劉志敏，謝大幸，石永鋒

(1. 上海華電閔行能源有限公司，上海 201108；2. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

分布式能源系統(tǒng)(distributed energy system,DES)包括冷熱電聯(lián)產(chǎn)及熱電聯(lián)產(chǎn)等系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能的梯級、高效利用[1-2]。區(qū)域分布式供能系統(tǒng)主要提供工業(yè)冷、熱、電負(fù)荷，多采用輕型/中小型燃?xì)廨啓C(jī)，可配置背壓或抽凝式汽輪機(jī)構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱(冷)電聯(lián)產(chǎn)[3]。燃?xì)廨啓C(jī)是分布式能源系統(tǒng)的核心動(dòng)力部分，目前主流的分布式能源用燃?xì)廨啓C(jī)主要有工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)和航改型燃?xì)廨啓C(jī)。工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)繼承了發(fā)電和工業(yè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的特點(diǎn)，工況穩(wěn)定，維護(hù)間隔時(shí)間長，生產(chǎn)企業(yè)多出自汽輪機(jī)廠商；主流的航改型燃?xì)廨啓C(jī)從航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改型而來，其輕質(zhì)設(shè)計(jì)使其能夠在高熱應(yīng)力梯度下有效運(yùn)行，能在基本負(fù)荷和頻繁啟停時(shí)均保持高效穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

目前市場主流的30 MW等級燃?xì)廨啓C(jī)主要有Siemens公司的SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)，GE公司的LM2500+G4航改機(jī)和MHPS公司的H-25燃?xì)廨啓C(jī)。目前MHPS公司在國內(nèi)主推的32 MW版本H-25燃?xì)廨啓C(jī)效率較低。本文主要選取 SGT-700工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)與LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)開展對比分析研究。

1 發(fā)展歷程

SGT-600和SGT-700是由瑞士Sulzer-Escher Wyss公司生產(chǎn)的雙軸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，于2004年被Siemens公司收購。SGT-700源于SGT-600，出力更大，效率更高，燃料靈活性更佳，排放更低，適用于發(fā)電及機(jī)械驅(qū)動(dòng)，余熱高，可用于聯(lián)合循環(huán)及熱電聯(lián)產(chǎn)。SGT-600采用10級軸流式壓氣機(jī)，SGT-700采用11級軸流式壓氣機(jī)，前2級為超音速設(shè)計(jì)以達(dá)到更高的增壓比。SGT-600型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，雙軸式設(shè)計(jì)，使用壽命長，易于現(xiàn)場維護(hù)，可用燃料范圍廣，適合環(huán)境惡劣地區(qū)或在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行海上安裝和改進(jìn)。1994年，Sulzer-Escher Wyss公司開始在SGT-600燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)升級版的SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)。第一臺(tái)SGT-700于2002年在埃及投入商業(yè)運(yùn)行，驗(yàn)證出力達(dá)29 MW。2007年，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提升功率至31 MW。2012年，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)并融入3D打印等新型制造技術(shù)，機(jī)組出力提升至32.8 MW[5-6]。

1965年，GE公司開始為美軍開發(fā)TF39新型發(fā)動(dòng)機(jī)，后又開發(fā)出CF6-6的商業(yè)版本。1968年，以TF39(軍用型)和CF6-6(民用型)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為藍(lán)本研制了LM2500航空改進(jìn)型燃?xì)廨啓C(jī)[7]。1969年，第一臺(tái)LM2500樣機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率達(dá)17.9 MW，效率達(dá)35.5%。1971年，第一批LM2500發(fā)動(dòng)機(jī)交付用于天然氣壓縮。1998年，GE公司在LM2500燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上，成功研制LM2500+燃?xì)廨啓C(jī)，在原有16級壓氣機(jī)前新增0級壓氣機(jī)，第1級轉(zhuǎn)子葉片基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)CF6-80C2葉型的寬弦葉片重新設(shè)計(jì)，去掉了原LM2500燃?xì)廨啓C(jī)第1級轉(zhuǎn)子葉片的突肩，第2,3 級轉(zhuǎn)子葉片和0～11級靜子葉片仍采用CF6-80C2的葉型設(shè)計(jì)。升級后LM2500+燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率達(dá)29.8 MW，效率達(dá)38%。2005年，GE公司開發(fā)出新一代的LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)，對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子葉片葉型升級改進(jìn)，使空氣流量增加約5%，同時(shí)壓氣機(jī)和透平葉片采用新型冷卻技術(shù)和材料，以承受更高的溫度。升級后LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)功率提升到34.5 MW[8-9]。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)為輕型雙軸工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)結(jié)合了航改型燃?xì)廨啓C(jī)尺寸小、重量輕的優(yōu)勢，同時(shí)保持工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的堅(jiān)固性、靈活性和長壽命的優(yōu)勢。

