分布式能源用SGT-800工業(yè)型燃氣輪機與LM6000航改型燃氣輪機對比分析研究

謝大幸,郝建剛,劉志敏,朱亞迪

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

目前30 MW和50 MW等級燃氣輪機在國內(nèi)現(xiàn)有的分布式能源裝機結(jié)構(gòu)中較常見，應用最多的燃氣輪機主要有工業(yè)型燃氣輪機和航改型燃氣輪機兩個流派，具有各自的特點[1]。針對30 MW等級分布式能源用燃氣輪機，選用SGT-700工業(yè)型燃氣輪機與LM2500+G4航改型燃氣輪機開展了對比分析[2]，本次針對50 MW等級分布式能源用燃氣輪機，分別選取SIEMENS公司的SGT-800工業(yè)型燃氣輪機和GE公司LM6000航改型燃氣輪機為研究對象，綜合分析兩種機型的結(jié)構(gòu)特點、熱力性能、污染物排放特性、燃料適應性、啟動及運行特性、供熱(冷)能力、檢修維護等方面優(yōu)缺點，為50 MW等級分布式能源用燃氣輪機主機選型提供參考。

1 發(fā)展歷程

SGT-800是西門子工業(yè)透平機械公司制造的功率最大的工業(yè)型燃氣輪機。該系列燃氣輪機首臺型號為GTX-100，于1997年發(fā)布，1998年被瑞典的赫爾辛堡項目訂購，1999年投入商業(yè)運行并對燃氣輪機核心機、輔助系統(tǒng)、控制設備以及機組性能、排放指標進行了全面測試。2003年經(jīng)設計優(yōu)化后功率提升至45 MW[3]。2007年進一步升級，增加流量，優(yōu)化熱部件，功率提升至47.5 MW，燃氣輪機熱效率提升至37.7%，成功完成了平臺A的演化[4]。2011年SIEMENS公司基于既往成功經(jīng)驗和已獲得認可的設計方案，引入平臺B，重新設計了燃氣輪機三大部件：改進15級壓氣機葉片葉型以提升壓氣機的空氣動力性能，改進燃燒室壓降和冷卻系統(tǒng)，重新設計1級透平和3級透平，功率提升至50.5 MW[5]。2014年機組功率進一步提升至54 MW。2017年基于系統(tǒng)設計及制造工藝上的持續(xù)改進，發(fā)布57 MW版本。

1965年，GE公司開始為美軍開發(fā)TF39新型發(fā)動機，后基于此機型開發(fā)了航空用的CF6-80C2和陸用/船用的CF6-6。CF6-80C2型商用航空發(fā)動機作為波音747-400的主發(fā)動機，于1985年首次進入航空服務。基于CF6-80C2平臺研制的LM6000航改型燃氣輪機，保留核心機、移除前端風扇、增加進氣導葉、改型支承框架、增加輸出軸、改型軸承結(jié)構(gòu)、改進燃料系統(tǒng)，功率輸出達40 MW，于1992年首次投入商業(yè)運營，是世界首例熱效率超過40%的燃氣輪機。GE公司從1995年開始著手LM6000的升級工作，于1997年研制成功LM6000 PC和LM6000 PD兩個型號，功率輸出超過43 MW，燃氣輪機熱效率達41%。LM6000 PC使用單環(huán)形燃燒器，LM6000 PD使用雙燃料干式低排放燃燒器。1998年，LM6000 SPRINT系統(tǒng)開始商業(yè)運行，以提升燃氣輪機出力。2007年，GE公司發(fā)布LM6000 PF，輸出功率47 MW，燃氣輪機熱效率達41%。2010年LM6000 PG 完成了可靠性測試，該機型安裝單環(huán)形燃燒室，功率59 MW，燃氣輪機熱效率為39.8%。2011年GE發(fā)布專門針對缺水地區(qū)的LM6000 PH，燃氣輪機功率50 MW。2014年，中國華電集團公司與GE公司合作推出了熱效率高達42%的LM6000 PF，聯(lián)合循環(huán)效率54.9%。2015年POWER-GEN亞洲會議上，GE公司發(fā)布LM6000 PF的升級版LM6000 PF+，燃氣輪機熱效率41.4%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率達55.9%。

