【涨姿势】9F重型燃气轮机
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导读：GE的9F机组融汇大量成熟产品技术，特别是其控制技术也有大量创新，从而使得9F燃机在保持原有F级机组灵活性的同时，大幅度改善了发电出力，效率，排放。
I. 简介
作为一家拥有130年能源创新历史，并在160多个国家拥有机组运行经验的公司，在发电设备，能源服务及能源管理系统领域中，GE业已成为世界最大、产品最多样化的供应商之一。事实上，在今天，GE产品承担着全世界四分之一的发电量。作为世界燃气轮机技术的领跑者，GE推出的F级燃气轮机实现了多项业界第一，其中包括：第一家机组交运过1000台，第一家机组在世界范围内运行服役超过3500万小时，同时也是第一家为整体煤气化联合循环发电（IGCC）设计并制造F级燃气轮机的厂商。
融汇大量成熟产品技术，紧跟全球不断变化的电力生产需求，GE 9F燃气轮机持续革新改进，在保持原有F级机组运行灵活性的同时，不断改善发电出力，效率，排放并拓展其应用领域。如今，F级燃气轮机产品线下的9FA和9FB两款机型，拥有着世界领先的技术及性能。
II. 产品的演化
9F级50Hz重型燃气轮机家族已有超过20年的发展历史，1991年，GE推出简单循环出力达212MW，效率达35.0%的9F型燃气轮机。随后，很快又推出了增加了14.5MW出力和更高效率的9FA燃机(01版)。如图1所示，9FA燃机持续改进，接着推出了9FA燃机(02版)以及现在的03版设计。目前，9FA燃机(03版)做了多种针对客户需求的改进，包括了机组性能的提高，运行灵活性的增强和机组可用率的提升。这些技术中包括了增强型压气机，干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+)，热通道部件冷却技术升级及叶片状态监测等。
随着客户需求的不断发展，9F燃机家族推出了更高出力和效率的9FB燃机。作为GE最先进的50Hz空冷燃机，9FB燃机应用了与9FA燃机相同的压气机设计并提高压比，使用了新型的可适应更高燃烧温度的热通道部件。从干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+)，到更高性能的新型部件，再到可减少安装时间的模块化辅助系统，9FB燃气轮机正用不断的技术革新来满足客户日益发展的需求。
2011年，为满足客户一直以来对机组运行灵活性的需求，GE推出了FlexEfficiency* 50联合循环电厂，该电厂以全面革新的9FB燃机为基础，结合压气机和透平升级技术, 继续采用干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+), 单轴配置下额定出力可达510MW，满负荷下效率大于60%。FlexEfficiency* 50联合循环电厂设计和燃机设计平行进行，整体优化，确保了机组高水平的运行灵活性。9FB燃机(05版)，9FA燃机，9FB燃机(03版)性能对比，请参见表1。
9FA和9FB燃机系列运行效率高且兼顾运行灵活性。在考虑燃料成本时，9FB燃机的高效率缓解了燃料成本高企给电厂带来的压力，而在考虑机组成本时，9FA燃机为简单循环调峰运行和联合循环电厂提供了经济的解决方案。9FA和9FB燃机的运行灵活性可满足当今电网调峰及平衡可再生能源供电波动的快速响应的需求。拥有灵活起停及更低的部分负荷运行能力的9FA和9FB燃机为电厂操作人员提供了适应电力需求波动的最佳选择。此外，9FA和9FB燃气轮机还可满足部分区域电网对于频率波动和欠频运行的要求（具体的偏频运行水平需要根据具体现场和地方法规要求而定。）
机组数据统计
