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深度丨中小型燃氣輪機應用發展概述

2020-08-05 13:45:39 兩機動力控制   作者: 馬強 王文祥等  

導讀:本文重點針對10-30MW級別的燃氣輪機的主要參數、性能特點、應用情況進行應用發展分析。根據中小型燃氣輪機技術發展趨勢,更多的輕型、高效、業績豐富的燃氣輪機產品將被應用于海上油氣領域。

燃氣輪機被譽為海上油氣田生產的“心臟”,目前渤海灣油田90%以上發電均采用燃氣透平作為主電站。燃氣透平具有功率大、體積小、效率高、排放氣體污染小的特點,得以在海上油氣田開發及LNG發電領域獲得廣泛應用。燃氣輪機于20世紀30年代后期問世,最初在航空領域獲得快速發展和應用,之后逐步應用于油氣發電等領域。

經過半個世紀的發展,燃氣輪機在美國、英國、日本、加拿大和俄羅斯等國家大量使用。從世界燃氣輪機發展來看,先進燃氣輪機生產已集中在幾家大型公司,形成了高度核心技術壟斷和市場壟斷局面,并已經成為一個國家工業基礎和科技水平的重要標志之一。

燃氣透平是以連續流動的氣體為工質的內燃旋轉式熱能動力機械。氣體在壓縮機內壓縮,經加熱后在透平中膨脹做功,把熱能轉換成機械能。燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和透平三大部件以及相應的控制系統和輔助系統設施組成。輸出的功率可用于發電機、泵與壓縮機等各種負荷。

目前,海洋石油油氣開發平臺燃氣透平主電站定位于10~30MW的功率等級機組,尤其對10MW級別的燃氣輪機有著豐富的應用。展望今后海上油氣田對平臺電力的需求,本文對國外中小型燃氣輪機的應用狀況進行研究分析。

1 美國索拉渦輪公司(Solar)

美國索拉渦輪公司成立于1927年,在二戰中憑借金屬材料加工的優勢,20世紀50年代起在美國海軍的支持下研制燃氣輪機。目前索拉公司提供6個產品系列的燃氣輪機,包括Saturn、Centaur、Taurus、Mercury、Mars、Titan。

1977年索拉公司推出Mars燃氣輪機,在進行了多次升級后,發電功率達到10685kW。1985年索拉公司推出Centaur系列燃氣輪機,發電功率為4600kW,具有重量輕、結構緊湊的特點,以上兩款機型全球累計應用超過4000臺套。

Titan130燃氣輪機是索拉公司于1997年研發的基于簡單循環的燃氣輪機,具有機械驅動用途的雙軸變速形式和用于連續負荷發電的單軸恒速形式,燃機ISO功率達到15000kW。索拉公司在設計Titan130燃氣輪機及其整套渦輪時,將機械部件的可維護性放在首位,目前已有累計300多臺Titan130在全球獲得應用,在海上油氣田應用非常成熟。

Titan250燃氣輪機是索拉公司于2008年投入應用的升級型燃氣輪機,ISO功率為21.7MW,機組效率高達38.8%,比具有同樣底座的Titan 130多提供50%的輸出功率,排放減少30%,Titan 250既可用于電力生產應用,亦可用于壓縮機站和機械驅動裝置應用。Titan250燃氣輪機采用工業型雙軸設計,使用16級軸流壓氣機,具有進口可轉導葉和5級可轉導葉。壓比為24∶1。

2 美國GE公司

美國通用電氣公司在基于航空發動機基本結構基礎上發展了LM系列燃氣輪機,并研發了基于GE10系列和MS系列的重型工業燃氣輪機。

LM2500是從GE公司的TF-39渦輪風扇發動機派生而來,ISO功率為25MW,機組效率為37%。從1975年開始投入艦船使用以來,已經發展了許多類型,并研制了LM2500+(第三代LM2500)、LM2500+G4(第四代LM2500)等機組。目前LM2500系列燃氣輪機應用已經超過1800臺。

LM2500+燃氣透平的ISO功率32MW,機組效率39%。LM2500+與LM2500相比,做了以下方面的改進:壓氣機增加1級零級,進口導葉采用可調導葉;高壓壓氣機采用高效部件;高壓渦輪葉片采用更好的材料和涂層;燃燒室采用熱障涂層;動力渦輪重新設計;控制系統采用綜合電子控制系統。

LM2500+G4燃氣透平的ISO功率35MW,機組效率39%。LM2500+G4按照動力渦輪可以分為兩種類型,一種動力渦輪采用6級低速渦輪,一種采用2級高速動力渦輪。LM2500+G4在LM2500+基礎上,再次做了以下方面的改進:重新設計壓氣機進口導向葉片,并將零級葉片錯級布置;改變壓氣機轉子材料,增加高壓壓氣機壽命;重新設計高壓渦輪第一級轉子葉片,改善冷卻結構和抗氧化涂層;重新設計高壓渦輪轉子增加其壽命,重新設計6級動力渦輪的第2級和第3級的導向器,增加其輸出功率。

GE公司還研發了基于GE10-1、GE10-2、MS5001、MS5002系列的重型工業燃氣輪機。MS5000系列(又稱Frame V)是GE公司從1952年開始研制的單/雙軸工業用燃氣輪機,1957年開始生產。MS5000系列具有良好的燃料適應性,能實現原油、天然氣、柴油等三種燃料的切換。目前累計生產了164臺MS5001燃氣輪機及492臺MS5002燃氣輪機。

