楊 強

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

雙燃料燃氣輪機是指利用雙燃料燃燒技術(shù)，可同時使用液體/氣體燃料的燃氣輪機。通過在燃氣輪機中實施雙燃料燃燒技術(shù)，可以提高燃氣輪機對燃料的適應(yīng)性，拓寬燃氣輪機應(yīng)用領(lǐng)域。

燃氣輪機產(chǎn)業(yè)作為高端裝備制造業(yè)的代表產(chǎn)品，是一個涉及到國家能源的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是能源動力裝備領(lǐng)域的最高端產(chǎn)品。其技術(shù)難度大、投入經(jīng)費多、研制周期長、經(jīng)營風險高、高附加值的特點使之成為當之無愧的工業(yè)強國的象征。2017年，聞雪友等發(fā)表了《燃氣輪機技術(shù)與發(fā)展》，系統(tǒng)性總結(jié)了燃氣輪機的發(fā)展歷程，并指出了今后燃氣輪機的發(fā)展方向：1）提高工質(zhì)溫度及壓力，進一步提高機組的功率、效率等技術(shù)指標；2）發(fā)展多燃料燃氣輪機，適應(yīng)燃料多樣性的要求；3）改變基本熱力循環(huán)，采用新工質(zhì)，完善控制系統(tǒng)并優(yōu)化總體性能[1]。由此可見，研發(fā)具有較好燃料適應(yīng)性的高性能雙燃料燃氣輪機，拓展燃氣輪機應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)成為燃氣輪機新的發(fā)展方向之一。

本文意在通過對中小型燃氣輪機應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)，梳理中小型雙燃料燃氣輪機發(fā)展情況，指出現(xiàn)有燃氣輪機技術(shù)水平下可拓展的應(yīng)用范圍，為設(shè)計研發(fā)、試驗研究及工程使用提供技術(shù)支持。

1 現(xiàn)狀與發(fā)展

根據(jù)文獻查閱，國外對于中小型燃氣輪機，現(xiàn)已發(fā)展成了以GE，Solar，Siemens等公司為主的中小型燃氣輪機產(chǎn)品體系。這些公司基本代表了當今國際燃氣輪機制造業(yè)的最高水平，其他制造公司多數(shù)與主導公司結(jié)成伙伴關(guān)系，合作生產(chǎn)或者購買制造技術(shù)生產(chǎn)[2]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，各公司在雙燃料燃氣輪機發(fā)展上也有著不同的特色，為更好了解當今中小型雙燃料燃氣輪機的發(fā)展水平，對有代表性的各國中小型雙燃料燃氣輪機進行發(fā)展現(xiàn)狀梳理，并針對各燃氣輪機制造商技術(shù)特點及現(xiàn)有產(chǎn)品進行整理與分析。

1）美國SOLAR公司

SOLAR公司1927年成立，1981年被卡特彼勒公司收購成為其全資子公司，20世紀60年代開始研制燃氣輪機，目前可提供功率范圍1～23 kW共11個型號的燃氣輪機。除了mercury50以沼氣及垃圾填埋氣為燃料外，其余10種燃機目前均可提供雙燃料系統(tǒng)[3–14]。根據(jù)使用方式不同，可選天然氣/柴油/餾分油等燃料，現(xiàn)售雙燃料燃氣輪機如表1所示。

表 1 Solar公司雙燃料機型表（發(fā)電型）Tab. 1 Solar company dual fuel model table

經(jīng)過對文獻的總結(jié)，Solar公司產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)的特點如下：

1）Solar公司產(chǎn)品線只關(guān)注中小型燃氣輪機。從20世紀60年代發(fā)展至今，雖然功率及效率一直在增長，但其產(chǎn)品功率始終在30 MW級以下。

