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1、发电用燃气轮机节能及减排新技术发展动态,电站燃机系列讲座,第一部分 绪论 燃气轮机系统,简单开式燃气轮机循环,简单闭式燃气轮机循环,燃气轮机理想循环,P-V 图,T-S图,燃气轮机实际循环,H-S图,不可逆损失：1）压缩过程；2）膨胀过程；3）燃烧效率；4）发电效率；,燃气轮机理想循环效率 一定增温比下的效率,循环净功,燃气轮机实际循环效率,保持循环增温比一定,随循环增压比的提高循环内部热效率有一极大值；提高压气机的绝热效率和燃气轮机的相对内效率,及减小压气机中压缩过程和燃气轮机中膨胀过程的不可逆性,内部热效率随之提高；循环增温比越大,实际循环的热效率越高。,燃气轮机提高效率的总体发展方向,效
2、率提高,耐高温材料,降低不可逆损失,提高初温,改进单元设备,本质提高,有限提高,主要内容GE燃机结构演进过程；SIEMENS、Mitsubishi、ABB公司燃机的发展；高温通道材料技术。,第二部分 GE燃机结构演进过程,总体发展脉络：初期设计 主要以6B型机组为代表。模化设计 主要以7EA、9E机组为代表,在当时还没有一个高性能压气机的情况下,满足功率增长的需要。加级设计 相应提高初温,改善冷却,主要以9EC、9FA机组为代表。全新压气机设计 相应大幅度提高初温,采用陶瓷隔热涂层,高温部件全部蒸汽冷却,主要以9H机组为代表。,一、9E型燃机 1.9E原始模型 GE9E机组模化的原型是6B型机
3、组。6B特点：1）功率不大，尺寸较小；2）为保持一定的圆周速度，使（u/c0）处在最佳 值，设计转速较高，用于发电时需配置减速箱。,6B与9E型号参数对比,GE MS9001E燃气轮机纵剖图,9E机组的压气机实质是B型压气机按几何相似模化放大,性能并没有改进。其中微小的变化只是设计工况点选取不同；压比仍在1216,初温在11001130,其中微小的变化只是设计工况点选取不同；除了流量、功率增大以外,热效率并没有提高。由于采用模化放大的设计方法,9E系列尺寸增加较大,转子轴向距离和重量增加,临界转速下降；9E机组从原来单轴发电机组常规的二支承结构,不得不变成三支承结构,以满足临界转速的要求。9E
4、机组在压气机与透平转子中间增加了一个径向轴承,这给机组安装、调整及检修带来极大不便,也影响运行的稳定性。这种设计只能说是一种过渡性的设计。,2.9E燃机特点,二、9F型燃机 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。1.9F原始模型 GE9F机组模化的原型是7F型机组 1981年，GE开始实施F级燃气轮机计划，其中的新技术包括：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。这些新技术在燃气轮机上的应用,使机组的耐烧温度提高到超过前几代机组的水平，形成7F型燃机。
5、在此基础上,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。,9F型燃机是在7F型基础上采用模化原理设计出来的，模化系数1.2。9F型燃机也经历了一系列发展过程，压比、燃机透平入口温度逐步提高，从而机组出力和效率也相应提高。,2.F级燃气轮机的主要结构特点,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；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
6、样就可以使燃气透平实现轴向排气,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；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；压气机和透平均采用水平中分面结构,便于安装和检修。,三、9FA型燃机,1.9FA技术特点 GE9FA燃气轮机由1台18级轴流式压气机、配有18个低NOX燃烧器的燃烧室和1台3级燃气透平等设备组成；9FA机组实际上先于9EC机组开发,压气机压比和流量均比9EC高。9FA压气机加了两个跨音级,同时去掉末级,仍保持18级,以便二支点结构设计在临界转速上能通过。由于前面加了二个跨音级,其作
