6F01燃气轮机在分布式能源上的应用

6F.01燃气轮机在分布式能源上的应用朱燕;杨晶晶【摘要】详细介绍76F.01燃气轮机压气机、燃烧室和透平的结构，并与相关燃气轮机进行了参数与性能的比较,6F.01燃气轮机因性能参数优秀，适宜在分布式能源上应用，有广阔的应用前景.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷)，期】2016(029)004【总页数】4页(P10-13)【关键词】6F.01燃气轮机分布式能源;结构;性能【作者】朱燕;杨晶晶【作者单位】南京汽轮电机(集团)有限公司浦京210037浦京汽轮电机(集团)有限公司浦京210037【正文语种】中文【中图分类】TK473分布式能源系统(DistributedEnergySystem)在许多国家、地区已经是一种成熟的能源综合利用技术，它以靠近用户、能源梯级利用、对环境的污染小、能源供应安全可靠等特点，受到各国广泛关注。与常规的集中式电站相比，分布式能源的优势为：没有或很低的输配电损耗；适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节从而增加设备年利用小时；用户可自行控制；非常适合对乡村、牧区、山区及商业区和居民区提供电力［1］。根据天然气分布式能源所采用的原动机的不同，早期国内建设了三个具有代表性的分布式能源系统：1）以小型燃气轮机为主机的上海浦东国际机场分布式能源工程。2）以内燃机为主机的北京燃气集团指挥调度中心大楼分布式能源工程。3）以微型燃气轮机为主机的北京次渠城市天然气接收站分布式能源工程［2］。截至2016年4月，中国已建成投产天然气分布式能源项目达到46个，主要分布在上海、北京、广州等大中型城市，总计装机容量达291万kW［3］。对于电力功率为5MW以上的分布式供能系统，燃气轮机作为原动机占据了较大的比例，这是因为在此范围内燃气轮机的简单循环效率已在30%以上，如果采用联合循环机组，整个系统的发电效率、调节灵活性和经济效益都将更为提高。燃气轮机的余热温度很高，且品位较高，这使得余热的回收利用方式更为灵活，能够满足各种不同的冷热需要，且燃气轮机在环保方面具有更大的竞争力。但是，对于一个具体的分布式能源项目，需要根据全年负荷情况、当地能源价格以及环境保护的要求做进一步的分析。2014年底华能集团桂林世界旅游城分布式能源项目宣布采用3台6F.01燃气轮机，该项目是GE公司6F.01燃气轮机的首个订单。3台高效率6F.01燃气轮机将为桂林提供超过175MW电力和116MW的热能。6F.01燃气轮机的出力为50MW，“1拖1”联合循环时出力可达75MW，机组大小适中，适合于分布式能源的发电。在ISO条件下，6F.01燃气轮机效率达到38.0%,联合循环时发电效率达到55.8%，联合供热后效率更可超过80%，可有效降低发电燃料成本。6F.01燃气轮机由GE公司的6C燃气轮机升级而来，6C燃气轮机最早于2004年在土耳其安装运行，通过系统升级和冷却密封等技术的研发改进后重新命名为6F.01，原机型已经累计运行超过11万小时。和6C燃气轮机相比，改进后的燃气轮机多出力逾10%。6F.01燃气轮机为冷端驱动、轴向排气，燃烧温度高（1370。0,排烟温度高（597。）。燃气轮机及辅机采用模块化设计，易于安装、调试、检修和维护，控制系统采用MarkVIe。6F.01燃气轮机的结构示意图见图1。6F.01燃气轮机的压气机为12级轴流式，全三维气动设计，压比为21.2，贯穿拉杆螺栓结构，所有叶片现场可换，易于检修和维护。