2）所有產(chǎn)品具有較強的產(chǎn)品生命力。伴隨著技術(shù)的進步，Solar公司通過突破關(guān)鍵技術(shù)并及時改進原有機型，通過氣動設(shè)計改進、貧燃預(yù)混燃燒等先進技術(shù)，使得老機組性能指標不斷升級，其中Saturn20發(fā)布近60年，目前仍在出售。

圖 1 Solar公司產(chǎn)品發(fā)展路線Fig. 1 Product development route of Solar company

3）對于干式低排放技術(shù)，20世紀80年代即開始了燃燒室干低排放技術(shù)研究。1992年推出首款So-LoNOx技術(shù)燃氣輪機，1996年開展SoLoNOx技術(shù)從氣體燃料向液體燃料的技術(shù)研發(fā)，目前可售10種雙燃料燃氣輪機NOx與CO排放均達到世界領(lǐng)先水平。圖2為典型雙燃料低排放燃燒室噴嘴結(jié)構(gòu)圖，圖3為最新發(fā)布的Titan250燃氣輪機燃燒室截面圖。由圖2可知，氣體/液體燃料在空氣旋流器后進行預(yù)混，進入燃燒室燃燒。為了精確控制主燃區(qū)內(nèi)空燃比以達到降低主燃區(qū)溫度的需求，通過燃氣輪機出口T5控制燃燒室內(nèi)可變空氣調(diào)門（見圖3），保證燃氣輪機在部分負荷時即擁有較好的排放特性。同時對于主燃區(qū)溫度較低可能導致的燃燒室熄火，通過增加值班路在保證燃燒室低負荷下的燃燒穩(wěn)定性。

圖 2 Solar公司低排放雙燃料噴嘴Fig. 2 Solar low emission dual-fuel nozzle

圖 3 Titan130燃燒室Fig. 3 Titan130 combustion chamber

2）美國GE公司

作為世界第一大能源公司，美國GE公司燃氣輪機目前擁有34～557 MW的全系列產(chǎn)品線。2015年，GE收購ALSTOM公司能源業(yè)務(wù)，并將GT26，GT36燃氣輪機產(chǎn)品及人員、技術(shù)等于2016年剝離后出售給意大利Ansaldo公司?，F(xiàn)GE公司在售燃氣輪機產(chǎn)品線中，40 MW以下雙燃料燃氣輪機只有LM2500及TM2500兩個型號。其兩型產(chǎn)品原型機為TF-39渦輪風扇發(fā)動機。1987年GE推出了LM2500，1997年LM2500+進入市場，2006年LM2500已經(jīng)發(fā)展至第4代（LM2500+G4），是目前實際上最成功的30 MW級燃氣輪機[15–17]。同時，GE公司利用LM2500+原型機推出了TM2500車載式移動電站（見圖3），可在短時間內(nèi)完成電力供應(yīng)，并可應(yīng)用多種燃料，具有較強的燃料適應(yīng)性?，F(xiàn)階段，GE公司可銷售的中小型雙燃料燃氣輪機如表2所示。

表 2 GE公司雙燃料主要機型表（發(fā)電型）Tab. 2 GE company dual fuel model table

目前，LM2500系列燃氣輪機可使用合成氣、高爐煤氣、沼氣等多種燃料。對于雙燃料燃燒室，典型結(jié)構(gòu)如圖4所示[18–20]，GE公司雙燃料噴嘴采用了雙環(huán)形反向旋流器，氣體燃料通過外旋流器出口邊緣的小孔噴出與空氣混合，摻混段內(nèi)工質(zhì)被加速以防止出現(xiàn)回火現(xiàn)象。液體燃料則通過燃油椎體的噴嘴噴向燃燒室，且液體燃料噴嘴出口邊緣位于雙燃料噴嘴空氣流道內(nèi)，以防止噴嘴因燃氣燃燒時輻射溫度過高損壞噴嘴（見圖5）。目前，通過?；O(shè)計，GE公司雙燃料DLE燃燒室已應(yīng)用在LM2500燃氣輪機及LM6000燃氣輪機上。