GE10系列重型燃氣輪機是由意大利新比隆公司研發的第二代雙軸PGT10工業型燃氣輪機派生而來,GE10-1主要用于發電,GE10-2用于機械驅動,于1999年開始投入使用。GE公司已經累計生產了近30臺GE10系列機組。目前國內中航世新已經對GE10-1進行國產成撬化,研發了QD100A燃氣輪機。

3 德國西門子Siemens AG

西門子成立于1847年,2001年起西門子收購德國Demag Delaval公司和阿爾斯通工業渦輪業務后,擁有中小型燃氣輪機(50MW以內)完整的產品系列。西門子生產的SGT系列燃氣輪機已經超過1600臺。

SGT400燃氣輪機ISO額定功率為12.9MW。SGT400壓氣機采用11級軸流式,增壓比為16.9,空氣流量38.9kg/s。燃燒室為分管式,采用6個回流火焰筒。高壓渦輪采用2級軸流式。SGT400為雙軸設計。目前已成產和安裝SGT-400燃氣輪機至少87臺。

SGT500燃氣輪機ISO額定功率為17MW。SGT-500壓氣機采用10級軸流式,增壓比為12,空氣流量92.4kg/s。燃燒室為環管型,7個火焰筒。高壓渦輪和低壓渦輪均為2級軸流式,動力渦輪則分為2級和3級兩種規格。此外,SGT-500具有良好的燃料適應性,在一定條件下,可以對油氣燃料進行混燒。目前已經有超過193臺SGT-500機組投入運行或安裝。

SGT600燃氣輪機ISO功率為24.8MW,SGT700燃氣輪機ISO功率為29.1MW。這兩款機型是由瑞士Sulzer-Escher Wyss公司生產的雙軸工業燃氣輪機,2004年起被西門子收購。SGT-600采用10級軸流式壓氣機,SGT-700采用11級軸流式壓氣機,前2級為超音速設計,以便用更少的級數達到更高的增壓比。燃燒室為環形,包括1個點火器和18個環形布置的燃油噴嘴,采用低排放技術使得SGT-700的NOX排放低于15ppm。高壓渦輪和動力渦輪采用2級軸流式。目前已累計生產和安裝SGT600和SGT700燃氣輪機277臺。

4 德國MAN Turbo

德國MAN Turbo主要包括THM1300系列工業燃氣輪機和用于工業及城市電力的FT8航改燃氣輪機。

1988年,MAN接管了法國Hispano-Suiza公司的THM系列燃氣輪機。THM1300系列燃氣輪機的發電功率從8.6MW-11.5MW,目前已經交付188臺。THP1304-12于2004年投入使用。其壓氣機采用10級軸流加單機離心組合式,最大增壓比為11.3。高壓渦輪采用2級軸流式,動力渦輪為2級軸流式,反力式設計,轉速為8600r/min。

5 英國羅爾斯 羅伊斯公司(Rolls-Royce)

英國羅羅公司1904年成立于英國曼徹斯特,在二戰期間主導了噴氣式航空發動機。20世紀60年代,羅羅公司研發了RB211型發動機。RB211燃氣輪機是從航空型RB211渦輪發動機發展而來。

航空型RB211用于波音747、波音757、波音767、洛克希德L-1011型飛機。RB211燃氣輪機移除了風扇,將原中壓壓氣機變成了低壓壓氣機,增壓比為20~21.5;改進低壓壓氣機第1級轉子、靜葉片、安裝雙向滾珠推力軸承。燃燒室采用鎳合金制成火焰筒。高壓渦輪和低壓渦輪均為單級軸流式。RB211燃氣輪機在加拿大魁北克省的蒙特利爾市加工制造,目前制造和安裝工業型和艦船用燃機587臺。

6 烏克蘭曙光機械聯合體

烏克蘭曙光機械聯合體成立于1946年,是前蘇聯時期唯一的燃氣輪機大型生產企業。從1954年起,曙光機械已經交付了四代燃氣輪機,功率從2.5MW至110MW,累計交付3000多臺艦船用或工業用燃氣輪機。

UGT10000是曙光機械研制的第四代高效單元體式燃氣輪機,其ISO功率為10.7MW,效率高達36%。從1998年開始研制,2004年批量生產。

UGT15000是曙光機械研制的第三代燃氣輪機,是蘇聯海軍應用最多的燃氣輪機。UGT15000的ISO功率為17.5MW,效率為34.2%。前蘇聯有50%以上的艦艇都以它作為動力裝置,是世界上應用最廣泛的艦用燃氣輪機之一。1993年,曙光機械研制了該機型的升級版UGT1500+,ISO功率升級至20MW,效率提高至36%。

UGT25000是曙光機械最新研制的第四代燃氣輪機,ISO功率為26.7MW,效率為35.6%。該機是在UGT15000的基礎上進行升級,將原壓氣機加零級,渦輪的進口溫度提高至1250度。UGT25000從1995年開始研制,2002年開始投運。

7 結語

燃氣輪機對于海上油氣田開發具有舉足輕重的地位,燃氣透平是海上油氣田主電站的首選方式。展望未來,隨著海上油氣開發的要求,燃氣輪機的選型考慮因素將更加全面,除了需要綜合考慮燃氣透平對油田方案的負荷率,還需考慮發電效率、占地面積及重量、排放標準、海上維護性等要求,更多輕型、高效、豐富業績的燃氣輪機產品將會用于海上油氣開發的領域。

(作者:馬強 王文祥 王建豐 洪毅,中海油研究總院,中海石油有限公司)




責任編輯: 江曉蓓

標簽: 中小型燃氣輪機

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