GE公司9F重型燃气轮机的演化

GE公司9F重型燃气轮机的演化I. 简介作为一家拥有130年能源创新历史，并在160多个国家拥有机组运行经验的公司，在发电设备，能源服务及能源管理系统领域中，GE业已成为世界最大、产品最多样化的供应商之一。

事实上, 在今天，GE产品承担着全世界四分之一的发电量。

作为世界燃气轮机技术的领跑者，GE推出的F 级燃气轮机实现了多项业界第一，其中包括：第一家机组交运过1000台，第一家机组在世界范围内运行服役超过3500万小时，同时也是第一家为整体煤气化联合循环发电(IGCC)设计并制造F级燃气轮机的厂商。

融汇大量成熟产品技术，紧跟全球不断变化的电力生产需求，GE 9F燃气轮机持续革新改进，在保持原有F级机组运行灵活性的同时，不断改善发电出力，效率，排放并拓展其应用领域。

如今，F级燃气轮机产品线下的9FA和9FB两款机型，拥有着世界领先的技术及性能。

II. 产品的演化9F级50Hz重型燃气轮机家族已有超过20年的发展历史，1991年，GE 推出简单循环出力达212MW，效率达35.0%的9F型燃气轮机。

随后，很快又推出了增加了14.5MW出力和更高效率的9FA燃机(01版)。

如图1所示，9FA燃机持续改进，接着推出了9FA燃机(02版)以及现在的03版设计。

目前，9FA燃机(03版)做了多种针对客户需求的改进，包括了机组性能的提高，运行灵活性的增强和机组可用率的提升。

这些技术中包括了增强型压气机，干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+), 热通道部件冷却技术升级及叶片状态监测等。

图1：9F重型燃气轮机的演化随着客户需求的不断发展，9F燃机家族推出了更高出力和效率的9FB 燃机。

作为GE最先进的50Hz空冷燃机，9FB燃机应用了与9FA燃机相同的压气机设计并提高压比，使用了新型的可适应更高燃烧温度的热通道部件。

从干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+)，到更高性能的新型部件，再到可减少安装时间的模块化辅助系统，9FB燃气轮机正用不断的技术革新来满足客户日益发展的需求。

2011年，为满足客户一直以来对机组运行灵活性的需求，GE推出了FlexEfficiency* 50联合循环电厂，该电厂以全面革新的9FB燃机为基础，结合压气机和透平升级技术, 继续采用干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+), 单轴配置下额定出力可达510MW，满负荷下效率大于60%。

FlexEfficiency*50联合循环电厂设计和燃机设计平行进行，整体优化，确保了机组高水平的运行灵活性。

9FB燃机(05版)，9FA燃机，9FB燃机(03版)性能对比，请参见表1。

9FA和9FB燃机系列运行效率高且兼顾运行灵活性。

在考虑燃料成本时，9FB燃机的高效率缓解了燃料成本高企给电厂带来的压力，而在考虑机组成本时，9FA燃机为简单循环调峰运行和联合循环电厂提供了经济的解决方案。

9FA和9FB燃机的运行灵活性可满足当今电网调峰及平衡可再生能源供电波动的快速响应的需求。

拥有灵活起停及更低的部分负荷运行能力的9FA和9FB燃机为电厂操作人员提供了适应电力需求波动的最佳选择。

此外，9FA和9FB燃气轮机还可满足部分区域电网对于频率波动和欠频运行的要求(具体的偏频运行水平需要根据具体现场和地方法规要求而定。

)机群数据统计目前，9F燃机累计装机240台，总计运行超过9百万小时和9万次启动。

9F机组于20年前推出，目前已遍布世界各地。

除了在像西欧这样的发达国家市场上运行(如英国，意大利，西班牙等)， 9FA和9FB燃机市场亦扩展到了新兴市场，例如东欧(拉脱维亚，立陶宛)，北非(阿尔及利亚，埃及)，中东，南美(智利，阿根廷)和中国。