3）德國SIEMENS公司

SIEMENS公司于2001年收購阿爾斯通工業(yè)渦輪業(yè)務(wù)，2014年收購Rolls-Royce航改型燃氣輪機和壓縮機業(yè)務(wù)。西門子現(xiàn)階段已經(jīng)擁有4～567 MW共20個型號的燃氣輪機[21]。目前中小型雙燃料燃氣輪機在售型號中，主要包含其原有的SGT100-800系列7型燃氣輪機及收購Rolls-Royce引進的A65（即原trent60）、A35（即原RB211）、A05（即原501-K）三型燃氣輪機，并與2017年推出A45型燃氣輪機用于移動電站。目前，其中小型雙燃料燃氣輪機在售機型如表3所示。

圖 4 TM2500 燃氣輪機Fig. 4 TM2500 gas turbine

圖 5 LM2500+G4燃氣輪機噴嘴Fig. 5 LM2500+G4 gas turbine nozzle

表 3 Siemens公司雙燃料主要機型表（發(fā)電型）Tab. 3 Siemens company dual fuel model table

對于雙燃料燃燒室，已經(jīng)歷了4代發(fā)展[22–27]，其最新的第4代干低排放燃燒室結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，現(xiàn)已應(yīng)用在SGH-750型燃氣輪機上[21,28–33]。其采用分管式結(jié)構(gòu)，值班路在使用氣體燃料時用于點火及穩(wěn)定火焰，使用液體燃料時只用于點火。燃料路被旋流器隔板分成一、二兩路進入燃燒室燃燒，并在圖中灰色區(qū)域內(nèi)形成回流區(qū)，最終摻混后通過過渡段進入渦輪做功?；鹧嫱膊捎秒p層冷卻結(jié)構(gòu)，燃燒室排放NOx數(shù)值在9～15 ppm之間，代表了市場現(xiàn)在售雙燃料燃氣輪機的最高水平。

圖 6 SGH-750燃氣輪機噴嘴Fig. 6 SGH-750 gas turbine nozzle

4）烏克蘭zorya-mashproekt公司

烏克蘭Zorya-mashproekt公司成立于1946年，作為蘇聯(lián)時期其境內(nèi)唯一一家燃氣輪機大型生產(chǎn)企業(yè)，60多年來，已經(jīng)成功研發(fā)出4代燃氣輪機交付客戶使用。至2014年，已經(jīng)交付4 100臺燃氣輪機用于艦船/工業(yè)用途，總功率達5 000萬千瓦。目前，Zorya-mashproekt公司在售中小型雙燃料燃氣輪機為UGT15000/UGT 16000/UGT25000共3種型號。其具體功率及熱效率如表4所示，UGT15000雙燃料機組外形如圖7所示。

表 4 Zorya-mashproekt公司雙燃料主要機型表（發(fā)電型）Tab. 4 Zorya-mashproekt company dual fuel gas turbine table

作為艦船燃氣輪機主要供應(yīng)商，Zorya-mashproekt公司雙燃料燃氣輪機其燃燒室采用環(huán)管型結(jié)構(gòu)，盡管其重量較重，但在維護性上卻有著一定優(yōu)勢。經(jīng)與烏方技術(shù)人員交流，UGT16000為首代雙燃料機組，采用環(huán)管式結(jié)構(gòu)，后期開發(fā)的UGT15000/25000采用回流環(huán)管式結(jié)構(gòu)。其中雙燃料噴嘴燃油油路采用離心式噴嘴，天然氣燃料由通過同軸的環(huán)狀噴口噴至燃燒室燃燒。由于在設(shè)計時未考慮排放控制，排放指標普遍較高；以UGT25000為例，在使用天然氣燃料時，其NOx排放達300 ppmvd。

