GE公司F级燃气轮机

1、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710032 0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

2、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1910mw seoinchon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

3、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 ms9351fa ms7241fa ms6101fa 净出力/mw 255.6 171.7 70.1 效率/% 36.9 36.4 34 透平进口温度/ 1327 1327 1288 压比 15.4 15.5 14.9 质量流量/kgs-1 624 432 198 排气温度/ 609 602 597 频率/hz

4、50 60 50/60表250hzf级燃气轮机联合循环性能基本参数 s109fa s209fa s106fa s206fa 净出力/mw 390.8 786.9 107.4 218.7 净热耗率/kj（kwh）-1 6350 6305 6767 6654 净效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1ms9001fa、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

5、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

6、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。图 以7000系列中的f级燃气轮机为例，展示了f级燃气轮机的发展过程。(图中华氏温度tf换算因数为)其主要性能见表3。图1f级燃气轮机的发展过程表37f系列燃气轮机主要性能基本参数pg7211fpg7221fapg7231fapg7241fapg7251fb出力/mw147.21

7、59167.8171.7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198819911993199719992002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

8、，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。这些技术包括：单晶叶片（单晶n4合金dsn4或gtd444），耐热涂层，三维气动力设计，更多冷却气膜等。使7fb型机组的压比提高到18.5，燃烧温度提高到1371，7fb型燃气轮机的主要性能见表3。表4列出7fa、7fb和7h型燃气轮机组成联合循环时的性能对比。107fb型的出力比107fa型稍有增加，效率有明显提高。表47fa、7fb和7h型机组成联合循环时的性能对比基本参数107fa107fb107h出力/mw262.6280400效

9、率/%5657.360燃气温度/132713711427压比15.518.523空气流量/kgs-1430.9430.9557.9nox/mgkg-192591.29f和9fa型燃气轮机9f型燃气轮机是在7f型基础上采用模化原理设计出来的，模化系数为1.2。9f型燃气轮机也经历了一系列发展过程，压比、燃气透平入口温度逐步提高，从而机组出力和效率也相应提高。目前，最新型号的9f型机组（pg9351fa）简单循环出力达255.6mw，热效率为36.9；联合 循环机组s109fa型出力达390.8mw，效率为56.7。表5列出9000系列主要机型的参数变化情况。表59000系列主要机型的参数变化情况

10、基本参数pg9281fpg9311fapg9351fa净出力/mw212226.5255.6净热耗率/kj（kwh）-110535102989750压比13.515.015.4燃气温度/126012881327压气机级数181818压气机流量/kgs-1605.3607.2645透平级数333出厂日期19931994199419961.36fa型燃气轮机90年代初，ge公司又将7fa型技术转移到已经有30多年运行经验的6b型机组上，开发出6fa型机组。1993年开始设计6fa型，模化系数为0.69，得到了大流量压气机，同时将燃气温度提高到1288。1995年第一台机组出厂，满足了市场对具有高效

11、率的中等容量机组的需求。ms6001fa型燃气轮机简单循环的额定功率为70mw，用于联合循环的功率为107mw。燃烧室数量由6b型的8个减少到6个，减少了维修工作量。表6列出6fa和6b型机组的性能对比。表66fa和6b型机组的性能对比基本参数简单循环联合循环 ms6001bms6001fas106bs106fa出力/mw39.270.159.8107.1效率/%31.834.248.752.8压比11.814.911.814.9进气温度/1104128811041288排气温度/541597538597燃烧室个数8686转速/rmin-151005250510052506fa型燃气轮机与6b

12、型机组一样，通过齿轮箱可以将转速降低到3000r/min或3600r/mim，以适应不同发电频率的要求。减速齿轮箱是由德国renk ag公司研究开发的。2f级燃气轮机的结构特点ge公司生产的重型燃气轮机在结构上彼此是非常相似的，f级燃气轮机的主要结构特点有：（1）它们都是整体式结构型式。压气机、燃烧室和燃气透平都联接成为一个整体，安装在同一个底座上。一些辅助设备，诸如润滑油系统、冷却水系统、燃料系统、启动机系统、传动齿轮箱等也都安装在一个底座上，这样就能节省现场的安装时间和机组设备的运输费用。（2）不同于b级和e级燃气轮机，f级燃气轮机改为由压气机侧的冷端输出功率的方案。这样就可以使燃气透平实