图2，图3是一些机组的现场安装照片。

过去，大部分9F燃机主要在基本负荷下运行，但近年来由于电力需求的转变，如图4所示，机组运行已有向周期性起停和调峰运行发展的趋势。

将来，9F机组非常有可能像如今的7F机组一样, 成为主要负责周期性起停和调峰运行的机组。

如图5所示，9F燃机的可靠性和可用率仍领先于世界水平。

III. 产品共有特性9F燃机产品线通过对一些机组共有部件的技术升级，来增加机组出力，提高效率，降低排放，提高部分负荷运行能力,同时提高可用率和可靠性。

图6标示了部分技术升级的所在位置，在接下来的章节中，我们将对这些升级技术进行具体介绍。

增强型压气机随着9F机组运行经验的积累，为了解决客户最为关注的问题，在提高机组运行可靠性的同时，提高压气机的耐久性和可用率，GE对9F压气机设计进行了如下改进：• 级压气机入口导叶，转子前端和中部动叶，前端和后端静叶，大幅减轻了老化和应力对部件的影响。

加之配套的先进材料处理工艺，大幅延长了压气机的耐久性和有效寿命。

•通过增强叶片抗磨损性能和降低运行中的应力，使压气机能够在更宽泛的运行环境中正常运行，减少非计划性检修停机对电厂运营的影响。

以上手段提高了机组可靠性和可用率，减少了例行检查和维护的成本。

而升级后的压气机将9F燃机的平均可用率提升了1.9个百分点。

增强型压气机已是9FA和9FB(03版) 燃机的标准配置，并可用于现有安装机组的升级。

为了协调现场的客户检修及安装计划，表2提供了不同的升级包所需要的标准检修时间，包括只需一天即可完成的控制曲线改造升级包(1)到需在大修期间进行全部部件更换的升级包(3-5)。

每个现场升级完成后，将不再需要做相应的技术更新包和例行检查，从而提高燃机的可用率。

目前所有的9FA和9FB(03版) 燃机已排入升级检修计划。

叶片状态监测叶片状态监测系统是用来监测压气机R0, R1 和R2动叶的动静挠度并进行实时数据测量的重要工具。

该系统在压气机缸体安装了一系列非接触式传感器，对叶片状态进行数据采集(频率，振幅)，并通过与GE研发的数据模型的比对来分析采集到的数据，从而得到叶片的状态变化趋势，同时判断是否有突变。

例如，这些数据可以用来分析并确定叶片经过多次起停后的状态变化趋势或者通过分析全速全载时叶片的静挠度来判断叶片的老化程度。

截至2010年2月，包括改造项目和新机组销售，已有18台机组安装了叶片状态监测系统。

干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+)DLN2.6+综合了9FA DLN 2+和7FA DLN2.6燃烧系统以及9H和6CDLN2.5H 燃烧系统的技术与优势。

如图7所示，DLN 2.6+具有DLN 2.6相同的燃烧系统配置：5个外围燃料喷嘴和一个单独的中心燃料喷嘴，中心燃料喷嘴确保了在较广条件下燃烧的稳定性。

在DLN2.6结构基础上，DLN2.6+增加了由DLN 2+和DLN2.5H所采用的燃料喷嘴—“swozzle”。

Swozzle将燃料喷射口和旋流叶片结合在燃料喷嘴主体内部，从而能够将燃料更好混合，使燃烧区域更加稳定。

由于采用了GE专有的非平均燃料分配策略，DLN2.6+能够在更低的部分负荷运行情况下保证排放达标。

另外，由于采用了先进材料，涂层和冷却技术的采用，DLN2.6+燃烧室小修间隔在标准间隔的基础上延长了8000小时。

图7：DLN2.6+ 燃烧室部件值得一提的是，9FA燃机DLN2.6+燃烧系统在50%的部分负荷下运行时，可维持NOx和一氧化碳的排放在20mg/Nm3的水平(相当于NOx：9.7ppm，一氧化碳：16.2ppm)。

