國內大型燃氣輪機發展歷程及運行綜述

李樹田

（神華浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司，浙江 寧波 315400）

1 燃氣輪機發展歷程

1.1 發展歷程及技術特點

燃氣輪機首先應用于航空和宇航領域，隨后迅速向能源發電、石油化工、冶金及海陸交通等領域發展。燃氣輪機涉及多學科交叉的綜合性技術，其核心技術包括：重大部件的設計制造、系統設計優化和成套技術；高性能壓氣機與透平及高轉速機械復雜結構的組合；高溫熱通道部件的材料制造工藝、涂層保護技術及其先進的冷卻技術；高效低污染的燃燒技術；長壽命主機結構與先進制造技術；新的材料和隔熱涂層等。國際燃氣輪機技術的發展步伐是緊緊圍繞著上述核心技術的突破而展開的。按技術特征不同，燃氣輪機的發展可分為4代：20世紀，發展了兩代工業燃氣輪機，透平初溫的提高主要通過增大壓氣機的壓比和完善相關部件實現。第一代的技術特點是：單軸重型結構，采用高溫合金和簡單空冷技術，亞音速壓氣機，機械液壓式/模擬式電子調節系統。第二代的技術特點是：輕重結合結構，超級合金和保護涂層，先進的空冷技術，干式預混低污染燃燒，數字式微機控制系統，聯合循環總能系統。進入21世紀，利用新材料和新技術的突破，陸續開發出后兩代燃氣輪機。第三代主要技術特點是采用更有效的蒸汽冷卻技術，采用定向結晶、單晶葉片等，部分靜部件采用陶瓷材料，應用智能型微機控制系統，更加重視環保性能。第四代燃氣輪機是一種理想機型，發動機將處于或接近理論燃燒空氣量條件下工作，初溫將大于1600～1800℃，采用革命性的新材料，有更好的綜合高溫性能。國外燃氣輪機制造廠商主要有美國GE公司、德國siemens公司、法國Alstom公司和日本MHI公司等。

1.2 燃氣輪機發電技術的發展趨勢

（1）重視系統集成與總能系統的廣泛應用。關鍵集成技術與系統集成技術對提高燃氣輪機系統性能同樣重要，基于能量梯級利用的總能系統概念，燃氣輪機聯合循環系統既能充分發揮其高溫加熱優勢，又避免較高溫排熱、損失較大的缺陷，顯示出極好的總體性能，在電力、石化、冶金等領域，以聯合循環、功熱并供、三聯供、多聯產、注蒸汽雙工質循環以及總能工廠等多種形式得到廣泛應用。

（2）積極采用新技術、新材料、新工藝。燃氣輪機主機的4大集成技術（高溫合金、冷卻技術、氣動熱力設計以及燃燒技術），在很大程度上沿用了航空科技成果。工業燃氣輪機制造公司與航空部門密切合作，積極移植先進技術，開發新一代高性能產品，是燃氣輪機發展的趨勢。

（3）不斷向高參數、高性能、大型化方向發展。由于燃氣輪機熱力循環的固有特點，其熱力性能隨著透平初溫上升而提高，不斷提高熱力參數以提高性能一直是燃氣輪機發展的主要趨勢。當前，透平初溫已提高到1300℃，單機功率250 MW，聯合循環達到390 MW。正在建造的H級燃氣輪機的初溫達到1430℃，聯合循環達到480 MW。燃氣輪機的熱力性能已提高到新水平，簡單循環熱效率已接近現代汽輪機電站的水平（35%～40%），而聯合循環熱效率則明顯超過汽輪機電站。另外，在提高初溫的同時，采取間冷與再熱等措施，用熱力循環手段來提高系統性能，也是值得注意的發展方向。

（4）燃料多元化和燃煤聯合循環商業化。長期以來，燃氣輪機發電機組只燃用油氣燃料，多用于調峰、應急及移動電站。由于油氣資源有限、價格較貴，燃氣輪機燃煤技術受到特別關注。燃煤聯合循環是高效的聯合循環和潔凈煤技術相結合的燃氣輪機總能系統潔凈煤發電技術，將成為新世紀煤電動力的主要發展方向。而我國一次能源以煤為主，燃煤聯合循環更顯重要。

