大型发电企业燃机技术发展路径研究
宋寅
（中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究所，北京100040）
摘要：燃气轮机作为天然气集中式发电、分布式发电以及基于天然气的多能互补系统的核心动力设备，其技术的掌握对于大型发电企业的安全生产和降本增效具有重要意义.目前，先进重型燃机技术已经发展到燃气初温高达1600℃的H/J级燃气轮机，联合循环效率超过60%，轻型燃气轮机技术发展到单循环效率超过40%的第3代轻型燃气轮机.然而，由于载国 燃气轮机技术长期以来相对落后，国内发电企业对于燃气轮机技术的掌握程度不高，导致现有天然气发电项目由于一些共性技术问题导致运行安全、生产效益受到影响.文中从发电企业对集中式和分布式天然气发电的需求出发，针对现有机组运行中出现的问题，提出了大型发电企业重型燃气轮机和轻型/微型燃气轮机的技术发展路径.
关键调：重型燃气轮机：轻型燃气轮机；联合循环：分布式能源
中图分类号：TM611文献标志码：B文章编号：1009-3230（2018）07-0026-06
Research on the Gas Turbine TechnologyPath for Large Power Generation Enterprises
SONG Yin( China Datang Group Science and Technology Research Institute Co. Lid. Thermal PowerGeneration Technology Research Institute，Beijing 100040 China)
Abstract: Gas Turbine is the core device of centralized and distributed power generation and integrated energy system based on natural gas thus the gas turbine technology is of significance forthe safety and economic benefits of power plants. Currently H/J class heavy duty gas turbine hasbeen developed with the gas temperature reaching 1 500 °℃ ~ 1 600 °℃ and bine - cyclehas been up to40%evetheles the gas turbine thology f Chinis relatively poor which has efficiency beyond 60% . The simple cyele efficiency of state of art aero derivative gas turbinecaused a variety of problems in the operation of gas turbine power plants. In this paper the currentcondition of the natural gas based power generation is analyzed and techology path of heavy duty aero derivative and micro gas turbines is proposed for large power generation enterprises.
Key words: Heavy Duty gas turbine; Aero Derivative gas turbine; Combine cyele; Distributedpower system
如图1所示，天然气发电装机容量及其占总装机比 重均不断提高，截至2016年，天然气发电装机容量7008万kW，占全国发电装机总量的4.26%.从发电量来看，从2009年至2016年天然气发电量总体上也是逐渐提高[-.
0引言
自2003年国家首次打捆招标引进E/F级重型燃机以来，我国燃气发电行业获得了快速发展.
与此同时，与世界平均天然气发电装机比例
（超过20%）相比，我国天然气发电在发电总装机中的比重仍然处于很低的水平，其主要原因是气源不足与成本过高.随着国内天然气产量的持续增长以及四大天然气战略通道的逐步完成，长远来看气源紧张的问题有望得到缓解，而随着大气污染防治和温室气体排放要求的不断提高，未来天然气发电的环保效益将更加凸显，成本劣势有望缩小，因此，我国天然气发电仍有广阔的发展空间.
图1天然气发电装机容量变化
图2天然气发电发电量变化
在天然气发电装机容量中，集中式天然气发电装机占90%以上，并且多以调峰调频方式运行为主，供热机组占30%左右，北京、天津主要为居民采暖供热机组，长三角和珠三角地区主要为工业供热机组.集中式天然气发电机组的主设备主 要为从通用电气、西门子、三菱引进的E级和F级重型燃机.对于天然气分布式发电，我国目前仍处于起步阶段.天然气分布式能源项目主要集中在大型城市，如广州大学城、上海浦东机场、中关村软件园、北京燃气集团生产指挥调度中心大
楼、湖南长沙黄花机场项目、北京华电通州区域能源中心项目等.然而，随着能源高效利用的需求不断提高以及电力体制改革的不断深人，天然气分布式发电以及基于天然气的多能互补系统将有更广阔的发展空间.
文中从大型发电企业对集中式和分布式天然气发电的需求出发，研究了国际燃气轮机技术的最新发展，分析了重型/轻型燃气轮机的国产化现状，提出了适合国内发电企业的重型/轻型燃气轮机技术发展路径.
