鄭陸松,張曉蕊,沈 健,湯忠濱

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇三研究所 哈爾濱廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司,哈爾濱 150078;2.華潤(rùn)電力(泰州)有限公司,江蘇 泰州 225453)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的葉輪式動(dòng)力機(jī)械設(shè)備,廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶動(dòng)力、工業(yè)發(fā)電及油氣管道增壓輸送等領(lǐng)域[1]。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)整體實(shí)力的重要標(biāo)志之一,關(guān)系到國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2],因此,燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直受到發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。20世紀(jì)80年代以來(lái),由于冶金、高溫材料、冷卻技術(shù)、高溫涂層以及3D打印技術(shù)的創(chuàng)新和突破[3-5],燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)得以迅速發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)容量和性能不斷提高,最大容量已超過(guò)500 MW,最高燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1 600 ℃以上,燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)效率已超過(guò)40%,聯(lián)合循環(huán)純凝發(fā)電效率已達(dá)到60%以上[6]。燃?xì)廨啓C(jī)以效率高、占地面積小、快速起動(dòng)及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)正在成為一種大規(guī)模商業(yè)發(fā)電設(shè)備,并在不斷地向高參數(shù)、高性能、大型化方向發(fā)展[7]。

1 國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)起步于20世紀(jì)60年代初期,國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)廠曾立足于自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn),初步具備10 MW以下燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)能力。80年代,由于國(guó)家能源政策及經(jīng)濟(jì)政策調(diào)整,國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)嚴(yán)重萎縮,導(dǎo)致我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)處于停滯狀態(tài),直到90年代后期我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)才逐漸得到恢復(fù)和發(fā)展[8]。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展斷層,致使我國(guó)在燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家拉開(kāi)了差距,也是導(dǎo)致我國(guó)至今仍未形成完整燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的原因。目前國(guó)際上燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和市場(chǎng)高度壟斷,基本形成以通用電氣(GE)、西門子(Siemens)、三菱重工(MHI)、阿爾斯通(Alstom)為主導(dǎo)的格局[9]。為了縮短差距,加快燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,我國(guó)曾采用“打捆招標(biāo)”的方式[10],進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn),但成果并不顯著,國(guó)內(nèi)合作商初步實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)裝配制造技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化,核心技術(shù)仍掌握在國(guó)外企業(yè)手中。我國(guó)在燃?xì)廨啓C(jī)核心設(shè)計(jì)技術(shù)、熱端部件制造、控制技術(shù)及售后維保技術(shù)等方面仍落后于國(guó)際先進(jìn)水平[11]。

1.2 中小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)中小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展以技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)兩條路線為主。燃?xì)廨啓C(jī)自主研發(fā)一般是基于國(guó)外引進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),通過(guò)對(duì)核心機(jī)結(jié)構(gòu)、高溫材料、性能參數(shù)、技術(shù)特點(diǎn)等改進(jìn)和優(yōu)化,推出新型燃?xì)廨啓C(jī)的過(guò)程[12]。目前,國(guó)內(nèi)具有自主研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)能力的廠家較少,暫未形成完整的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇三研究所(703所)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始引進(jìn)烏克蘭某型25 MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),現(xiàn)已具備100%自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力,并在原機(jī)型基礎(chǔ)上進(jìn)行全面技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn),開(kāi)發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CGT25/30系列燃?xì)廨啓C(jī)。目前該系列燃?xì)廨啓C(jī)已成功應(yīng)用于船舶動(dòng)力、天然氣長(zhǎng)輸管線及海上平臺(tái)發(fā)電等領(lǐng)域,正在向工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展和前進(jìn)[13]。南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司在20世紀(jì)90年代與GE合作生產(chǎn)MS6001燃?xì)廨啓C(jī),初步掌握了燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù),但核心技術(shù)仍由GE掌控[14]。中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所在與P&W公司合作生產(chǎn)FT8基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),研發(fā)出40 MW等級(jí)QC400型燃?xì)廨啓C(jī),該型燃?xì)廨啓C(jī)目前暫未量產(chǎn)[15]。東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司基于三菱重工燃?xì)廨啓C(jī)合作經(jīng)驗(yàn),自2009年至2020年自主研發(fā)50 MW級(jí)G50燃?xì)廨啓C(jī),完成燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)、壓氣機(jī)、燃燒室及渦輪設(shè)計(jì),分別建立核心部件試驗(yàn)臺(tái)和整機(jī)試驗(yàn)臺(tái),并于2020年完成首臺(tái)機(jī)組整機(jī)試驗(yàn)[16],正在開(kāi)展示范應(yīng)用。

燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn)主要依托于GE、Siemens及MHI等公司的機(jī)組系列[17-18],通過(guò)結(jié)成合作伙伴關(guān)系,采用核心機(jī)進(jìn)口、附屬設(shè)備國(guó)內(nèi)成套的方式,并在工業(yè)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式能源領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用[19]。2011年中國(guó)華電集團(tuán)與美國(guó)通用電氣(GE)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,成立華電通用輕型燃機(jī)設(shè)備有限公司,推廣LM2500、LM6000等系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)。2006年西門子通過(guò)與株洲南方航空動(dòng)力有限公司合作進(jìn)行SGT系列燃?xì)廨啓C(jī)的組裝生產(chǎn)。2016年西門子與杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)股份有限公司合作推廣SGT-100～SGT-800系列燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。2013年703所與西門子簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,推廣SGT系列燃?xì)廨啓C(jī)在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用,并在天然氣終端站和油氣平臺(tái)取得顯著業(yè)績(jī)。2009年703所與三菱日立電力系統(tǒng)株式會(huì)社簽署合作協(xié)議,推廣H-25型燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)發(fā)電及分布式能源領(lǐng)域的應(yīng)用,目前該型燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)內(nèi)已有10多臺(tái)的項(xiàng)目業(yè)績(jī)。

在項(xiàng)目合作過(guò)程中,國(guó)內(nèi)廠家逐步掌握了燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)制造、集成配套的技術(shù),但燃?xì)廨啓C(jī)核心設(shè)計(jì)技術(shù)一直由國(guó)外廠家壟斷。適用于工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn)有待在核心部件設(shè)計(jì)及國(guó)產(chǎn)化制造取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

根據(jù)中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,為響應(yīng)國(guó)家“十四五”規(guī)劃和重大技術(shù)裝備示范應(yīng)用號(hào)召,打破國(guó)外工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)壟斷,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)30～40 MW功率等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)空白,703所通過(guò)與三菱日立電力系統(tǒng)株式會(huì)社(MHPS)多年合作,在H-25型燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上,于2019年簽署了H-25型燃?xì)廨啓C(jī)核心機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)引進(jìn)合同。目前703所正在開(kāi)展H-25型燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)產(chǎn)化研制和示范應(yīng)用。H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用將為打造完整燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)鏈奠定基礎(chǔ)。

2 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)

2.1 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷程

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)最初是由日立制作所基于美國(guó)MS5001生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的同級(jí)別高效率燃?xì)廨啓C(jī)。首臺(tái)H-25型燃?xì)廨啓C(jī)于1988年開(kāi)始商業(yè)運(yùn)行,額定功率為28 MW,壓比為14.7,燃?xì)獬鯗貫? 260 ℃,熱效率為34.2%,相比于同類型燃?xì)廨啓C(jī)效率提高約20%[20-21]。

通過(guò)30多年不斷的技術(shù)革新,H-25型燃?xì)廨啓C(jī)功率等級(jí)由28 MW提升至41 MW,效率提升至36.2%,燃燒初溫提升至1 300 ℃,壓比提升至17.9,H-25型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷程見(jiàn)圖1。截止到2022年,H-25型燃?xì)廨啓C(jī)已有約200臺(tái)運(yùn)行業(yè)績(jī),累積運(yùn)行時(shí)間約750萬(wàn) h,技術(shù)可靠性已在商業(yè)運(yùn)行中得到充分驗(yàn)證。

