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9FA燃機(jī)的研發(fā)歷程 美國(guó)GE公司于二十世紀(jì)八十年代中期投入了大量資金，進(jìn)行F型燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)研制，主要是將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)技術(shù)和部件移植到工業(yè)和發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)上，從而使其性能大幅度提高。GE公司于1987年制成了首臺(tái)60Hz的MS7001 F型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，輸出功率135.7MW，發(fā)電效率32.8%。接著，GE公司與GEC Alsthom公司聯(lián)合開發(fā)，通過MS7001 F型燃?xì)廨啓C(jī)的模化放大，?；禂?shù)1.2，制成了50Hz的MS9001 F型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，輸出功率212.2MW，發(fā)電效率34.1%。其燃?xì)廨啓C(jī)的所有部件，除軸承和燃燒室以外，都是按1.2的比例進(jìn)行?；糯?。第一臺(tái)MS9001 F型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組于1991年8月在美國(guó)南卡羅萊納州的格林維爾（Greenville）廠制造成功并滿意地運(yùn)行。 接著，GE公司又將其MS7001 FA型燃?xì)廨啓C(jī)模化縮小，模化比2/3，于1995年末研制成70MW等級(jí)的MS6001 FA型燃?xì)廨啓C(jī)，通過齒輪箱減速，用于50Hz/60Hz發(fā)電。GE公司還與其意大利的伙伴新庇隆公司聯(lián)合開發(fā)了50Hz的9EC型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組結(jié)合了9E燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)和9F型燃?xì)廨啓C(jī)的透平段技術(shù)，使9E型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的性能有了較大幅度的提高。燒天然氣時(shí)，9EC型機(jī)組的額定功率達(dá)169MW，發(fā)電效率35%，首臺(tái)9EC型發(fā)電機(jī)組于1996年秋天制成。 9F型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)和性能 1．9FA型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu) 該機(jī)組為典型的單軸結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的9E型燃?xì)廨啓C(jī)相比較，省去了一個(gè)中間軸承，三支承變成了雙支承。動(dòng)力輸出由透平排氣端（熱端）改變?yōu)閴簹鈾C(jī)進(jìn)氣端（冷端）。透平改變?yōu)檩S向排氣，有利于與余熱鍋爐的連接。其控制系統(tǒng)應(yīng)用GE公司的Speedtronic MKV，有三冗余度，由3臺(tái)計(jì)算機(jī)分擔(dān)燃?xì)廨啓C(jī)的控制職能，三冗余的計(jì)算機(jī)或傳感器之一發(fā)生故障時(shí)，內(nèi)部的表決邏輯將透平控制重新定向于兩臺(tái)能工作的計(jì)算機(jī)和傳感器，因而有較高的可靠性。其輔機(jī)安裝在分開的底盤上，也有一定的冗余度。 9FA型燃?xì)廨啓C(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)、性能和材料的情況如下： 壓氣機(jī)：18級(jí)軸流式，壓比15.4∶1，空氣質(zhì)量流量645kg/s。頭兩級(jí)為跨音速級(jí)，帶可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉，用于調(diào)節(jié)透平的排氣溫度，提高運(yùn)行效率。第9級(jí)和第13級(jí)開有排氣口，以配合起動(dòng)過程。其轉(zhuǎn)子是由單個(gè)葉輪用多根IN 738合金鋼軸向拉桿連接成的剛性轉(zhuǎn)子，末級(jí)葉輪上附有一向心式透平槽道，將壓縮空氣引入中心孔，用于透平段的冷卻。轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速20%。 燃燒室：有18個(gè)逆流管環(huán)形燃燒室，直徑350mm，每個(gè)燃燒室有6個(gè)燃料噴嘴，共108個(gè)燃料噴嘴。可燒天然氣、蒸餾油和中熱值氣體燃料。兩只高能點(diǎn)火器分裝在兩個(gè)燃燒室上點(diǎn)火，各燃燒室之間用聯(lián)餡管聯(lián)餡?？梢宰⒄羝蜃⑺諲Ox的形成，或應(yīng)用干式低NOx（DLN）燃燒室。 9FA采用的DLN-2.6燃燒室主要由火焰筒、過濾段、導(dǎo)流襯套、帽罩、噴嘴、端蓋、前外殼和后外殼等部件構(gòu)成。其中，端蓋、噴嘴、前外殼和帽罩又形成了一個(gè)可以單獨(dú)拆卸的頭部組件。壓縮空氣由壓氣機(jī)的排氣缸流出，首先對(duì)過濾段形成沖擊冷卻，再逆流向前，流過火焰筒與導(dǎo)流襯套之間的環(huán)形空間，流向燃燒室頭部。