7、功能力比去掉的末级大,因此,流量、压比均比9EC有所提高；9FA机组使用一种冲击冷却过渡段,高温部件涂隔热陶瓷涂层,蜂窝密封结构,配合压比提高,初温相应提高到1288,热效率达到35.17%,单机功率226.15MW。,GE 9FA 燃气轮机关键技术进步集中体现在3个方面:压气机的高压比；燃气轮机的耐高温性能；干式低NOx 的燃烧技术。,四、9G/H型燃机,GE公司在F型取得成功的基础上,更全面地采用航空技术,开发面向21世纪的大功率先进燃机9001H/G,这两种燃气轮机称为轻、重型燃气轮机技术结合的典范。其主要特点有:由航空改型的压气机压气机由CF6-80C2,航空发动机的14 级高压压气机
8、按3倍放大,后面再加上4级,成18级,压比由15增加到23,空气流量增加到685kg/s。采用航空技术的4级涡轮涡轮叶片为三维航空叶型,采用隔热涂层,第一级工作叶片和导向器叶片全部喷涂氧化锆固化钇陶瓷涂层,进口温度为1426,单晶精铸叶片。,采用空气和蒸汽冷却G型的前三级涡轮叶片为空气冷却,H 型的第一和第二级为蒸汽冷却。蒸汽冷却比空气冷却效果更好,且冷却后的蒸汽可进入联合循环的汽轮机中作功,使功率增加;还能降低NOX 的排放到10ppm以下,联合循环功率增加60MW,效率提高二个百分点,达60%；NOX排放低采用DLNII型干低污染的双燃料环管燃烧室,燃天然气时,NOX排放为25ppm,采用
9、蒸汽冷却时为9ppm；整体煤气化联合循环(IGCC)H型的设计着眼于多种燃料,在需要燃煤时,可在加装的煤的气化装置后成为IGCC电站。大功率、高效率的燃气轮机可降低IGCC电站的建设费用,降低每千瓦造价。功率可达480MW,效率60%。,附表MS-9001F/G/H 型燃气轮机性能,9G与9H的不同点9H机组压气机18级,压比23,空气流量680kg/s,初温1430。9H机组联合循环出力为480MW,热效率60%。高温部件全部采用蒸汽冷却(包括喷嘴、动叶),冷却蒸汽由专门装在排气管道中的蒸汽发生器供给(联合循环由余热锅炉供给),燃烧系统采用DLN和催化燃烧系统。9G型机组与9H型机组实质相同
10、,差别在于9G型机组采用常规空气冷却。,五、GE燃气轮机演进过程技术路线汇总,提高效率的总体策略,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。,20世纪40年代中期，MS3002重型燃气轮机空气流量37Kg/s，无进口可调导叶和放气阀；1955年,MS5000重型燃气轮机压气机采用NACA65叶型，空气流量72Kg/s，在4860r/min时，压比为6.78；之后，MS5001M提高转速至5100r/min。在此基础上,通过增加进口级直径、增加空气流
11、量和压比,形成了GE的重型燃气轮机系列。,压气机的演进过程,MS5001M 的压气机头三级又重新进行了设计,在进口增加了一级,压比提高到9.8；进口导叶改变为可调,起动时可调节空气流量,低负荷工况时可维持较高的透平进气初温,形成了MS5001N型；MS5001N和P、MS7001A和B、MS9001B型实际上具有相同的气动设计。5100r/min的MS5001N压气机模化放大为3600r/min的MS7001A压气机,使空气流量增加了一倍以上；,压气机的演进过程（续）,再重新设计了前4级,使流量和压比进一步增加,形成了MS7001C和MS7001E型压气机；在MS7001E、MS9001E和M
12、S6001的压气机中,对1-8级静叶又作了修改,以改善低频率运行时的性能；MS7001E 型压气机又通过简单的增加外径,使 流量和压比增加,形成了MS7001EA压气机；MS7001H和MS9001H两种型号压气机18级,获得了23:1的高压比。它除进口导叶可调外,又增加了4级可调静叶,以优化部分负荷工况性能。,压气机的演进过程（续）,燃气透平的演进过程（续）,围绕提高进气初温进行，主要措施：改进喷嘴和动叶的材料，完善叶片的冷却技术；1961年的MS5000燃气轮机进气初温816；1980s投运的MS6001和MS7001机组进气初温1104；MS9001FA机组的进气初温达到1300；MS9