圖1 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷程

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域,燃燒天然氣、輕質(zhì)油及富氫尾氣等多種燃料,能在高效率及穩(wěn)定性的情況下保持較寬的運(yùn)行范圍。其緊湊的結(jié)構(gòu)布局、可現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的特點(diǎn)以及高可靠性使之成為工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域理想的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品之一。

2.2 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)組成

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)為單軸工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī),結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2。燃?xì)廨啓C(jī)整體采用水平中分結(jié)構(gòu),擁有17級(jí)軸流式壓氣機(jī),渦輪機(jī)匣前端10缸回流式燃燒室環(huán)繞布置,渦輪由3級(jí)動(dòng)力渦輪級(jí)組成。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,空氣通過(guò)進(jìn)氣導(dǎo)流通道進(jìn)入壓氣機(jī),被壓縮至設(shè)計(jì)的溫度和壓力,由壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片排出。一部分空氣回流上升進(jìn)入燃燒器提供助燃空氣并以氣膜的形式冷卻燃燒器襯套。另一部分空氣通過(guò)轉(zhuǎn)子連接段進(jìn)入動(dòng)力渦輪區(qū)域用于冷卻渦輪葉片。燃料通過(guò)噴嘴進(jìn)入燃燒器燃燒,產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化。渦輪產(chǎn)生的機(jī)械能一部分帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),另一部分通過(guò)輸出軸驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備。做功后的煙氣通過(guò)排氣擴(kuò)壓段排向大氣。H-25型燃?xì)廨啓C(jī)早期曾采用側(cè)排氣、熱端輸出形式。為了減小排氣阻力,提高效率,排氣段改為直排形式,通過(guò)前端輸出軸帶動(dòng)負(fù)載設(shè)備。

圖2 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 壓氣機(jī)

壓氣機(jī)為軸流式,由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和帶定子的缸體機(jī)匣構(gòu)成,結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3,主要包括進(jìn)氣機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、排氣機(jī)匣等部件。

圖3 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

(1) 進(jìn)氣機(jī)匣

進(jìn)氣機(jī)匣包括進(jìn)氣導(dǎo)管、推力軸承、2號(hào)軸頸軸承、軸承氣封等部分。2號(hào)軸頸軸承承載轉(zhuǎn)子徑向力,推力軸承起到平衡轉(zhuǎn)子軸向力的作用。

(2) 壓氣機(jī)機(jī)匣

第1～13級(jí)定子葉片安裝在壓氣機(jī)機(jī)匣上,該段機(jī)匣與進(jìn)氣機(jī)匣及下游的排氣機(jī)匣分別通過(guò)法蘭螺栓連接。壓氣機(jī)機(jī)匣采用水平中分結(jié)構(gòu),上下機(jī)匣通過(guò)法蘭螺栓連接。壓氣機(jī)機(jī)匣設(shè)計(jì)兩種抽氣接口用于壓氣機(jī)防喘振、渦輪葉片冷卻及軸承密封。其中第6級(jí)抽氣從位于第6～7級(jí)靜葉之間的機(jī)匣位置抽取,分別引至2號(hào)軸承密封、排氣缸冷卻,并通過(guò)防喘放氣閥排至尾部煙道。第13級(jí)抽氣從位于壓氣機(jī)機(jī)匣和排氣機(jī)匣之間的位置抽取,通向渦輪機(jī)匣和排氣段,用于冷卻第2級(jí)、3級(jí)渦輪葉片,并通過(guò)防喘放氣閥排至尾部煙道。

(3)排氣機(jī)匣

第14～17級(jí)靜葉片及出口導(dǎo)向葉片安裝在排氣機(jī)匣上。壓氣機(jī)排氣一部分進(jìn)入后部的環(huán)形通道并被引至燃燒器,用作助燃空氣。另一部分壓縮空氣通過(guò)轉(zhuǎn)子連接段進(jìn)入渦輪區(qū)域用于冷卻渦輪轉(zhuǎn)子葉片。

(4)進(jìn)氣導(dǎo)流葉片(IGV)