其中，有少量空氣用于冷卻帽罩，其余空氣經(jīng)噴嘴上的旋流器進(jìn)入頭部的預(yù)混區(qū)，與由燃料噴管噴出的燃料氣進(jìn)行預(yù)混合，燃料/空氣混合物由預(yù)混區(qū)經(jīng)帽罩流入火焰筒，被置于2個(gè)上部燃燒室上的高能點(diǎn)火器點(diǎn)燃，火焰附著在噴嘴尖端與帽罩形成的平面上，并被火焰筒包容，燃燒產(chǎn)物經(jīng)過渡段進(jìn)入透平第一級(jí)噴嘴環(huán)。各燃燒室之間用聯(lián)焰管連接，未安裝點(diǎn)火器的燃燒室靠聯(lián)焰管聯(lián)焰而著火。每個(gè)燃燒室外的頭部均布置了6個(gè)預(yù)混噴嘴，其中5個(gè)噴嘴均布于四周，稱為外圍噴嘴。但在其中央增加了一個(gè)噴嘴。這樣，當(dāng)周圍的5個(gè)燃燒器的燃料/空氣比維持高于其貧著火極限時(shí)，可以使中央燃燒器的燃料/空氣比低于周圍的貧著火極限，同樣可以保持火焰的穩(wěn)定。由于增加了中央燃燒器，使總?cè)剂?空氣比可以比均勻地供燃料的燃燒器減到更低的數(shù)值，從而使總預(yù)混空氣量增加了6%，因而，降低了燃燒區(qū)的火焰溫度，減少了熱NOx的產(chǎn)生量。 透平：為3級(jí)軸流式，應(yīng)用壓氣機(jī)的排氣冷卻。第1、2級(jí)動(dòng)葉應(yīng)用空氣內(nèi)冷，并采用真空等離子噴涂保護(hù)涂層。第3級(jí)動(dòng)葉不冷卻，但應(yīng)用堆積涂層保護(hù)。第1級(jí)動(dòng)葉無圍帶，第2、3級(jí)動(dòng)葉應(yīng)用整體的乙形圍帶。3級(jí)靜葉都應(yīng)用空氣內(nèi)冷，第1、2級(jí)靜葉設(shè)計(jì)成2葉片塊結(jié)構(gòu)，應(yīng)用真空等離子噴涂合金保護(hù)涂層。第3級(jí)靜葉設(shè)計(jì)成三葉片塊結(jié)構(gòu)，應(yīng)用堆積涂層保護(hù)。 軸承：由拉桿組裝的整體轉(zhuǎn)子支承在兩個(gè)可傾瓦支持軸承上，軸向推力由雙銷軸推力瓦軸承自行平衡。 排氣：排氣缸應(yīng)用加長(zhǎng)的軸向擴(kuò)壓器，減小了排氣速度。降低了排氣損失。 材料和涂層： 壓氣機(jī)的1～9級(jí)動(dòng)葉和靜葉以及進(jìn)口導(dǎo)葉的材料為C-450（Custom 450），這是一種抗腐蝕的不銹鋼，可以不加保護(hù)涂層安裝在受化學(xué)侵蝕的環(huán)境中。其它級(jí)的葉片應(yīng)用加鈮的AISI403不銹鋼，同樣不加保護(hù)涂層。氣缸用球墨鑄鐵鑄造。葉輪用CrMoV鋼和NiCrMoV鋼制造。 燃燒室外的火焰筒由Hastelloy X制造，后段應(yīng)用HS-188材料，內(nèi)表面加隔熱涂層。過渡段材料為Nimonic 263，帶冷卻。后座為鑄造的FSX-414。外殼為SA/516-55鋼。 透平的三級(jí)動(dòng)葉都應(yīng)用GTD-111材料，它是由Rene 80改進(jìn)了抗熱腐蝕性能而形成的，與常用的U-500材料比較，其強(qiáng)度提高了50%，低周疲勞性能改進(jìn)了20%。動(dòng)葉為精密鑄造，第一級(jí)動(dòng)葉為定向結(jié)晶，頭兩級(jí)動(dòng)葉應(yīng)用了CoCrAly涂層，外面再?gòu)?fù)以氧化物表層。第3級(jí)動(dòng)葉采用堆積工藝的高鉻涂層，并進(jìn)行了擴(kuò)散熱處理。氣缸由CrMo鋼制造。軸和葉輪都是Inconel 706合金。第1級(jí)噴嘴是熔模燒鑄的FSX-414鈷基超級(jí)合金。第2、3級(jí)靜葉為熔模燒鑄的GTD-222鎳基合金。第1級(jí)噴嘴加真空等離子噴涂涂層，第2級(jí)靜葉加堆積工藝涂層。氣缸由SA/516-55鋼制造，再加347不銹鋼內(nèi)襯。 燃?xì)廨啓C(jī)、輔機(jī)組件和內(nèi)部連接組件都有完全配套的罩殼，其中裝有照明系統(tǒng)、插座、CO2滅火保護(hù)系統(tǒng)、出入門、通風(fēng)系統(tǒng)和隔音層，隔音層和消音設(shè)施根據(jù)需要使用，可以滿足1m處噪聲等級(jí)85dBA的要求。 9F燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組還備有一電氣設(shè)備控制室，該外箱中裝有Mark V Speedtronic透平控制盤、發(fā)電機(jī)控制盤、馬達(dá)控制中心、帶雙充電器的機(jī)組蓄電池和勵(lì)磁系統(tǒng)。所有電氣設(shè)備都是在工廠內(nèi)組裝，并加PEECCTM（快裝電氣設(shè)備控制室）標(biāo)簽。 9F燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組應(yīng)用GE公司的324S型發(fā)電機(jī)，用剛性聯(lián)軸器連接到燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)進(jìn)氣端。這是一種氫冷發(fā)電機(jī)。有一套低速盤車設(shè)備連接到發(fā)電機(jī)的集流環(huán)端。 進(jìn)口空氣過濾器一般布置在發(fā)電機(jī)上面，其濾芯水平安裝。該過濾器為“自潔型”，脈沖反吹下來的灰塵依靠重力排出。整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的額定壓降為89mmH2O。此外，還有一套壓氣機(jī)水洗設(shè)備，能夠離線或在線清洗壓氣機(jī)，以清除積垢，減少堵塞，保持壓氣機(jī)的效率接近新機(jī)狀態(tài)。 9F型燃?xì)廨啓C(jī)連同底盤的凈重約299噸，連同罩殼的體積約870m3。 GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī) 董衛(wèi)國(guó) 國(guó)家電力公司熱工研究院，陜西西安710032 0 引言 GE公司的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是80年代末開發(fā)出來的一代性能優(yōu)良的發(fā)電機(jī)組，是其長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃的成果。1981年GE公司開始實(shí)施F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃，使用較高燃燒溫度的大型燃?xì)廨啓C(jī)，來提高聯(lián)合循環(huán)電廠的效率，降低發(fā)電廠的運(yùn)行成本。此項(xiàng)計(jì)劃采用了GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和研究發(fā)展中心共同推出的先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了一批新技術(shù)的應(yīng)用。這些新技術(shù)包括了葉片冷卻技術(shù)（如蛇形紊流式冷卻通道和氣膜冷卻）、先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)（如具有大容量空氣流量的超音速壓氣機(jī)葉型）、新型合金材料以及定向結(jié)晶甚至單晶超耐熱合金鑄件等。這些新技術(shù)在F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用，使機(jī)組的燃燒溫度提高到超過前幾代機(jī)組的水平。第一臺(tái)7F型燃?xì)廨啓C(jī)在1987年組裝完成，并進(jìn)行了各種試驗(yàn)。1990年安裝在美國(guó)弗吉尼亞電力公 司的Chesterfied第7座電站，到1993年6月可靠性就達(dá)到98.8％。1992年末，韓國(guó)采用7F型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)裝置建成的1910MW Seoinchon電站凈熱效率達(dá)55％。后來在7F基礎(chǔ)上，采用?；碓O(shè)計(jì)制造了50Hz的9F型燃?xì)廨啓C(jī)和可用于50Hz及60Hz的6FA燃?xì)廨啓C(jī)。目前GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)訂貨和投運(yùn)的已超過800臺(tái)，積累了330多萬h的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是目前世界上商業(yè)應(yīng)用數(shù)目最多、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的大功率先進(jìn)發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)。 1 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品系列及其性能演變 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)已有多種多樣的型號(hào)可滿足不同用戶的需要，在MS6000、MS7000、MS9000系列中都有F級(jí)的產(chǎn)品，表1列出F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)最新機(jī)型簡(jiǎn)單循環(huán)的性能，表2列出50Hz的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)（三壓再熱蒸汽循環(huán)）的性能。 表1 F級(jí)最新機(jī)型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)性能 基本參數(shù) MS9351FA MS7241FA MS6101FA 凈出力/MW 255.6 171.7 70.1 效率/% 36.9 36.4 34 透平進(jìn)口溫度/℃ 1327 1327 1288 壓 比 15.4 15.5 14.9 質(zhì)量流量/kgs-1 624 432 198 排氣溫度/℃ 609 602 597 頻率/Hz 50 60 50/60 表2 50HzF級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)性能 基本參數(shù) S109FA S209FA S106FA S206FA 凈出力/MW 390.8 786.9 107.4 218.7 凈熱耗率/kJ（kWh）-1 6350 6305 6767 6654 凈效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1 MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA型燃?xì)廨啓C(jī)都有18級(jí)的壓氣機(jī)和3級(jí)的渦輪機(jī)，以冷端驅(qū)動(dòng)和軸向排氣為特點(diǎn)，有利于聯(lián)合循環(huán)布置。F級(jí)燃 氣輪機(jī)采用GE公司傳統(tǒng)可靠的分管式燃燒系統(tǒng)，并可配備雙燃料燃燒系統(tǒng)，如在以天然氣為主燃料時(shí)，可以輕油為輔助燃料。