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)分為燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力透平兩個(gè)主要部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。燃?xì)獍l(fā)生器由壓氣機(jī)、燃燒室和壓氣機(jī)透平組成。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)采用11級軸流式、跨音速、無中間冷卻的壓氣機(jī)(前2級為超音速設(shè)計(jì))，配有可調(diào)導(dǎo)葉。壓氣機(jī)第一級轉(zhuǎn)子葉片是鈦合金材料(未加涂層)，強(qiáng)度高、重量輕。燃燒室為單個(gè)環(huán)形燃燒室，包括18個(gè)第三代干式低排放(DLE)燃燒器。燃燒室采用金屬板設(shè)計(jì)，通過沖擊冷卻和氣膜冷卻組合的方式進(jìn)行冷卻，燃燒室內(nèi)部涂覆有熱障涂層(TBC)?？筛鶕?jù)用戶需求設(shè)計(jì)使用雙燃料，工作時(shí)根據(jù)載荷需要切換燃料類型。透平為軸流式透平，具有快速啟動(dòng)和變負(fù)荷能力。壓氣機(jī)(高壓)透平和動(dòng)力透平分別為2級軸流式透平，動(dòng)力透平側(cè)向排氣，熱端功率輸出。轉(zhuǎn)子葉片能在現(xiàn)場進(jìn)行更換而無須重新平衡轉(zhuǎn)子。燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子由兩個(gè)軸承支撐，從進(jìn)口到排氣口編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)軸承。動(dòng)力透平轉(zhuǎn)子由兩個(gè)軸承支撐，從進(jìn)口到排氣口編號(hào)為3號(hào)和4號(hào)。1,4號(hào)軸承是組合式推力和徑向軸承，2,3號(hào)軸承是徑向軸承，為可傾瓦塊式軸承。

圖1 SGT-700結(jié)構(gòu)圖

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)采用航空的材料、工藝、設(shè)計(jì)理念，結(jié)構(gòu)輕巧、緊湊，可適應(yīng)頻繁啟停的需要，啟停次數(shù)不需折算部件壽命，其熱通道部件的更換間隔即為實(shí)際運(yùn)行小時(shí)。

LM2500+G4雙軸燃?xì)廨啓C(jī)由燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力透平組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。燃?xì)獍l(fā)生器包括17級的壓氣機(jī)(壓比24∶1)、干式低排放(DLE)燃燒器和2級高壓透平。壓氣機(jī)與驅(qū)動(dòng)它的高壓透平在同一根高速軸上，6級動(dòng)力透平在一根單獨(dú)的低速軸上，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，為側(cè)向排氣熱端功率輸出方式。壓氣機(jī)葉片采用耐腐蝕航空級高溫合金材料，前7級靜葉可以通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高燃?xì)廨啓C(jī)在不同負(fù)荷下的效率并防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振。LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)采用耐高溫合金材料制作的滾動(dòng)軸承，用于支撐轉(zhuǎn)子和平衡軸向推力，軸承需要特殊的合成油冷卻和潤滑。LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)有7個(gè)軸承支撐透平發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和空氣動(dòng)力負(fù)荷，每個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量(壓氣機(jī)、透平和推力平衡盤系統(tǒng))由滾柱軸承承擔(dān)，軸向推力由滾珠軸承承擔(dān)，這些軸承布置在4個(gè)軸承油池內(nèi)。LM2500基本型和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)燃用天然氣，采用干式低排放燃燒技術(shù)，為環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，配置了75個(gè)預(yù)混燃燒的噴嘴[10]。

圖2 LM2500+G4結(jié)構(gòu)圖

兩種機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比見表1。LM2500+G4是典型的航改型燃?xì)廨啓C(jī)，采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、側(cè)排氣、熱端功率輸出方式，具有質(zhì)量輕、壓比高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其材料等級較高，軸系及燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利于維護(hù)。而SGT-700雖然為工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)，但在設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了航改型燃?xì)廨啓C(jī)尺寸小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢，部分采用了航改型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)及材料。和航改機(jī)類似，軸系上采用了雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，且采用側(cè)排氣、熱端功率輸出的方式，其質(zhì)量較重，軸系及燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、壓比等均低于LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)。