13、001G机组的进气初温达到1430。,围绕叶片改进，主要体现为：MS7001H和MS9001H两种型号透平为4级,其叶片应用了航空发动机的叶型,按三元流方法设计而成,前两级叶片应用了蒸汽闭环冷却；第1级动叶和喷嘴为镍基超级合金单晶铸件,消除了晶界,改善了高温疲劳性能,并且涂有氧化锆稳定的钇陶瓷隔热涂层；后三级动叶应用定向结晶铸件,第2级动叶还加了隔热涂层。24级静叶应用等轴材料,2、3级静叶加了隔热涂层；,燃气透平的演进过程（续）,六、GE公司燃气轮机联合循环,MS7001H/9001H型联合循环,MS7001H/9001H型联合循环特点,GE公司大功率联合循环装置，GE“H”型燃机配置的联合
14、循环,其中汽轮机是三压、再热式(高压、中压、低压三种压力供汽,中压供汽经再热),其进汽参数为 615MPa/566/566,与常规汽轮机的进汽参数相同。燃气轮机的热部件(高温叶片)采用蒸汽冷却,由汽轮机的高压缸排汽(温度较低)冷却燃气轮机的高温叶片,冷却蒸汽受热后又回到中压缸作功,形成冷却回路,并使热交换赋于冷却蒸汽的热量得到利用。,GE大功率联合循环装置,1.SIEMENS E级燃机V94.2,西门子V94.2 燃气轮机,第三部分 SIEMENS、Mitsubishi、ABB公司燃机的发展,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),目前投入市场的为50周波164MW的V94
15、.2 机型及相应60周波的V84.2 机组,其进口温度达到1100。,一、Siemens 公司燃气轮机的演进过程,西门子V94.2燃气轮机主要的结构特点为:采用双轴承转子,没有中跨度轴承；压气机为带中心拉杆的转盘结构,只有一个中心螺栓,转盘靠径向齿校准,径向齿还承担转矩传送；冷端驱动、轴向排汽；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；两个单管圆筒式燃烧室,使叶片不受火焰直接辐射。,V94.3A燃气轮机为50Hz,3000r/min,第三代产品,环形燃烧室。其设计基于西门子可靠的V94.2机型,其坚固耐用的特性,已通过120多台机的7万次启动和超过400万h
16、的运行验证。,2.西门子V94.3A燃气轮机,西门子V94.3A燃气轮机,西门子V94.3A燃机与GE、三菱公司燃机的技术参数比较,西门子V94.3A 燃机设计优势,(1).与发电机连接方式 采用冷端驱动,通过3S连轴器与蒸汽轮机连接,设计优势如下:可以有效地避免燃气轮机的热涨对发电机的影响,可以有效地保证机组的可用率。通过3S连轴器的连接,可以同时实现单机运行与联合循环运行的双重目的,为燃气机单机快速达到满负荷进行调峰提供便利。(2).转子 采用两个轴承,中空轴,叶轮之间通过Hirth齿(希斯端面齿)啮合,叶轮之间通过中心拉杆轴向固紧转动平稳；最佳的透平冷却空气抽取方式；快速启动。,(3).
17、压气机 采用15级高效动、静叶片；优化的压气机压比设计点和采用控制扩散翼型；进口可调导静叶。设计优势如下:采用高效率的轴流式压气机；运行灵活、高效。(4).燃烧器 采用低NOX 技术,可燃烧多种燃料干式低NOX 排放；多燃料多燃烧方式系统。,二、Siemens Westinghouse公司燃气轮机的演进过程,Siemens Westinghouse燃机501系列的发展过程表明：自60年代后期推出501A后,70年代推出501D,单机功率增大1倍,进气温度提高200。90年代较70年代单机功率再增加1倍以上,进气温度又提高300以上。在进入21世纪初期,联合循环装置热效率将突破60%。,以透平为
18、例作简要说明,501F的结构与501D相同,透平转子都是由4个叶轮通过拉紧螺杆以及叶轮端面上具有传递扭矩的环形齿组合而成,这种结构已具有超过40年的运行实践经验,成熟可靠。,Siemens Westinghouse 公司燃气轮机的演进过程,从501D发展至501F,再发展到501G的进程,虽然燃机进气温度有了一定的提高,由于采用了不断改进的冷却技术,使透平4级的静叶和动叶的金属温度仍保持在同一水平。,Siemens Westinghouse 公司燃气轮机的演进过程,以燃烧室为例,501G采用蒸汽冷却燃烧器及其过渡段,以代替原501F的空气冷却,使 1020%的冷却空气流量可正常投入工作。冷却蒸