目前，9F燃机累计装机240台，总计运行超过9百万小时和9万次启动。9F机组于20年前推出，目前已遍布世界各地。除了在像西欧这样的发达国家市场上运行（如英国，意大利，西班牙等），9FA和9FB燃机市场亦扩展到了新兴市场，例如东欧（拉脱维亚，立陶宛），北非（阿尔及利亚，埃及），中东，南美（智利，阿根廷）和中国。图2，图3是一些机组的现场安装照片。
过去，大部分9F燃机主要在基本负荷下运行，但近年来由于电力需求的转变，如图4所示，机组运行已有向周期性起停和调峰运行发展的趋势。将来，9F机组非常有可能像如今的7F机组一样, 成为主要负责周期性起停和调峰运行的机组。如图5所示，9F燃机的可靠性和可用率仍领先于世界水平。
III. 产品共有特性
9F燃机产品线通过对一些机组共有部件的技术升级，来增加机组出力，提高效率，降低排放，提高部分负荷运行能力,同时提高可用率和可靠性。图6标示了部分技术升级的所在位置，在接下来的章节中，我们将对这些升级技术进行具体介绍。
增强型压气机
随着9F机组运行经验的积累，为了解决客户最为关注的问题，在提高机组运行可靠性的同时，提高压气机的耐久性和可用率，GE对9F压气机设计进行了如下改进：
升级压气机入口导叶，转子前端和中部动叶，前端和后端静叶，大幅减轻了老化和应力对部件的影响。加之配套的先进材料处理工艺，大幅延长了压气机的耐久性和有效寿命。
通过增强叶片抗磨损性能和降低运行中的应力，使压气机能够在更宽泛的运行环境中正常运行，减少非计划性检修停机对电厂运营的影响。
以上手段提高了机组可靠性和可用率，减少了例行检查和维护的成本。而升级后的压气机将9F燃机的平均可用率提升了1.9个百分点。
增强型压气机已是9FA和9FB(03版) 燃机的标准配置，并可用于现有安装机组的升级。为了协调现场的客户检修及安装计划，表2提供了不同的升级包所需要的标准检修时间，包括只需一天即可完成的控制曲线改造升级包（1）到需在大修期间进行全部部件更换的升级包（3-5）。每个现场升级完成后，将不再需要做相应的技术更新包和例行检查，从而提高燃机的可用率。目前所有的9FA和9FB(03版) 燃机已排入升级检修计划。
叶片状态监测
叶片状态监测系统是用来监测压气机R0, R1 和R2动叶的动静挠度并进行实时数据测量的重要工具。该系统在压气机缸体安装了一系列非接触式传感器，对叶片状态进行数据采集（频率，振幅），并通过与GE研发的数据模型的比对来分析采集到的数据，从而得到叶片的状态变化趋势，同时判断是否有突变。例如，这些数据可以用来分析并确定叶片经过多次起停后的状态变化趋势或者通过分析全速全载时叶片的静挠度来判断叶片的老化程度。截至2010年2月，包括改造项目和新机组销售，已有18台机组安装了叶片状态监测系统。
干式低氮燃烧系统(DLN 2.6+)
DLN2.6+综合了9FA DLN2+和7FA DLN2.6燃烧系统，以及9H和6CDLN2.5H燃烧系统的技术与优势。如图7所示，DLN 2.6+具有DLN 2.6相同的燃烧系统配置：5个外围燃料喷嘴和一个单独的中心燃料喷嘴，中心燃料喷嘴确保了在较广条件下燃烧的稳定性。在DLN2.6结构基础上，DLN2.6+增加了由DLN 2+和DLN2.5H所采用的燃料喷嘴—“swozzle”。Swozzle将燃料喷射口和旋流叶片结合在燃料喷嘴主体内部，从而能够将燃料更好混合，使燃烧区域更加稳定。由于采用了GE专有的非平均燃料分配策略，DLN2.6+能够在更低的部分负荷运行情况下保证排放达标。另外，由于采用了先进材料，涂层和冷却技术的采用，DLN2.6+燃烧室小修间隔在标准间隔的基础上延长了8000小时。
值得一提的是，9FA燃机DLN2.6+燃烧系统在50%的部分负荷下运行时，可维持NOx和一氧化碳的排放在20mg/Nm3的水平(相当于NOx：9.7ppm，一氧化碳：16.2ppm)。当负荷降至35%左右时，NOx和一氧化碳的排放仍可维持在30mg/Nm3的水平上(相当于NOx：15ppm，一氧化碳：24.3ppm)，同时可保证24000小时的燃烧室小修间隔。9FB(03版) 在保持NOx排放30mg/Nm3（30ppm）和一氧化碳排放12.5mg/Nm3(10ppm)时，机组可降至38%负荷水平运行，燃烧室小修间隔12000小时。9F(05版)在低于40%的负荷下运行时，NOx和一氧化碳排放水平可分别维持在30mg/Nm3的水平。