基于壓氣機(jī)防喘振及平滑加速的目的,進(jìn)氣機(jī)匣安裝進(jìn)氣導(dǎo)流葉片(IGV)。IGV通過(guò)調(diào)整葉片開(kāi)度控制空氣流量及壓比。在起機(jī)階段,IGV保持在25.8°開(kāi)度;75%額定轉(zhuǎn)速后,葉片開(kāi)度由燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度計(jì)算的預(yù)定曲線控制;額定轉(zhuǎn)速時(shí),IGV開(kāi)度達(dá)到58～60.8°范圍并根據(jù)負(fù)荷的增加逐漸增大;額定負(fù)荷狀態(tài)下,IGV開(kāi)度達(dá)到80.1～82.5°范圍。在起機(jī)過(guò)程中,燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及IGV開(kāi)度等因素的變化升降,最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。排氣溫度與IGV開(kāi)度的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 排氣溫度和IGV開(kāi)度關(guān)系曲線

IGV開(kāi)度通過(guò)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制環(huán)調(diào)節(jié)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓油實(shí)現(xiàn)導(dǎo)桿的直線運(yùn)動(dòng),并通過(guò)曲柄將導(dǎo)桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為控制環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂骗h(huán)與葉片通過(guò)齒輪組合在一起,齒條齒輪在控制環(huán)的驅(qū)動(dòng)下做直線運(yùn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)與之粘合的葉片行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)葉片開(kāi)度的調(diào)節(jié)。IGV執(zhí)行機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 IGV執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖

2.2.2 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)由燃料控制閥、噴嘴和燃燒器組成。燃料經(jīng)過(guò)管道由噴嘴供給燃燒器,在燃燒器內(nèi)與壓縮空氣混合燃燒。

(1) 燃料控制系統(tǒng)

燃料由串聯(lián)布置的速比閥(SRV)和燃料控制閥(GCV)共同控制。燃料首先通過(guò)SRV調(diào)節(jié)壓力,之后分成五路進(jìn)入GCV。GCV包括控制擴(kuò)散燃燒的F1及控制預(yù)混燃燒的F2-1至F2-4,其作用是根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速及外界負(fù)荷要求不斷改變閥門開(kāi)度,進(jìn)而控制燃料流量。燃料通過(guò)GCV后分別進(jìn)入相應(yīng)的管道,并通向?qū)?yīng)的預(yù)混及擴(kuò)散噴嘴燃燒。燃燒系統(tǒng)原理見(jiàn)圖6。

圖6 燃燒系統(tǒng)原理圖

(2) 低氮燃燒器

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)配備10個(gè)低氮燃燒器,環(huán)繞壓氣機(jī)排氣機(jī)匣周向布置,燃燒器間通過(guò)交叉火焰管連通。火花塞分別安裝在編號(hào)為9和10的燃燒器上,燃料首先由火花塞點(diǎn)燃,隨后通過(guò)交叉火焰管傳播至未燃燒的燃燒器。為了控制和監(jiān)測(cè)渦輪段的排氣溫度,燃料和空氣分別通過(guò)GCV和IGV進(jìn)行控制,并通過(guò)排氣道周向布置的熱電偶(18個(gè)溫度測(cè)點(diǎn))進(jìn)行火焰監(jiān)測(cè)。

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)準(zhǔn)低氮燃燒器配有5個(gè)燃燒噴嘴,分別與GCV對(duì)應(yīng)。燃燒器中間位置的擴(kuò)散燃燒噴嘴對(duì)應(yīng)F1,作為值班氣路,圍繞F1分布的四個(gè)預(yù)混燃燒噴嘴對(duì)應(yīng)F2-1至F2-4。燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7,針對(duì)預(yù)混燃燒噴嘴,設(shè)計(jì)預(yù)混器和火焰穩(wěn)定器,以提高燃燒火焰的穩(wěn)定性。壓縮空氣進(jìn)入排氣機(jī)匣的環(huán)形空間后,回流進(jìn)入燃燒器,首先通過(guò)介于襯套與外缸之間的環(huán)形空間進(jìn)入燃燒器,同時(shí)進(jìn)入冷卻襯套的外壁和燃燒器外缸的內(nèi)壁。空氣通過(guò)襯套孔和縫隙冷卻孔進(jìn)入襯套以冷卻襯套內(nèi)壁,并與燃料混合作為助燃空氣。從襯套上游來(lái)的空氣為燃燒的一次風(fēng),下游來(lái)的二次風(fēng)與燃燒完全后的高溫氣體混合以調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)口溫度。