13、现轴向排气，其排气扩压器能直接与余热锅炉相联，有利于减小流阻损失，但却会增大压气机的传扭负载。（3）采用双轴承支承的方案，2个轴承分别位于压气机和燃气透平转子的两端，这样可以使燃气轮机的总体结构最简单。（4）压气机和透平均采用水平中分面结构，便于安装和检修。2.1压气机ge公司f级燃气轮机所用的压气机，是由e型燃气轮机17级压气机按空气动力学模化原理设计的，并增加了1个零级，由18级组成，压缩比为15左右。为了防止启动过程中压气机发生喘振，压气机中都装有进口可转导叶和12个中间级的放气口，f级机组的放气口布置在第9和第13级后。在联合循环方式运行时，进口可转导叶还能在一定负荷范围内确保透平前的

14、燃气温度恒定不变，以提高部分负荷时的效率。压气机通流部分的前5级采用等内径的结构型式，其后各级则采用等外径的结构型式。由于叶片外径增大，圆周速度增加，前2级为超音速级，相应的叶型设计为直线形薄叶片，以减小流动损失。为适应空气流量与压缩比的增加，压气机叶片要求强度高，疲劳强度和衰减率大的材料。在第08级，用新开发的强度高耐腐蚀的c-450材料代替以前的防腐涂层叶片。第917级采用高温强化材料sus403。压气机转子根据以前用15根通穿螺栓紧固的经验，采用多段积层结构与透平转子结合成高刚性转子 ，其一阶弯曲振动频率为额定转速的125%。压气机气缸除采用具有水平中分面外，还把气缸沿轴向分为23段。分

15、段气缸结构的优点是：由于前后段温度的不同，前后段可以采用不同材料；每段气缸比较短，便于气缸内表面静叶叶根槽的加工；配合中间级防喘放气，在每段的接合处可以设计成为圈环状的放气口，使 气流均匀，减少对叶片的激振力。ge公司生产的燃气轮机，压气机的转子采用了外围拉杆螺栓联接的盘鼓式的转子结构型式。盘鼓式的转子是把各级轮盘在接近轮缘处的鼓环，用多根细而长的拉杆螺栓彼此压紧而连接成为一体的，因而它在接近轮缘处是一个转鼓，可以使转子具有很好的刚性。转子旋转时产生的离心力则是依靠轮盘来承受的，致使这种转子也能具有很高的强度。压气机转子的拉杆数目大约为1418根不等。为了保证转子运行的安全和可靠，各轮盘之间必

16、须有足够的压紧力，因而拉杆的预紧力是很大的。2.2燃烧室ge公司f级燃气轮机均采用其传统的逆流式分管型燃烧室，不同容量的机组配用不同数量的燃烧室。ge公司提供2种燃烧室，一种是标准型的，可用于气体或各种液体燃料，一般都配置空气雾化式的双燃料喷嘴，可带或不带用于降低nox排放的或为增加出力的注水或注蒸气装置。另一种是干式低nox燃烧室，采用稀释态燃料预混干式低nox燃烧技术，可用于气体或轻质液体燃料，在燃烧天然气时nox排放量低于25mg/kg，但是用于液体燃料时需要注水来降低nox排放。随着燃气透平前温度的提高，燃烧室出口过渡段的冷却必须加强。ge公司在f级燃气轮机上专门设计了一种有冲击冷却效

17、果的过渡段。该过渡段是双壳体型式的，内过渡段被一个钻有许多小孔的外套包围着。从压气机来的空气通过这些小孔，形成射流去冲击冷却内过渡段。外套用aisi-304不锈钢制成。内过渡段是用nimonic263制作，并在其内表面喷涂耐热涂层。燃烧室的外壳选用sa/516-55钢制造，火焰管的前段用hastx/hs-188制造，火焰管尾部一段改用hs-188制造，火焰管的内表面上均喷涂耐热涂层。2.3透平ge公司f级燃气轮机的透平均采用3级轴流式透平，是运用ge公司航空技术进行设计的。随着高温材料和冷却技术地不断发展，其进口燃气温度由最初的1260逐步提高到最新fa型的1327和fb型的1371。第1、2

18、级动叶片与全部3级静叶片采用适应高温化的高性能空气冷却。压气机第13级抽气用于透平第2、3级冷却后，作为转子冷却空气与密封空气使用。压气机第17级空气由通道内径侧抽出，由于流场的离心作用，消除了气流中的有害粒子，清洁的抽气作为第1级冷却空气。利用从另外的压气机引入的空气冷却透平轴承座和透平第3级叶根。透平第1级静叶片温度最高，采用耐高温腐蚀与热疲劳强度高、焊接性能优良的co基超合金fsx-414，第2、3级静叶片采用抗蠕变与热疲劳强度高的ni基超合金gtd-222。3级静叶片均采用精密铸造，第1级静叶片内部有为冲击冷却用的金属插件，除冲击冷却外，前缘采用喷头冷却，内背弧采用气膜冷却。第2级静叶