DLN2.6+燃烧室部件2005年被应用于9FA燃机，2007年为9FB(03版)所采用, 截至2011年3月，已在超过47台燃机上累积运行超过450,000小时和7000多次启动。在各种燃机上得以应用的DLN2.6家族（DLN 2.6, DLN 2.6+）已累计运行超过了1800万小时470,000次启动。
如图8所示，这些机组分别肩负着调峰运行，周期性起停和基本负荷运行的任务。
DLN 2.6+在原有DLN燃烧系统上改进了燃料的适用性。基于先进的燃料喷嘴和控制技术，DLN2.6+在较低燃烧脉动水平下，可以适应天然气组分修正华白指数+5%的范围变化。如果应用OpFlex软件和模型化自动调节控制技术，9FA DLN2.6+在主燃烧模式下，可适应天然气组分修正华白指数+20%的范围变化，在所有燃烧模式下，可承受+10%的修正华白指数变化。DLN2.6+燃烧系统同时保留了燃烧轻油的配置，并可利用注水控制NOx排放。
在9FA 和9FB燃机应用DLN2.6+燃烧系统的同时，GE开发升级了一整套模型化控制产品，其中包括OpFlex自动燃烧调整和OpFlex低温环境性能优化应用等。
模型化控制
GE采用了基于航空领域丰富的经验，开发了的行业领先的燃机控制系统。该控制系统监控实时的参数变化，通过模型模拟、整体优化得到更精确的控制手段，从而提高了燃机的性能，灵活性和可靠性。GE的模型化控制已广泛应用于7FA机组多年，并于2009年推广应用于9FA燃机。
模型化控制的核心是使用全负荷周期控制（ALCC）技术来取代一直沿用的预设模式控制技术。ALCC通过综合优化入口导叶角度（空气流量）和燃料阀位置（燃料流量）在额定的燃烧温度，压气机喘振预量和燃烧室运行限能来保证机组出力。ALCC分析实时运行数据，并与热力学模型不断比对来帮助操作人员根据周围具体条件和部件老化程度来取用相应的运行参数。
由于能够更精确地识别机组物理状态，模型化控制技术在提高机组整体可靠性的同时，亦可将其性能和灵活性发挥至极致。通过运用虚拟传感器技术，当控制系统诊断到某传感器因为本身故障出现测量值不准确或损坏时，会通过热力学模型计算出合理值传输给虚拟传感器来取代实际值，减少不必要的跳机，从而保持机组继续可靠运行。
与ALCC系统相结合，OpFlex燃烧自动调整程序将模型化控制形式用于燃烧系统控制，取代原有多燃料回路需要预设模式控制的方式，采用DLN 2.6+ 燃烧模型和控制逻辑来实现实时调整以降低排放和减少燃烧脉动。使燃烧系统实现在线燃烧调整并可更好适应外部条件诸如环境温度，燃料温度和燃料组分的变化。该技术避免了季节性燃烧调整的需要，使9FA燃机DLN 2.6+燃烧系统能够适应天然气组分修正华白指数+20%的变化。通过燃烧系统持续调整，实现了较低的燃烧脉动，避免了因周期性高脉动燃烧损坏部件而导致的维修成本的升高和检修间隔的缩短。
OpFlex低温环境性能优化应用程序综合利用ALCC和OpFlex自动调节技术，实现了燃机在高负荷和较低环境温度下的灵活高效运行。如果采用预设模式控制系统，由于受到燃烧脉动和预设安全限值的限制，燃机不得不降低性能来保障安全运行。然而采用OpFlex低温环境性能优化应用程序，由于能够获得更为准确的机组实时数据来实施燃烧自动调整，所以可以减低或避免了抑制性能运行的情况。在较低环境温度下，机组出力最大可提高4.5%，热耗可减少0.5%。
燃气轮机快速启动
