GE公司F级燃气轮机总体性能参数

GE公司F级燃气轮机
1 F级燃气轮机产品系列及其性能演变
F级燃气轮机已有多种多样的型号可满足不同用户的需要，在MS6000、MS7000、MS9000系列中都有F级的产品，表1列出F级燃气轮机最新机型简单循环的性能，表2列出50Hz的F级燃气轮机联合循环（三压再热蒸汽循环）的性能。

表1 F级最新机型燃气轮机简单循环性能
基本参数MS9351FA MS7241FA MS6101FA
净出力/MW 255.6 171.7 70.1
效率/% 36.9 36.4 34
透平进口温度/℃1327 1327 1288
压比15.4 15.5 14.9
质量流量/kg·s-1624 432 198
排气温度/℃609 602 597
频率/Hz 50 60 50/60
表2 50HzF级燃气轮机联合循环性能
基本参数S109FA S209FA S106FA S206FA
净出力/MW 390.8 786.9 107.4 218.7
净热耗率/kJ·（kWh）-16350 6305 6767 6654
净效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1
MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA型燃气轮机都有18级的压气机和3级的涡轮机，以冷端驱动和轴向排气为特点，有利于联合循环布置。

F级燃气轮机采用GE公司传统可靠的分管式燃烧系统，
并可配备双燃料燃烧系统，如在以天然气为主燃料时，可以轻油为辅助燃料。

当天然气供应发生故障时，机组可自动切换到轻油燃烧，使燃机不因燃料供应故障而停机，进一步保证了机组的可靠性和可用性。

机组也可根据要求，在一定条件下使用双燃料混合燃烧。

此外，F级燃气轮机可燃用低热值燃料，从而扩大了发电厂的燃料使用范围和灵活性。

F级燃气轮机应用于IGCC电厂，可最大程度地降低燃煤电厂对环境的影响。

GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型机组的基础上，发展完善了底盘部套、控制和辅机组合一体的快装模块结构，这种标准化布置可减少管道、布线及其他现场相关联接的工作量，缩短安装和启动周期，降低建设成本，同时也提高了机组的运行可靠性。

F级燃气轮机还显示出不同寻常的环保特点。

由于机组的效率高，单位发电量的NO x和CO排放量较少。

采用干式低NO x（DLN）燃烧室，大大降低了NO x的排放。

180多台采用干式低NO x燃烧室的F级燃气轮机已累计运行近30
0万h。

有些电厂的NO x排放量甚至低于10mg/kg。

1.1 7F和7FA、7FB型燃气轮机
自从1987年生产第一台7F型燃气轮机后，经过不断改进，形成了一系列F级的燃气轮机。

图１以7000系列中的F级燃气轮机为例，展示了F级燃气轮机的发展过程。

(图中华氏温度t F 换算因数为)其主要性能见表3。

图1 F级燃气轮机的发展过程
表3 7F系列燃气轮机主要性能
从1992年开始，美国能源部推出ATS（先进的燃气轮机系统）计划，资助进行新机型的开发。

GE公司在这个项目的支持下开发了H型机组。

开发和研究的新技术包括：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。

1998年初，第一台9H型机组已在美国进行工厂试验，计划2002年投入商业运行。

由于H级燃气轮机开发成功，GE公司又将某些H级技术反过来用到7FA型机组上，得到7FB型。

这些技术包括：单晶叶片（单晶N4合金DSN4或GTD444），耐热涂层，三维气动力设计，更多冷却气膜等。

使7FB 型机组的压比提高到18.5，燃烧温度提高到1371℃，7FB型燃气轮机的主要性能见表3。

表4列出7FA、7FB和7H型燃气轮机组成联合循环时的性能对比。

107FB型的出力比107FA型稍有增加，效率有明显提高。

表4 7FA、7FB和7H型机组成联合循环时的性能对比
1.2 9F和9FA型燃气轮机
9F型燃气轮机是在7F型基础上采用模化原理设计出来的，模化系数为1.2。

9F型燃气轮机也
经历了一系列发展过程，压比、燃气透平入口温度逐步提高，从而机组出力和效率也相应提高。

目前，最新型号的9F型机组（PG9351FA）简单循环出力达255.6MW，热效率为36.9％；联合循环机组S109FA型出力达390.8MW，效率为56.7％。