當(dāng)天然氣供應(yīng)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)組可自動(dòng)切換到輕油燃燒，使燃機(jī)不因燃料供應(yīng)故障而停機(jī)，進(jìn)一步保證了機(jī)組的可靠性和可用性。機(jī)組也可根據(jù)要求，在一定條件下使用雙燃料混合燃燒。此外，F(xiàn)級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)可燃用低熱值燃料，從而擴(kuò)大了發(fā)電廠的燃料使用范圍和靈活性。F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于IGCC電廠，可最大程度地降低燃煤電廠對(duì)環(huán)境的影響。 GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型機(jī)組的基礎(chǔ)上，發(fā)展完善了底盤部套、控制和輔機(jī)組合一體的快裝模塊結(jié)構(gòu)，這種標(biāo)準(zhǔn)化布置可減少管道、布線及其他現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)聯(lián)接的工作量，縮短安裝和啟動(dòng)周期，降低建設(shè)成本，同時(shí)也提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性。 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)還顯示出不同尋常的環(huán)保特點(diǎn)。由于機(jī)組的效率高，單位發(fā)電量的NOx和CO排放量較少。采用干式低NOx（DLN）燃燒室，大大降低了NOx的排放。180多臺(tái)采用干式低NOx燃燒室的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)已累計(jì)運(yùn)行近300萬h。有些電廠的NOx排放量甚至低于10mg/kg。 1.1 7F和7FA、7FB型燃?xì)廨啓C(jī) 自從1987年生產(chǎn)第一臺(tái)7F型燃?xì)廨啓C(jī)后，經(jīng)過不斷改進(jìn)，形成了一系列F級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)。其主要性能見表3。 表3 7F系列燃?xì)廨啓C(jī)主要性能 基本參數(shù) PG7211F PG7221FA PG7231FA PG7241FA PG7251FB 出力/MW 147.2 159 167.8 171.7 壓 比 13.5 15 15 15.5 18.5 燃?xì)鉁囟?℃ 1260 1288 1316 1327 1371 壓氣機(jī)級(jí)數(shù) 18 18 18 18 18 透平級(jí)數(shù) 3 3 3 3 3 燃燒室個(gè)數(shù) 14 14 14 14 14 出廠日期 1988～1991 1993 1997 1999 2002 從1992年開始，美國(guó)能源部推出ATS（先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)）計(jì)劃，資助進(jìn)行新機(jī)型的開發(fā)。GE公司在這個(gè)項(xiàng)目的支持下開發(fā)了H型機(jī)組。開發(fā)和研究的新技術(shù)包括：增加壓比，提高初溫，采用DLN和催化燃燒系統(tǒng)，材料高溫防腐，研制了隔熱涂層和陶瓷基體合成燃燒室火焰管，以及陶瓷透平噴嘴和靜子組件，先進(jìn)的密封和冷卻（蜂窩密封、蒸汽冷卻）設(shè)計(jì)，長(zhǎng)壽命的軸承等。1998年初，第一臺(tái)9H型機(jī)組已在美國(guó)進(jìn)行工廠試驗(yàn)，計(jì)劃2002年投入商業(yè)運(yùn)行。由于H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)成功，GE公司又將某些H級(jí)技術(shù)反過來用到7FA型機(jī)組上，得到7FB型。這些技術(shù)包括：?jiǎn)尉~片（單晶N4合金DSN4或GTD444），耐熱涂層，三維氣動(dòng)力設(shè)計(jì)，更多冷卻氣膜等。使7FB型機(jī)組的壓比提高到18.5，燃燒溫度提高到1371℃，7FB型燃?xì)廨啓C(jī)的主要性能見表3。表4列出7FA、7FB和7H型燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)時(shí)的性能對(duì)比。107FB型的出力比107FA型稍有增加，效率有明顯提高。 表4 7FA、7FB和7H型機(jī)組成聯(lián)合循環(huán)時(shí)的性能對(duì)比 基本參數(shù) 107FA 107FB 107H 出力/MW 262.6 280 400 效率/% 56 57.3 60 燃?xì)鉁囟?℃ 1327 1371 1427 壓 比 15.5 18.5 23 空氣流量/kgs-1 430.9 430.9 557.9 NOx/mgkg-1 9 25 9 1.2 9F和9FA型燃?xì)廨啓C(jī) 9F型燃?xì)廨啓C(jī)是在7F型基礎(chǔ)上采用模化原理設(shè)計(jì)出來的，?；禂?shù)為1.2。9F型燃?xì)廨啓C(jī)也經(jīng)歷了一系列發(fā)展過程，壓比、燃?xì)馔钙饺肟跍囟戎鸩教岣?，從而機(jī)組出力和效率也相應(yīng)提高。目前，最新型號(hào)的9F型機(jī)組（PG9351FA）簡(jiǎn)單循環(huán)出力達(dá)255.6MW，熱效率為36.9％；聯(lián)合 循環(huán)機(jī)組S109FA型出力達(dá)390.8MW，效率為56.7％。