2 結(jié)構(gòu)特點

SGT-800燃氣輪機結(jié)構(gòu)簡單、靈活、高效、可靠，整體模塊化設計便于維護。壓氣機為15級軸流壓氣機，前3級為可調(diào)導葉，透平為3級透平。壓氣機轉(zhuǎn)子和三級螺栓連接的透平為單軸結(jié)構(gòu)，由兩個可傾瓦式滑動軸承支撐，配備3臺70%交直流潤滑油泵，起動電機變頻起動，甩負荷能力出色，性能衰減低。燃燒系統(tǒng)有30個雙燃料第三代干式低排放燃燒器安裝在環(huán)形燃燒室中，燃料適應性強，運行靈活，無需注水或蒸汽即可有效控制排放，采用脈動隔離技術降低燃燒室燃燒壓力脈動，并配備有壓力脈動監(jiān)測裝置[6-7]。

國內(nèi)常用的LM6000 PF為雙軸燃氣輪機，由一個5級低壓壓氣機、一個14級高壓壓氣機、一個2級高壓透平、一個5級低壓透平組成。低壓壓氣機入口配置可調(diào)導葉，高壓壓氣機前5級靜葉也可調(diào)，保證燃氣輪機在部分負荷下的高效并防止壓氣機發(fā)生喘振。LM6000 PF的兩根軸(高速軸和低速軸)同心套軸布置，高速軸由高壓壓氣機及驅(qū)動它的高壓透平組成，低速軸由低壓壓氣機及驅(qū)動它的低壓透平組成。發(fā)電機由低速軸驅(qū)動，兩者通過減速齒輪和聯(lián)軸器連接。LM6000 PF燃氣輪機采用耐高溫合金材料制作的滾動軸承，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。LM6000 PF燃用天然氣，采用干式低排放燃燒技術，配置75個預混燃燒的噴嘴，在全功率范圍內(nèi)減少NOx排放[8]。

LM6000燃氣輪機可根據(jù)需求配備SPRINT?系統(tǒng)，采用中間噴水冷卻設計，在壓縮過程中冷卻空氣，增加質(zhì)量流量，提升燃氣輪機出力[9]。此外，還可以通過進氣冷卻功能，大幅提升在較高環(huán)境溫度下的性能。

SGT-800和LM6000兩個機型的結(jié)構(gòu)特點對比見表1。從結(jié)構(gòu)上看，SGT-800工業(yè)型燃氣輪機體積和質(zhì)量較大，標準型尺寸為20.8 m×7.3 m×6.6 m，質(zhì)量285 t，但其結(jié)構(gòu)相對簡單；LM6000 PF航改型燃氣輪機體積小，質(zhì)量輕，尺寸約19.67 m×4.11 m×4.40 m，質(zhì)量206 t，但其軸系、油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等設計較復雜，較難維護。

表1 結(jié)構(gòu)特點對比

3 聯(lián)合循環(huán)配置情況

3.1 典型布置方式

SGT-800和LM6000 PF燃氣輪機配套的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供機組多數(shù)采用“一拖一”多軸布置方式，也有“二拖一”多軸布置方式。

SGT-800燃氣輪機是典型的“一拖一”布置方式：核心燃氣輪機部件為單點起吊式成套配置方案，占地小，燃氣輪機和配套發(fā)電機室外布置，上部進氣、軸向排氣；汽輪機和配套發(fā)電機室內(nèi)布置，布置在汽機房內(nèi)；余熱鍋爐為雙壓、非再熱鍋爐，室外布置。江蘇某廠兩套“一拖一”分軸聯(lián)合循環(huán)機組主廠房長約140 m，寬約100 m。

LM6000 PF燃氣輪機是典型“一拖一”多軸布置方式：LM6000 PF航改型燃氣輪機和發(fā)電機室外布置，燃氣輪機上部進氣、軸向排氣；汽輪機和發(fā)電機室內(nèi)布置；余熱鍋爐為雙壓、非再熱鍋爐，室外布置。廣東某廠三套“一拖一”分軸聯(lián)合循環(huán)機組主廠房長約100 m，寬約80 m。

