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G/H级燃气轮机燃烧室技术研发

2016-10-23 15:34:45 来源: 评论:0 点击:

重型燃气轮机主要是指功率等级较大的地面燃气轮机,主要用于发电领域,自20世纪40年代问世以来,得到了快速的发展。重型燃气轮机由于具有单机功率大、供电效率高、建设周期短、污染排放低的优势,在世界范围内被广泛采用。目前基于燃气轮机及联合循环电站的发电量约占全球发电总量的22%,且还在稳步增加;同时表征重型燃气轮机技术水平的燃气温度、压比及循环效率也不断提高,单机容量继续加大。当前世界上主打的重型燃气轮机为F级,而技术等级更高的G级、H级燃气轮机也已进入商业化运营阶段。

G/H级燃气轮机是指透平一级动叶前燃气温度达到1370℃~1450℃等级的燃气轮机系列。当前国际上已研发出的G/H级燃气轮机主要有:美国GE公司的7/9H、7/9HA系列,德国Siemens公司的SGT6-6000G、SGT5/6-8000H系列,日本MHI公司的M501G、M701G、M501GAC、M501H系列。G/H级燃气轮机具有优异的性能,如GE公司的9HA02燃气轮机单机循环效率可高达40%~41.5%、功率达510MW,“一拖一”联合循环效率高达61.5%、功率达755MW;在15%干式O2浓度下,生成的NOx、CO的体积分数均低于25×10-6,同时满足长寿命、高可靠性等指标要求。

燃烧室作为燃气轮机的核心部件之一,要在受限空间及高压环境中产生超过金属熔点的高温燃气,因此燃烧室的工作环境极其恶劣。更高的燃气轮机功率及循环效率要求透平一级动叶前的燃气温度更高,意味着燃烧室的进口温度、压力及出口温度进一步增大。对于G/H级燃气轮机,根据透平一级静叶冷却方式的不同,按透平一级动叶前的燃气温度折算出的燃烧室出口温度有较大差异。透平一级静叶采用先进的空气冷却方式时,燃烧室出口温度较透平一级动叶前温度高约139℃;采用闭环蒸汽冷却时高约44℃。但无论透平采用哪种冷却方式,高温、高压的工作环境及低排放、长寿命、高可靠性的指标要求都对燃烧室的设计提出了极大的技术挑战。

重型燃气轮机主要燃用天然气和重油,为了扩大其燃料适应性,燃用煤气化合成气等富氢燃料甚至纯氢的燃气轮机技术也在研发中。当前G/H级燃气轮机采用天然气为燃料,相比于F级天然气燃气轮机,G/H级的总体参数有了大幅度提高,燃烧室也需要一定的技术发展才能适用于更高参数。因此,本文将对三大燃气轮机公司的G/H级燃烧室技术进行综述,并分析其研发思路,以期对我国自主G/H级天然气燃烧室的研发有一定的参考作用。

1GE公司G/H级燃烧室的研发

GE公司在从F级向更高等级燃气轮机发展的过程中,直接研发了H级型号,而没有G级型号,形成的H级型号有7/9H系列、7/9HA系列,其中,7H、7HA为60Hz的型号,9H、9HA为50Hz的型号。对于同等级、同系列的不同频率燃气轮机而言,一般采用完全相同的燃烧室主体部分,只是燃烧室的数量有所差异,对应的过渡段有所调整。

7/9H系列燃气轮机是GE公司最早研发的H级型号,压比为23,透平一级动叶前温度为1427℃,联合循环效率达到60%;透平采用闭环蒸汽冷却方式,折算出的燃烧室出口温度约为1471℃。与GE公司典型的F级燃气轮机7/9FA(压比为15,透平一级动叶前温度为1316℃)相比,H级燃气轮机的参数有了大幅度提升。透平一级动叶前温度的提升通常意味着燃烧温度的增加,这将增加NOx的生成量,因此,如何在一级动叶前温度提升110℃的前提下保证H级燃气轮机的NOx排放仍能够满足指标要求是需要解决的关键问题。透平采用闭环蒸汽冷却方式后,可以在燃烧室出口温度增加15℃的基础上,获得比空气冷却高约110℃的一级动叶前温度,这将保证NOx排放量仍在指标范围内。

7/9H燃气轮机透平采用闭环蒸汽冷却的方式,大大降低了燃烧室的技术研发难度。虽然如此,7/9H燃气轮机并没有采用与F级完全相同的燃烧室方案,而是将F级的燃烧室技术进行了优化。GE公司以天然气为燃料的燃气轮机采用DLN燃烧室技术,逆流环管式的结构布局。DLN燃烧室分为DLN1和DLN2两个系列,前者用于E级,后者用于F级及更高等级燃气轮机。在7/9H燃气轮机研发之前,F级燃气轮机采用的燃烧室技术有DLN2、DLN2.6、DLN2+,在此基础上发展了应用于7/9H燃气轮机的DLN2.5H燃烧室。

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