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深度丨中小型燃气轮机应用发展概述

2020-08-05 13:45:39 两机动力控制   作者: 马强 王文祥等  

导读:本文重点针对10-30MW级别的燃气轮机的主要参数、性能特点、应用情况进行应用发展分析。根据中小型燃气轮机技术发展趋势,更多的轻型、高效、业绩丰富的燃气轮机产品将被应用于海上油气领域。

燃气轮机被誉为海上油气田生产的“心脏”,目前渤海湾油田90%以上发电均采用燃气透平作为主电站。燃气透平具有功率大、体积小、效率高、排放气体污染小的特点,得以在海上油气田开发及LNG发电领域获得广泛应用。燃气轮机于20世纪30年代后期问世,最初在航空领域获得快速发展和应用,之后逐步应用于油气发电等领域。

经过半个世纪的发展,燃气轮机在美国、英国、日本、加拿大和俄罗斯等国家大量使用。从世界燃气轮机发展来看,先进燃气轮机生产已集中在几家大型公司,形成了高度核心技术垄断和市场垄断局面,并已经成为一个国家工业基础和科技水平的重要标志之一。

燃气透平是以连续流动的气体为工质的内燃旋转式热能动力机械。气体在压缩机内压缩,经加热后在透平中膨胀做功,把热能转换成机械能。燃气轮机由压气机、燃烧室和透平三大部件以及相应的控制系统和辅助系统设施组成。输出的功率可用于发电机、泵与压缩机等各种负荷。

目前,海洋石油油气开发平台燃气透平主电站定位于10~30MW的功率等级机组,尤其对10MW级别的燃气轮机有着丰富的应用。展望今后海上油气田对平台电力的需求,本文对国外中小型燃气轮机的应用状况进行研究分析。

1 美国索拉涡轮公司(Solar)

美国索拉涡轮公司成立于1927年,在二战中凭借金属材料加工的优势,20世纪50年代起在美国海军的支持下研制燃气轮机。目前索拉公司提供6个产品系列的燃气轮机,包括Saturn、Centaur、Taurus、Mercury、Mars、Titan。

1977年索拉公司推出Mars燃气轮机,在进行了多次升级后,发电功率达到10685kW。1985年索拉公司推出Centaur系列燃气轮机,发电功率为4600kW,具有重量轻、结构紧凑的特点,以上两款机型全球累计应用超过4000台套。

Titan130燃气轮机是索拉公司于1997年研发的基于简单循环的燃气轮机,具有机械驱动用途的双轴变速形式和用于连续负荷发电的单轴恒速形式,燃机ISO功率达到15000kW。索拉公司在设计Titan130燃气轮机及其整套涡轮时,将机械部件的可维护性放在首位,目前已有累计300多台Titan130在全球获得应用,在海上油气田应用非常成熟。

Titan250燃气轮机是索拉公司于2008年投入应用的升级型燃气轮机,ISO功率为21.7MW,机组效率高达38.8%,比具有同样底座的Titan 130多提供50%的输出功率,排放减少30%,Titan 250既可用于电力生产应用,亦可用于压缩机站和机械驱动装置应用。Titan250燃气轮机采用工业型双轴设计,使用16级轴流压气机,具有进口可转导叶和5级可转导叶。压比为24∶1。

2 美国GE公司

美国通用电气公司在基于航空发动机基本结构基础上发展了LM系列燃气轮机,并研发了基于GE10系列和MS系列的重型工业燃气轮机。

LM2500是从GE公司的TF-39涡轮风扇发动机派生而来,ISO功率为25MW,机组效率为37%。从1975年开始投入舰船使用以来,已经发展了许多类型,并研制了LM2500+(第三代LM2500)、LM2500+G4(第四代LM2500)等机组。目前LM2500系列燃气轮机应用已经超过1800台。

LM2500+燃气透平的ISO功率32MW,机组效率39%。LM2500+与LM2500相比,做了以下方面的改进:压气机增加1级零级,进口导叶采用可调导叶;高压压气机采用高效部件;高压涡轮叶片采用更好的材料和涂层;燃烧室采用热障涂层;动力涡轮重新设计;控制系统采用综合电子控制系统。

LM2500+G4燃气透平的ISO功率35MW,机组效率39%。LM2500+G4按照动力涡轮可以分为两种类型,一种动力涡轮采用6级低速涡轮,一种采用2级高速动力涡轮。LM2500+G4在LM2500+基础上,再次做了以下方面的改进:重新设计压气机进口导向叶片,并将零级叶片错级布置;改变压气机转子材料,增加高压压气机寿命;重新设计高压涡轮第一级转子叶片,改善冷却结构和抗氧化涂层;重新设计高压涡轮转子增加其寿命,重新设计6级动力涡轮的第2级和第3级的导向器,增加其输出功率。

GE公司还研发了基于GE10-1、GE10-2、MS5001、MS5002系列的重型工业燃气轮机。MS5000系列(又称Frame V)是GE公司从1952年开始研制的单/双轴工业用燃气轮机,1957年开始生产。MS5000系列具有良好的燃料适应性,能实现原油、天然气、柴油等三种燃料的切换。目前累计生产了164台MS5001燃气轮机及492台MS5002燃气轮机。

