http: / /www energy siemens com /hq /en /power-genera- tion /gas-turbines /sgt-800 htmkinell m，utriainen e，hyln j，etc fan shaped and cylindrical holes studied in vane film cooling test rigc gt2010-23308， asme turbo-expo，glasgow，uk，2010annerfeldt m，shukin s，bjorkman m，etc gtx100 turbine sec- tion measurement using a temperature sensitive crystal technique， a comparison with 3d thermal and aerodynamic analysisc powergen europe，barcelona，spain，2004larfeldt j，larsson a，andersson m co-firing hydrogen in sie- mens industrial gas turbineseb /ol 2014-07-15 ，sgc re- port，sweden http: / /www sgc se345参考文献:1 gudmundsson b，nilsson u，linder u，etc experience from the joint development of the gtx 100 turbine bladingc asme 98- g-201，stockholm，sweden，19982 shukin s，annerfeldt m and bjrkman m siemens sgt-800 industri- al gas turbine enhanced to 47mw design modifications and operation6design validation of siemens gas turbine sgt-800 enhanced to 50 mwwang lie-ke1 ，daniel lrstad2 ，sven axelsson2 ，mats bjrkman2( 1 siemens corporate technology，beijing 100102，china; 2 siemens industrial turbomachinery ab，sweden)abstract: the enhanced sgt-800 gas turbine was introduced in 2010 at a power rating of 50 5 mw to deliver reliable product，com-prehensive validation work was carried out at both compo