国际先进燃气轮机技术发展
国际上，重型燃气轮机技术发展的特征为通过不断提高燃气初湿来发展更高效率、更大容量的燃气轮机发电机组.目前，先进的燃气轮机技术已经发展到了燃气初温高达1500~1600℃的H/J级，其联合循环效率超过60%，如图3所示. 先进H/J级燃气轮机的主要技术特征包括：镍基超级合金和定向晶、单晶叶片铸造技术、热障涂层技术、改进气膜冷却技术、全三维压气机叶片造型技术、干式低NOx燃烧技术、先进刷式密封和间醇控制系统等（4-9].
由于重型燃气轮机极高的技术难度，目前世界上只有五家企业完全具备重型燃机研制能力，分别为第一梯队的美国GE、德国西门子和日本三菱，以及第二梯队的法国阿尔斯通（目前已被GE收购）和意大利安萨尔多，其中CE、西门子和三
图3CE、西门子、三菱重型燃机的技术发展趋势
菱具备成熟的E、F级重型燃气轮机技术，同时H、J级产品也已研发完成开始进人市场，面阿尔斯通和安萨尔多也具备F级重型燃机的设计制造能力.
开发之外，国际上燃机技术领域的研究热点还包括燃用合成气、氢气的燃气轮机的开发（用于二氧化碳的燃烧前捕获）、燃气轮机富氧燃烧、化学链燃烧、烟气再循环等.
除了更高参数、更高效率的燃气轮机的研究
主要置型燃机厂商F级燃机参数比较
制造商 GE 燃气温度/C 1288 15.4 压比 单猫环功率/MW 255.6 联合循环功率/MW 390.8 单循环效率/%联合循环效率/% 36.9 56.7三菱 M701F 1350 17 270 398 38.2 57.0门子 V94.3A 1310 17 260 390 38.5 57.3阿尔斯通 CT26 - 38.5 58.5安萨尔多 AE94 3A - - 304.2 450 58.6表2 主要重型燃机厂商C/H/J经燃机参数比较制造商 GE 9HA.02 台西 燃气度/ - 21.8 压比 单循环功率/MW 470 联合循环功率/MW单循环效率/%联合额环效率/% 10 61.4M701G2 1500 21 334 49$ 41.5 = 59.3三菱 M501H 1500 225 330 - 60.0M501J 1600 327 470 61.5西门子 SCT5 80001 1550 19.2 340 530 40.0 60.0
在轻型燃机方面，GE、罗罗（Rolls-Royce）、普惠（Pra&Witney）等知名航空发动机公司以大型航空涡扇发动机CE90、Trent、PW4000等为基础，借鉴、使用上述先进航空发动机研发和应用过程中积累的各种新技术和新材料，同时吸取前期轻型燃气轮机（如LM6000、工业遗达、FT4000 航改燃气轮机的使用经验，已经研发出了第3代等），其效率已经超过40%[，见表3.
制造商 型号 原型机 效率/%CE 工业 GE90AD LM6000 CF6 80C2 CE90 45.0 50.0 40.4 42.0工业 Trent Trent 55.0 41.6WR-21 R8211 Trt 25.3 42.0普惠 FT4000 PW4000 45.0 41.0
使得微型燃机发电机组在效率提高的同时尺寸显著减小，重量减轻，并且具有NOx排放低、噪声小的特点，在小型分布式发电系统中与内燃机相比逐渐具备了优势.表4给出了典型微型燃机型号及其性能.
