GE公司9F重型燃气轮机的演化解析

GE公司9F重型燃气轮机的发展.前言作为一家拥有130年能源创新历史、在160多个国家具有机组运行经验的公司，在发电设备、能源服务和能源管理系统领域，GE已成为世界最大、产品最多样化的供应商之一。 其实，今天GE产品占世界发电量的四分之一。 作为世界燃气轮机技术的领导者，GE发表的f级燃气轮机实现了业界第一。 其中也包括第一单元交通1000台，第一单元在全球服务3500万小时以上，同时第一单元为整体气化联合循环发电(IGCC )设计，制造f级燃气轮机的制造商。结合大量成熟的产品技术，随着全球不断变化的电力生产需求，GE 9F燃气轮机不断创新改进，在维持现有f级机组运行灵活性的同时，扩大发电输出、效率、排放和应用领域。 目前f级燃气轮机产品线下的9FA和9FB两种机型具有世界领先的技术和性能。II .产品发展9F级50Hz重型燃气轮机家族已有20多年的发展历史，1991年，GE推出了单纯循环输出功率212MW，效率达到35.0%的9F型燃气轮机。 之后不久又推出了14.5MW的输出功率和更高效率的9FA燃烧机(01版)。 如图1所示，9FA燃机继续改良，接着发表了9FA燃机(02版)和现在的03版的设计。 目前，9FA燃机(03版)已根据客户需求进行了各种改进，包括提高机组性能、提高运行灵活性和提高机组利用率。 这些技术包括强化压缩机、干式低氮燃烧系统(DLN 2.6)、热通道部件冷却技术升级和叶片状态监测等。图1:9F重型燃气轮机的发展随着客户需求的不断发展，9F燃机家族推出了力量和效率更高的9FB燃机。 作为GE最尖端的50Hz空冷燃烧机，9FB燃烧机应用与9FA燃烧机相同的压缩机设计，使用了能够提高压力比、适应更高燃烧温度的新型热通道部件。 从干式低氮燃烧系统(DLN 2.6)到更高性能的新型部件，再到减少安装时间的模块化辅助系统，9FB燃气轮机不断以技术革新满足顾客日益发展的需求。2011年，为了满足客户对传统机器运行灵活性的需求，GE推出了FlexEfficiency* 50的联合循环发电厂。 该电厂基于全面创新的9FB燃机，将压缩机与涡轮升级技术相结合，继续采用干式低氮燃烧系统(DLN 2.6)，单轴配置下额定功率达到510MW，全负荷下效率超过60%。 FlexEfficiency* 50将循环电厂设计与燃机设计并行进行整体优化，确保了机组高水平运行的灵活性。 9FB燃机(05版)、9FA燃机、9FB燃机(03版)的性能比较请参照表1。9FA和9FB燃机系列运转效率高，兼顾运转的灵活性。 考虑燃料成本时，9FB燃机的高效率化缓和了燃料成本高企给电厂带来的压力，但考虑到设备成本时，9FA燃机为简单循环高峰运行和联合循环电厂提供了经济的解决方案。 9FA和9FB燃机运行的灵活性可以满足快速响应需求，以平衡当前电网峰值与可再生能源供电波动。 灵活停止，具有较低部分负荷运行能力的9FA和9FB燃机为电厂驾驶员提供了适应电力需求变动的最佳选择。 此外，9FA和9FB燃气轮机可以满足部分地区电网频率波动和低频运行的要求(具体的频率偏差运行水平取决于具体的现场和地方法规要求)。 中所述情节，对概念设计中的量体体积进行分析机械群数据统计目前，9F燃机累计运行240台，合计运行9百万小时以上和9万次以上。 9F单元20年前上市，现在遍布世界各地。 除西欧这样的发达国家市场运营外(英国、意大利、西班牙等)，9FA和9FB的机构市场也扩大到东欧(拉脱维亚、立陶宛)、北非(阿尔及利亚、埃及)、中东、南美(智利、阿根廷)、中国等新兴市场。 图2、图3是几个单元的现场安装照片。过去，大部分的9F燃机主要以基本负荷运转，但是近年来由于电力需求的变化，如图4所示，单元运转有周期性地发展为停止和峰值运转的倾向。 将来，9F单元很可能像现在的7F单元那样，成为主要负责周期性停止和峰值运转的单元。 如图5所示，9F燃机的可靠性和可用性仍然领先于世界级。III .产品共享特性9F燃机产品线通过部分机组共享部件技术升级，增加机组输出功率，提高效率，减少排放量，提高部分负荷运行能力，同时提高可用性和可靠性。 图6显示了某些技术升级的位置。 下一节将具体介绍这些升级技术。