圖7 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)準(zhǔn)低氮燃燒器

(3) GCV切換過(guò)程

燃?xì)廨啓C(jī)在冷吹結(jié)束后點(diǎn)火,經(jīng)過(guò)F2-2點(diǎn)火和F2-1啟動(dòng)加速之后進(jìn)入空載擴(kuò)散燃燒狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后,進(jìn)行發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶載,并通過(guò)逐漸增加燃料量(FSR)升負(fù)荷。當(dāng)燃料量超過(guò)F2-1流量設(shè)定點(diǎn)(KD1)時(shí),F2-1開(kāi)啟,燃燒器增加了F2-1噴嘴的預(yù)混燃燒。與此相似,當(dāng)燃料量超過(guò)F2-2流量設(shè)定點(diǎn)(KD2)時(shí),F2-2開(kāi)啟,隨著燃料量的不斷增加,F2-3、F2-4相繼開(kāi)啟,直到燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到額定負(fù)荷狀態(tài)。正常停機(jī)時(shí),GCV切換流程與起機(jī)過(guò)程相反,隨負(fù)荷降低,燃料量不斷減少,F2-4～F2-1相繼關(guān)閉,直至F1切斷燃料供應(yīng),燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)。甩負(fù)荷時(shí),F2直接關(guān)閉,燃?xì)廨啓C(jī)空載運(yùn)行。GCV切換流程見(jiàn)圖8。

圖8 GCV切換流程

燃料噴嘴按照以下燃燒模式點(diǎn)燃,見(jiàn)圖9,在GCV的每一個(gè)切換點(diǎn),預(yù)混閥F2的開(kāi)啟均會(huì)引起擴(kuò)散閥F1氣體量減小,造成瞬間的空燃比失調(diào),從而引起燃燒不穩(wěn)定。燃燒調(diào)整目的是在擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒之間尋找最佳平衡點(diǎn)使燃燒穩(wěn)定,同時(shí)通過(guò)控制預(yù)混及擴(kuò)散燃燒的比率降低NOx排放。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)低氮燃燒器燃燒模式

為適應(yīng)多種燃料,H-25型燃?xì)廨啓C(jī)除了標(biāo)準(zhǔn)低氮燃燒器外,還配備其他多種類型燃燒器,包括多叢簇型、圓錐叢簇型和常規(guī)擴(kuò)散型。燃燒天然氣時(shí),NOx排放量≤50 mg/m3。燃燒器類型及特性見(jiàn)表1。

表1 燃燒器類型

2.2.3 動(dòng)力渦輪

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)3級(jí)動(dòng)力渦輪用于實(shí)現(xiàn)高溫燃?xì)鉄崮芟驒C(jī)械能的轉(zhuǎn)換。動(dòng)力渦輪由渦輪機(jī)匣、噴嘴及葉片、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子及葉片組成,見(jiàn)圖10。渦輪機(jī)匣的前半部分與壓氣機(jī)排氣機(jī)匣及燃燒器外缸連接,形成燃燒空間,后半部分安裝有噴嘴靜葉及靜葉保護(hù)環(huán)。

圖10 動(dòng)力渦輪組成

第1級(jí)噴嘴周向分為16段,集成在固定護(hù)環(huán)中。燃燒器出口的高溫燃?xì)庥蛇^(guò)渡段進(jìn)入第1級(jí)噴嘴,過(guò)渡段內(nèi)、外壁設(shè)計(jì)與噴嘴的內(nèi)、外壁相接,連接點(diǎn)處由集成在噴嘴內(nèi)壁的密封件密封。噴嘴護(hù)環(huán)和葉片由壓氣機(jī)排氣冷卻,壓氣機(jī)排氣首先由護(hù)環(huán)上的孔進(jìn)入噴嘴,通過(guò)噴嘴葉片的中空體和后端冷卻槽冷卻噴嘴,再?gòu)睦鋮s槽排出至熱通道。

