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1、西门子先进的大功率燃气轮机赵钧锷(上海汽轮机有限公司,上海200240)摘要:西门子W501F、W501G和V94.3A是目前世界上性能最优异的大功率燃气轮机。本文叙述了西门子先进燃气轮机产品的发展概况,并介绍了应用最新的气动技术、材料及涂层、密封技术、冷却技术及燃烧技术在减少NOx排放、延长计划检修间隔、扩大偏周波范围、提高调峰能力、增加燃气轮机出力、提高效率等方面所取得的显著成果。实践证明,这些先进技术不仅提高了燃气轮机电厂的经济性,条件下,提高了使用寿命,减少了电厂的污染排放。关键词:燃气轮机;联合循环;电厂;效率;出力中图分类号:TK47文献标识码:A-05SiemensTurbine
2、sJun2eCompany.Ltd.,Shanghai200240,China)Abstract:S,W501GandV94.3Aadvancedtechnologygasturbinearebestintheworld.ThepaperdescribesthefortheSiemensadvancedtechnologygasturbine,andintroducesdevelopmentandretrofittableenhancements,includinglatestaerodynamic,hightemperaturetolerantmaterials,advancedcoatin
3、gsystems,sealingim2provements,componentcoolingandDryLowNOxcombustionsystemsincorporatedintheoperatingenginestoensureemis2sionreduction,offfrequencyextension,maintenanceintervalduration,cyclingcapability,increasingpoweroutputandhighefficiencyperformance.Theexperiencesshowthattheseadvancedtechnologies
4、haveallowedforincreasedpowerandeffi2ciencycombinedwithdecreasedemissionsandlife2cyclecostswithoutsacrificingreliability.Keywords:gasturbine;combinedcycle;powerplant;efficiency;output0引言西门子公司长期以来对燃气轮机产品研究、开发和验证投入了巨大的人力和物力,形成了三种尺寸及容量大小的第三代燃气轮机产品系列,1995年后向市场推出技术更新的“3A”型大功率1西门子先进燃机产品的发展概况西门子公司自1948年自行开发
5、第一台1000水冷型燃气轮机以来,随着技术的发展,形成了三种尺寸功率大小的V64、V84(60Hz)、V94(50Hz)燃气轮机系列。这三种系列的几何尺寸分别按0.6711.2比例模化。随着技术的发展进步,这三种机型自上个世纪70年代以来不断地更新换代,分别出现第二代、第三代以及其改进的“3A”系列。1999年兼并美国西屋后,其W501F、W501G产品以及优异的性能在60Hz领域的北美燃气轮机。1999年兼并美国西屋公司后,西门子机60Hz和50Hz市场的W501G、W501F及V94.3A产品以其优异的性能指标在世界燃气轮机市场处于领先地位。本文将重点介绍自这些产品投入运行以来,在全面提高
