國內重型燃氣輪機輔助系統的發展現狀

范雪飛，王思遠，劉傳亮，朱志劼，徐 前

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

燃氣輪機在20世紀50年代開始用于發電技術，到20世紀80年代后發展迅速，并且技術日趨成熟。美國、歐洲、日本等投入大量研究經費，開發出一批大功率、高效率、低排放的燃氣輪機。從2002年起，我國實施以市場換技術的措施，通過打捆招標，引進國外F級重型燃氣輪機技術。哈爾濱電氣集團與通用電氣合作，引進PG9351型燃氣輪機技術；東方電氣集團與三菱合作，引進M701F型燃氣輪機技術；上海電氣集團與西門子合作，引進V94.3A型燃氣輪機技術[1-2]。隨著我國能源結構的調整和工業水平的進步，燃氣輪機在發電領域發揮日益重要的作用。

“十三五”期間我國已全面啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項，推動重型燃氣輪機產品研制。在《電力發展“十三五”規劃(2016—2020年)》中，提出“十三五”期間天然氣發電裝機容量增加5 000萬kW，天然氣發電總裝機容量達到1.1億kW以上，占全國發電總裝機容量的5%以上[3]。燃氣輪機發電在我國具有良好的發展前景，發展重型燃氣輪機技術成為我國電力裝備制造業的重要任務。

輔助系統是重型燃氣輪機的重要組成部分，直接關系到重型燃氣輪機的安全、高效、可靠運行，提高其設計制造水平是實現重型燃氣輪機設計制造自主化的重要環節之一。筆者結合燃氣輪機供應商、輔助系統供應商及燃氣輪機電廠的調研情況，介紹國內重型燃氣輪機輔助系統發展概況，對國內輔助系統的設計技術、產業鏈情況和存在的問題等方面展開分析，提出對策和建議，以期對國內重型燃氣輪機輔助系統產業發展起到一定的促進作用。

1 輔助系統概況

1.1 總體配置

為保證燃氣輪機長期穩定高效運行，根據燃料特性、控制要求、本體結構特點等，通常會配置多個輔助系統，每個系統又由多個設備和部件組成。各燃氣輪機制造商在輔助系統配置上基本相近，但由于設計思想不同，在設計上也存在一些差異。國內引進的F級重型燃氣輪機輔助系統典型配置情況(以天然氣為燃料、采用DLN燃燒室為例)見表1[4](“√”表示機組配置該系統)。

表1 引進的重型燃氣輪機輔助系統配置

1.2 各系統作用

F級燃氣輪機發電機組配置的輔助系統一般包括燃料系統、油系統、進氣系統、罩殼通風系統、消防系統、壓氣機水洗系統、排氣系統、啟動系統等。實際工程應用中，各制造商對輔助系統的命名略有差異，一般以實現的功能和用途加以區分。主要系統的作用具體如下：

(1)燃料系統的作用是向燃氣輪機燃燒室提供適量的、符合壓力和溫度要求的燃料，實現對燃料進行過濾、計量、加熱和流量調節等功能，滿足燃氣輪機在啟動、加速及加載的運行過程中對燃料的不同要求。

(2)油系統一般由潤滑油系統和液壓油系統組成，用于向燃氣輪機提供合適的潤滑油，以滿足燃氣輪機在正常工作時潤滑、冷卻及控制調節所需的油。

(3)進氣系統的作用是導入并過濾進入燃氣輪機的空氣，以提供符合質量要求的潔凈空氣；同時，進氣系統通過設置消聲器，降低壓氣機入口的噪聲，滿足國家相關環保要求。

(4)罩殼通風系統的作用是為燃氣輪機提供相應的保護性措施，包括隔音降噪、強制通風、散熱、照明等，避免燃氣輪機運行過程中產生大量的廢熱、噪聲及可燃性氣體泄漏，滿足文明安全生產的要求。

(5)消防系統是集火災探測報警系統、滅火劑儲存容器組件系統、管網系統、噴射系統、控制器系統等為一體的能自動探測并實施滅火的裝置。

(6)壓氣機水洗系統的作用是清洗壓氣機在長期運行過程中葉片表面產生的積垢和積鹽，防止因積垢導致的燃氣輪機出力下降和熱耗增加等問題，保證機組的運行性能。

(7)啟動系統的作用是為燃氣輪機的啟動提供必要的外界動力，以保證機組能夠從靜態逐漸過渡到自持狀態。

(8)排氣系統主要作用是將高溫排氣平穩地輸送至排氣煙囪或余熱鍋爐，使阻力盡可能小，同時提供噪聲保護，為測溫、測壓提供接口，并消除熱膨脹對設備的外力。

國內燃氣輪機電廠還會根據實際工程需要配置儀表空氣系統、空氣干燥系統等其他輔助系統，以滿足燃氣輪機本體要求。為有效縮短設計、安裝和調試周期，便于設備維護，各輔助系統多采用模塊化設計；但是燃氣輪機制造商也會根據燃氣輪機的運行需要，配置特殊輔助系統，如三菱的燃燒室旁通系統、西門子的空氣干燥系統等。