第2級(jí)噴嘴和隔板集成在第1～2級(jí)渦輪盤之間,第3級(jí)噴嘴和隔板集成在第2～3級(jí)渦輪盤之間。噴嘴和隔板均分為24段,每段由前、后端護(hù)環(huán)支撐,并通過(guò)渦輪機(jī)匣上的定位銷沿周向固定。隔板位于噴嘴內(nèi)部,正對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子間隔輪盤面,形成迷宮式密封,起到密封噴嘴的作用,并將氣流分為熱氣體通道和冷卻區(qū)域,轉(zhuǎn)子輪盤之間的區(qū)域分為高壓區(qū)和低壓區(qū),且均可通過(guò)冷卻空氣進(jìn)行冷卻。第2、3級(jí)噴嘴和葉片的冷卻空氣均來(lái)自壓氣機(jī)第13級(jí)抽氣,冷卻空氣冷卻噴嘴葉片后通過(guò)噴嘴及隔板上的氣孔進(jìn)入熱通道。

動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子第1、2級(jí)葉片由壓氣機(jī)排氣進(jìn)行冷卻。冷卻空氣首先進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部空腔,再?gòu)霓D(zhuǎn)子中心孔沿徑向穿過(guò)葉片輪盤及間隔輪盤之間的縫隙,進(jìn)入葉片內(nèi)部冷卻氣道,最后從葉片頂端排至熱通道。高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)動(dòng)力渦輪做功后,與來(lái)自壓氣機(jī)第6級(jí)冷卻空氣混合,控制排氣溫度,并從排氣段排至大氣。渦輪葉片冷卻氣流圖見(jiàn)圖11。

圖11 渦輪葉片冷卻氣流圖

2.2.4 轉(zhuǎn)子和軸承

(1) 轉(zhuǎn)子

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子為單軸結(jié)構(gòu),包括壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子和中間轉(zhuǎn)子連接件,見(jiàn)圖12。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子葉片和輪盤等部件。第1級(jí)轉(zhuǎn)子輪盤與2號(hào)軸頸一體,軸頸用于配合滑動(dòng)軸承、推力軸承、導(dǎo)油器密封、低壓氣密封組裝。第1～17級(jí)轉(zhuǎn)子輪盤由周向均布的16個(gè)連接螺栓組裝在一起。轉(zhuǎn)子葉片采用燕尾結(jié)構(gòu)安裝到輪盤槽內(nèi),并與安裝在壓氣機(jī)機(jī)匣上的定子葉片交錯(cuò)布置形成空氣壓縮通道。

圖12 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子由葉片輪盤、動(dòng)葉及間隔輪盤組成,葉片榫頭固定在輪盤的樹(shù)形槽內(nèi),葉片輪盤、間隔輪盤及1號(hào)軸承輪盤由12個(gè)周向均布螺栓組裝。動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子通過(guò)中間轉(zhuǎn)子連接件與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連接。

(2) 軸承

轉(zhuǎn)子由1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)滑動(dòng)軸承及推力軸承支撐,軸承位置見(jiàn)圖13?；瑒?dòng)軸承和推力軸承均采用可傾瓦結(jié)構(gòu)用于固定轉(zhuǎn)子位置并承受轉(zhuǎn)子載荷。1號(hào)軸承位于排氣支撐位置,2號(hào)軸承在壓氣機(jī)前部支撐位置,均與轉(zhuǎn)子軸頸配合安裝。推力軸承承受高溫燃?xì)獾膰娚渫屏Σ⒃谳S向上固定轉(zhuǎn)子位置。

圖13 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)軸承位置圖

軸承由潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑,潤(rùn)滑油通過(guò)供油管進(jìn)入軸瓦和軸頸,對(duì)轉(zhuǎn)子和軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻,并通過(guò)機(jī)匣導(dǎo)油管進(jìn)入回油管道。軸承內(nèi)部殼體上裝有擋油板,并通過(guò)每個(gè)軸承末端的迷宮式油封防止滑油泄漏。

2.3 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特點(diǎn)