强化压缩机随着9F机组运行经验的积累，为解决客户最关注的问题，在提高机组运行可靠性的同时，为提高压缩机的耐久性和可用性，GE对9F压缩机的设计做了如下改进升级了压缩机入口导叶、转子前端和中部动叶、前端和后端静叶，大大减轻了老化和应力对零件的影响。 此外，辅助先进的材料处理技术大大延长了压缩机的耐久性和有效寿命。强化叶片的耐磨性能，降低运行中的压力，使压缩机能够在更广泛的运行环境下正常运行，减少计划外的检修停止对发电厂运行的影响。以上手段提高了机组的可靠性和可用性，降低了定期检测和维护的成本。 升级后的压缩机使9F燃机的平均利用率上升了1.9个百分点。扩展压缩机已经是9FA和9FB(03版)燃机的标准配置，可以用于现有安装单元的升级。 为了调整现场客户的检查和设计计划，表2包括一天内可完成的控制曲线，提供了不同升级包所需的标准检查时间。更换所有部件的升级包(3-5)。 每个现场升级完成后，不再需要进行适当的技术更新软件包和例行检查，从而提高燃料利用率。 目前，所有9FA和9FB(03版)燃机都已列入升级检修计划。刀片式服务器状态监视叶片状态监测系统是监测压缩机R0、R1和R2动叶片的运动挠曲，进行实时数据测定的重要工具。 该系统在压缩机缸上设置一系列非接触传感器，收集叶片状态数据(频率、振幅)，通过与GE开发的数据模型比较分析收集的数据，得到叶片状态变化趋势的同时判断是否存在突变。 例如，可以使用这些数据来分析和确定刀片式服务器多次停止后的状态变化趋势，或者分析全速负载时刀片式服务器的静态挠曲以确定刀片式服务器的老化程度。 截至2010年2月，包括改造项目和新机组销售在内，已有18台机组建立了叶片状态监测系统。干式低氮燃烧系统(DLN 2.6)DLN2.6综合了9FA DLN 2和7FA DLN2.6燃烧系统和9H和6CDLN2.5H燃烧系统的技术优势。 如图7所示，DLN 2.6具有与DLN 2.6相同的燃烧系统构成：周边燃料喷嘴5个和中央燃料喷嘴1个，中央燃料喷嘴在广泛的条件下确保燃烧的稳定性。 除了DLN2.6的结构外，DLN2.6还追加了DLN 2和DLN2.5H采用的燃料喷嘴“swozzzle”。 Swozzle通过将燃料喷射口和流动叶片结合在燃料喷嘴主体内部，能够更好地混合燃料，使燃烧区域更稳定。 由于采用了GE独特的非平均燃料分配策略，DLN2.6能够保证较低部分负荷下的排放标准。 另外，由于采用了先进的材料、涂层和冷却技术，DLN2.6燃烧室的修补间隔除标准间隔外还延长了8000小时。图7:DLN2.6燃烧室部件值得注意的是，如果9FA燃机DLN2.6燃烧系统以50%的部分负荷运转，则NOx和一氧化碳的排放量能够维持在20mg/Nm3的水平(NOx:9.7ppm，相当于一氧化碳： 16.2ppm )。 负荷下降到35%左右时，NOx和一氧化碳的排放量维持在30mg/Nm3水平(NOx:15ppm，相当于一氧化碳： 24.3ppm )，同时确保了24000小时的燃烧室修理间隔。 9FB(03版)在维持NOx排放量30mg/Nm3(30ppm )和一氧化碳排放量12.5mg/Nm3(10ppm )时，机组可降低38%负荷水平运转，燃烧室修理12000小时。 9F(05版)在不足40%的负荷下运转时，NOx和一氧化碳排放水平可分别维持在30mg/Nm3水平。DLN2.6燃烧室部件于2005年应用于9FA燃烧机，2007年采用9FB(03版)，截止到2011年3月，47台以上的燃烧机累计运转450，000小时和7000次以上。 可应用于各种燃烧器的DLN2.6系列(DLN2.6、DLN2.6 )累计运行次数超过1800万小时470，000次。如图8所示，这些单元分别承担调整峰值运转、周期性起停和基本负荷运转的任务。图8. DLN 2燃烧系统组数据DLN 2.6在传统的DLN燃烧系统中改善了燃料的适用性。 基于先进的燃料喷嘴和控制技术，DLN2.6在低燃烧脉动水平下，可以适应天然气成分修正华白指数的5%范围变化。 应用OpFlex软件和模型化自动调节控制技术，9FA DLN2.6可以在主燃烧模式下适应天然气成分修正华白指数的20%范围变化，在所有燃烧模式下都能承受10%的修正华白指数变化。 DLN2.6燃烧系统可维持轻油燃烧配置，注水控制NOx排放。