LM6000 PF航改型燃氣輪機因其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，在占地面積上有一定優(yōu)勢。

3.2 聯(lián)合循環(huán)性能

以目前SIEMENS公司主推的54 MW級SGT-800型“一拖一”燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組和GE公司主推的47 MW級LM6000 PF型“一拖一”燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組作為對比對象，假設環(huán)境參數(shù)和天然氣成分相同，建模分析兩者配置的聯(lián)合循環(huán)機組性能，見表2。

表2 “一拖一”聯(lián)合循環(huán)參數(shù)對比

由表2可知，LM6000 PF燃氣輪機熱效率比SGT-800燃氣輪機高，但SGT-800燃氣輪機排煙溫度更高，其聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用效率更高，出力更大，在供熱量及供熱參數(shù)上具有更大的選擇余地，更適合于分布式供能系統(tǒng)。

4 運行特性分析

4.1 低負荷及高溫環(huán)境下燃氣輪機性能

SGT-800燃氣輪機和LM6000 PF燃氣輪機部分負荷下的性能曲線見圖1，兩者在80%～100%負荷均能維持良好的性能，當負荷低于80%后，機組性能快速下降。

圖1 兩種燃氣輪機部分負荷下的性能曲線

SGT-800和LM6000 PF燃氣輪機出力隨溫度變化曲線見圖2。當環(huán)境溫度由15 ℃升高到35 ℃時，54 MW等級SGT-800燃氣輪機出力下降約6.5 MW。LM6000 PF燃氣輪機可通過SPRINT濕壓縮技術提高出力，在高溫環(huán)境下相比不帶SPRINT系統(tǒng)的機組可提高約20%的出力。當環(huán)境溫度由15 ℃升高到35 ℃時，LM6000 PF SPRINT(帶SPRINT濕壓縮技術)燃氣輪機出力下降約8 MW。

圖2 SGT-800和LM6000燃氣輪機出力隨溫度變化曲線

總體而言，SGT-800和LM6000 PF燃氣輪機在部分負荷下的性能相差不大。LM6000 PF燃氣輪機對環(huán)境溫度變化更敏感，在高溫環(huán)境下LM6000 PF燃氣輪機出力衰減比SGT-800燃氣輪機稍大，但LM6000 PF燃氣輪機可以增加SPRINT系統(tǒng)提高高溫環(huán)境下的性能。

4.2 污染物排放特性

SGT-800和LM6000 PF燃氣輪機均采用干式低排放燃燒技術，燃用天然氣時兩者滿足氮氧化物(NOx)排放的負荷均為50%～100%負荷。兩種機型的污染物排放特性見表3，SGT-800燃氣輪機在控制一氧化碳(CO)排放方面具有優(yōu)勢。

表3 兩種類型燃氣輪機污染物排放特性對比

4.3 燃料適應性

SGT-800和LM6000燃氣輪機燃料適應性對比見表4，兩種機型均支持雙燃料(氣體/液體燃料)燃燒。SGT-800燃氣輪機燃用液體燃料時需安裝液體燃料模塊；氣體燃料適應性方面SGT-800燃氣輪機具有明顯優(yōu)勢，甲烷、氫氣等成分摩爾百分比適應范圍、氣體燃料華白指數(shù)要求均更寬泛。LM6000燃氣輪機對燃料組分更敏感，氣體燃料供氣壓力要求高。當機組處于天然氣管網(wǎng)下游、管道天然氣壓力較低時，SGT-800燃氣輪機無需加裝天然氣增壓設備即可滿足進氣壓力要求[10]。當天然氣管道壓力較低時，LM6000燃氣輪機一般需加裝天然氣增壓設備，從而增加了系統(tǒng)復雜程度和后期運行維護成本。

表4 兩種類型燃氣輪機燃料適應性對比

4.4 機組啟動特性及靈活性

SGT-800燃氣輪機正常模式啟動到滿負荷需26 min，其配備EconoFlexTM技術可以實現(xiàn)燃氣輪機10 min快速啟動，以適應快速啟停及快速加載負荷。LM6000 PF燃氣輪機能在基本負荷和頻繁起停時均保持高效穩(wěn)定運行，可在10 min實現(xiàn)標準啟動，5 min內(nèi)完成快速啟動，具有較高的運行靈活性。總體而言，LM6000 PF燃氣輪機在啟動速度上要優(yōu)于SGT-800燃氣輪機。