9F燃机快速启动综合运用多种技术缩短了整个燃机启动过程的时间，大幅减少了简单循环电厂和联合循环电厂的总启动时间。简单循环机组可以在15分钟内升至满负荷，联合循环机组启动时间则在现有基础上减少了20分钟。结合燃机快速启动和联合循环快速响应的优势，联合循环机组可以处于冷备用状态并可实现类似目前简单循环机组的快递启动，并保持联合循环机组在正常运行工况下较高的效率。
9F燃机快速启动通过综合采用六种技术来缩减启动时间，请参见图9和以下解释：
1) 吹扫优化技术为缩短启动过程中吹扫的时间，该技术使原本在启动过程中需要的吹扫过程提前在停机后马上进行。为确保安全启动，在燃料供给系统中增加了三段式管路，在燃料系统管路和燃烧系统之间设置了排空管路和充氮管路，控制系统通过监测两段管路的压力变化，来判定在待机期间是否有天然气泄漏到燃机中。
2) 变频启动（LCI）接入技术优化LCI接入过程，从而更快启动燃机。（在燃烧系统点火并产生足够动力启动前，LCI系统将发电机转换为马达模式拖动并为燃机提供初始动力进行启动）
3) 一旦确定需要重新启机，加速点火技术可以使转子在点火过程中持续加速，减少了原来在点火过程中需要转子转速保持所需要的时间。
4) 快速升速率采用先进的升速控制逻辑来减少了燃机发电机加速至电网同步频率所需的时间。
5) 快速并网技术采用闭环加速控制，通过对比实际加速率和目标加速率，以保证在一定环境温度范围内启动时间更一致。
6) 快速升荷率使燃机从满速空载到满速全载的升负荷速度加快了近两倍。
加速启动系统需要和Mark* Ve, Mark VI 或者Mark Vie控制系统相配合，使用新的压气机叶片，并使用带有耐磨涂层的一级护环。
IV. 9FA燃气轮机
9FA燃气轮机运行灵活，性能高效。截至目前，已有超过200台机组在现场运行，累计燃烧超过820万小时，启动超过83,000次。其中，最早的9FA机组已累计运行超过113,000小时，累计启动1650次。并且9FA燃机对于燃料具有广泛的适应性，可应用于诸多工业领域。
GE坚持在9FA燃机技术上不断创新，通过综合应用先进的材料，空气动力学技术，燃烧和控制系统，来提高机组的热效，出力，运行灵活性，可用率，可靠性和降低排放。这些先进技术的采用可将简单循环满负荷效率最高提高5%，出力提高15%。机组可用率和可靠性相应提高2%，同时降低氮氧化物和一氧化碳的排放。9FA燃机可以保持在35%低负荷水平运行同时满足排放要求，并可满足客户对于更大的燃料组分变化范围和运行灵活性的要求。
新的应用领域拓展
除了传统发电领域，9FA燃气轮机亦可用于其它工业应用，如为炼铝厂供电，使用油气开采中所产生的工艺气体和火炬气发电，应用于分布式能源实现区域发电和供热，此外，可以结合除盐技术来建立海水淡化及发电厂（IWPP），为饮用水匮乏地区提供清洁的水资源。例如，一家配有209FA型燃机的海水淡化及发电厂（IWPP）每天可以供应4000万加仑的淡水。
9FA燃机若采用多喷嘴低噪燃烧系统（MNQC,已累计运行超过过100万小时），可以燃烧低热值燃料。其中，9FA衍生机组—9F合成气燃机，能够以合成气和高氢气体为燃料，适用于整体煤气化联合循环电厂（IGCC），或者应用于其他可以产出合成气和高氢气体的领域. 如果采用燃烧前碳捕捉技术，9F合成气燃机亦可在IGCC应用中减少碳排放。
冷却优化包
冷却优化包（COP）通过减小透平动静间隙和优化冷却气流设计来提高9FA燃机的出力和性能，这项技术可以提高机组出力最大至1.5%，降低1.0%的热耗。
冷却优化包采用了带耐磨涂层的一级护环和缸体温度控制技术来减小第一级的动静间隙。由于一级护环上附着耐磨涂层，所以一级动叶和护环的间隙可以设计得更小，当一级动叶冠顶与护环涂层紧密接触时，可将涂层轻擦掉少许而避免损伤叶冠。此外，涂层的专有结构亦减少了冷却空气的泄露。