6、机组性能方面所取得的技术成果。市场处于领先地位。收稿日期:2004-05-23作者简介:赵钧锷(1951-),男,浙江余姚人,毕业于上海理工大学,高级工程师,现任总师办主任,从事汽轮机科研开发等技术管理工作。170西门子先进的大功率燃气轮机西门子第二代技术的燃气轮机相当于GE公司的E级产品(见图1),目前投入市场的为50周波164MW的V94.2机型及相应60周波的V84.2机组,其进口温度达到1100。成本,从1990年开始西门子与P&W公司签定长期合作开发协议,将航空发动机技术应用到西门子的燃气轮机产品设计中。1994年联合研制出V84.3A型燃气轮机,随后按模化比例开发出V94.3A和V
7、64.3A机组。这种“3A”系列的技术特点为:(1)基本保持了西门子原有的传统技术:转盘式转子、双径向轴承、压气机冷端输出功率、预混式的低NOX燃烧器、透平轴向排气等。(2)“3A”系列的最大不同在于以环型燃烧室取代原来的圆筒型单管燃烧室,在V94.3A中共配置了24,保证、运。,NOX能达到小(W航空技术为基础,按三元流动理性,这种型线减小了过高的局部速度,较为均匀的减速抑制了边界层的发展和防止气流分离。(4)燃气透平为西门子传统的4级结构,同样为采用CFD设计方法的弯扭三维叶片。为防高温采取的措施有:除末级外,所有的静、动叶片均采用空气冷却;第1级动叶为P&W与西门子研发的Ni基合金材料;
8、第1级动、静叶片采用了热障涂层(TBC);第1、2级动叶片采用蠕变强度和低周疲劳强度性能优良的单晶(SC)铸造叶片;第1、2、3级动、静叶片采用耐高温腐蚀与氧化的喷涂图1西门子V94.2燃气轮机Fig.1SiemensV94.2gasturhine主要的结构特点为:(1)采用双轴承转子,。(2),转矩传送。(3)冷端驱动、轴向排汽。(4)预混式的低NOX燃烧器,其燃用天然气时的NOX排放浓度达到9ppm的良好水平。(5)两个单管圆筒式燃烧室,使叶片不受火焰直接辐射。1990年开始第三代V94.3、V84.3及V64.3机组,采用外部冷却装置改善叶片的冷却,其燃气温度进一步提高到1300的水平,
9、流量及功率均增大。燃烧室仍为单管圆筒型,但由垂直布置改为水平布置(见图2)。处理。2西门子产品在50Hz和60Hz领域的优良业绩1999年兼并美国西屋公司以来,西门子发挥强强组合的技术优势,在世界市场推出W501G、W501F(60Hz)和V94.3A(50Hz)燃气轮机产品,这些高技术的产品因其先进的技术性能和优良的商用运行业绩在世界市场保持领先地位。西门子W501G机型253MW,是目前60Hz功率最大、效率最高的商用燃气轮机之一。其透平的进口温度达到1420,在简单循环下的效率为39%,联合循环的效率为58%。第一台机组的运图2在ELCOGASCIGCC电站的西门子V94.3燃气轮机Fi
10、g.2SiemensV94.3gasturhineusedattheFLCOGASCIGCCplant为了进一步提高功率和效率,减少排放,降低热力透平3.1降低排放行小时已超过12500小时,有5台运行超过8000小时,总累计运行小时超过6.5万小时,已积累了在商业环境下的运行经验。W501G系列机组的可靠性98.7%,设备可用率已超过95.7%。目前有约16台机组投入商业运行。W501F机型机组总计运行165台,总的累计提高整个运行期的效率、改进燃烧是降低电厂整体排放的有效措施。此外,整个联合循环装置的性能及运行状况也是重要因素之一,西门子的改进体现在下列两个方面:(1)缩短联合循环的启动时