1.3 我國燃氣輪機發電現狀

我國燃氣輪機發電事業始于50年代末期。70年代共引進10套MS5000系列快裝式簡單循環燃氣輪機列車電站，總容量300 MW。80年代我國國民經濟飛速發展，電力供需矛盾日益突出，燃機發電站得到飛速發展，由70年代的20座發展到90年代的80余座，發電機組由20余臺/套增加到約140臺/套，裝機容量從300 MW增加到7200 MW，主要集中在珠江三角洲和長江三角洲。

進入21世紀，在國家西部大開發戰略指引下，“西氣東輸”以及引進LNG（液態天然氣）試點等重大工程陸續開展，為我國發展天然氣發電創造了良機。國家支持適度發展天然氣燃氣-蒸汽聯合循環發電，在以市場換技術、實現燃氣輪機設備制造本土化和國產燃氣輪機技術開發方面取得了良好成果。“十五”期間通過3次捆綁招標，引進了由哈爾濱汽輪機廠與美國GE公司合作生產109FA機組、由上海汽輪機廠與德國西門子合作生產V94.3A型機組、由東方汽輪機廠與日本三菱公司合作生產M701F型機組，共計52臺，機組總裝機容量近20000 MW。

2011年，隨著我國天然氣供應量的增加及沿海地區環保壓力的加大，燃氣輪機發電在我國迎來了發展高峰，2011年初以來已建成或正在規劃建設的F級燃氣輪機機組已達48臺。

2 大型燃氣輪機在國內的運行情況

自2005年7月29日國內首臺9F燃氣輪機發電機組在半山發電廠投運以來，國內燃氣輪機發電機組陸續出現了一些嚴重事故。由于國內沒有修理能力，需要返海外檢修，周期長、費用高。有些機組已經超過了質保期，制造廠商不承擔賠償責任，電廠直接損失和因停機而造成的少發電間接損失巨大。比較嚴重的故障有壓氣機報廢更換轉子、發電機轉子返廠、透平葉片斷裂、燃燒故障導致燃燒部件損壞等。

2.1 燃氣輪機透平葉片典型事故

2.1.1 燃氣輪機三級動葉斷裂

2007年10月9日，某電廠燃氣輪機在正常運行中突發巨響，振動數據大幅度超標，機組跳機。停機冷卻后檢查發現燃氣輪機三級動葉全部斷裂，三級靜葉受損嚴重，三級復環報廢。

GE公司檢修人員于10月12日到現場，開缸更換了三級動葉、三級靜葉和三級復環，并對開缸后發現的壓氣機第15和16級靜葉晃動情況進行修復，安裝了穩定環；同時利用檢修時機更換了標準型R0葉片。檢修工作至2008年1月23日結束，所有修復費用全部由GE公司質保流程支付。

2.1.2 一級動葉進氣邊燒損

2008年3月4日，某電廠機組啟動時連續2次因燃氣輪機1X/1Y振動大導致保護動作停機，初步分析故障原因是燃氣輪機運行銷卡澀和燃燒器部件燒壞。于3月6日開始對燃氣輪機重新復校中心，期間進行孔窺檢查，發現燃燒器火焰筒涂層大面積脫落，部分火焰筒已嚴重變形，決定進行小修，此時燃氣輪機點火運行僅4600 h，遠遠低于8000 h的小修周期。在小修檢查時發現一級動葉進氣邊燒損，進而延長了小修時間，整個檢修工作歷時2個月。

2.2 燃氣輪機壓氣機報廢典型事故

某電廠1號燃氣輪機于2008年9月12日發生了壓氣機損壞的嚴重事故。壓氣機共有38片填隙片，其中只有4片正常，其余都有不同程度的凸出現象。上缸共脫落填隙片2片，下缸共脫落填隙片17片。

1號燃氣輪機在投產僅6341 h時就出現過壓氣靜葉根部抬起及填隙片凸起情況，雖然按照GE公司的要求進行了跟蹤檢查，但仍然無法阻止壓氣機事故的發生。上述事故發生時還遠未到中修和大修周期（中修24000 h，大修48000 h）。壓氣機開缸后，現場檢查發現填隙片脫落、靜葉葉片松動情況較為普遍，正是由于葉片松動使得葉片振動進入共振區、靜葉葉臺抬起過大，造成葉頂碰擦轉子，從而使葉片可能產生高周疲勞斷裂。由于GE公司對壓氣機的隱患處理及判斷有誤，導致壓氣機帶病運行直至故障發生。