表1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

3 聯(lián)合循環(huán)配置情況

3.1 典型布置方式

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)配套的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供機(jī)組典型配置方式均以多軸配置為主，包括“一拖一”和“二拖一”布置。

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)典型的“一拖一”布置方式為：核心燃?xì)廨啓C(jī)部件采用成套配置方案，燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，采用室外布置，燃?xì)廨啓C(jī)上部進(jìn)氣、側(cè)向排氣，排氣口方向可根據(jù)總體布置的要求作向上、左、右調(diào)整，熱端功率輸出；汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用室內(nèi)布置，汽輪機(jī)為下排汽，布置在汽機(jī)房內(nèi)；余熱鍋爐為雙壓、非再熱鍋爐，采用室外布置。

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)典型“一拖一”多軸布置方式為：LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)采用室外布置，燃?xì)廨啓C(jī)上部進(jìn)氣、側(cè)向排氣，熱端功率輸出；汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用室內(nèi)布置；余熱鍋爐為雙壓、非再熱鍋爐，采用室外布置。

LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)因其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，在布置上具有一定的優(yōu)勢。

3.2 聯(lián)合循環(huán)參數(shù)配置

將兩種機(jī)型統(tǒng)一到同一環(huán)境參數(shù)和天然氣成分下，建模分析兩者配置的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能，見表2。LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)效率比SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)高；SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)排煙能量略高，下位電站容量配置略大；兩者聯(lián)合循環(huán)出力基本相當(dāng)，但LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)配置的聯(lián)合循環(huán)效率更高。

表2 “一拖一”聯(lián)合循環(huán)參數(shù)對比

4 運(yùn)行特性分析

4.1 部分負(fù)荷性能

SGT-700和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷工況下的性能見圖3，變化趨勢基本相似：隨著負(fù)荷上升，燃?xì)廨啓C(jī)效率逐漸上升；當(dāng)負(fù)荷率低于50%以下時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率隨負(fù)荷率上升速度較快。

圖3 SGT-700和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷下的性能曲線

根據(jù)建模得出SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)配套的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分負(fù)荷下的性能見圖4。兩者的變化趨勢相似：當(dāng)負(fù)荷率低于75%時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率隨著負(fù)荷率增長較快；當(dāng)負(fù)荷率高于75%時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率隨著負(fù)荷率增長變化較為平衡。

圖4 SGT-700和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)配套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分負(fù)荷下性能曲線

4.2 高溫環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)性能

SGT-700和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)在高溫環(huán)境下的效率和功率變化見圖5和圖6。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)高溫環(huán)境下效率衰減和功率衰減較少，LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)對環(huán)境溫度變化較敏感，其功率衰減比SGT-700工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)要大。

圖5 SGT-700和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)高溫環(huán)境下效率變化曲線

圖6 SGT-700和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)高溫環(huán)境下功率變化曲線

4.3 排放特性

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)均采用干式低排放(DLE)燃燒技術(shù)，燃用天然氣時(shí)，兩者滿足氮氧化物(NOx)排放的負(fù)荷均為50%～100%負(fù)荷。兩種機(jī)型的污染物排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω(NOx)、ω(CO)見表3。

表3 兩種燃?xì)廨啓C(jī)排放特性對比

4.4 燃料適應(yīng)性

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)能夠燃燒所有常見類型的天然氣，無分級燃燒，燃燒系統(tǒng)隨負(fù)荷變化自動(dòng)連續(xù)平滑調(diào)整，無分組切換，調(diào)試投運(yùn)后無需對燃燒系統(tǒng)周期性調(diào)整，可適應(yīng)氣體燃料華白指數(shù)范圍為25～60 MJ/m3，并可根據(jù)需求設(shè)計(jì)使用雙燃料。氣體燃料壓力最低2.7 MPa，最高4.0 MPa，最大變化±0.05 MPa。

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)可以燃燒不同范圍的天然氣，氣體燃料華白指數(shù)范圍25～63 MJ/m3，機(jī)組底座接口處的天然氣壓力必須滿足穩(wěn)態(tài)壓力3.69 MPa±0.13 MPa。

由表4可知，兩種燃?xì)廨啓C(jī)均具有較高的燃料適應(yīng)性。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)氣體燃料供應(yīng)壓力具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)機(jī)組處于天然氣管網(wǎng)下游、管道天然氣壓力較低時(shí)，LM2500+G4一般需安裝天然氣增壓設(shè)備，從而增加系統(tǒng)復(fù)雜程度和后期運(yùn)維成本。