11、间,降低燃气轮机低负荷停留时间,达到减少排放的要求。在传统设备中,联合循环启动受到余热锅炉笨重壁厚热“吸收”时间的拖累。通过应用西门子公司的余热锅炉(HRSG)设计专利,使得燃气轮机在联合循环启动过程中,能够像在简单循环中运行一样,不需停留、快速地提升负载水平于最低水平,24个预混式燃烧,一台W501FD型号的燃气轮机。该设备能在实际负载条件下进行大范围工况的试验研究。目前正在进行详尽的燃烧试验研究。整个研究分多阶段商业运行已超过170万小时,第一台机组已运行超过8万小时,长期的商业运行业绩使其年平均可靠性99%,设备可用率超过95%。该机组出力为190MW,在简单循环下的效率大于38%,联合
12、循环2拖1配置时的出力为570MW,效率大于57%。联合循环31配置时的出力超过800MW。该机组已能适用于调峰变负荷的联合循环电厂。图3西门子V94.3A燃气轮机Fig.3SiemensV94.3AGasTurbine50Hz则以西门子第三代改进型的V94.3A为代表,目前运行超过45台,其单机的出力为269MW,简单循环的效率为38.6%,联合循环在1拖2的配置下,功率达到400MW,效率则达到目前世界商业机组的最高水平58.4%。该机型1995年首次进入市场以来,累计运行超过65万小时,最佳的机组运行近5万小时。整个机组的可靠性达到99.8%,平均可用率为94%。其性能和可靠性是50Hz
13、领域、大功率燃气轮机的世界最高水平。在新建燃气轮机及联合循环电厂时,环保及全寿命期的经济性成为最主要的因素。西门子除了不断地改进,推出高效率、高可靠性的燃气轮机及蒸汽轮机外,还重点对燃气轮机排放以及联合循环装置运行的各个环节进行研究改进。进行,以提高西门子燃气轮机的运行能力。西门子低NOX排放的的预混式DLN燃烧器,其燃烧区处在燃料缺乏区间,可降低NOX的形成。通过减少燃烧器中的空气,则能提高火焰温度,减少CO的形成。在机组满负荷测试过程中,NOX已达到小于9ppm的水平。压缩机进气可调导叶(IGV)能容易地控制燃烧器的气流。通过对循环启动过程,导叶的位置调整改进已使启动时产生的CO排放降低了
14、40%以上。此外通过部分负荷工况排放水平的降低,扩大了燃气轮机2蒸汽联合循环负荷的应用范围,使机组在保持低排放条件下能以不同的功率大小参与电网的调峰运行。减少启动时间及燃烧排放的改进都有利于降低整个电厂运行的环保指标,对项目的许可和场址选择产生重大影响,促进了燃气轮机的市场开发。此外,西门子有关余热锅炉(HRSG)的设计专利缩短了联合循环的启动时期,也节约了燃料和水用量的消耗,降低启动运行的成本,提高了电厂的经济性。3.2扩大允许偏周波运行范围燃气轮机一旦并网,其运行转速及周波则取3综合提高燃气轮机装置性能水平西门子先进的大功率燃气轮机决于电网频率。当电网周波超出机组允许的范围时,机组的保护功
15、能将切断燃气轮机和相关设备与控制电网的连接。与燃气轮机的灵活运行特点相对应,电厂用户希望机组具有更大的偏周波运行范围,能承受更多的脱频事件,保持在线能力。西门子通过设计、零部件试验研究和整机试验验证,对扩大燃气轮机的偏周波范围进行了研究。为此,西门子配置了专门的整机试验台,将燃气轮机与一个能吸收全部燃气轮机输出功率的水制动器相连。该装置能使燃气轮机在满负荷条件下以各种速度运行。通过试验测定,在确定的设计参数条件下,燃气轮机能承受频率偏离。目前W501和“3A”系列的燃气轮机都已通过偏周波试验,证明西门子的燃气轮机在工业应用中能适应非常宽广的频率范围。通过各种频率下的验证试验,z气轮机,允许周波
16、在zz续运行,对47Hz到53Hz之间运行异常条件下可靠运行的能力。3.3延长大修间隔期燃气轮机的计划检修和维护间隔时间一般根据运行时数或瞬时温度波动次数(即启动、跳闸等)来确定,从提高设备利用率,降低运行成本,提高效益角度,希望机组两次停机维修的间隔尽可能长。西门子通过对燃气轮机某些零部件的优化设计,达到延长计划检修间隔期的目的。优化设计的重点在于减少温度快速变化引起的零件热应力,以达到减少检修频率的效果。首先西门子的转子采用螺栓固定转盘的结构形式,依靠销和/或相邻盘之间的机械连接传输扭矩,通过转子数百万小时的运行证明,这种结构具有非常好的扭矩承载能力。转盘具有整体汽封,没有中间密封或隔离转