2 輔助系統設計技術

國內輔助系統設計技術，隨三大動力集團(哈爾濱電氣集團、東方電氣集團和上海電氣集團)燃氣輪機主機設備打捆招標一同引進，實質分別源于通用電氣、三菱和西門子。三大動力集團基于不同的設計理念和設計體系，同一個輔助系統可能采用不同的設計方案，具有不同的技術特點。三大動力集團通過十余年的技術消化吸收，沿襲了相關技術特點。

國內對重型燃氣輪機輔助系統的設計研究資料相對較少，相關研究多側重于系統介紹、設備應用、系統優化運行等方面。丁哲等[5]對西門子SGT5-4000F型燃氣輪機輔助系統進行了淺析；張楹等[6]對SGT5-4000F型燃氣輪機進氣系統進行了簡介；楊小軍等[7]對燃料系統管路過濾器結構進行了優化設計；張欽[8]提出了F級燃氣輪機的新型罩殼設計方案；高振錫等[9]對燃氣輪機消防系統設計進行了探討；王歡[10]對輔機控制系統進行了設計研究；韓玉鑫[11]介紹了輔機設備控制邏輯與監視功能優化情況；黃文輝[12]介紹了變頻技術在燃氣輪機輔助系統上的應用；徐文文[13]分析了油系統清潔度對燃氣輪機運行的影響；陳棟[14]對燃氣輪機及其輔助系統的日常維護標準化管理進行了探討。但是，國內尚未形成完整的輔助系統自主設計體系。

目前，國內基本掌握了引進型F級重型燃氣輪機輔助系統的集成設計技術，具備了開展自主化輔助系統正向設計體系建設的基礎，應利用設計標準、設計工具和設計準則等方面的現有基礎和條件，建立并完善正向設計流程。

2.1 設計標準

重型燃氣輪機輔助系統設計標準，涉及國家標準、國際標準、行業標準及企業標準規范，包括GB、ISO、IEC、ASME、ASTM、API、EN、DIN、JIS、DL等不同體系的燃氣輪機相關標準。在國家標準方面，由于國內重型燃氣輪機以引進、合作開發為主，在很長一段時間內主要按照重型燃氣輪機出口國的標準[15]。在行業標準方面，多側重于燃氣輪機電廠設計，如DL/T 5174—2003 《燃氣-蒸汽聯合循環電廠設計規定》等標準的制定不以輔助系統設計制造為目的。在企業標準規范方面，通用電氣、三菱、西門子等對設計技術實施保護，所提供的企業標準更多集中在設備采購、加工、制造、產品驗收等方面，涉及設計標準和設計準則的企業標準則較少，三大動力集團基于知識產權保護等原因，彼此不公開設計標準和設計準則。

近年來，國內制定和修訂的重型燃氣輪機標準有：GB/T 38179—2019 《燃氣輪機應用 用于發電設備的要求》、GB/T 15135—2018 《燃氣輪機詞匯》、GB/T 15736—2016 《燃氣輪機輔助設備通用技術要求》、GB/T 14100—2016 《燃氣輪機驗收試驗》、GB/T 32821—2016 《燃氣輪機應用安全》、GB/T 14099—2010 《燃氣輪機 采購》等。其中，GB/T 38179—2019使用翻譯法等同采用ISO 19859:2016Gasturbineapplications—Requirementsforpowergeneration；GB/T 32821—2016使用翻譯法等同采用ISO 21789:2009Gasturbineapplications—Safety；GB/T 15736—2016在1995版標準的9E、6B機型基礎上，增加了9F級各種機型的輔助設備技術標準，并對相關設備系統的內容進行了補充修定；GB/T 14099—2010明確了采購方提供向制造商采購燃氣輪機裝置包括聯合循環機組和輔助設備時所需的技術資料。相關標準多側重于術語定義、系統介紹和基本技術要求，與輔助系統相關性有限，深度尚不足以指導輔助系統自主化設計和制造。

2016年底，ISO 16890：2016已生效并全面實施，替代了使用多年的EN 779：2012Particulateairfiltersforgeneralventilation—Determinationofthefiltrationperformance。2018年全面廢止EN 779：2012[16]。但是，目前國內仍有項目采用EN 779：2012中F9等級進氣過濾精度，一定程度上反映了國內燃氣輪機輔助系統相關標準的不完善性和滯后性。