圖 7 UGT15000燃氣輪機Fig. 7 UGT15000 gas turbine

5）日本MHPS公司

2013年，三菱公司完成了對普惠中小型燃氣輪機部門的收購；2014年，原三菱和日立公司合并火電事業(yè)部，成立三菱日立電力系統(tǒng)株式會社（Mitsubishi Hitachi Power Systems）?，F(xiàn)燃氣輪機產(chǎn)品線擁有28～470 MW多型燃氣輪機。目前市場在售中小型雙燃料燃氣輪機為兩型，即原日立公司的H25與原PW公司的FT8。其具體參數(shù)如表5所示。

表 5 MHPS公司雙燃料主要機型表（發(fā)電型）Tab. 5 MHPS company dual fuel model table

6）中船重工龍江廣瀚燃氣輪機有限公司

中船重工龍江廣瀚燃氣輪機有限公司（GH Turbine）成立于2013年，由中國船舶重工集團公司、黑龍江省及哈爾濱市人民政府、中國船舶重工集團公司第七〇三研究所共同投入建設(shè)。作為國內(nèi)中小型燃氣輪機研發(fā)的團隊，前期已國產(chǎn)化GT25000燃氣輪機，并裝備我國海軍，解決了我國海軍當前急需的動力需求。在此基礎(chǔ)上，又成功研制了天然氣燃料低排放燃氣輪機CGT25-DA，該型燃氣輪機現(xiàn)已成功應(yīng)用在我國西氣東輸天然氣長輸管道燃驅(qū)壓縮機組工程中。目前，其首臺套25 MW雙燃料燃氣輪機已經(jīng)完成整機試驗考核，標志著國產(chǎn)中小型雙燃料燃氣輪機已經(jīng)逐步開展工程應(yīng)用。

25 MW雙燃料燃氣輪機燃燒室為回流環(huán)管形結(jié)構(gòu)，包含16個火焰筒?；鹧嫱差^部兩側(cè)設(shè)有聯(lián)焰管，火焰筒筒壁采用氣膜冷卻。每個火焰筒上裝有一個雙燃料噴嘴。噴嘴利用旋流器使火焰筒頭部產(chǎn)生的旋流和主燃孔射流共同作用，形成中心回流區(qū)用以穩(wěn)定火焰。燃氣燃燒后通過火焰筒后部摻混孔摻混后進入渦輪做功。含有單個火焰筒的燃燒室結(jié)構(gòu)與噴嘴外形如圖8所示。

圖 8 龍江廣瀚25 MW雙燃料燃氣輪機燃燒室與噴嘴Fig. 8 25 MW dual fuel gas turbine combustor and nozzle of CSIC

通過以上分析可知，中小型雙燃料燃氣輪機生產(chǎn)廠家已經(jīng)形成了高度壟斷的態(tài)勢。GE，SIEMENS，MHPS三家公司通過收購并購途徑，已經(jīng)基本完成了從小型至重型燃氣輪機產(chǎn)品線布局。通過合并重組，吸收原ABB/Alstom/P&W/Westinghouse的研發(fā)經(jīng)驗，因體量優(yōu)勢在市場上占據(jù)份額最大。Solar公司通過對中小型燃氣輪機專業(yè)細分，在中小型燃氣輪機驅(qū)動/發(fā)電領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。烏克蘭Zorya-mashproekt公司以艦船燃氣輪機為基礎(chǔ)，其產(chǎn)品具有一定的特色。龍江廣瀚燃氣輪機有限公司作為國內(nèi)首家雙燃料燃氣輪機研發(fā)生產(chǎn)廠家，市場前景較好，但工程應(yīng)用仍處于起步階段。

2 使用狀況及分析

目前，雙燃料燃氣輪機由于具有燃料多樣、用水少、安裝周期短、開停靈活、自動化程度高、運行平穩(wěn)、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)中作為機械驅(qū)動具有明顯的優(yōu)勢，因此它在各行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)文獻整理，目前中小型雙燃料燃氣輪機可以使用的方式主要可以分為5類。