在将DLN2.6燃烧系统应用于9FA和9FB燃机的同时，GE开发升级了一套模型化的控制产品，包括OpFlex自动燃烧调节和OpFlex低温环境性能优化应用。模型化控制GE基于航空领域丰富的经验，开发了业界领先的燃料控制系统。 该控制系统监测了实时参数变化，通过模型仿真、整体优化得到了更准确的控制手段，提高了燃机的性能、灵活性和可靠性。 GE的模型化控制已经广泛应用于7FA机组，2009年普及于9FA燃机。建模控制的核心是使用全负荷循环控制(ALCC )技术来代替传统的默认模式控制技术。 ALCC通过综合优化入口导叶角度(空气流量)和燃料阀位置(燃料流量)，压缩机浪涌量和燃烧室运转限制保证单元的输出。 ALCC分析实时运行数据，与热力学模型不断比较，有助于工人根据周围具体条件和部件老化程度取得适当的运行参数。由于能够更准确地识别单元的物理状态，因此建模控制技术能够在提高单元整体的可靠性的同时，最大限度地发挥其性能和灵活性。 利用虚拟传感器技术，控制系统在某传感器诊断为故障导致测量值不准确或损坏时，将热力学模型计算出的合理值传递给虚拟传感器，置换实际值，减少不必要的跳跃功能，维持单元的可靠运行。结合ALCC系统，OpFlex燃烧自动调节程序将模型化控制形式用于燃烧系统控制，采用DLN 2.6燃烧模型和控制逻辑代替传统的多燃料回路，实现实时调节，减少排放和燃烧脉动。 使燃烧系统实现在线燃烧调整，适应环境温度、燃料温度、燃料成分变化等外部条件。 该技术避免了季节性燃烧调节的需要，使9FA燃机DLN 2.6燃烧系统能够适应天然气成分修正华白指数的20%的变化。 通过燃烧系统的持续调整，实现了较低的燃烧脉动，避免了由于周期性较高的脉动燃烧引起的零部件破损而导致的维护成本的上升和检修间隔的缩短。OpFlex低温环境性能优化应用综合利用ALCC和OpFlex自动调节技术，实现了燃机在高负荷和低环境温度下的灵活高效运行。 采用预置模式控制系统，受燃烧脉动和预置安全限制值的限制，燃机应降低性能保障安全运行。 然而，如果采用OpFlex低温环境性能优化应用，则可以获取更准确的单元实时数据并执行燃烧自动调节，从而能够减少或避免抑制性能运行。 在较低的环境温度下，机组输出功率最大提高4.5%，热耗减少0.5%。燃气轮机的快速启动9F燃机的快速启动综合运用了多种技术，缩短了燃机启动过程的时间，大大减少了简单的循环电厂和联合循环电厂的总启动时间。 单纯循环机组可在15分钟内上升至满负荷，联合循环机组启动时间比以往减少20分钟。 将燃机快速启动与联合循环快速响应的优点结合起来，联合循环单元可以处于冷待机状态，实现现在简单循环单元这种快递的启动，联合循环单元可以在正常运行状况下维持高效率。图9. GE简单循环快速启动与传统启动的比较9F燃机的快速起动，结合6种技术，缩短起动时间。 请参见图9和以下说明(1)净化优化技术是为了缩短启动中的净化时间，提前停止启动中必要的净化程序后立即进行的技术。 为了确保安全起动，在燃料供给系统中追加三级式配管，在燃料系统配管和燃烧系统之间设置排气配管和氮气填充配管，控制系统通过监视二级配管的压力变化，判定待机期间天然气是否泄漏到燃烧机中。(2)逆变器启动(LCI )访问技术优化了LCI访问过程，提前启动引擎。 (LCI系统在燃烧系统点火产生足够的动力之前，将发电机切换到电动机模式并拖动，向发动机供给初始动力而启动)(3)确定需要重启机后，加速点火的技术可以使转子在点火中继续加速，减少原本在点火中需要维持转子转速的时间。(4)快速上升速度采用先进的上升速度控制逻辑，减少了发电机组加速到电网同步频率的时间。(5)高速并行技术采用闭环加速控制，通过比较实际加速率和目标加速率，保证在一定的环境温度范围内启动时间一致。(6)急速的过载率使从全速到全速的过载速度加快了约2倍。加速启动系统需要与Mark* Ve、Mark VI或Mark Vie控制系统配合使用新的压缩机叶片，使用带有耐磨涂层的主保护环。IV. 9FA燃气轮机9FA燃气轮机运行灵活，性能高。 目前已有200多台机组在现场运行，累计燃烧超过820万小时，启动超过83，000次。 其中，最早的9FA机组累计运行超过113，000小时，累计启动达到1650次。 此外，9FA燃机对燃料具有广泛的适应性，可应用于许多工业领域。GE将继续创新9FA燃机技术，综合应用先