表4 SGT-700與LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)燃料適應(yīng)性對比

4.5 機(jī)組啟動(dòng)特性及靈活性

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)從零轉(zhuǎn)速至滿轉(zhuǎn)速僅需約300 s，升負(fù)荷速率一般為77 kW/s。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)曲線見圖7，從正常模式啟動(dòng)到100%負(fù)荷約需12 min。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)每次正常啟停折合5個(gè)等效運(yùn)行小時(shí)(EOH)，對維護(hù)周期影響小。

圖7 SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)典型啟動(dòng)曲線

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)繼承了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，大量采用薄壁結(jié)構(gòu)，使用航空級高端合金，對熱應(yīng)力變化不敏感，可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。在整個(gè)生命周期，啟停對壽命的影響可忽略不計(jì)。LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組具有從冷態(tài)8 min快速起動(dòng)至滿負(fù)荷的能力， 負(fù)荷變化率最快可達(dá)500 kW/s，其啟動(dòng)曲線見圖8。

圖8 LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)典型啟動(dòng)曲線

4.6 供熱(冷)性能

30 MW等級分布式能源用燃?xì)廨啓C(jī)一般配置背壓或抽凝式汽輪機(jī)組進(jìn)行供熱(冷)。根據(jù)所建模型，選用1.2 MPa、280 ℃的供熱蒸汽參數(shù)，其抽凝工況下最大抽汽能力和背壓供熱工況下供熱能力見表5。抽凝工況下，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)和LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)所配置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱能力基本相當(dāng)。背壓供熱工況下，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)所配置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱能力略大。

表5 兩種燃?xì)廨啓C(jī)配置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱能力對比

5 檢修維護(hù)情況

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)基于工業(yè)型的設(shè)計(jì)，具有全生命周期性能衰退少、全部部件均可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢修、大修間隔長等特點(diǎn)，無需燃燒調(diào)整，維護(hù)成本較航改機(jī)低。

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)造較復(fù)雜，一級維護(hù)、二級維護(hù)可在現(xiàn)場開展，三級維護(hù)、四級維護(hù)需運(yùn)回原廠檢修，所更替的檢修工廠也較多，折算的度電維護(hù)費(fèi)用相對較高。燃燒系統(tǒng)需在半年期進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，所以最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間被設(shè)定為6個(gè)月左右。該型燃?xì)廨啓C(jī)多數(shù)零部件為高級特殊合金，與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通用，有些金屬編號(hào)為GE公司特有編號(hào)，且未在國際上廣泛使用，價(jià)格昂貴，加上備機(jī)協(xié)調(diào)、服務(wù)響應(yīng)不夠及時(shí)，對項(xiàng)目公司的生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生影響較大，如若燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生事故，返回美國檢修周期較長，備機(jī)費(fèi)用較高[11]。

6 總結(jié)

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、布置方式及檢修維護(hù)便利性來看，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)基于工業(yè)型設(shè)計(jì)，質(zhì)量較重，軸系及燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度均低于LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)，全生命周期性能衰退少，全部部件均可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢修，大修間隔長，無需燃燒調(diào)整，維護(hù)成本較LM2500+G4低。LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)具有質(zhì)量輕、壓比高、效率高、布置緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但其材料等級較高，軸系及燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，檢修維護(hù)成本較高，三級維護(hù)、四級維護(hù)需返廠檢修，周期較長。

從機(jī)組性能方面來看，相比SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)，LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)出力高，下位汽機(jī)出力略低，兩者聯(lián)合循環(huán)出力基本相當(dāng)，LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)配置的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率更高；兩種機(jī)型在部分負(fù)荷工況下的燃?xì)廨啓C(jī)性能和聯(lián)合循環(huán)性能變化趨勢基本相似；LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)對環(huán)境溫度變化較敏感，高溫環(huán)境下功率衰減比SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)大；兩種燃?xì)廨啓C(jī)滿足NOx排放的負(fù)荷均為50%～100%負(fù)荷；兩種燃?xì)廨啓C(jī)均具有較高的燃料適應(yīng)性，LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)對氣體燃料壓力要求較高；LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)速度較SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)更快；抽凝工況下兩者所配置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱能力基本相當(dāng)，背壓供熱工況下SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)所配置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱能力略大。

綜上所述，LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)對于分布式供能方面具有一定的優(yōu)勢，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)在檢修維護(hù)上具有一定的優(yōu)勢。