当负荷降至35%左右时，NOx和一氧化碳的排放仍可维持在30mg/Nm3的水平上(相当于NOx：15ppm，一氧化碳：24.3ppm)，同时可保证24000小时的燃烧室小修间隔。

9FB(03版) 在保持NOx排放30mg/Nm3(30ppm)和一氧化碳排放12.5mg/Nm3(10ppm)时，机组可降至38%负荷水平运行，燃烧室小修间隔12000小时。

9F(05版)在低于40%的负荷下运行时，NOx和一氧化碳排放水平可分别维持在30mg/Nm3的水平。

DLN2.6+燃烧室部件2005年被应用于9FA燃机，2007年为9FB(03版)所采用, 截至2011年3月，已在超过47台燃机上累积运行超过450,000小时和7000多次启动。

在各种燃机上得以应用的DLN2.6家族(DLN 2.6, DLN 2.6+)已累计运行超过了1800万小时470,000次启动。

如图8所示，这些机组分别肩负着调峰运行，周期性起停和基本负荷运行的任务。

图8. DLN 2 燃烧系统机群数据DLN 2.6+在原有DLN燃烧系统上改进了燃料的适用性。

基于先进的燃料喷嘴和控制技术，DLN2.6+在较低燃烧脉动水平下，可以适应天然气组分修正华白指数+5%的范围变化。

如果应用OpFlex软件和模型化自动调节控制技术，9FA DLN2.6+在主燃烧模式下，可适应天然气组分修正华白指数+20%的范围变化，在所有燃烧模式下，可承受+10%的修正华白指数变化。

DLN2.6+燃烧系统同时保留了燃烧轻油的配置，并可利用注水控制NOx排放。

在9FA 和9FB燃机应用DLN2.6+燃烧系统的同时，GE开发升级了一整套模型化控制产品，其中包括OpFlex自动燃烧调整和OpFlex低温环境性能优化应用等。

模型化控制GE采用了基于航空领域丰富的经验，开发了的行业领先的燃机控制系统。

该控制系统监控实时的参数变化，通过模型模拟、整体优化得到更精确的控制手段，从而提高了燃机的性能，灵活性和可靠性。

GE的模型化控制已广泛应用于7FA机组多年，并于2009年推广应用于9FA燃机。

模型化控制的核心是使用全负荷周期控制(ALCC)技术来取代一直沿用的预设模式控制技术。

ALCC通过综合优化入口导叶角度(空气流量)和燃料阀位置(燃料流量)在额定的燃烧温度，压气机喘振预量和燃烧室运行限能来保证机组出力。

ALCC分析实时运行数据，并与热力学模型不断比对来帮助操作人员根据周围具体条件和部件老化程度来取用相应的运行参数。

由于能够更精确地识别机组物理状态，模型化控制技术在提高机组整体可靠性的同时，亦可将其性能和灵活性发挥至极致。

通过运用虚拟传感器技术，当控制系统诊断到某传感器因为本身故障出现测量值不准确或损坏时，会通过热力学模型计算出合理值传输给虚拟传感器来取代实际值，减少不必要的跳机，从而保持机组继续可靠运行。

与ALCC系统相结合，OpFlex燃烧自动调整程序将模型化控制形式用于燃烧系统控制，取代原有多燃料回路需要预设模式控制的方式，采用DLN 2.6+ 燃烧模型和控制逻辑来实现实时调整以降低排放和减少燃烧脉动。

使燃烧系统实现在线燃烧调整并可更好适应外部条件诸如环境温度，燃料温度和燃料组分的变化。

该技术避免了季节性燃烧调整的需要，使9FA燃机DLN 2.6+燃烧系统能够适应天然气组分修正华白指数+20%的变化。

通过燃烧系统持续调整，实现了较低的燃烧脉动，避免了因周期性高脉动燃烧损坏部件而导致的维修成本的升高和检修间隔的缩短。