3级入口导叶可调，使得燃气轮机运行更加灵活，部分负荷时仍然效率高。压气机第7级抽气，用于冷却密封和启动时的防喘控制。压气机气缸由以下三大部分组成：进气缸、压气机缸、压气机排气缸（含在透平缸上）。进气缸位于燃气轮机前端，主要功能是将空气均匀地导入压气机，还起到支撑1号轴承的作用。压气机缸中安装有1~7级静叶，其中包括3级进口可调导叶。压气机排气缸与透平缸是一体的，相比其他机型消除了两缸体连接法兰处漏气的可能，这是单个气缸中最长的，位于燃气轮机气缸前后支撑的中间。压气机排气缸上装有后5级压气机静叶，为三级透平喷嘴和燃烧缸提供支撑。压气机的动叶和静叶都为翼型设计，可在较高叶顶转速下高效地压缩空气。叶片通过楔形槽装配在叶轮上。前3级动叶采用轴向楔形槽结构，后9级动叶采用圆周楔形槽结构。这种结构可使所有压气机动叶在现场单独更换。6F.01燃气轮机采用DLN2.5H燃烧系统，NOx排放的体积分数为25x10-6。该系统有6个环形布置的燃烧器，包括以下部分：过渡段冲击冷却衬套、导流衬套、火焰筒头部机构、火焰筒、过渡段、燃烧喷嘴、端盖和联焰管，另外部分燃烧器还装有火焰检测器和火花塞点火器。燃烧系统有6个分管型燃烧器，具备双燃料能力，采用“4+1”喷嘴布局，即4个外围喷嘴加1个中心喷嘴。为了保证机组从中等负荷到基本负荷及大幅减速时的排放要求，6F.01机组在烧天然气时设计有预混燃烧模式，这个模式要求在各燃烧室中燃气和空气需高效地掺混。机组从点火到部分额定转速的过程中采用扩散燃烧模式。部分额定转速到低负荷之间采用子先导预混燃烧模式。此外，从中等负荷到基本负荷之间，先导预混燃烧模式为备用燃烧模式，该模式下机组的排放不满足相关环保规定。燃烧室设置了检修人孔，方便检修或更换火焰筒和过渡段。6F.01燃气轮机采用3级高效率透平，全三维空气动力设计，镍合金透平转子，拉杆螺栓结构，使得寿命更长(转子翻修间隔144000h)。第1级动叶采用了单晶材料，其余动叶和静叶为定向结晶和等轴结晶材料。透平喷嘴和动叶采用空气冷却，透平缸体外敷设保温。压排缸、透平缸和透平排气缸组成了透平静子的主要部分，包含透平喷嘴、复环、2号轴承和透平排气扩压器。每一片1级动叶都开有纵向冷却孔，冷却空气通过叶轮和楔形叶根之间的腔室进入第1级动叶，气流经一系列沿动叶长度方向的冷却孔从叶顶凹槽处流出。第2级动叶的设计与1级动叶类似也进行空气冷却。第3级动叶没有内部空气冷却，围带式叶顶为叶顶密封的一部分，动叶之间通过围带互锁以抑制振动。压气机排气冷却第1级喷嘴，压气机第10级抽气冷却密封第2级喷嘴，压气机第7级抽气冷却密封第3级喷嘴。从结构上看，透平气缸与压排缸后端连为一体。气缸中的热气流会对气缸进行加热，为控制气缸直径变形，故使用多层结构并冷却喷嘴和复环，以减少热气流对气缸的冲击。6F.01燃气轮机虽然与6B燃气轮机出力接近，属于中小型燃气轮机，但它秉承了GE公司在行业内最富经验的B、E、F级燃气轮机的技术，同时又利用了当时的先进技术，使得机组既具有了先进的性能，又保证了高的可靠性。表1、表2为6F.01机组与其他型号机组在简单循环和联合循环中的性能参数，其中6F.01、6B.03、9F.03均为GE公司的工业燃气轮机，后四种燃气轮机的出力与6F.01燃气轮机的出力接近，都在50MW左右，其中H-25(42)、SGT-800为工业燃气轮机，Trent60DLE、LM6000PH为航改型燃气轮机。注：表1、表2的数据摘自《63,TurbineWorld》2014-2015Handbook。