走近工业性能巨兽,H级燃气轮机你必须了解的几件事
走近工业性能巨兽,H级燃气轮机你必须了解的几件事
2017 . 8 . 11
 


导读:H级重型燃气轮机被称为制造业的王冠,作为一个体形庞大的工业机械巨兽,它既要追求高效性能,又需考虑经济效益,这是一种让制造业纠结于鱼和熊掌的痛苦。中国航空发动机和燃气轮机两机专项已经明确把H级燃气轮机在2030年实现自主研发作为专项目标,同时,GE携手哈电集团签署了重型燃机合资项目协议,在秦皇岛建立燃机制造基地,专注于包括9H和9F级在内的燃机和部件制造。这个让中国魂牵梦绕的工业性能巨兽,有几件事情你确实必须了解。

什么是重型燃气轮机?燃机不等于重型燃气轮机!

重型燃气轮机属于燃气轮机中的一种,它的兄弟还包括:航空发动机、航改燃气轮机、船用燃气轮机、车辆与工业驱动燃气轮机和各种微型燃气轮机,它们之间的结构和原理相似,因此当有人和你谈论燃气轮机的时候,他口中燃气轮机可能并不一定指重型燃气轮机。

一般来说,重型燃气轮机的出力明显大于它的这些“兄弟”,主要用于电厂发电。重型燃气轮机也这些“兄弟”里面迄今为止效率最高的热-功转换类发电设备,其发电量约占全球发电总量的22%,而且还在稳步增加。重型燃机的研发制造水平很大程度上也代表了一个国家的重工业水平。目前能独立研制重型燃气轮机的国家却只有美国、德国和日本。研制重型燃机不仅要强调性能,还强调性价比,必须要能够真真切切的为电厂带来效益。

近年来,随着雾霾的肆掠和页岩气革命的发展,国内外科技界与产业界已认识到,重型燃气轮机将是21世纪乃至更长时期内能源高效转换与洁净利用系统的重要装备。

什么是H级燃气轮机?H字母背后的技术意义!

H并不是任何单词的缩写,但它是目前全世界最先进重型燃气轮机的代号。由于重型燃气轮机的技术水平主要体现在压气机压比和透平进口燃气温度这两项指标上,尤其是透平进口温度直接影响燃气-蒸汽联合循环的热效率,因此国际上通常根据透平进口燃气温度把重型燃气轮机分为E、F级和H级。

其中,E级重型燃气轮机透平进口约1200℃,F级透平进口温度约为1400℃,目前最先进的H级透平进口温度达到1430℃-1600℃。温度越高,技术等级越高。

目前全世界最先进的H级重型燃气轮机单循环和联合循环的热效率已分别超过了40%和60%,是所有热-功转换发电系统中效率最高,是最适合大规模商业化的发电方式。2016年6月, GE的H级燃气轮机更是创造了新的吉尼斯世界记录,机组联合循环发电净效率高达62.22%。

中国的重型燃气轮机制造处于什么水平?有H级燃气轮机制造能力吗?

中国的重型燃气轮机就制造来说,基本属于起步阶段。具体一点的来说,就是中国尚无完全自主设计制造重型燃气轮机的能力。中国唯一的一台重型燃气轮机R0110处于E+级技术水平,目前尚处于试运行阶段,并未在发电领域完全推广,目前国内所有应用重型燃气轮机发电厂全部采用的是国外产品。

其实,中国的重型燃气轮机产业与国外发达国家相比起步也并不晚,建立于20世纪50年代。在早期阶段(1950—1970),中国在消化吸收许多前苏联技术,并自主设计和制造了200到25000千瓦多种型号的燃气轮机,培养了不少燃气轮机技术人才和队伍,全行业技术水平进步很快。

但在中期阶段(1980—2000),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,重型燃机失去市场需求,全行业进入低潮,全国除保留南京汽轮机厂一家重型燃机制造厂外,其他制造企业全部退出,人员和技术流失,大学燃机专业改行,人才培养和国家研发投入基本停止,与国际水平差距迅速拉大。现任上海电气燃气轮机有限公司总经理虎煜,1998年从清华大学热能工程系的燃机专业毕业时,他曾表示当时因为中国的燃气产业已经断代十多年,发现毕业后去哪工作都是个大问题。所以中国的燃气轮机人才基本呈“哑铃型”,要么老,要么少。

2000年左右,中国经济的飞速发展对电力需求逐步增大,国家组织进行了重型燃气轮机的“打捆招标”计划,耗资约350亿元人民币,采取中外合资、合作或引进技术消化吸收的方式,帮助国内相关企业掌握重型燃气轮机冷部件制造技术和少量核心制造技术。上海电气、哈尔滨电气、东方电气分别与西门子、GE、三菱三家跨国巨头合资合作,上海电气从西门子引进了SGT5-4000F燃气轮机、哈尔滨电气从GE公司引进了9FA燃气轮机、东方电气从三菱引进了M701F燃气轮机,此外南汽还从GE公司引进了6B和9E燃气轮机。

近年来,中国更是把重型燃气轮机的研制上升到了一个战略高度,“航空发动机和燃气轮机两机专项” 经过多年论证从今年开始进入实施阶段,从国家能源局公布的行动路线图来看,燃气轮机专项的奋斗目标已经明确,即2020年实现F级300MW燃机自主研制、2030年实现H级400MW燃机自主研制。

不过,虽然中国尚不能自主研制H级重型燃气轮机,但是也参与了国外公司H级燃气轮机零部件的制造。比如GE 9HA系列燃机的排气缸,这个部件重达50吨左右,对工艺要求较高,这也是中国企业参与世界最先进的H级重型燃气轮机制造的一个缩影。

H级重型燃气轮机是如何研发的?数十年技术的传承和演化!