2.1 海上平臺/FPSO/FLNG

目前，海洋石油油氣開發(fā)平臺/浮動生產(chǎn)采油船（FPSO）/浮動天然氣液化裝置（FLNG）所采用燃氣透平主電站定位于10～30 MW的功率等級機組，尤其對10 MW級別的燃氣輪機有著豐富的應(yīng)用。對于海上采油氣平臺電力系統(tǒng)，雙燃料燃氣輪機有著極強的優(yōu)勢[34]：1）由于其遠離陸地的獨立性和特殊性，海上平臺電力系統(tǒng)所選用發(fā)電機要求具有較強的勵磁能力和過載能力；2）發(fā)電驅(qū)動設(shè)備需利用海上采油氣平臺生產(chǎn)的天然氣或分離出的伴生氣作為燃氣輪機發(fā)電的主消耗能源，同時又需考慮平臺建設(shè)初期及特殊情況下的緊急燃料替換；3）由于海上平臺建設(shè)成本較高，功率密度大的發(fā)動機可以極大提高投資的經(jīng)濟性，回報率較高，故在國內(nèi)外現(xiàn)有海上平臺/FPSO/FLNG上，絕大多數(shù)大功率主發(fā)電機均選用雙燃料燃氣輪機作為驅(qū)動設(shè)備發(fā)電[35–38]。以現(xiàn)有中海油為例，截至2016年底，其海上平臺及處理廠共有各型燃氣輪機機組174臺套，其中80%以上均為雙燃料機組。

2.2 車載移動電站

燃氣輪機可移動電站使用已超過60余年的歷史，根據(jù)文獻，20世紀50年代燃氣輪機車載電站（見圖9）已投入使用[39]。燃氣輪機車載移動電站相對其他類型移動電站，其主要有以下優(yōu)點：1）不需要循環(huán)水或循環(huán)水量極少，電站系統(tǒng)中只有潤滑設(shè)備需要冷卻，且可用風冷等形式減少水的應(yīng)用，相比其他類型優(yōu)勢明顯；2）功率密度相比往復機優(yōu)勢明顯，可在有限體積內(nèi)提供更多的出力，便于運輸；3）燃料適應(yīng)性較好，可燃用多種氣體/液體燃料；4）自動化程度高，操作人員較少。

圖 9 Clark兄弟公司車載燃氣輪機電站Fig. 9 Clark brothers railway gas turbine power station

隨著技術(shù)的發(fā)展，車載移動電站也朝著大功率、陸?？湛焖贆C動部署、模塊化快速發(fā)展。目前，中小型燃氣輪機移動電站主要包括SOLAR公司的TITAN130車載電站、SIEMENS公司的A45車載電站、GE基于LM2500+開發(fā)的TM2500車載移動電站、MHPS基于P&W FT8燃氣輪機開發(fā)的FT8MOBILEPAC車載移動電站，其所搭載燃氣輪機也全部具備雙燃料能力，并且部分機組在長可靠性、低排放上有較強的優(yōu)勢見表6。

2.3 聯(lián)合循環(huán)/分布式能源

對于聯(lián)合循環(huán)電站與分布式能源，其燃料的選用主要是基于經(jīng)濟性、安全性、可靠性的考慮，燃料的來源、供應(yīng)量、質(zhì)量直接影響著燃氣輪機裝置的運行。較好的燃料特性可以有效改善機組運行性能和降低維護成本。同時，雙燃料燃氣輪機的使用，可有效利用中低熱值氣體燃料、低品質(zhì)液體燃料，并可同時使用高品質(zhì)燃料作為調(diào)峰或應(yīng)急使用，在保證安全性、可靠性的基礎(chǔ)上，有效提高了聯(lián)合循環(huán)的適應(yīng)性及經(jīng)濟性，具有較強的現(xiàn)實意義。目前，聯(lián)合循環(huán)機組應(yīng)用已經(jīng)相當普遍，在國外已有大量的應(yīng)用案例。