17、盘。转子材料采用低合金钢,与其他制造商使用的韧性较低的材料相比,具有韧性好、不易开裂的优点。西门子燃气轮机均为4级,产生的应力比同类机组低。最近对批量生产的W501F燃机中的一台约运行80,000小时的机组进行计划容量升级。西门子公司与产品用户一起,对转子及材料的物理性能进行了检查。检验结果表明,转子仍然完好,可继续运行。西门子延长计划检修间隔时间的成功努力,直接提高了机组的可用率。3.4提高机组的调峰能力虽然与常规的蒸汽发电系统相比,燃气轮机更能满足快速启停的要求,但在上个世纪90年代期间,F类燃气轮机主要在联合循环中承担基本负载。设计和制造偏向于在连续运行条件下,达到尽可能高的效率。级间的
18、漏气是与燃气轮机效率有关的一个关键设计参数。气封间隙越小,机组效率越高,因此叶片级的设计径向间隙很小。,相应的技术措施有:,有时甚至每天多次启。由于早期W501燃机机型的动静间隙很小,为此对设计进行了修改,在燃气轮机的径向表面采用一种专门的涂料,使机组效率仍然保持较高的条件下,能不受限制地灵活启动、停机和再启动。这种涂料具有的物理性能,允许它们在旋转时碰磨,为此燃气轮机可根据其运行的模式,自动设定需要的汽封间隙大小。(2)联合循环快速启停联合循环使电厂的热效率达到世界最高水平。但通常的余热锅炉不能适应燃气轮机快速启动及变负荷能力,即在联合循环中,蒸汽轮机和余热锅炉将要求较长的启停时间。当燃气轮
19、机2蒸汽轮机作为频繁启动的调峰机组时,机组的启动特性将直接影响到整个电厂的经济性。西门子为使联合循环机组保持燃气轮机所具有的快速启动能力,大幅提高机组的调频能力,减少启动燃料、水的消耗,降低总体排放量,提供了一种经济的解决方案。这种改进的一个关键零部件是采用西门子专利的本生(BENSON)直流锅炉,它能配置或不配置导管点火和SCR/CO-催化剂系统。这种余热锅炉使西门子设计的燃气轮机联合循环在经过一夜和周末停机后,启动所需时间只有原来的一半(图1)。第3期热力透平13%以上。同样,50Hz的V94.3A机型经过优化,使其ISO功率由最初的240MW增加到现在的269MW,提高了12%。按这些燃
20、气轮机ISO条件下的功率额定值,在更冷的环境温度下运行时,则能产生更大的功率。新的W501F燃机能在非常低的温度下利用增加燃烧室流量的方法,出力可提高到230MW。而在寒冷的环境条件下,W501G燃气轮机功率在280MW以上,甚至具有产生300MW功率的能力。3.6提高效率,以及节约一次能源,西门子始终致,目前商业运行的W501F、3A燃气轮机的效率和联合循环效率已达到世界最先进的水平(见下表)。型号W501FW501GV94.3A图4快速启动装置启动时间Fig.4Faststartplantstart2uptime使燃气轮机在较小径向间隙下具有快速调峰能力的高温涂层技术以及提高联合循环启停速
21、度的西门子本生直流锅炉技术扩展了西门子燃气轮机的调峰能力,降低运行成本及具有减少总体排放量大大提高了西门子燃气轮机的市场竞争力。3.5提高出力的技术措施西门子采取了多种技术,气轮机的出力,主要措施有:(1)W501F、W501G和V94.3A型燃机的功率,是目前世界各类燃气轮机(即60HzF类、60HzG类和50HzF类)中功率最大、商业运行业绩最为成功的燃气轮机产品。为了提高输出功率,可在压气机进口采取蒸发冷却、雾化和冷冻技术。在不影响机组运行可靠性情况下,这些技术能增加输出功率。(2)燃烧室喷蒸汽流量W501系列燃气轮机还有一种增加功率的选周波606050燃气轮机190MW253MW269