目前,中小型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)需求主要集中在30～40 MW功率等級(jí),主要機(jī)型除H-25型燃?xì)廨啓C(jī)外,還包括GE公司的LM2500系列和LM6000系列、Siemens公司的SGT-700和A35系列。各機(jī)型燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)發(fā)電和石油化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間均在百萬(wàn)小時(shí)以上,機(jī)組的可靠性已得到充分的驗(yàn)證。各主力機(jī)型的性能對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 各機(jī)型技術(shù)參數(shù)表[13,22]

通過(guò)技術(shù)參數(shù)對(duì)比可見(jiàn),相比于航改型燃?xì)廨啓C(jī),H-25型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率偏低,熱耗率較高,基本與同屬工業(yè)型的SGT-700相當(dāng)。相比于同級(jí)別機(jī)組,H-25型燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度高,流量大,NOx排放可低至30 mg/m3,更適用于天然氣分布式能源系統(tǒng)及熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域。H-25型燃?xì)廨啓C(jī)采用單軸水平中分結(jié)構(gòu),生產(chǎn)制造成本低,可以現(xiàn)場(chǎng)拆裝,降低了燃?xì)廨啓C(jī)維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。大修間隔期在同檔機(jī)組中最長(zhǎng),達(dá)到64 000 等效小時(shí)(EOH),機(jī)組的穩(wěn)定性較好。

H-25系列燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)如下:(1) 工業(yè)型設(shè)計(jì),滿足連續(xù)可靠運(yùn)行的要求;(2) 排氣溫度高,更能適用于天然氣分布式能源系統(tǒng)及熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域;(3) NOx排放滿足國(guó)標(biāo)50 mg/m3的要求,最新開(kāi)發(fā)的低排放技術(shù)可達(dá)到30 mg/m3;(4) 維護(hù)間隔周期長(zhǎng),可現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng);(5) 機(jī)組按照模塊化設(shè)計(jì),安裝周期短。

3 H-25燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)內(nèi)技術(shù)引進(jìn)應(yīng)用

3.1 國(guó)內(nèi)應(yīng)用業(yè)績(jī)

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)首臺(tái)機(jī)組應(yīng)用于山西清徐縣景源熱電廠的焦?fàn)t煤氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中,額定功率為28 MW,以焦?fàn)t煤氣為燃料,采用側(cè)排氣方式連接余熱鍋爐,蒸汽量為60 t/h,綜合熱效率達(dá)80%。目前,機(jī)組累積運(yùn)行已超過(guò)80 000 h,并現(xiàn)場(chǎng)完成了中修和大修。

2014年三菱重工整合日立發(fā)電事業(yè)部成立三菱日立電力系統(tǒng)株式會(huì)社(MHPS),703所與MHPS簽署H-25型燃?xì)廨啓C(jī)的合作協(xié)議,并促成了H-25(35 MW)機(jī)組在浙江寧波科豐燃機(jī)熱電廠的應(yīng)用。該項(xiàng)目采用H-25型燃?xì)廨啓C(jī)替換原6B機(jī)組,以天然氣為燃料,直排形式配套雙壓余熱鍋爐和純凝汽輪機(jī)組成分布式能源系統(tǒng),為周邊廠區(qū)提供電力、蒸汽負(fù)荷,起到調(diào)峰電廠的作用。自2015年8月投入運(yùn)行以來(lái),機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行60 000 h,并完成現(xiàn)場(chǎng)中修。

2016年以來(lái),703所攜手MHPS,分別與青島高新熱電有限公司、華潤(rùn)電力(泰州)有限公司、華潤(rùn)電力(珠海)智慧能源有限公司、東莞理文造紙廠有限公司、東莞德永佳紡織制衣有限公司等簽訂了共12臺(tái)套不同功率等級(jí)的H-25型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組供貨合同,2021年后已有5臺(tái)機(jī)組陸續(xù)投入商業(yè)運(yùn)行,運(yùn)行穩(wěn)定性和效率均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。H-25型燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況見(jiàn)表3。

表3 H-25型燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)內(nèi)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

3.2 技術(shù)引進(jìn)