GE10系列重型燃气轮机是由意大利新比隆公司研发的第二代双轴PGT10工业型燃气轮机派生而来,GE10-1主要用于发电,GE10-2用于机械驱动,于1999年开始投入使用。GE公司已经累计生产了近30台GE10系列机组。目前国内中航世新已经对GE10-1进行国产成撬化,研发了QD100A燃气轮机。

3 德国西门子Siemens AG

西门子成立于1847年,2001年起西门子收购德国Demag Delaval公司和阿尔斯通工业涡轮业务后,拥有中小型燃气轮机(50MW以内)完整的产品系列。西门子生产的SGT系列燃气轮机已经超过1600台。

SGT400燃气轮机ISO额定功率为12.9MW。SGT400压气机采用11级轴流式,增压比为16.9,空气流量38.9kg/s。燃烧室为分管式,采用6个回流火焰筒。高压涡轮采用2级轴流式。SGT400为双轴设计。目前已成产和安装SGT-400燃气轮机至少87台。

SGT500燃气轮机ISO额定功率为17MW。SGT-500压气机采用10级轴流式,增压比为12,空气流量92.4kg/s。燃烧室为环管型,7个火焰筒。高压涡轮和低压涡轮均为2级轴流式,动力涡轮则分为2级和3级两种规格。此外,SGT-500具有良好的燃料适应性,在一定条件下,可以对油气燃料进行混烧。目前已经有超过193台SGT-500机组投入运行或安装。

SGT600燃气轮机ISO功率为24.8MW,SGT700燃气轮机ISO功率为29.1MW。这两款机型是由瑞士Sulzer-Escher Wyss公司生产的双轴工业燃气轮机,2004年起被西门子收购。SGT-600采用10级轴流式压气机,SGT-700采用11级轴流式压气机,前2级为超音速设计,以便用更少的级数达到更高的增压比。燃烧室为环形,包括1个点火器和18个环形布置的燃油喷嘴,采用低排放技术使得SGT-700的NOX排放低于15ppm。高压涡轮和动力涡轮采用2级轴流式。目前已累计生产和安装SGT600和SGT700燃气轮机277台。

4 德国MAN Turbo

德国MAN Turbo主要包括THM1300系列工业燃气轮机和用于工业及城市电力的FT8航改燃气轮机。

1988年,MAN接管了法国Hispano-Suiza公司的THM系列燃气轮机。THM1300系列燃气轮机的发电功率从8.6MW-11.5MW,目前已经交付188台。THP1304-12于2004年投入使用。其压气机采用10级轴流加单机离心组合式,最大增压比为11.3。高压涡轮采用2级轴流式,动力涡轮为2级轴流式,反力式设计,转速为8600r/min。

5 英国罗尔斯 罗伊斯公司(Rolls-Royce)

英国罗罗公司1904年成立于英国曼彻斯特,在二战期间主导了喷气式航空发动机。20世纪60年代,罗罗公司研发了RB211型发动机。RB211燃气轮机是从航空型RB211涡轮发动机发展而来。

航空型RB211用于波音747、波音757、波音767、洛克希德L-1011型飞机。RB211燃气轮机移除了风扇,将原中压压气机变成了低压压气机,增压比为20~21.5;改进低压压气机第1级转子、静叶片、安装双向滚珠推力轴承。燃烧室采用镍合金制成火焰筒。高压涡轮和低压涡轮均为单级轴流式。RB211燃气轮机在加拿大魁北克省的蒙特利尔市加工制造,目前制造和安装工业型和舰船用燃机587台。

6 乌克兰曙光机械联合体

乌克兰曙光机械联合体成立于1946年,是前苏联时期唯一的燃气轮机大型生产企业。从1954年起,曙光机械已经交付了四代燃气轮机,功率从2.5MW至110MW,累计交付3000多台舰船用或工业用燃气轮机。

UGT10000是曙光机械研制的第四代高效单元体式燃气轮机,其ISO功率为10.7MW,效率高达36%。从1998年开始研制,2004年批量生产。

UGT15000是曙光机械研制的第三代燃气轮机,是苏联海军应用最多的燃气轮机。UGT15000的ISO功率为17.5MW,效率为34.2%。前苏联有50%以上的舰艇都以它作为动力装置,是世界上应用最广泛的舰用燃气轮机之一。1993年,曙光机械研制了该机型的升级版UGT1500+,ISO功率升级至20MW,效率提高至36%。

UGT25000是曙光机械最新研制的第四代燃气轮机,ISO功率为26.7MW,效率为35.6%。该机是在UGT15000的基础上进行升级,将原压气机加零级,涡轮的进口温度提高至1250度。UGT25000从1995年开始研制,2002年开始投运。

7 结语

燃气轮机对于海上油气田开发具有举足轻重的地位,燃气透平是海上油气田主电站的首选方式。展望未来,随着海上油气开发的要求,燃气轮机的选型考虑因素将更加全面,除了需要综合考虑燃气透平对油田方案的负荷率,还需考虑发电效率、占地面积及重量、排放标准、海上维护性等要求,更多轻型、高效、丰富业绩的燃气轮机产品将会用于海上油气开发的领域。

(作者:马强 王文祥 王建丰 洪毅,中海油研究总院,中海石油有限公司)




责任编辑: 江晓蓓

标签: 中小型燃气轮机

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