22、MW简单循环效率38%39%38.6%联合循环效率57%58%58.4%燃机的联合循环高效率能通过燃气轮机和蒸汽循环组合实现。以W501G联合循环为例,在较高燃气轮机负载期间的透平采用外置的闭环蒸汽冷却器,但是在启动和部分负载期间使用空气冷却器。较低负载期间的空气冷却器能力已足够,不需要依赖辅助蒸汽源。在较高的燃气轮机负载下,热交换器冷却需要的蒸汽由蒸汽循环提供,温度较低的冷却蒸汽进入各热交换器内的内壁冷却回路,通过冷却壁后,被加热的蒸汽收集在排出集管内,通过导管从燃机中输出,增大联合循环的高热再热蒸汽。使用闭环蒸汽回路冷却器,有利于燃气轮机和联合循环。给燃气轮机带来好处的原因是减少了被压缩的
23、空气,能用来产生功率和帮助减少NOX。蒸汽循环获得好处是通过将热转移到热2再加热蒸汽系统,提高联合循环性能。用方案,增大蒸汽功率。在这种配置中,由余热锅炉(HRSG)或直流锅炉(OTSG)产生的蒸汽通过管子引送到燃气轮机,在燃烧前与压缩空气混合,使进入燃气轮机的总流量增加,因为该增加的流量并不消耗压缩功,故可使功率大幅增大。以这种模式运行时,不影响机组的可靠性,不改变机组的计划维护间隔。(3)机组的优化设计技术,主要有增加压气机流量,改进透平的冷却技术,压气机及透平叶片的全三维设计以提高压缩效率和透平输出功率,材料、涂料和密封技术的改进等。在过去12年来,W501F的ISO功率比额定值增加了2
24、4%,达到190MW。W501G的升级已使ISO功率额定值自其90年代推出第一代以来,达到253MW,增加了4结论(1)西门子60Hz的W501F178西门子公司燃气轮机及联合循环汽轮机制造考察报告备,又会编制数控程序,同时还要作好零件检验记录。一般一人操作两台数控机床。(3)公司内部岗位社会化的增效措施。岗位社会化体现了现代企业管理科学、专业、高效、低成本的理念。例如柏林工厂X光拍片由专门探伤公司派员进行,每月按拍片数量结算费用。(4)车间设备布置按工艺流程进行布置。如转子轮盘加工车间,依次按工艺道序排列数控正面车床、数控端面齿磨床、数控拉床、数控钻床等,这样便于工件物流的运转。(5)车间现
25、场管理规范整洁。柏林工厂冷作车间打磨有专门区域及吸尘设备,每个焊接区域及相邻区域之间都用条状塑料布或黑色胶布隔开,便于焊接;总装车间场地按清洁度要求分A、B区管理,总装台上使用的工具都摆放整齐;米尔海姆工厂总装台下用日光灯作照明,场地十分清洁,无油污。(6)为充分发挥工作场地和设备的效率,数控机床全部开三班,连转子叶片装配,汽机、燃机总装也开三班。(上接第173页)和W501G以及50Hz的V94.3A燃气轮机以其成功的商业运行业绩表明,这些机组的经济性、可靠。、材料、减少排放、。(2)通过整机试验装置的燃烧试验研究,改进燃烧器不仅降低了满负荷,而且降低了低负荷工况的排放。此外,通过采用西门子
26、专利“本生”直流锅炉技术将联合循环的启动时间缩短了一半,从而既减少了启动过程燃料和水的消耗,又减少了启动过程中的排放。(3)通过整机试验装置的试验研究验证了西门子燃气轮机系列产品的偏周波运行范围可扩大到47Hz到53Hz(对50Hz)。(4)西门子燃气轮机的结构特点可使机组具有较长的检修间隔,对实际商业运行机组的质量。)。(6)通过采用增加燃烧室蒸汽流量、压气机及透平通流部分全三维叶片、冷却技术、涂料密封技术以及燃气轮机高温叶片的外置式冷却系统等,使W501F、W501G、V94.3A的出力分别提高了24%,13%,12%。简单循环的效率则达到38%39%,联合循环的效率达到58.4%的先进水平。