2.3 燃燒部件損壞事故

2007年5月15日，某電廠2號燃氣輪機排氣分散度從正常狀態上升至約46℉且極不穩定，最高達60℉以上，減負荷后情況有所改善，當晚機組正常停機。17日上午機組再次啟動，并網后9 s即因燃燒故障、排氣分散度高而跳機。聯系GE公司后再次啟機同時采集相關數據，機組升速至3000 r/min后30 s又因同樣情況跳機。GE公司根據采集到的數據進行分析后，派專人到現場對燃料噴嘴的天然氣支管進行孔窺檢查。2007年5月20日，在對13號噴嘴進行內部孔窺檢查時，發現13號噴嘴端蓋已經燒穿，火焰筒嚴重燒蝕，噴嘴頭部燒損。

3 大型燃氣輪機在國內的發展路徑

3.1 大型燃氣輪機發電的必要性

3.1.1 有利于緩解環境保護的壓力

隨著我國經濟的快速發展，環境污染日趨嚴重，二氧化碳排放無法得到有效控制，酸雨問題突出。由于燃煤所產生的二氧化硫等污染物排放量持續增長，導致酸雨面積已超過國土面積的30%。天然氣是優質清潔能源，用于發電時二氧化碳排放量約為燃煤電廠的43%，氮氧化物排放量約為燃煤電廠的10%，二氧化硫排放極低，沒有灰渣排放，可明顯減輕電力工業的環保壓力。

3.1.2 有利于優化和調整電源結構

目前，我國發電一次能源主要依賴煤炭、水力資源，核電、風能尚處于起步階段，而太陽能等新能源的應用尚無大規模實現的條件。因此，在我國特別是東南沿海地區適時適量發展燃氣輪機，有利于優化和調整電源結構，逐步實現發電能源多元化。

3.1.3 有利于電網安全經濟運行

目前全國大部分電網的調峰主要依靠煤電機組，以犧牲煤電機組壽命和經濟性以及增加電網的運行成本換取電網的安全。而燃氣輪機電廠具有運行靈活、可用率高、機組啟動快、調節范圍大，且宜于在負荷中心附近建廠等特點，成為提高電網運行質量的有力手段之一。

3.1.4 有利于緩解廠址資源日趨匱乏的矛盾

近年來，東南沿海地區尤其是上海、江蘇南部、浙江、廣東珠江三角洲及京津地區的燃煤電廠選址愈發困難，部分地區甚至已明令禁止規劃建設新的燃煤電廠。燃氣輪機電廠占地面積較小，一般僅為燃煤電廠的 10%～30%，耗水量一般僅為燃煤電廠的1/3。另外，對廠址外部條件的要求也相對寬松，為增加負荷中心地區的廠址資源和改善電力布局提供了有利條件。

3.1.5 燃氣輪機發電整體效率高、電站造價低

近年來，燃氣輪機單機功率和熱效率不斷提高，聯合循環的理論研究、產品開發和電廠運行實踐更趨成熟，目前大型燃氣輪機的單機功率已超過300 MW，聯合循環功率已達到450 MW，熱效率達到60%，聯合循環發電效率遠遠超過燃煤電廠。工程造價方面，燃氣輪機電站造價約為3000元/kW，煤電工程項目造價4500元/kW，風電項目造價為 5500～7000元/kW，可見燃氣輪機發電投資成本較低，具有一定優勢。

3.2 發展大型燃氣輪機發電面臨的挑戰

我國發展燃氣輪機雖然已有50年的歷史，但至今尚未掌握大型燃氣輪機產品的整套設計和制造技術，尚未擁有自主知識產權的重型燃氣輪機產品，與國外相比在某些方面差距很大。由于缺乏大型燃氣輪機的運行維護經驗，目前國內運行的F級燃氣輪機機組陸續出現了一些嚴重事故，而國內廠家不具備制造核心部件的能力及維修能力，機組發生故障后需要返海外檢修，周期長、費用高，致使發電廠損失重大。