缸体温度控制技术可以主动控制一级动叶与护环的间隙。在燃机启动时，动叶膨胀比燃机缸体更快，因此，在启动过程中，动叶和护环的间隙需要足够大。当燃机到达稳定运行期，动叶和缸体的膨胀都达到稳定值，原有的间隙就远大于理想间隙了。在此时可投入缸体温度控制技术，利用冷却空气冷却一级动叶区域缸体，使缸体收缩，从而减小动静间隙。
为减少从压气机抽取的冷却空气量，采取了两种技术措施：减少透平第三级喷嘴冷却空气量以及通过混流器来混合利用压气机抽气以减少高品质的抽气。
由于9FA等先进燃机燃烧温度较高，需要利用空气冷却并使热通道部件在其材料许可温度内运行。GE采用内部空气冷却和外部膜式冷却技术来冷却热通道部件。分别利用13级压气机抽气冷却第二级喷嘴，9级压气机抽气冷却第三级喷嘴。由于第13级抽气压力等级较高，所以可以通过混流器混合，减少13级抽气，混入部分9级抽气来冷却第二级喷嘴。由于减少了对高品质抽气的需求，所以燃机整体效率得以改善。抽气控制系统根据负荷和环境条件来控制进入混流器的13级抽气，维持所需压比，确保第二级喷嘴得到足够冷却。同时由于冷却第三级喷嘴的气量减少，用于提供有用功的空气增多，进一步提高了整体循环效率。
V. 9FB 燃气轮机(03版)
当燃料成本在电厂运营中越来越重要时，高效的9FB燃机（03版）就成为了客户的最佳选择。9FB可以使用天然气或轻油作为燃料，用户可以根据最优燃料价格或供给情况来灵活运行机组。目前，已有28台机组投入现场运行，累计燃烧超过289,000小时，点火启动超过4,400次。其中，机群中运行最久的单机累计运行超过2,5000小时，累计点火启动超过390次。（9FB燃机全部从法国贝尔福生产，组装并发运）
随着产品线的演进，GE不仅致力于技术研发以提高性能，同时也开发了整体解决方案以缩短电厂建设周期。
性能的改善与提高
9FB燃机通过综合减少抽气冷却流量、燃烧室压损、进气压损，增加抽气流量控制来整体优化性能。主要包括五部分：
在一级动叶上采用先进密封技术来提高冷却空气的使用效率
改进喷嘴、动叶和护环的密封性能,提高热通道性能
改善进气结构设计以降低压损
抽气流量控制—与9FA和7FA燃机冷却优化包（COP）类似
燃烧系统和一级喷嘴重新设计以降低压损
在ISO标准环境条件下，9FB 燃机（03版）简单循环机组出力为291WM, 热耗8,880BTU/kWh（9,369kJ/kWh）, 效率38.4%，109FB联合循环机组出力可达444MW，热耗5,778 BTU/kWh（6,096kJ/kWh），在基本负荷下效率为59.1%。（世界燃气轮机杂志参考电厂运行条件）同时，该设计亦改善了燃机偏频运行能力。
模块化管道系统
燃机的安装周期对于整个电厂建设进度安排是非常关键的。因此GE针对9FB燃机（03版）设计了模块化管道系统，尽可能多地将管道及支架在工厂里进行组装以减少现场安装成本。该方案是将图10中高亮部分的管道系统分为五个模块，运到现场进行组装。其中两个模块位于燃机底部，两个位于燃机两侧，一个位于燃机顶部。该设计不仅可以显著地降低现场安装时间，同时还有以下优点：
加快了现场进度，对于多轴配置尤为明显
预拼装的模块设计保证了管道尺寸的准确性，提高了安装质量，减少了浪费
增加了工厂装配，减少了现场工作量，从而使得工作环境更安全
减少了现场物流和仓储的压力
更方便快捷的燃烧室检查，提高了燃机可用率
联合循环电厂
运用先进科技，GE将其9FB燃机（03版）与标准电厂设计进行整合，为客户提供了更快速，更环保，更高效的专业整体能源解决方案和增值技术服务，可以支持前期工程可研设计以帮助客户获得项目审批，到工程初步设计，在短时间内提供厂房布置初设图，再到工程后期，提供诸如运行协助和检修项目的支持服务。
如图11，GE03版单轴布置联合循环电厂，采用9FB燃气轮机(03版)，109A Heat*蒸汽轮机，氢冷发电机，Mark VIe电厂控制系统，具有非常高的机组效率和运行灵活性。GE专有的快速响应技术提供了高效的冷备用容量并能满足启动时对于排放限制的严格要求。燃机能够以简单循环升负荷率快速升至基本负荷，减少了启动时间，提高了发电效益。同时, GE与余热锅炉供应商合作设计了汽包式余热锅炉，以承受由于燃机快速升负荷和600摄氏度的蒸汽所产生的周期性应力。