H级重型燃气轮机号称工业性能巨兽,以GE最新的9HA重型燃气轮机为例, 400吨的重量相当于两头蓝鲸,约1600℃的透平进口温度几乎可以融化任何金属。在实际使用中,燃气轮机本身还会有诸多“辅机”,以支持机组运行等。除了体型庞大,零件众多,还需“辅机”之外,发电行业还希望燃机24x7不间断工作,同时符合越发严苛的环保法规要求。这一切都需要H级燃气轮机的设计与制造无限趋近完美——核心部件的精度误差最多几十微米。

然而,这样的工业性能巨兽并不是一天炼成的,每一代新型重型燃气轮机的研制几乎都是从研制小功率的原型燃气轮机(也称为母型机、技术验证机)入手,突破并掌握产品设计和制造核心技术,然后采用模化放大或缩小的方法,在较短时期内形成同一温度等级的不同功率的系列化产品的基本型号。这样做的好处就是:节省研发投资、缩短研发周期、降低公司风险。

例如,原型机与放大机型的模化放大系数为2时,两者的功率比将为1:4、转子重量之比则为1:8。从核心技术研发、产品设计、关键部件性能试验验证、样机制造、建设试验电站完成带负荷发电全过程的总投资则为1:4,这意味着直接研制300MW等级大功率燃机需要多投资数亿、十几亿美元甚至更多。事实上,世界燃气轮机发展历史上没有一家成功的企业是直接研制大功率燃机起家的。

同一参数等级的50Hz(3000转/分)和60Hz(3600转/分)燃机是模化设计理论应用的典型例子。60Hz燃机按比例放大1.2倍就得到50Hz燃机,50Hz燃机按比例缩小0.8倍就得到60Hz燃机,两者热效率、主机结构、材料和加工工艺相同,只是功率相差1.44倍。任何一家公司研发成功了50Hz的燃机,就等于有了60Hz燃机,反之亦然。

重型燃气轮机在投入市场后,燃机厂商仍会保持新的技术研发,来提高热效率、增加功率、降低污染和提高可靠性,不断推出该型号的升级版,这就是你为什么会看到很多燃机产品有后有“.01”,“.02”,这种改进升级过程会贯穿整个产品的生命周期,甚至可以长达几十年。

H级重型燃气轮机的试验测试有多复杂?建个试验台就得10多亿!

重型燃气轮机在研制出来后,还需要经历大量的试验,这个试验不是一般的烧钱,基本上这东西烧钱速度比你直接烧钱速度还快,而且试验台的本身建设也耗资巨大。GE 9HA燃气轮机试验台就耗资了1.85亿美金,工程师在燃机测试台上放置了多达6000余个测量仪器和传感器。此外,GE还打造了可以存储18万加仑液化天然气的储气厂以供运输和测试。
 

 
该测试台位于美国南卡莱罗纳州格林威尔,可以对燃机部件、系统和机组进行有效的验证和试验。同时它也是世界一流的全尺寸燃机压气机试验台,它使用压气机作为模拟符合,可以根据测试要求,进行转速和负荷变化试验;可以模拟各种发电用实际工况;压气机压比可控,以满足燃机试验的完整分析;大量数据可以捕捉燃机性能的瞬态变化。

该测试平台在离网模式下,没有转速限制,能对燃气轮机进行各种深度测试,以了解燃气轮机在满载和过载工况下的各种行为和性能特性(相当于在实际电厂运行8000多个小时所历经的各种工况条件,同时也能模拟一些在实际电厂现场一般难以遇到的特殊工况)。

而且该试验台提供新产品的全貌,产品在前往电站现场点火前就能完成全面验证,大大节省新技术在现场调试时间。此外,还可以为部件的新设计和将来的新产品提供试验。

H级重型燃气轮机制造有哪些黑科技? 3D金属打印、数字化都有!