表5列出9000系列主要机型的参数变化情况。

表5 9000系列主要机型的参数变化情况
基本参数PG9281F PG9311FA PG9351FA
净出力/MW 212 226.5 255.6
净热耗率/kJ·（kWh）-110535 10298 9750
压比13.5 15.0 15.4
燃气温度/℃1260 1288 1327
压气机级数18 18 18
压气机流量/kg·s-1605.3 607.2 645
透平级数 3 3 3
出厂日期1993～1994 1994 1996
1.3 6FA型燃气轮机
90年代初，GE公司又将7FA型技术转移到已经有30多年运行经验的6B型机组上，开发出6FA 型机组。

1993年开始设计6FA型，模化系数为0.69，得到了大流量压气机，同时将燃气温度提高到1288℃。

1995年第一台机组出厂，满足了市场对具有高效率的中等容量机组的需求。

MS6001FA 型燃气轮机简单循环的额定功率为70MW，用于联合循环的功率为107MW。

燃烧室数量由6B型的8个减少到6个，减少了维修工作量。

表6列出6FA和6B型机组的性能对比。

表6 6FA和6B型机组的性能对比
压比11.8 14.9 11.8 14.9
进气温度/℃1104 1288 1104 1288
排气温度/℃541 597 538 597
燃烧室个数8 6 8 6
转速/r·min-15100 5250 5100 5250
6FA型燃气轮机与6B型机组一样，通过齿轮箱可以将转速降低到3000r/min或3600r/mim，以适应不同发电频率的要求。

减速齿轮箱是由德国Renk AG公司研究开发的。

2 F级燃气轮机的结构特点
GE公司生产的重型燃气轮机在结构上彼此是非常相似的，F级燃气轮机的主要结构特点有：（1）它们都是整体式结构型式。

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。

（2）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。

（3）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。

（4）压气机和透平均采用水平中分面结构，便于安装和检修。

2.1 压气机
GE公司F级燃气轮机所用的压气机，是由E型燃气轮机17级压气机按空气动力学模化原理设计的，并增加了1个零级，由18级组成，压缩比为15左右。

为了防止启动过程中压气机发生喘振，压气机中都装有进口可转导叶和1～2个中间级的放气口，F级机组的放气口布置在第9和第13级后。

在联合循环方式运行时，进口可转导叶还能在一定负荷范围内确保透平前的燃气温度恒定不变，以提高部分负荷时的效率。

压气机通流部分的前5级采用等内径的结构型式，其后各级则采用等外径的结构型式。

由于叶片外径增大，圆周速度增加，前2级为超音速级，相应的叶型设计为直线形薄叶片，以减小流动损失。

为适应空气流量与压缩比的增加，压气机叶片要求强度高，疲劳强度和衰减率大的材料。

在第0～8级，用新开发的强度高耐腐蚀的C-450材料代替以前的防腐涂层叶片。

第9～17级采用高温强化材料SUS403。

压气机转子根据以前用15根通穿螺栓紧固的经验，采用多段积层结构与透平转子结合成高刚性转子，其一阶弯曲振动频率为额定转速的125%。

压气机气缸除采用具有水平中分面外，还把气缸沿轴向分为2～3段。

分段气缸结构的优点是：由于前后段温度的不同，前后段可以采用不同材料；每段气缸比较短，便于气缸内表面静叶叶根槽的加工；配合中间级防喘放气，在每段的接合处可以设计成为圈环状的放气口，使气流均匀，减少对叶片的激振力。

GE公司生产的燃气轮机，压气机的转子采用了外围拉杆螺栓联接的盘鼓式的转子结构型式。

盘鼓式的转子是把各级轮盘在接近轮缘处的鼓环，用多根细而长的拉杆螺栓彼此压紧而连接成为一体的，因而它在接近轮缘处是一个转鼓，可以使转子具有很好的刚性。

转子旋转时产生的离心力则是依靠轮盘来承受的，致使这种转子也能具有很高的强度。

压气机转子的拉杆数目大约为14～18根不等。

为了保证转子运行的安全和可靠，各轮盘之间必须有足够的压紧力，因而拉杆的预紧力是很大的。

2.2 燃烧室
GE公司F级燃气轮机均采用其传统的逆流式分管型燃烧室，不同容量的机组配用不同数量的燃烧室。

GE公司提供2种燃烧室，一种是标准型的，可用于气体或各种液体燃料，一般都配置空气雾化式的双燃料喷嘴，可带或不带用于降低NO x排放的或为增加出力的注水或注蒸气装置。