对于微型燃机，Capstone、Bowmen、Honeywell、Elliot等国际微型燃机生产厂商通过紧凌型回热器的研发以及高速发电机与空气轴承的应用-]，
表4
典型微型燃机型号及其性能
Capst 制造商 类号 C30 压比 3.2 气湿度/ 840 功率/kw 发电效率/% 25 NO /ppm <9 65(10 m) 嵊声/dBAlied Sigal AS75 3.7 920 75 28.5 9 -25 65(10 m)Bewmen Ellio TC80CC TA45 4.3 4.0 680 920 80 45 25~30 27 <9 75(1 m)IH Dymajet 2.6 2.8 850 2.6 8-10 <25 - 65(10 m) 55(10 m)NREC Poer ork 3.3 870 70 33 <9Honeywell Panllon 75 3.7 930 5 28.5 9 -25 65(10 m) 2燃机技术国产化现状分析 我国重型燃气轮机产业的建立始于20世纪50年代，早期发展很快，取得了一系列技术成果.然面在1980年至2000年间，由于全国油气供应严重短缺，国家不允许使用燃油/燃气发电，燃气轮机行业进人低潮，全国除保留南京汽轮机厂一家重型燃机制造厂外，其他企业不再开展燃机制造业务，人员和技术流失，人才培养和研发投入急剧减少，与国际水平差距迅速拉大.从2002年开始，随着西气东输和进口液化天然气（LNG）的增加，我国重新启动了重型燃机天然气发电项目，并通过“打拥招标”，在规划建设一指燃气轮机电站项目的同时由哈尔滨汽轮机、东方汽轮机、上海汽轮机分别与GE、三菱、西门子合作.引进E级、F级以及F级改进型重型燃机的部分制造技术.通过这一过程，国内企业掌握了E/F级重型燃机的冷端部件制造和整机组装技术，但是核心的设计和热端部件制造技术仍然为外方所垄断. 在此背景下，目前国内企业继续加大对重型燃气轮机的技术引进与研发的投人，力图增强对燃机核心技术的掌握.上海电气集团于2014年12月出资4亿欧元并购意大利安萨尔多能源公司40%股权，加快重型燃机技术的消化吸收.东方电气在消化吸收三菱F级燃机技术的基础上，开展了5万kW燃机的自主研发工作，目前已基本完成了压气机、燃烧器和高温透平的设计及相关试验，预计2018年完成样机整机装配并尽快开展满负荷实验.哈尔滨电气集团与CE在2014年度“中美绿色合作伙伴计划”签字仪式上签署“高效、灵活、低排放重型燃气轮机联合循环发电机组设计和制造示范项目“合作意向书，开展GE9HA燃机技术的本地化.另一方面，近年来国家对于燃气轮机产业也加大了支持力度.2015年中央政府工作报告中，将燃气轮机与高端装备、新 能源等并列作为重要新兴产业，同时国家航空发动机与燃气轮机科技重大专项即将实施，旨在形成我国具有自主知识产权的重型燃气轮机技术. 因此，可以预期，未来我国燃机技术将获得显著的进步，燃气轮机市场被国外广家基断的现状有望得到扭转. 轻型燃气轮机一般通过成熟航空发动机改型而来，而目前国内航空发动机技术水平的落后制约了国产轻型燃机的发展.中航工业（现为中国航空发动机集团）自20世纪50年代以来，以国产军用航空发动机（如WP6G、WP5G、WJ6G等）为基础，研制了十余型燃气轮机，但由于其功率小、效率低，未能占领国内市场.近年来，随着国家在航空发动机研制方面投人不断增加，二代、三代航空发动机相继面世，轻型燃机的开发也取得了一定的进展.沈阳发动机设计研究所以昆仑、太行发动机为母型机，开发了QD128、QD70、QD185等多款工业轻型燃机，其中QD128已在中原油田和 大庆油田并网发电.但由于我国航空发动机性能与国外同类机型相比仍存在差距，同时不具备工业燃机的长期考核运行条件等因素，上述型号尚未正式推向市场.因此，目前，国内商用领域的轻型燃机仍然完全依赖国外进口，相关技术仍重待发展. 3大型发电企业燃气轮机技术路径 3.1发电企业燃机应用现状及技术需求 由于国内尚未掌握燃机核心技术，使得现有天然气发电项目普遍因为技术问题导致运行安全、生产效益受到影响.