國內燃氣輪機輔助系統設計類標準的數量較少，現行標準主要以航空行業標準和機械行業標準為主，對重型燃氣輪機輔助系統適用性不強。燃氣輪機標準體系的建設，已經引起燃氣輪機行業的關注和重視。由于ISO 19859、ISO 3977、ASME B16.5、ASME B31.3、API 616、API 614等ISO、ASME、API系列標準實用性強、可操作性好，對燃氣輪機輔助系統的設計、制造、研制等過程具有較好的指導意義，在燃氣輪機輔助系統標準體系建設中，可考慮結合國內實際情況充分借鑒或等同采用部分標準條款，加快國內重型燃氣輔助系統相關標準的制定。

2.2 設計工具

輔助系統設計工具軟件具有涉及面廣、專業性強、實現途徑多等特點。常用的設計軟件主要涉及二維工程制圖、三維建模、結構強度分析、流場仿真分析、管路應力分析、壓力容器設計、換熱器計算、物性查詢等。二維工程制圖軟件以AutoCAD、中望CAD為主；三維建模軟件以Unigraphics NX、Pro/Engineer、SolidWorks為主；結構強度分析軟件有ANSYS、RISA-3D、MADIS、SATWE等；流場分析軟件有ANSYS CFX、ANSYS Fluent、Star CCM+等；管道應力計算軟件可采用CAESAR II；換熱器計算軟件可采用HTRI；壓力容器計算軟件可采用SW6；物性查詢軟件可采用NIST。

受設計體系、設計習慣和軟件成本等因素影響，為實現同一設計目的，各廠商所采用的設計軟件工具差異較大，具有較大的選擇空間。為充分壓縮設計周期，實現高效便捷設計，越來越多的專業軟件在輔助系統設計過程中得到應用，如Star CCM+、中望CAD、SW6等。同時，部分廠商結合設計需要，自主開發了一定數量的輔助設計軟件，但此類軟件基本不對外公開，通用性較弱，實際應用范圍小。

2.3 正向設計流程

通過廣泛調研，結合實際設計經驗，梳理形成的輔助系統正向設計流程見圖1。

在初步設計階段，基于燃氣輪機本體對輔助系統的功能需求和設計輸入條件，結合設計和工程經驗，按照相關標準和規范，開展輔助系統總體方案設計，進行系統功能分解，初步確定系統組成和流程，完成系統圖、布置圖初步設計，完成主要設備、儀表等初步設計選型，對強度、流動等參數進行初步分析計算，形成初步設計圖紙和技術文件，評審通過后進入詳細設計階段。

在詳細設計階段，需要更新詳細設計邊界條件，明確系統詳細技術參數指標，優化和明確總體詳細方案，對P&ID圖、布置圖、結構圖等進行詳細設計，完成系統內全部設備詳細設計選型，開展結構強度計算、流動分析等，編制詳細的設備材料清單、電負荷清單、儀表清單、接口清單等清單類文件，形成詳細設計圖紙和技術文件，通過詳細設計評審后，可結合具體項目背景條件形成輔助系統采購技術規范。

此后，輔助系統供應商可在此基礎上完成具體項目的工程深化設計，進而完成輔助系統制造和集成，編制和提供有關安裝、調試和運行維護等技術文件。

3 輔助系統產業鏈

輔助系統產品質量的優劣直接關系到燃氣輪機運行的經濟性和可靠性，電廠用戶通常將輔助系統與燃氣輪機本體一起捆綁招標，由燃氣輪機供應商統一供貨，燃氣輪機供應商再將相應輔助系統分解到對應的輔助系統供應商進行供貨。國內燃氣輪機輔助系統的典型供貨模式見圖2。

隨著F級燃氣輪機技術的引進，相應輔助系統采購規范轉移到三大動力集團。三大動力集團繼承了技術轉讓方(通用電氣、三菱、西門子)的供貨模式，沿用了國外廠商的成熟做法，提出采購要求并委托輔助系統供應商進行設計選型、制造和集成供貨。通常，三大動力集團提供采購技術規范、明確技術要求，輔助系統供應商負責深化設計、制造和系統集成。

引進初期，輔助系統供應商主要是國外燃氣輪機制造廠指定的國外供應商，隨著消化吸收的不斷深入和再創新能力的提高，國內供應商逐漸成長并成熟。目前，國內燃氣輪機輔助系統供應商，普遍具有合法經營資質，并取得質量、環境和職業健康安全體系認證，擁有包括三大動力集團在內的單個或多個燃氣輪機廠家的合格供方資質。部分國內供應商經過多年的技術經驗積累，通過引入專業技術團隊加強產品研發力度并擴大生產規模，全面提升了生產、工程服務能力，已經成長為擁有一定自主知識產權的輔助系統供應商。