我國燃氣輪機發電裝機容量在全國總裝機容量中占比很小。除了技術方面的問題外，也有天然氣資源的制約。前幾年西氣東輸工程建成，但天然氣供氣量不能滿足新增機組的氣量要求，新建的天然氣機組由于燃料供應短缺而長時間處于保養停產狀態，有些電廠因燃料供應不足而無法滿負荷運行。隨著西氣二線、川氣東輸、LNG等工程的建成，制約我國燃氣輪機電廠發展的燃料問題才有所緩解。

3.3 發展燃氣輪機發電的建議

3.3.1 發展國際貿易，引進國外天然氣

近年來我國在天然氣能源建設的投入非常大，油氣資源勘查和開采成果顯著。然而，僅靠國內有限的油氣資源遠不能滿足我國經濟發展的需要。要發展天然氣聯合循環發電，改變調整我國能源結構，必須引進國外天然氣資源。

世界天然氣資源十分豐富，天然氣資源最豐富的俄羅斯及中東國家距離我國都不遠，我們有很好的條件能方便經濟地利用這些天然氣資源。在世界經濟走向一體化的今天，我們應在努力開發國內資源的同時，大力發展國際貿易，引進國外天然氣資源。目前，從哈薩克斯坦引進的天然氣已經通過西氣二線輸送到全國各地。

3.3.2 加快燃氣輪機國產化建設

燃氣輪機是聯合循環發電最關鍵的設備，燃氣輪機發電必須走裝備國產化的道路。為實現高科技含量的9F系列燃氣輪機在國內研制，我國三大動力集團的汽輪機廠都投入了大量的技術力量。目前我國已躋身國際最先進的燃氣輪機制造行列，今后要盡快消化吸收9F級燃氣輪機技術，實現本土化是當務之急。

3.3.3 建設分布式能源

我國天然氣發電的最好形式是發展分布式能源，實現冷熱電三聯產的循環利用，不僅提高天然氣利用效率，還能有效實現節能減排，降低污染。分布式能源是近年來興起的利用小型設備向用戶提供能源的新型能源利用方式。與傳統的集中式能源系統相比，分布式能源更接近負荷，無需建設大電網來遠距離高壓或超高壓輸電，可大大減少電網線路損耗，節省輸配電建設投資和運行費用。2010年4月，國家能源局發布《關于天然氣分布式發電指導意見（征求意見函）》，其中提出到2012年底要建成1000個天然氣分布式能源項目，到2020年要在大城市推廣使用分布式能源系統，裝機容量達到5000萬kW。

3.3.4 加快發展整體煤氣化聯合循環

我國是產煤大國，利用豐富的煤炭資源滿足國民經濟高速發展的需要是現實的，也是符合我國國情的。從長遠觀點來看，整體煤氣化聯合循環（IGCC）將是我國燃氣-蒸汽聯合循環發電必然要走的道路。IGCC是先進高效、潔凈發電技術，能夠提高發電效率、降低污染物排放，甚至具有使煤電達到零排放的潛力。這一技術不僅可以合理利用一次能源發電，而且形成了能源資源的多產多供、聯產聯供的新概念，將發展成能源、電力、化工等領域相互交錯的學科，更有利于能源、資源的優化和綜合利用。

4 結語

目前天然氣在我國一次能源消費中的比例約為3%，不僅遠低于前蘇聯的50%，英國的34%和美國的27%，還遠低于世界的平均比例23%，發展空間很大。根據電力工業“十二五”規劃，至2015年我國燃氣輪機裝機容量將達6000萬kW，燃氣輪機發電必將迎來新的發展高峰。燃氣輪機專業技術人員要在燃氣輪機核心部件制造、先進技術研發、運行維護人才培養等方面共同努力，促進燃氣-蒸汽聯合循環發電的健康發展。

[1]焦樹建.整體煤氣化燃氣—蒸汽聯合循環裝置：IGCC[M].北京∶中國電力出版社，1996.

[2]糜洪元.國內外燃氣輪機發電技術的發展現況與展望[J].電力設備，2006，7（10）∶8-10.