19、汽来自联合循环中余热锅炉的中压蒸汽,冷却燃烧器及其过渡段后受热又回到联合循环中汽轮机的中压部分作功。蒸汽冷却的应用使在燃烧室中心区域的工作温度相同(501G与501F均为 15001600)条件下,而燃烧室出口、进入透平第 1 级静叶处的气温却由1350(501F)提高到1500(501G)。,Siemens Westinghouse 公司燃气轮机的演进过程,Siemens Westinghouse 燃气轮机501系列静叶和动叶温度,501F与501G燃烧器及冷却系统,Siemens Westinghouse在发展501G的基础上,又发展了501ATS,使进一步提高进气温度和机组出力,以及进一
20、步提高循环热效率。,Siemens Westinghouse 燃气轮机与联合循环的发展,三、Mitsubishi公司燃气轮机演进过程,Mitsubishi燃气轮机是在引进Westinghouse的技术基础上发展起来的,其起点较高,发展很快。燃机的进气温度、功率及热效率均不断提高,联合循环装置的热效率大大超过最新火电超临界机组。1997年1500级的M501G燃气轮机正式投入实验验证运行,在新产品开发设计中,对该机组的性能、金属温度、应力、振动以及冷却、转子推力、烟尘、差胀、噪音、润滑油等共布置约1800个测点的检测,测试结果良好。通过对整台新机组的全面测试,搜集汇总大量测试数据,对改进、发展和
21、提高起十分重要的作用,这也是燃气轮机技术不断可靠而有效发展的重要措施。,三菱燃机的特点,三菱燃机的燃烧器采用多喷嘴预混燃烧器,另外在燃烧器末段装有一个空气旁路阀.透平叶片采用最新的冷却技术和高强度翼材料,并采用了三维气动设计,增强了透平叶片的冷却效果.三菱燃机也是采用冷端驱动的设计思想.燃机的动叶冷却空气从压气机出口抽出来后还经过了一个冷却器,所以冷却空气的温度较低,通过这么一个冷却交换的方法,动叶冷却温度降到了200,这使的动叶的材质可采用普通的材质.F型燃机的#1级静叶的冷却方式有气膜冷却,冲击喷流冷却,尖头喷流冷却,销片冷却四种方式;#1级动叶则有气膜冷却,回流冷却,尖头喷流冷却,销片冷
22、却四种方式.该燃机的转子叶轮是用十二拉杆螺栓连接在一起.,三菱F级燃机介绍,三菱燃机压气机有17级，而透平则有4级，汽机分有高中低三缸，其中高压缸和中压缸采用反向布置，以平衡轴向推力。启动装置为发电机。三菱燃机透平进口初温约1400，燃机排气温度约为600。燃气轮机功率为270MW，汽轮机功率为130MW，整套机组的总功率400MW。,三菱大型燃机出力提高及热效率的变迁,三菱燃机高效高性能技术,(1)低NOX预混燃烧室 该燃烧室的构造有以下几个特点：喷嘴组采用了预混喷嘴和扩散喷嘴相结合的方式，这是降低NOX的关键，采用这种方法燃烧NOX的排放量大约是20ppm；设立了能用最小的燃烧量稳定火焰的
23、值班喷嘴，稳定了燃烧，防止了燃料与空气的比率的失衡；使用了能大幅度减少冷却空气的新型冷却壁；尾筒装有一个能将空燃比控制在最佳状态的旁路阀。,(2)高温冷却技术 F型的燃机一级动叶内部冷却通道采用的是弯曲型的通道，最新的还有在叶片表面添加涂层的技术，大大加强了叶片的冷却效果。另外叶片的材料也不断的发展，现在F型燃机的透平一级静叶采用的MGA2400（Ni基合金），一级动叶采用的则是MGA1400-DS（Ni基合金）(3)高温涂层技术 在叶片表面涂上一层高效的遮热涂料，这种材料传热效果差，能使温度传到叶片表面下降60到80度。,三菱燃机高效高性能技术,联合循环机组的热效率,大型燃气轮机各型号参数,
24、四、ABB公司燃气轮机,ABB GT24/GT26燃气轮机为提高机组热效率,不是提高透平进气温度而是沿用原有的进气温度,通过透平第 1 级(亦称高压透平)作功后,再进行第 2 次燃烧(再热),燃气进入第 25 级(亦称低压透平)作功。,这样可不必采用新的高温材料,或不必增加过多的冷却流量,以及可降低 NOx。实践表明,已取得好的成效。ABB 在燃烧、透平以及总体布置上开发的新技术,避免因提高初温带来的材料、结构、冷却等方面所增加的费用,也能达到同样的效果。目前情况是两种风格并存,各有特色,并继续发展。,ABB GT24/GT26燃气轮机两级燃烧系统图,ABB公司 GT24/GT26 燃气轮机热