2019年3月,MHPS和703所下屬中船重工龍江廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司簽訂了H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同,內(nèi)容為H-25系列燃?xì)廨啓C(jī)許可證轉(zhuǎn)讓,包括32 MW、42 MW兩種功率等級(jí)。許可證授權(quán)范圍包括:燃?xì)廨啓C(jī)的組裝、生產(chǎn)、采購(gòu)、檢查、安裝、調(diào)試、銷售及售后服務(wù)。通過(guò)此次技術(shù)轉(zhuǎn)讓,可以實(shí)現(xiàn)H-25系列燃?xì)廨啓C(jī)100%國(guó)產(chǎn)化,包括國(guó)內(nèi)生產(chǎn)、裝配、檢測(cè)、售后、維修等工作。

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)讓工作已經(jīng)完成技術(shù)轉(zhuǎn)化,首臺(tái)國(guó)產(chǎn)H-25型燃?xì)廨啓C(jī)完成了整機(jī)的國(guó)產(chǎn)化制造、總裝和樣機(jī)試驗(yàn)。2022年703所完成了首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化H-25型燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)整套生產(chǎn)和質(zhì)量見(jiàn)證,并完成整機(jī)性能考核試驗(yàn),目前正在依托國(guó)內(nèi)市場(chǎng)進(jìn)行示范應(yīng)用推廣。通過(guò)H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn),不但彌補(bǔ)了我國(guó)工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的短板,而且滿足了國(guó)內(nèi)30～40 MW區(qū)域式分布式能源系統(tǒng)的需求。H-25型燃?xì)廨啓C(jī)及附屬設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)周期明顯縮短,設(shè)備生產(chǎn)、制造成本顯著降低,機(jī)組售后服務(wù)也將會(huì)擺脫國(guó)外廠家的限制。

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)低熱值燃料的適用性強(qiáng),燃燒技術(shù)的引進(jìn)可為我國(guó)自主研發(fā)低熱值燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行技術(shù)積累,對(duì)全面掌握燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)具有重要意義。同時(shí)H-25型燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放量為30 mg/m3,這是化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的有效途徑,同時(shí)對(duì)推動(dòng)節(jié)能減排具有重要意義。

H-25型燃?xì)廨啓C(jī)有利于提高天然氣分布式能源梯級(jí)利用技術(shù),高品位的一次能源發(fā)電,低品位的煙氣、熱水余熱用于二次發(fā)電和供熱制冷,可在一個(gè)區(qū)域內(nèi)同時(shí)滿足用戶對(duì)電、熱、冷等多種用能需求,能源利用率顯著提高。目前,703所基于近年來(lái)H-25系列燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組良好的成套業(yè)績(jī),結(jié)合H-25系列燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的有效實(shí)施,在國(guó)內(nèi)分布式能源應(yīng)用需求日益擴(kuò)大的背景下,推進(jìn)國(guó)產(chǎn)H-25型燃?xì)廨啓C(jī)示范應(yīng)用,H-25型燃?xì)廨啓C(jī)必將有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,揭示了國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整背景下,中小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn)對(duì)打破國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)壟斷、建設(shè)現(xiàn)代能源體系及實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保具有重要意義,同時(shí)也為打造我國(guó)完整的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)體系奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況,得到結(jié)論如下:

1) H-25型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高,適用于區(qū)域分布式能源系統(tǒng)及熱電聯(lián)產(chǎn)等工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域。

2) H-25型燃?xì)廨啓C(jī)能適用于多種燃料,且NOx排放指標(biāo)低至30 mg/m3,滿足我國(guó)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的要求。

3) H-25型燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)內(nèi)有大量應(yīng)用業(yè)績(jī),機(jī)組可靠性及穩(wěn)定性已得到充分驗(yàn)證。

4) H-25型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引進(jìn),補(bǔ)充了國(guó)內(nèi)30～40 MW功率等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)空白,同時(shí)機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)供貨顯著降低了設(shè)備初投資和運(yùn)行維護(hù)成本。H-25型燃?xì)廨啓C(jī)將會(huì)在國(guó)內(nèi)擁有廣闊的應(yīng)用前景。