表5列出9000系列主要機(jī)型的參數(shù)變化情況。 表5 9000系列主要機(jī)型的參數(shù)變化情況 基本參數(shù) PG9281F PG9311FA PG9351FA 凈出力/MW 212 226.5 255.6 凈熱耗率/kJ（kWh）-1 10535 10298 9750 壓 比 13.5 15.0 15.4 燃?xì)鉁囟?℃ 1260 1288 1327 壓氣機(jī)級(jí)數(shù) 18 18 18 壓氣機(jī)流量/kgs-1 605.3 607.2 645 透平級(jí)數(shù) 3 3 3 出廠日期 1993～1994 1994 1996 1.3 6FA型燃?xì)廨啓C(jī) 90年代初，GE公司又將7FA型技術(shù)轉(zhuǎn)移到已經(jīng)有30多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的6B型機(jī)組上，開發(fā)出6FA型機(jī)組。1993年開始設(shè)計(jì)6FA型，?；禂?shù)為0.69，得到了大流量壓氣機(jī)，同時(shí)將燃?xì)鉁囟忍岣叩?288℃。1995年第一臺(tái)機(jī)組出廠，滿足了市場(chǎng)對(duì)具有高效率的中等容量機(jī)組的需求。MS6001FA型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)的額定功率為70MW，用于聯(lián)合循環(huán)的功率為107MW。燃燒室數(shù)量由6B型的8個(gè)減少到6個(gè)，減少了維修工作量。表6列出6FA和6B型機(jī)組的性能對(duì)比。 表6 6FA和6B型機(jī)組的性能對(duì)比 基本參數(shù) 簡(jiǎn)單循環(huán) 聯(lián)合循環(huán) MS6001B MS6001FA S106B S106FA 出力/MW 39.2 70.1 59.8 107.1 效率/% 31.8 34.2 48.7 52.8 壓 比 11.8 14.9 11.8 14.9 進(jìn)氣溫度/℃ 1104 1288 1104 1288 排氣溫度/℃ 541 597 538 597 燃燒室個(gè)數(shù) 8 6 8 6 轉(zhuǎn)速/rmin-1 5100 5250 5100 5250 6FA型燃?xì)廨啓C(jī)與6B型機(jī)組一樣，通過齒輪箱可以將轉(zhuǎn)速降低到3000r/min或3600r/mim，以適應(yīng)不同發(fā)電頻率的要求。減速齒輪箱是由德國(guó)Renk AG公司研究開發(fā)的。 2 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) GE公司生產(chǎn)的重型燃?xì)廨啓C(jī)在結(jié)構(gòu)上彼此是非常相似的，F(xiàn)級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有： ?。?）它們都是整體式結(jié)構(gòu)型式。壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙蕉悸?lián)接成為一個(gè)整體，安裝在同一個(gè)底座上。一些輔助設(shè)備，諸如潤(rùn)滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、啟動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)齒輪箱等也都安裝在一個(gè)底座上，這樣就能節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)的安裝時(shí)間和機(jī)組設(shè)備的運(yùn)輸費(fèi)用。 ?。?）不同于B級(jí)和E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，F(xiàn)級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)改為由壓氣機(jī)側(cè)的冷端輸出功率的方案。這樣就可以使燃?xì)馔钙綄?shí)現(xiàn)軸向排氣，其排氣擴(kuò)壓器能直接與余熱鍋爐相聯(lián)，有利于減小流阻損失，但卻會(huì)增大壓氣機(jī)的傳扭負(fù)載。 ?。?）采用雙軸承支承的方案，2個(gè)軸承分別位于壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙睫D(zhuǎn)子的兩端，這樣可以使燃?xì)廨啓C(jī)的總體結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。 ?。?）壓氣機(jī)和透平均采用水平中分面結(jié)構(gòu)，便于安裝和檢修。 2.1 壓氣機(jī) GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)所用的壓氣機(jī)，是由E型燃?xì)廨啓C(jī)17級(jí)壓氣機(jī)按空氣動(dòng)力學(xué)模化原理設(shè)計(jì)的，并增加了1個(gè)零級(jí)，由18級(jí)組成，壓縮比為15左右。為了防止啟動(dòng)過程中壓氣機(jī)發(fā)生喘振，壓氣機(jī)中都裝有進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和1～2個(gè)中間級(jí)的放氣口，F(xiàn)級(jí)機(jī)組的放氣口布置在第9和第13級(jí)后。在聯(lián)合循環(huán)方式運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉還能在一定負(fù)荷范圍內(nèi)確保透平前的燃?xì)鉁囟群愣ú蛔?