6F.01燃气轮机采用了12级轴流式压气机设计，借鉴了GE公司飞机发动机和油气行业内的压气机设计，压比高达21.2，而9F.03机组的压比为16.8，6B.03机组的压比为12.7。6B.03和9F.03燃气轮机的压气机均为18级轴流式、1级入口可调导叶，6F.01燃气轮机则为3级入口导叶可调。6F.01燃气轮机的燃烧室为DLN2.5H，6B.03燃气轮机为DLN1+，9F.03燃气轮机采用DLN2+。DLN1+燃烧室是轴向分级燃烧室，它在DLN1的基础上重新设计了二级燃料喷嘴，优化了文丘里组件，增强了燃料和空气的预混，同时将火焰筒末端的二次空气掺冷孔后移，并采用分级掺冷技术，NOx排放控制在9x10-6（体积分数）。DLN2+燃烧室的基本结构与DLN2相似，但是取消了第四次燃料的喷入，主要通过重新设计了新式旋流器，改进了火焰保持的边界余量，并改进了扩散火焰的稳定性，NOx排放控制在25x10-6（体积分数）［4］。6F.01燃气轮机透平的第1级动叶为单晶材料，得益于单晶材料的使用，6F.01燃气轮机的燃烧温度可达1370°C,高出6B.03燃气轮机221°C,甚至比9F.03燃气轮机还要高出37°C。因此，6F.01燃气轮机不仅单循环效率高，而且其排烟温度接近600°C,使得联合循环效率也得到了提高。6F.01采用的先进技术，也正在9F.05和9HA燃气轮机上作为主流技术而使用。6F.01燃气轮机的启动方式为通过静态变频器（SFC）带动发电机自转。当启动装置开始驱动时，可转导叶处于关闭位置压气机防喘阀打开。启动装置产生的扭矩驱动燃气轮机到点火转速，将燃料喷入燃烧室。9F.03燃气轮机的启动方式与6F.01的类似。6B.03燃气轮机启动时则是采用电动机通过液力变扭器提供燃气轮机启动所需要的启动力矩和转速。上文主要对比了GE公司的三种燃气轮机，表1、表2中还列举了三菱日立公司的H-25燃气轮机和西门子公司的SGT-800燃气轮机的性能参数作为对比。H-25燃气轮机采用了先进的燃气涡轮技术、高效的冷却系统和高温耐热超级合金。该燃气轮机为17级轴流式压气机，单管回流式燃烧室，3级轴流式涡轮，单元体设计，机匣水平对开，全自动数字控制，可实现现场保养维护［5］。H-25燃气轮机的简单循环和联合循环的效率均低于6F.01燃气轮机。SGT-800燃气轮机基于当时ABB公司专利技术生产，采用了工业燃气轮机GT24和GT26的技术，设计广泛采用了先进的三维计算方法，15级轴流式压气机，前3级进口导叶可调，环形燃烧室，3级轴流式透平，透平第1级动叶采用了单晶材料［5-6］。SGT-800燃气轮机的简单循环效率(38.3%)略高于6F.01燃气轮机(38.0%)，但联合循环的效率(55.1%)低于6F.01燃气轮机(55.8%)。表1、表2中航改型燃气轮机列举了罗-罗公司的TRENT60DLE和GE公司的LM6000PH，以TRENT60DLE为例，该型燃气轮机由RB211系列航空涡轮风扇发动机(尤其是TRENT800)派生得到。压气机沿袭了航空发动机多轴结构、压比高的特点，压气机转子由3根转子组成套轴结构，具有3个独立的压气机-涡轮转子部分(三转子发动机)，级数为16级，压比高达33.3。TRENT60DLE透平为7级，透平级数多，则等熵膨胀效率高，而工业燃气轮机透平一般为3级［7］。TRENT60DLE的简单循环的效率为42.4%，高于工业燃气轮机，但是对比联合循环机组效率可以发现，6F.01燃气轮机的联合循环效率却高于TRENT60DL