25、力循环图,ABB 大型联合循环装置列表,第四部分：高温通道材料技术,高温材料是先进燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件,没有先进的高温材料就不可能设计出先进的燃气轮机。新一代高效燃气轮机为不断提高性能,要求向高温、高压、大功率和小型化方向发展,这必然要求材料具有高熔点、高强度、高韧性等特性。世界先进国家在制定国家关键技术发展计划时,都把高温材料发展计划摆在比较重要的位置,高温合金,变形高温合金:变形高温合金在燃气轮机上的应用范围很广,几乎所有热端部件都可以采用变形高温合金,一般的工作温度范围在6001000之间。铸造高温合金:铸造高温合金比变形高温合金能在更高的温度下工作,以定向凝固和单晶高
26、温合金使用温度最高,极限温度不超过1100,主要用于制造涡轮叶片和导向叶片等。,快速凝固高温合金:主要包括粉末高温合金和喷射成形高温合金,用于制造涡轮盘,具有中温高强度特性。机械合金化(弥散强化)高温合金:靠增添少量(2%)氧化物弥散质点(Y2O3)强化,用机械合金化方法制备的高温合金,主要用于制造燃烧室、涡轮叶片等,使用温度不超过1200。,高温通道材料的发展,镍基高温合金粉末高温合金高温涂层陶瓷集体复合材料,高温通道材料发展情况（1970-2020年）,镍基高温合金,变形合金铸造合金 定向合金 单晶合金用途：燃烧室、导向叶片、涡轮动叶片、涡轮盘,镍基高温合金材料的进展,叶翼应用 DSC(定
27、向凝固)和 SX（单晶）合金 高梯度浇铸技术转子应用 熔炼/浇铸技术,粉末高温合金,FGH95粉末高温合金是采用粉末冶金工艺制备的相沉淀强化型镍基高温合金。该合金相的体积分数为 50%左右,其形成元素的原子分数为12.8%。合金盘件的制造工艺路线是采用真空感应熔炼制取母合金,然后雾化制取预合金粉末,进而制成。,高温涂层,要提高燃气轮机涡轮叶片零件工作温度和延长其寿命,对防护涂层,特别是在可能热腐蚀条件下工作的涂层提出了苛刻的要求。传统的扩散铝化物涂层和渗铝硅涂层已经不能满足高压涡轮叶片抗高温氧化和抗高温燃气高速冲刷的工作要求,只能用于低压涡轮导向器和整流支柱表面的保护。,两种新型涂层 喷涂 C
28、oCrAlSiY/ZrO2 梯度涂层应用在高压涡轮导向器电子束 CoCrAlY/ZrO2 梯度涂层应用在高压涡轮动叶表面,高温涂层,Nb 基超合金,日本从1996年开始,以超高温材料研究所为中心,联合工业技术院九州工业技术研究所(现产业技术综合研究所)、东北大学和东京工业大学,进行新型Nb基超合金的开发。采用固溶强化和弥散强化来强化Nb基体。Mo和W无论在室温还是在高温,都对Nb有显著的强化作用,而Mo和W复合添加效果更好,可提高韧性。在1500下,屈服强度与Mo+W(比例为23)的添加量呈线性关系,添加量越大,屈服强度越高,且蠕变断裂强度也随之增加。,金属间化合物,包括 Ti3Al、Ni3A
29、l和TiAl、NiAl及其它高温结构化合物。Ni3Al和NiAl组最高温度不超过1100和1200,Ti3Al和TiAl使用温度分别可达700和1000。这类材料比重比普通镍基和钴基高温合金小,因此比强度高。,金属基复合材料,主要包括高温下可应用的纤维增强钛合金、化合物、高温合金材料。SiC增强21S、TiAl、NiAl、MoSi2等,其使用温度不同,一般不超过1200,MoSi2 复合材料可达到1300,陶瓷及陶瓷基复合材料,主要包括Si3N4和SiC及Cf/Si3N4、SiC/SiC和Cf/SiC等材料,其Si3N4和SiC基材料使用温度分别不超过1400和1650。,C/C 复合材料,包
30、括制动器和热结构材料,在涂层抗氧化条件下热结构材料使用温度可达到 1650 2200,是高温结构材料中最具发展潜力的材料。,难熔合金及其复合材料,主要包括比重较轻可能应用的Nb基合金复合材料以及Nb-Si,Ti-Si系金属间化合物及其复合材料。研究的材料性能在10271327之间,由于不抗氧化、晶粒易粗化引起强度降低和材料比重大,难以取得实用化成果。,参考文献,1.GE 公司重型燃气轮机系列发展分析2.GE公司F级燃气轮机3.GE 9FA 燃气轮机若干关键技术特点4.GE 公司的高性能燃气轮机M S-9001G/H5.西门子V94.3A 燃气轮机的技术特点6.西门子先进的大功率燃气轮机,谢谢大家！,