，以提高部分?fù)荷時(shí)的效率。 壓氣機(jī)通流部分的前5級(jí)采用等內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)型式，其后各級(jí)則采用等外徑的結(jié)構(gòu)型式。由于葉片外徑增大，圓周速度增加，前2級(jí)為超音速級(jí)，相應(yīng)的葉型設(shè)計(jì)為直線形薄葉片，以減小流動(dòng)損失。為適應(yīng)空氣流量與壓縮比的增加，壓氣機(jī)葉片要求強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度和衰減率大的材料。在第0～8級(jí)，用新開發(fā)的強(qiáng)度高耐腐蝕的C-450材料代替以前的防腐涂層葉片。第9～17級(jí)采用高溫強(qiáng)化材料SUS403。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子根據(jù)以前用15根通穿螺栓緊固的經(jīng)驗(yàn)，采用多段積層結(jié)構(gòu)與透平轉(zhuǎn)子結(jié)合成高剛性轉(zhuǎn)子 ，其一階彎曲振動(dòng)頻率為額定轉(zhuǎn)速的125%。 壓氣機(jī)氣缸除采用具有水平中分面外，還把氣缸沿軸向分為2～3段。分段氣缸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：由于前后段溫度的不同，前后段可以采用不同材料；每段氣缸比較短，便于氣缸內(nèi)表面靜葉葉根槽的加工；配合中間級(jí)防喘放氣，在每段的接合處可以設(shè)計(jì)成為圈環(huán)狀的放氣口，使氣流均勻，減少對(duì)葉片的激振力。 GE公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子采用了外圍拉桿螺栓聯(lián)接的盤鼓式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式。盤鼓式的轉(zhuǎn)子是把各級(jí)輪盤在接近輪緣處的鼓環(huán)，用多根細(xì)而長(zhǎng)的拉桿螺栓彼此壓緊而連接成為一體的，因而它在接近輪緣處是一個(gè)轉(zhuǎn)鼓，可以使轉(zhuǎn)子具有很好的剛性。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力則是依靠輪盤來承受的，致使這種轉(zhuǎn)子也能具有很高的強(qiáng)度。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的拉桿數(shù)目大約為14～18根不等。為了保證轉(zhuǎn)子運(yùn)行的安全和可靠，各輪盤之間必須有足夠的壓緊力，因而拉桿的預(yù)緊力是很大的。 2.2 燃燒室 GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)均采用其傳統(tǒng)的逆流式分管型燃燒室，不同容量的機(jī)組配用不同數(shù)量的燃燒室。GE公司提供2種燃燒室，一種是標(biāo)準(zhǔn)型的，可用于氣體或各種液體燃料，一般都配置空氣霧化式的雙燃料噴嘴，可帶或不帶用于降低NOx排放的或?yàn)樵黾映隽Φ淖⑺蜃⒄魵庋b置。另一種是干式低NOx燃燒室，采用稀釋態(tài)燃料預(yù)混干式低NOx燃燒技術(shù)，可用于氣體或輕質(zhì)液體燃料，在燃燒天然氣時(shí)NOx排放量低于25mg/kg，但是用于液體燃料時(shí)需要注水來降低NOx排放。 隨著燃?xì)馔钙角皽囟鹊奶岣?，燃燒室出口過渡段的冷卻必須加強(qiáng)。GE公司在F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)上專門設(shè)計(jì)了一種有沖擊冷卻效果的過渡段。該過渡段是雙殼體型式的，內(nèi)過渡段被一個(gè)鉆有許多小孔的外套包圍著。從壓氣機(jī)來的空氣通過這些小孔，形成射流去沖擊冷卻內(nèi)過渡段。外套用AISI-304不銹鋼制成。內(nèi)過渡段是用Nimonic263制作，并在其內(nèi)表面噴涂耐熱涂層。燃燒室的外殼選用SA/516-55鋼制造，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，火焰管的內(nèi)表面上均噴涂耐熱涂層。 2.3 透平 GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的透平均采用3級(jí)軸流式透平，是運(yùn)用GE公司航空技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。隨著高溫材料和冷卻技術(shù)地不斷發(fā)展，其進(jìn)口燃?xì)鉁囟扔勺畛醯?260℃逐步提高到最新FA型的1327℃和FB型的1371℃。 第1、2級(jí)動(dòng)葉片與全部3級(jí)靜葉片采用適應(yīng)高溫化的高性能空氣冷卻。壓氣機(jī)第13級(jí)抽氣用于透平第2、3級(jí)冷卻后，作為轉(zhuǎn)子冷卻空氣與密封空氣使用。壓氣機(jī)第17級(jí)空氣由通道內(nèi)徑側(cè)抽出，由于流場(chǎng)的離心作用，消除了氣流中的有害粒子，清潔的抽氣作為第1級(jí)冷卻空氣。利用從另外的壓氣機(jī)引入的空氣冷卻透平軸承座和透平第3級(jí)葉根。透平第1級(jí)靜葉片溫度最高，采用耐高溫腐蝕與熱疲勞強(qiáng)度高、焊接性能優(yōu)良的Co基超合金FSX-414，第2、3級(jí)靜葉片采用抗蠕變與熱疲勞強(qiáng)度高的Ni基超合金GTD-222。