另一种是干式低NO x燃烧室，采用稀释态燃料预混干式低NO x燃烧技术，可用于气体或轻质液体燃料，在燃烧天然气时NO x排放量低于25mg/kg，但是用于液体燃料时需要注水来降低NO x排放。

随着燃气透平前温度的提高，燃烧室出口过渡段的冷却必须加强。

GE公司在F级燃气轮机上专门设计了一种有冲击冷却效果的过渡段。

该过渡段是双壳体型式的，内过渡段被一个钻有许多小孔的外套包围着。

从压气机来的空气通过这些小孔，形成射流去冲击冷却内过渡段。

外套用AISI-304不锈钢制成。

内过渡段是用Nimonic263制作，并在其内表面喷涂耐热涂层。

燃烧室的外壳选用SA/516-55钢制造，火焰管的前段用HASTX/HS-188制造，火焰管尾部一段改用HS-188制造，火焰管的内表面上均喷涂耐热涂层。

2.3 透平
GE公司F级燃气轮机的透平均采用3级轴流式透平，是运用GE公司航空技术进行设计的。

随着高温材料和冷却技术地不断发展，其进口燃气温度由最初的1260℃逐步提高到最新FA型的1327℃和FB型的1371℃。

第1、2级动叶片与全部3级静叶片采用适应高温化的高性能空气冷却。

压气机第13级抽气
用于透平第2、3级冷却后，作为转子冷却空气与密封空气使用。

压气机第17级空气由通道内径侧抽出，由于流场的离心作用，消除了气流中的有害粒子，清洁的抽气作为第1级冷却空气。

利用从另外的压气机引入的空气冷却透平轴承座和透平第3级叶根。

透平第1级静叶片温度最高，采用耐高温腐蚀与热疲劳强度高、焊接性能优良的Co基超合金FSX-414，第2、3级静叶片采用抗蠕变与热疲劳强度高的Ni基超合金GTD-222。

3级静叶片均采用精密铸造，第1级
静叶片内部有为冲击冷却用的金属插件，除冲击冷却外，前缘采用喷头冷却，内背弧采用气膜冷却。

第2级静叶片采用冲击冷却与强制对流冷却相结合，冷却空气从叶片后缘吹出。

第3级静叶片仅采用强制对流冷却。

3级动叶片均采用具有航空使用经验、高温强度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，也采用精密铸造成型。

使用环境严酷的第1级动叶片采用定向凝固的GTD-111DS，以控制径向晶界，改善蠕变断裂强度。

第1级动叶片是由先进的航空技术引进的蛇形通道对流冷却，冷却空气从叶片底部输入，从叶顶和叶片后缘的轴向开口混入主流燃气，同时也通过叶片前缘与侧壁排出并形成冷却气膜。

9FA型机组透平第1级工作部分与叶根之间的长柄减轻了通流部分向叶根的传热，第2级动叶片采用以前从叶根到叶顶钻有许多冷却孔的强制对流冷却。

第1级扇形护环是保持叶顶最小间隙的主要部件，为改善低频热疲劳，护环的高温内侧与低温外侧采取分开结构，内侧护环使用热疲劳强度好的材料IN-738，并采取冲击冷却、强制对流冷却与气膜冷却。

热障涂层是延长零件寿命不可缺少的高温化技术之一。

为保护在高温下工作的透平叶片，对前2级叶片进行双喷涂处理，即用真空等离子喷涂抑制腐蚀，用铂铝化合物喷涂抑制氧化。

第3级叶片仅用Cr扩散防腐涂层。

GE公司设计的燃气轮机中采用外围拉杆型式的透平转子，它们是依靠压紧面上的摩擦力传递转矩的。

每级轮盘上都轴向地开出枞树形叶根槽，用于安装动叶片。

这种叶根槽的优点是多对齿承力，强度高，承载能力大；尺寸紧凑，连接质量轻，可以使动叶片的叶根接近于等强度设计；采用有间隙的松装结构，能自由热膨胀，可以让冷却空气从间隙中流过，增强了对叶根和轮盘轮缘的冷却效果。

透平气缸采用双层结构并有空气进行冷却，其外层为气缸，内层则由静叶片的外缘板和护环等元件组成，是一种承压件与承热件分开的结构型式。

气缸与高温燃气隔绝，这样不仅可以有效地降低气缸的工作温度，以便采用较差的材料，同时还能减少气缸的热膨胀量和热应力，并能减少对气缸的热冲击，有利于机组的快速启动和加载，还有利于控制透平动叶片顶部径向间隙在运行之中的变化。