表 6 主要廠家移動電站參數(shù)Tab. 6 The parameters of mobile power station of major manufacturer

2.4 艦船/冶金石化/管道輸運

雙燃料燃氣輪機對比單燃料燃氣輪機，主要區(qū)別在于擁有2套不同的燃料系統(tǒng)，并對燃燒室進行重新設(shè)計，使其能夠適應(yīng)不同燃料的燃燒需求；壓氣機、渦輪及相關(guān)系統(tǒng)可沿用原有單燃料燃氣輪機系統(tǒng)，對比而言，雙燃料燃氣輪機對比單燃料情況下設(shè)備投資增加額占比并不大。且燃氣輪機系統(tǒng)出力、效率等并不會因為燃料變化發(fā)生而引起明顯的變化[43]，故各行業(yè)均可在適當增加小部分投資的基礎(chǔ)上，由原來單燃料燃氣輪機投資計劃更改為雙燃料燃氣輪機，獲得更好的經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)領(lǐng)域中艦船動力、冶金石化、管道輸送等行業(yè)也已經(jīng)有部分案例使用雙燃料燃氣輪機作為發(fā)電或機械驅(qū)動的原動機。

2.5 LNG船/FPSO/FLNG

根據(jù)相關(guān)資料，目前現(xiàn)有LNG船動力裝置主要還是以蒸汽動力、柴油機動力為主，且基本完成了從蒸汽動力至柴油機動力的過渡[44]。由于LNG船的特殊性，需要將蒸發(fā)氣BOG作為燃料，并同時使用重油/柴油作為備用燃料[45]。隨著天然氣在世界一次能源消耗中占比越來越大，LNG運輸船在造船工業(yè)中所占據(jù)份額也越來越大，目前LNG船等整體發(fā)展趨勢也朝著大型化、電氣化發(fā)展[46–47]，各專家學者也對此進行了大量的研究論證工作[48–50]，燃氣輪機驅(qū)動、聯(lián)合循環(huán)、電力推進幾種未來LNG船主動力裝置也都表明中小型雙燃料燃氣輪機已經(jīng)成為了下一代LNG船的主要動力裝置。

除了上文所敘述的雙燃料燃氣輪機優(yōu)點之外，在LNG船上使用時，作為主驅(qū)動裝置占用體積小，船舶裝載量提升巨大；作為聯(lián)合循環(huán)主裝置使用時，可擁有極強的能源利用率，經(jīng)濟效益好；作為電力推進用時，較小的體積可靈活布置，且小島運行在陸上已經(jīng)有成熟的運行方式，在技術(shù)層面上已經(jīng)不存在相關(guān)屏障[51–52]。目前，大連船舶重工和勞氏船級社已對LNG船COCES動力系統(tǒng)研發(fā)進行相關(guān)合作，卡塔爾天然氣公司也已指定其作為下一代LNG船優(yōu)先選用推進系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

中小型雙燃料燃氣輪機作為燃氣輪機細分領(lǐng)域，應(yīng)用極為廣泛。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國防、電力、石化等領(lǐng)域?qū)τ谥行⌒碗p燃料燃氣輪機的需求也在持續(xù)擴大。隨著“兩機專項”項目的啟動，相關(guān)專業(yè)發(fā)展迅速。截至目前，我國中小型雙燃料燃氣輪機已經(jīng)突破了從無到有的階段，但在雙燃料噴嘴設(shè)計、燃料混燒、低排放、吹掃冷卻方面，國內(nèi)燃氣輪機生產(chǎn)廠商還處于摸索階段。作為高端裝備，其核心技術(shù)始終牢牢把握在少數(shù)國家手內(nèi)，堅持自主創(chuàng)新掌握核心技術(shù)推進產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步，仍然是我國燃氣輪機科技界和產(chǎn)業(yè)界的共同任務(wù)。