GE公司9F重型燃气轮机的演化解析

GE公司9F重型燃气轮机的演化

. 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：

• 升级压气机入口导叶，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。