19、片采用冲击冷却与强制对流冷却相结合，冷却空气从叶片后缘吹出。第3级静叶片仅采用强制对流冷却。3级动叶片均采用具有航空使用经验、高温强度好的相析出硬化型ni基超合金gtd-111，也采用精密铸造成型。使用环境严酷的第1级动叶片采用定向凝固的gtd-111ds，以控制径向晶界，改善蠕变断裂强度。第1级动叶片是由先进的航空技术引进的蛇形通道对流冷却，冷却空气从叶片底部输入，从叶顶和叶片后缘的轴向开口混入主流燃气，同时也通过叶片前缘与侧壁排出并形成冷却气膜。9fa型机组透平第1级工作部分与叶根之间的长柄减轻了 通流部分向叶根的传热，第2级动叶片采用以前从叶根到叶顶钻有许多冷却孔的强制对流冷却。第1级扇

20、形护环是保持叶顶最小间隙的主要部件，为改善低频热疲劳，护环的高温内侧与低温外侧采取分开结构，内侧护环使用热疲劳强度好的材料in-738，并采取冲击冷却、强制对流冷却与气膜冷却。热障涂层是延长零件寿命不可缺少的高温化技术之一。为保护在高温下工作的透平叶片，对前2级叶片进行双喷涂处理，即用真空等离子喷涂抑制腐蚀，用铂铝化合物喷涂抑制氧化。第3级叶片仅用cr扩散防腐涂层。ge公司设计的燃气轮机中采用外围拉杆型式的透平转子，它们是依靠压紧面上的摩擦力传递转矩的。每级轮盘上都轴向地开出枞树形叶根槽，用于安装动叶片。这种叶根槽的优点是多对齿承力，强度高，承载能力大；尺寸紧凑，连接质量轻，可以使动叶片的叶根

21、接近于等强度设计；采用有间隙的松装结构，能自由热膨胀，可以让冷却空气从间隙中流过，增强了对叶根和轮盘轮缘的冷却效果。透平气缸采用双层结构并有空气进行冷却，其外层为气缸，内层则由静叶片的外缘板和护环等元件组成，是一种承压件与承热件分开的结构型式。气缸与高温燃气隔绝，这样不仅可以有效地降低气缸的工作温度，以便采用较差的材料，同时还能减少气缸的热膨胀量和热应力，并能减少对气缸的热冲击，有利于机组的快速启动和加载，还有利于控制透平动叶片顶部径向间隙在运行之中的变化。2.4关于f型燃气轮机转子故障问题19941995年期间，一些7f和9f型机组在运行中出现了一些质量问题。后来ge公司经过分析与改进，将很

22、多机组返厂进行检修，基本解决了这些问题。出现的转子问题主要有：（1）转子轮盘间扭转侧滑。转子轮盘间侧滑仅发生在一台7f型机组上，其原因是：在确定用15根拉杆螺栓将多个轮盘结合在一起所需要的拉力时，设计者计算错误，致使施加给螺栓的 拉力不够。ge公司对20多台运行中的机组增加了螺栓的拉力，问题就解决了。（2）机组振动增大及拉杆问题。关于机组振动增大的问题，在7f、9f型机组中均有发生，主要是由二方面原因造成的。其一，23级级间轮盘刚性太低，由于转子自身质量使转子轴线下垂弯曲，运转时偏心质量力使转子振动较大，并使第2级和第3级叶轮与第23级级间轮盘发生相对运动，使振动水平进一步扩大。这个问题主要出

23、现在9f型机组中，通过更换一个刚性更高的第23级级间轮盘，解决了这个问题。另外，9f型机组有5根拉杆螺栓出了问题，2根失效，3根断裂。经调查，9f型机组的螺栓由2个供货商提供，出问题的5根螺栓都是其中一个供货商的产品，原因是他们没有按规定的标准加工螺栓。ge公司已经取消了这个供货商的订货。3ge公司f级燃气轮机的运行业绩截止到2000年8月，共有800台f级燃气轮机已安装或已订货，其中202台机组已累计运行315万h。某台ms7001f型机组至今已累计运行超过55220h，并经历了2005次启动。ms9001fa型机组运行最长的已达到35798h，经历了725次启动。f级燃气轮机的运行业绩见表7。表7ge公司f级燃气轮机的业绩机型已运行机组/台运行时间/h启动次数ms6001fa162141192471典型单机31133368ms7001f/fa134196680050676典型单机552202005ms9001f/fa5297120612344典型单机35798725总数202315214465491dln燃机180296084459245典型单机457342325 注：dln是干式低nox排放燃烧室。1999年的一个可靠性统计数据表明，25台ge公司的7f和7fa型机组的平均可用率为89.3