与之前的燃气轮机产品相比,H级重型燃气轮机采用了更高效的空气冷却结构、更先进的材料,以及经过验证的运行灵活性和可靠性。更重要的是,H级重型燃机拥有更低的单位千瓦生命周期成本,可以给电厂用户带来更多的效益,以一个使用20年的燃机电厂为例,与市场上同等级的9F燃机相比,单台9HA.01燃机可节约燃烧费约7.83亿元。
 

特别值得一提的是,3D金属打印制造工艺也开始应用在了重型燃气轮机的制造上。9HA燃气轮机的核心部件燃烧室燃料喷嘴和预混器就使用了该工艺,从而让9HA燃机的DLN2.6+燃烧系统中实现了微孔预混和全预混燃烧。这种低氮燃烧技术可以保证燃料与空气以更好的比例混合,实现启停过程全预混燃烧模式,不存在扩散火焰,满足超低氮氧化物排放(在最低负荷至30%的工况下仅有25ppm氮氧化物排放),并且在燃机快速增减负荷不熄火。

3D金属打印技术在9HA燃机关键零部件上的充分应用,帮助该型燃机的功率较传统制造方法至少增加了1%。不要小看这1%,GE在法国布尚电厂的9HA机组可以供给大约68万个法国家庭的用电需求,也就是说,在原有能耗不变的情况下,这两个部件将能把光明带给额外6800个家庭。

此外,9HA燃气轮机的另一项重要“黑科技”就是数字化技术,GE通过其研制的Predix工业互联网云平台,将物联网、云计算和大数据等技术应用到了9HA燃机电厂上,可以给电厂用户带来更加丰富和本地化的运营体验:可以对燃机机组的全寿命周期提供预警,对机组故障进行诊断和分析以及对机组的检修进行优化等功能。

值得一提的是,其实当年H级燃气轮机还有一项革命性的技术:蒸汽冷却。这个概念由美国GE公司在上世纪90年代率先提出,即用蒸汽替代空气对透平静动叶片进行冷却,这种冷却效率极高,可以在相同燃烧室出口温度的条件下,提高透平第一级动叶片进口温度约110℃,而金属材料本身的改进一般也就能提高8℃。可惜的是,由于在实际商业运营中蒸汽冷却系统结构过于复杂,而且蒸汽系统启动慢影响了燃机调峰性能等原因,最终各大燃机厂商还是在实际产品中选择了空气冷却,GE的9HA燃机中A字母就是表示空气(Air)冷却的意思,也许我们可以在下一代重型燃气轮机中看到蒸汽冷却技术的身影。

H级重型燃气轮机的商业化情况如何?来势汹汹,成为发电主力指日可待!

由于H级燃气轮机优异的发电效益,全球H级燃气轮机可谓来势汹汹,2016年初,H燃机在北美市场占有率就已经超过了50%。

中国尚没有投入商业运营的H级燃机电厂。不过2017年3月,中国哈电集团已经与GE签署了重型燃机合资协议,在河北秦皇岛建立燃机制造基地,共同推进重型燃气轮机本土化制造,推动中国高端制造产业升级。合资项目将专注于GE 9F及9H级燃机和部件制造,并通过哈电和GE进行销售。
同时,GE还拿下了华电天津军粮城项目的9HA燃机合同,这是中国大陆的首个H级燃气轮机项目。

此外,由上海电气持股的意大利安萨尔多公司收购了阿尔斯通的H级燃气轮机GT36的相关技术,目前也在推进H级燃机的国产化。

最后带你走进一个H级燃气轮机电厂,来感受下这个工业巨兽的魅力吧

巴基斯坦必凯电厂是亚洲首个H级重型燃机电厂,由哈电国际总包,使用2台GE 9HA燃气轮机,并于2017年4月一次性通过168小时满负荷可靠性运行,成功实现单循环投运。


 
(图片来源:东北电力设计院)

必凯电站由中国EPC企业哈电国际担任工程总承包,中国能建中电工程东北院负责设计。项目总装机容量为118万千瓦,采用2+2+1的配置,即2台GE 9HA燃机、2台余热锅炉和1台汽轮发电机组。

值得一提的是,该项目是GE第一个双燃料9HA机组项目。所谓双燃料,就是即可以用天然气作为燃料,也可以用轻油作为燃料,当因某种原因暂时不能使用主要燃料天然气时,需要确保燃气轮机可以快速切换到轻油燃料系统,保证发电。

必凯项目完工后产生的电力可供约250万户巴基斯坦家庭使用,为这一大批民众还饱受电力短缺的国度“雪中送炭”。

 

巴基斯坦必凯电厂外景
(图片来源:东北电力设计院)

 

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走近工业性能巨兽,H级燃气轮机你必须了解的几件事

导读:H级重型燃气轮机被称为制造业的王冠,作为一个体形庞大的工业机械巨兽,它既要追求高效性能,又需考虑经济效益,这是一种让制造业纠结于鱼和熊掌的痛苦。中国航空发动机和燃气轮机两机专项已经明确把H级燃气轮机在2030年实现自主研发作为专项目标,同时,GE携手哈电集团签署了重型燃机合资项目协议,在秦皇岛建立燃机制造基地,专注于包括9H和9F级在内的燃机和部件制造。这个让中国魂牵梦绕的工业性能巨兽,有几件事情你确实必须了解。

什么是重型燃气轮机?燃机不等于重型燃气轮机!

重型燃气轮机属于燃气轮机中的一种,它的兄弟还包括:航空发动机、航改燃气轮机、船用燃气轮机、车辆与工业驱动燃气轮机和各种微型燃气轮机,它们之间的结构和原理相似,因此当有人和你谈论燃气轮机的时候,他口中燃气轮机可能并不一定指重型燃气轮机。