2.4 关于F型燃气轮机转子故障问题
1994～1995年期间，一些7F和9F型机组在运行中出现了一些质量问题。

后来GE公司经过分析与改进，将很多机组返厂进行检修，基本解决了这些问题。

出现的转子问题主要有：（1）转子轮盘间扭转侧滑。

转子轮盘间侧滑仅发生在一台7F型机组上，其原因是：在确定用15根拉杆螺栓将多个轮盘结合在一起所需要的拉力时，设计者计算错误，致使施加给螺栓的拉力不够。

GE公司对20多台运行中的机组增加了螺栓的拉力，问题就解决了。

（2）机组振动增大及拉杆问题。

关于机组振动增大的问题，在7F、9F型机组中均有发生，主要是由二方面原因造成的。

其一，2～3级级间轮盘刚性太低，由于转子自身质量使转子轴线下垂弯曲，运转时偏心质量力使转子振动较大，并使第2级和第3级叶轮与第2～3级级间轮盘发生相对运动，使振动水平进一步扩大。

这个问题主要出现在9F型机组中，通过更换一个刚性更高的第2～3级级间轮盘，解决了这个问题。

另外，9F型机组有5根拉杆螺栓出了问题，2根失效，3根断裂。

经调查，9F型机组的螺栓由2个供货商提供，出问题的5根螺栓都是其中一个
供货商的产品，原因是他们没有按规定的标准加工螺栓。

GE公司已经取消了这个供货商的订货。

3 GE公司F级燃气轮机的运行业绩
截止到2000年8月，共有800台F级燃气轮机已安装或已订货，其中202台机组已累计运行315万h。

某台MS7001F型机组至今已累计运行超过55220h，并经历了2005次启动。

MS9001FA型机组运行最长的已达到35798h，经历了725次启动。

F级燃气轮机的运行业绩见表7。

表7 GE公司F级燃气轮机的业绩
总数202 3152144 65491
DLN燃机180 2960844 59245
典型单机45734 2325 注：DLN是干式低NO x排放燃烧室。

1999年的一个可靠性统计数据表明，25台GE公司的7F和7FA型机组的平均可用率为89.3%，而包括GE公司机组在内的53台同等级世界主要燃气轮机的平均可用率为84.9%。

另外，GE公司的7F和7FA型机组的平均可靠性为99.5%，而包括GE公司机组在内的同等级世界主要燃气轮机的平均可靠性为95.7%。

MS9001FA型联合循环机组应用的里程碑是东京电力公司的1座总容量为2800MW电厂的8台STAG109FA型机组。

其中第一批2台机组于1996年1月并网发电，全部8台机组已于1998年投入运行。

这些机组每天开机停机运行，周末完全停机，以液化天然气（LNG）为燃料，采用蒸汽拖动静态启动的方法，干式低NO x燃烧系统和干氨催化还原装置SCR可使NO x的排放量在满负荷运行时减少到5mg/kg（氧含量为16%）。

世界上容量最大的联合循环发电厂是韩国电力公司的Seoinchon 电厂。

该厂一期有8台STAG107F型机组已累计商业运行约20万h，二期4台STAG 207FA型机组现已安装就位，该厂总出力达到4000MW，效率大于55%。

中国香港中华电力公司的龙鼓滩（Black Point）电厂装有6台STAG 109FA型机组，总容量超过1800MW。

F级燃气轮机有较大的燃料适应性，可燃用蒸馏油和天然气，包括煤制气、液化天然气和液化石油气（LPG）。

机组启动后，燃料可以切换而不会导致性能损失。

出力范围广，排气能量高，模块式组合设计布置使得在联合循环和IGCC系统中F级燃气轮机能理想地适应多种多样的用途，包括热电联产、地区供热或单纯发电。

例如，美国佛罗里达州Tampa电力公司的Polk电站容量为250MW 的机组是以GE S107FA型燃气轮机为基础的IGCC机组。

自1996年以来，该机组燃用合成煤气累计运行了1万多h，电厂效率超过41%。

1台6FA型机组用于加里福尼亚州Sierra Pacific电力公司的Pinon Pine IGCC电站，也于2000年投入运行。