针对上述问题国家能源局于2013年组织开展了燃气发电机组运行安全专项监管行动，通过专项行动梳理出了目前国内燃机电厂运行维护中出现的主要问题. 一是整机检修维护依赖原厂商，维修费用昂贵.国内F级机组年检修维护费用一般都超过3000万元/台，某6F级燃机电厂机组设备生产厂商CSA（合约式服务协议）报价为2台燃机3.2 亿元/大修周期.燃机动叶、静叶、护环、燃烧器等热部件只能由原厂商或其授权的维修企业来进行检修，维修费用极高.针对该问题，目前国内企业已经开展了一些工作，例如，上海电气燃机服务部 修中心，形成包括检修、维护、培训一体化的燃机检修服务体系. 二是机组运行中燃烧参数不能自主调整，运行安全存在隐患.燃烧调整为原厂商的核心技术，必须由原厂商进行.相关测点和控制逻辑开放程度低，发电企业无法自主掌握燃烧调整技术，难以保证机组在燃烧脉动最小和在排放最佳点运行，不利于有效控制安全状况，也无法开展异常诊断、分析. 三是引进机组性能不能完全适应国内运行要求和环境条件，设备维修周期和使用寿命相应缩短.我国燃机电厂运行特征与国外存在较大差别，首先是因电网调峰需要以及部分地区“照付不议”的供气合同规定影响，机组启停频繁，与机机在频繁启停情况下上述问题尤为突出，热通道 组设计条件有较大偏差，特别是部分F级大型燃部件普遍存在涂层脱落、烧损等问题，使用寿命缩短；其次是环境条件、空气质量相对较差，燃机进气过滤器易积灰、堵塞，冬季易湿堵.导致过滤器压差增长迅速、更换周期明显缩短，同时压气机叶片易结垢腐蚀，影响机组出力和效率. 因此，国内发电企业应该针对在燃机机组运行中的上述问题，有针对性地开展燃机相关技术研究，重点掌握燃气轮机机组高效运维关键技术，提高燃气发电企业的运行技术水平，为发电行业的节能降耗做出重要贡献. 3.2重型燃气轮机技术路径 在基于重型燃气轮机的集中式天然气发电领域，应从大型联合循环机组的设计与选型、联合循环热电联产机组的运行优化以及重型燃气轮机的维护维修三个方面寻求技术突破. 首先，针对大型联合循环机组的设计与选型技术，应研究并掌握国际先进的F级改进型及H/先进水平.联合循环机组主机参数匹配、环境条件对联合循规天然气分布式发电技术之外，天然气可与风能、 自2015年开始开展燃机现场检修工作，中国大唐环机组性能的影响规律，结合燃机高效进气冷却设计选型技术.积极跟踪二氧化碳捕集与利用的技术进展，开展燃机电站零碳排放的可行性研究.与此同时，开展基于燃气轮机的先进热力系统研究，如煤制气循环、燃氢循环等，形成相关技术储备. 其次，针对联合循环机组的运行技术，应深人研究机组控制系统，提高对燃机控制系统的理解和掌握程度，掌握联合循环机组的”一键启停”技术，提高机组启停速度与运行效率；同时，研究燃气轮机运行状态表征和辨识方法，结合“互联网“先进理念，开发燃气轮机远程监测与诊断系统；在此基础上，形成联合循环机组高效低排放的干式低氮燃烧技术的技术储备，逐步掌握燃机燃 优化运行技术.另一方面，应开展燃气轮机先进烧调整技术以及基于燃烧优化的排放综合控制技术. 最后，在重型燃气轮机的维护维修方面，应掌握重型燃机性能劣化规律，形成燃机水洗、维护周期优化方法；研究燃气轮机部件非接触检测及寿命预估技术：基于大数据开发燃机机组健康管理与状态维修系统，最终实现机组的高效维修维护，显著降低燃机维修维护成本. 3.3轻型/微型燃气轮机技术 在天然气分布式发电技术方面，首先应深人研究天然气分布式能源系统特性及相关主设备，通过数个分布式能源站的设计实施逐步掌握包括区域/楼宇负荷预估、装机容量选择、主设备选型、调峰装置设计等在内的天然气冷热电三联供系统设计选型技术；并且进一步研究部分负荷工况下分布式供能系统的运行特点，开展考虑全工况性能的系统配置优化与运行策略研究，分布式能源站的年平均能源综合利用率和经济效益达到国际 J级重型燃气轮机的技术特点，在此基础上，研究除了以天然气冷热电三联供系统为代表的常