隨著可選擇的輔助系統供應商逐漸增多，國內新建燃氣輪機機組更多采用本土化輔助系統，國內輔助系統產業具有較好發展空間，同時也面臨著更為激烈的競爭。

4 存在的問題

(1)受到燃氣輪機自主化研制進度的制約。

鑒于不同燃氣輪機機型的自身特點，引進型F級燃氣輪機輔助系統采購技術規范不可能完全適用于自主化重型燃氣輪機。隨著國家燃氣輪機重大專項的有序推進，自主化燃氣輪機研制需要配套自主化輔助系統，對輔助系統正向設計和國產化制造提出了更高要求。開展輔助系統自主化正向設計，必須基于燃氣輪機實際需求，需要自主化燃氣輪機提供清晰和完整的設計邊界條件。輔助系統自主技術的發展，一定程度依賴于自主化燃氣輪機技術的突破，但也受到自主化燃氣輪機研制進度的制約，應重視并處理好兩者關系。

(2)國產設備和儀表與國外相比仍存在差距。

經過二十多年的發展，國內重型燃氣輪機輔助系統大部分已實現自主化制造，大量的國產設備和儀表在實際項目中得到應用。然而，較多國產設備和儀表在精度、可靠性、穩定性、使用壽命等方面仍與國外存在差距，部分國產通用件和基礎件的質量不過關，影響了輔助系統的整體可靠性，成為輔助系統國產化發展過程的障礙。

(3)部分關鍵設備長期依賴進口。

輔助系統仍有部分關鍵設備長期依賴進口。以燃料系統為例，用于燃料計量的超聲波流量計、渦輪流量計，國內產品較難保證其大流量、高精度、高穩定性等要求，基本采用國外產品。用于加熱天然氣的雙管型性能加熱器，對其安全性和傳熱效率的要求高，國內尚未突破加工制造關鍵工藝，仍依賴進口。氣體燃料控制閥作為燃料系統的核心部件，其與燃氣輪機的燃燒、控制及運行密切相關，對燃氣輪機機組具有十分重要的作用。氣體燃料控制閥在燃料流量控制精度、緊急關斷時間、泄漏要求等方面具有十分嚴格的要求，設計、試驗和制造的技術難度很大，目前國內尚處于空白狀態，仍不能自主設計和制造。

(4)個別“卡脖子”技術有待突破。

美國、歐洲及日本等在重型燃氣輪機氣體燃料控制閥方面進行了大量的研究，國外主要閥門廠家都具有成熟的氣體燃料控制閥設計制造技術，但是均被視為商業機密，公開發表的文獻很少。國外燃氣輪機主機制造商一般都會與這些閥門廠家簽訂獨家協議，使氣體燃料控制閥長期處于被國外壟斷的狀態，導致閥門價格昂貴、供貨周期長、售后服務不到位等后果。

5 結語

通過技術引進和消化吸收，國內重型燃氣輪機輔助系統的設計和生產基本上實現本土化，供貨方式靈活多樣、產業鏈也相對完善、運行情況基本良好。但是，國內仍未建立起完善的自主設計制造體系，尚存在一些薄弱環節，因此提出以下幾點建議：

(1)國內重型燃氣輪機輔助系統的實際設計生產過程，大多借用國外標準規范體系，缺乏自主的設計制造標準和規范。應充分重視國內燃氣輪機輔助系統設計標準體系建設，結合實際應用條件，加快制定自主化輔助系統的設計規范和標準。

(2)國內重型燃氣輪機輔助系統供應商在技術引進后對新材料、新工藝、新技術的創新能力不足，在技術創新和技術改進方面的投入較少。應以核心供應商為中心，動員各方面力量，突破設計共性技術和工藝技術，按步驟有序推進國內燃氣輪機輔助系統技術的發展。

(3)燃氣輪機輔助系統中依然存在長期依賴進口的關鍵設備，需要通過基礎研究、產品研制等方式解決發展中存在的問題，掌握設計理論與試驗驗證方法，突破氣體燃料控制閥等關鍵零部件的制造技術。

(4)重型燃氣輪機輔助系統自主化設計制造是一個長期過程，需要在各方面予以保障，建議以我國重型燃氣輪機自主化研制為契機，加強輔助系統的設計研發，推進設計制造體系的建設充實，完善設計準則，加大行業技術共享力度，發展具有自主知識產權的燃氣輪機輔助系統，全面提升我國重型燃氣輪機輔助系統的技術水平。