VI. FlexEfficiency*50联合循环电厂
GE FlexEfficiency*50联合循环电厂是GE燃机领域的最新研究成果，该技术更加专注于机组效率，运行的灵活性，整体电厂设计优化和全生命周期成本的降低。采用9FB 燃气轮机(05版)，出力可达510MW，基本负荷下机组效率可超过60%。并且9FB燃机(05版)将在正式商业运行前在工厂完成整机验证试验。
随着越来越多的可再生能源并网发电，GE FlexEfficiency*50联合循环电厂通过以下运行的灵活性来响应可再生能源不稳定性导致的电网波动的影响。
行业领先的启动技术，GE FlexEfficiency*50联合循环电厂可在30分钟内完成热启动，在减少燃料消耗，降低排放的同时，达到大于98%的启动可靠性。
快速升负荷率，改善了燃机负荷调节能力，每分钟可升降51MW的负荷。
改善部分负荷排放，可在低于40%负荷运行时，满足一氧化碳排放要求。
燃料灵活性，可用轻油作为后备燃料，可适应修正华白指数+/-10%的范围变化。
9FB 燃气轮机(05版)
如图12 所示，应用于GE FlexEfficiency*50联合循环电厂最新设计的9FB燃机采用了先进的3维空气动力学设计的14级压气机，除进口导叶以外，增加了多级可调静叶和联合扩压段来减少由于逆流燃烧所造成的静压损失。此压气机以7FA燃机为原型，按照相应速比设计。同时为增强机组的可维护性，压气机设计具备了现场更换叶片的能力。
透平由四级空冷膨胀流道组成，未使用任何蒸汽或混合冷却技术。与H System*动力岛设计相似，透平段包括了内外两层缸体，热通道部件通过薄壁内缸支撑与外缸隔离，避免了高温部件的自由膨胀带来的问题。内缸的设计使得启动过程中各部分热膨胀均匀，避免了膨胀不均引起的动静间隙扩大。内缸沿水平中分面分为两部分，可以在现场从外部缸体里转出。
与现有F级技术相同，一级动叶采用单晶材料，其它动叶和喷咀采用同F级一样的加强型材料，同时一、二级采用了耐热涂层，使得9FB 燃机(05版)不需要混合冷却或蒸汽冷却即可适应较高的燃烧温度。
联合循环电厂
GE FlexEfficiency*50联合循环电厂采用GE最先进的空冷燃气轮机，水冷发电机和双流侧排蒸汽轮机技术。如图13所示的电厂平面示意图，电厂采用单轴配置，在蒸汽轮机和发电机间配置SSS离合器，余热锅炉采用了特殊设计提高现有材料对周期性应力的适应能力。
GE FlexEfficiency*50联合循环电厂布局更加合理，工作区域区分清晰，更方便维护。整体上减小了24%电厂占地面积，机组中心线高度5.5米（与现有109FB联合循环电厂相同），大大节约了罩壳、基础和厂房的建设成本。
Mark VIe全厂控制系统采用先进的数字现场总线控制和通讯技术，使用数字化通信协议易于集散式分布连接，减少了50%的现场布线。绝大多数MCC和过程控制盘均可在工厂装配。以模块化实时预处理为基础的控制系统具有一键式启停和集群控制的功能。
模型化控制方法大幅增强了燃机控制与电厂协调的能力，通过传感器采集真实运行数据和实时模型来控制机组运行，并可纠正个别设备暂时的信号失真。模型化控制亦可预测机组性能，提供信息以便制定更为准确的检修计划和评估设备的使用成本。
VII. 总结
运用GE重型燃气轮机成熟技术，把握全球电力需求变化，GE 9F型燃气轮机在不断创新。在保证GE传统F级燃机运行灵活性的同时，不断持续改进机组出力、效率、排放和拓展应用领域。GE在不断提高现有技术的同时，亦在积极开发新系统和新产品来满足客户需求。
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