4.5 供熱(冷)性能

按照供熱蒸汽參數(shù)1.3 MPa、220 ℃進行建模分析，兩種機型抽凝工況經(jīng)濟指標核算結(jié)果見表5。

表5 不同聯(lián)合循環(huán)配置方案參數(shù)對比

綜合表2和表5可知，SGT-800聯(lián)合循環(huán)機組具有更高的供熱能力，受燃氣輪機排煙溫度的限制。LM6000 PF航改型燃氣輪機排煙溫度低，配套的聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用率低，容量配置小，供熱能力較低[11]。兩種燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱在供熱參數(shù)相同的情況下，SGT-800燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱量更高，熱電比更高，發(fā)電氣耗率更低，熱電聯(lián)產(chǎn)效率更高。

5 檢修維護情況

兩種燃氣輪機目前主要執(zhí)行的長協(xié)服務模式對比如表6所示。SGT-800燃氣輪機基于工業(yè)型的設計，具有全生命周期性能衰退少、除熱端部件外其他部件均可實現(xiàn)現(xiàn)場檢修、大修間隔長等特點，且無需燃燒調(diào)整，維護成本較航改型燃氣輪機低。SIEMENS公司在宜興設立了燃氣輪機熱部件生產(chǎn)基地、現(xiàn)場服務基地、戰(zhàn)略備件庫、檢修工具庫和培訓中心等，為中小型工業(yè)燃氣輪機(SGT-100到SGT-800)提供境內(nèi)服務和備件支持，可以對燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的核心部件——透平葉片進行檢修。

表6 兩種機型長協(xié)服務內(nèi)容對比

GE公司針對LM6000燃氣輪機，通過無損檢測、振動分析和油樣分析三種監(jiān)控方法給出基于狀態(tài)的維護策略，制定詳細的定期“體檢計劃”。華電通用是GE認證的電站航改型燃氣輪機成套的技術轉(zhuǎn)讓方，公司配備有專業(yè)的本地化服務團隊，向中國客戶提供航改型燃氣輪機電廠的現(xiàn)場安裝調(diào)試、一級維護、二級維護。GE公司未下放三級維護、四級維護的權限，機組大修需返廠開展，所更替的檢修工廠也較多，折算的度電維護費用相對較高。該型燃氣輪機多數(shù)零部件為高級特殊合金，與飛機發(fā)動機通用，價格昂貴，加上備機協(xié)調(diào)、服務響應不夠及時，對項目公司的生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生較大影響。若燃氣輪機發(fā)生事故，返回美國檢修周期較長，備機費用較高。

6 結(jié)論

作為50 MW等級分布式能源用燃氣輪機，LM6000和SGT-800各有優(yōu)缺點。從結(jié)構(gòu)特點及檢修維護便利性來看，LM6000航改型燃氣輪機具有質(zhì)量輕，體系小，啟動快速靈活等優(yōu)點，對于調(diào)峰具有較大優(yōu)勢。但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軸系、燃燒系統(tǒng)等設計復雜，燃料進氣壓力高，熱性能衰減大，葉片應力大，對環(huán)境變化及污垢較敏感，大修需要返廠進行，對維護要求較高。SGT-800工業(yè)型燃氣輪機質(zhì)量較大，占地面積大，但其結(jié)構(gòu)相對簡單，零部件的更換和大中修相對簡單，所需專用工具少，可以在現(xiàn)場實現(xiàn)，維護費用相對較低。

從機組性能方面來看，LM6000航改型燃氣輪機熱效率高，但排煙溫度低，聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用潛力小；SGT-800工業(yè)型燃氣輪機熱效率低，但排煙溫度高，聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用潛力大，因此整體聯(lián)合循環(huán)效率更高。得益于SGT-800燃氣輪機較高的排氣能量利用率，其在供熱(冷)性能上優(yōu)于LM6000，因此SGT-800燃氣輪機更適用于蒸汽需求量大的用戶。