3級(jí)靜葉片均采用精密鑄造，第1級(jí)靜葉片內(nèi)部有為沖擊冷卻用的金屬插件，除沖擊冷卻外，前緣采用噴頭冷卻，內(nèi)背弧采用氣膜冷卻。第2級(jí)靜葉片采用沖擊冷卻與強(qiáng)制對(duì)流冷卻相結(jié)合，冷卻空氣從葉片后緣吹出。第3級(jí)靜葉片僅采用強(qiáng)制對(duì)流冷卻。 3級(jí)動(dòng)葉片均采用具有航空使用經(jīng)驗(yàn)、高溫強(qiáng)度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，也采用精密鑄造成型。使用環(huán)境嚴(yán)酷的第1級(jí)動(dòng)葉片采用定向凝固的GTD-111DS，以控制徑向晶界，改善蠕變斷裂強(qiáng)度。第1級(jí)動(dòng)葉片是由先進(jìn)的航空技術(shù)引進(jìn)的蛇形通道對(duì)流冷卻，冷卻空氣從葉片底部輸入，從葉頂和葉片后緣的軸向開口混入主流燃?xì)猓瑫r(shí)也通過葉片前緣與側(cè)壁排出并形成冷卻氣膜。9FA型機(jī)組透平第1級(jí)工作部分與葉根之間的長(zhǎng)柄減輕了 通流部分向葉根的傳熱，第2級(jí)動(dòng)葉片采用以前從葉根到葉頂鉆有許多冷卻孔的強(qiáng)制對(duì)流冷卻。第1級(jí)扇形護(hù)環(huán)是保持葉頂最小間隙的主要部件，為改善低頻熱疲勞，護(hù)環(huán)的高溫內(nèi)側(cè)與低溫外側(cè)采取分開結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)護(hù)環(huán)使用熱疲勞強(qiáng)度好的材料IN-738，并采取沖擊冷卻、強(qiáng)制對(duì)流冷卻與氣膜冷卻。熱障涂層是延長(zhǎng)零件壽命不可缺少的高溫化技術(shù)之一。為保護(hù)在高溫下工作的透平葉片，對(duì)前2級(jí)葉片進(jìn)行雙噴涂處理，即用真空等離子噴涂抑制腐蝕，用鉑鋁化合物噴涂抑制氧化。第3級(jí)葉片僅用Cr擴(kuò)散防腐涂層。 GE公司設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)中采用外圍拉桿型式的透平轉(zhuǎn)子，它們是依靠壓緊面上的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩的。每級(jí)輪盤上都軸向地開出樅樹形葉根槽，用于安裝動(dòng)葉片。這種葉根槽的優(yōu)點(diǎn)是多對(duì)齒承力，強(qiáng)度高，承載能力大；尺寸緊湊，連接質(zhì)量輕，可以使動(dòng)葉片的葉根接近于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)；采用有間隙的松裝結(jié)構(gòu)，能自由熱膨脹，可以讓冷卻空氣從間隙中流過，增強(qiáng)了對(duì)葉根和輪盤輪緣的冷卻效果。 透平氣缸采用雙層結(jié)構(gòu)并有空氣進(jìn)行冷卻，其外層為氣缸，內(nèi)層則由靜葉片的外緣板和護(hù)環(huán)等元件組成，是一種承壓件與承熱件分開的結(jié)構(gòu)型式。氣缸與高溫燃?xì)飧艚^，這樣不僅可以有效地降低氣缸的工作溫度，以便采用較差的材料，同時(shí)還能減少氣缸的熱膨脹量和熱應(yīng)力，并能減少對(duì)氣缸的熱沖擊，有利于機(jī)組的快速啟動(dòng)和加載，還有利于控制透平動(dòng)葉片頂部徑向間隙在運(yùn)行之中的變化。 2.4 關(guān)于F型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子故障問題 1994～1995年期間，一些7F和9F型機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題。后來GE公司經(jīng)過分析與改進(jìn)，將很多機(jī)組返廠進(jìn)行檢修，基本解決了這些問題。出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子問題主要有： ?。?）轉(zhuǎn)子輪盤間扭轉(zhuǎn)側(cè)滑。轉(zhuǎn)子輪盤間側(cè)滑僅發(fā)生在一臺(tái)7F型機(jī)組上，其原因是：在確定用15根拉桿螺栓將多個(gè)輪盤結(jié)合在一起所需要的拉力時(shí)，設(shè)計(jì)者計(jì)算錯(cuò)誤，致使施加給螺栓的 拉力不夠。GE公司對(duì)20多臺(tái)運(yùn)行中的機(jī)組增加了螺栓的拉力，問題就解決了。 ?。?）機(jī)組振動(dòng)增大及拉桿問題。關(guān)于機(jī)組振動(dòng)增大的問題，在7F、9F型機(jī)組中均有發(fā)生，主要是由二方面原因造成的。其一，2～3級(jí)級(jí)間輪盤剛性太低，由于轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量使轉(zhuǎn)子軸線下垂彎曲，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)偏心質(zhì)量力使轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大，并使第2級(jí)和第3級(jí)葉輪與第2～3級(jí)級(jí)間輪盤發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使振動(dòng)水平進(jìn)一步擴(kuò)大。這個(gè)問題主要出現(xiàn)在9F型機(jī)組中，通過更換一個(gè)剛性更高的第2～3級(jí)級(jí)間輪盤，解決了這個(gè)問題。另外，9F型機(jī)組有5根拉桿螺栓出了問題，2根失效，3根斷裂。經(jīng)調(diào)查，9F型機(jī)組的螺栓由2個(gè)供貨商提供，出問題的5根螺栓都是其中一個(gè)供貨商的產(chǎn)品，原因是他們沒有按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)加工螺栓。GE公司已經(jīng)取消了這個(gè)供貨商的訂貨。 3 GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行業(yè)績(jī) 截止到2000年8月，共有800臺(tái)F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)已安裝或已訂貨，其中202臺(tái)機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行315萬h。某臺(tái)MS7001F型機(jī)組至今已累計(jì)運(yùn)行超過55220h，并經(jīng)歷了2005次啟動(dòng)。MS9001FA型機(jī)組運(yùn)行最長(zhǎng)的已達(dá)到35798h，經(jīng)歷了725次啟動(dòng)。F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行業(yè)績(jī)見表7。 表7 GE公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的業(yè)績(jī) 機(jī) 型 已運(yùn)行機(jī)組/臺(tái) 運(yùn)行時(shí)間/h 啟動(dòng)次數(shù) MS6001FA 16 214119 2471 典型單機(jī) 31133 368 MS7001F/FA 134 1966800 50676 典型單機(jī) 55220 2005 MS9001F/FA 52 971206 12344 典型單機(jī) 35798 725 總 數(shù) 202 3152144 65491 DLN燃機(jī) 180 2960844 59245 典型單機(jī) 45734 2325 注：DLN是干式低NOx排放燃燒室。 1999年的一個(gè)可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，25臺(tái)GE公司的7F和7FA型機(jī)組的平均可用率為89.3%，而包括GE公司機(jī)組在內(nèi)的53臺(tái)同等級(jí)世界主要燃?xì)廨啓C(jī)的平均可用率為84.9%。另外，GE公司的7F和7FA型機(jī)組的平均可靠性為99.5%，而包括GE公司機(jī)組在內(nèi)的同等級(jí)世界主要燃?xì)廨啓C(jī)的平均可靠性為95.7%。 MS9001FA型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組應(yīng)用的里程碑是東京電力公司的1座總?cè)萘繛?800MW電廠的8臺(tái)STAG109FA型機(jī)組。其中第一批2臺(tái)機(jī)組于1996年1月并網(wǎng)發(fā)電，全部8臺(tái)機(jī)組已于1998年投入運(yùn)行。這些機(jī)組每天開機(jī)停機(jī)運(yùn)行，周末完全停機(jī)，以液化天然氣（LNG）為燃料，采用蒸汽拖動(dòng)靜態(tài)啟動(dòng)的方法，干式低NOx燃燒系統(tǒng)和干氨催化還原裝置SCR可使NOx的排放量在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)減少到5mg/kg（氧含量為16%）。世界上容量最大的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠是韓國(guó)電力公司的Seoinchon電廠。該廠一期有8臺(tái)STAG107F型機(jī)組已累計(jì)商業(yè)運(yùn)行約20萬h，二期4臺(tái)STAG 207FA型機(jī)組現(xiàn)已安裝就位，該廠總出力達(dá)到4000MW，效率大于55%。中國(guó)香港中華電力公司的龍鼓灘（Black Point）電廠裝有6臺(tái)STAG 109FA型機(jī)組，總?cè)萘砍^1800MW。 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)有較大的燃料適應(yīng)性，可燃用蒸餾油和天然氣，包括煤制氣、液化天然氣和液化石油氣（LPG）。機(jī)組啟動(dòng)后，燃料可以切換而不會(huì)導(dǎo)致性能損失。出力范圍廣，排氣能量高，模塊式組合設(shè)計(jì)布置使得在聯(lián)合循環(huán)和IGCC系統(tǒng)中F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)能理想地適應(yīng)多種多樣的用途，包括熱電聯(lián)產(chǎn)、地區(qū)供熱或單純發(fā)電。例如，美國(guó)佛羅里達(dá)州Tampa電力公司的Polk電站容量為250MW的機(jī)組是以GE S107FA型燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的IGCC機(jī)組。自1996年以來，該機(jī)組燃用合成煤氣累計(jì)運(yùn)行了1萬多h，電廠效率超過41%。1臺(tái)6FA型機(jī)組用于加里福尼亞州Sierra Pacific電力公司的Pinon Pine IGCC電站，也于2000年投入運(yùn)行。 |
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