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燃气轮机分类及发展

LNG老秘书 LNG接收站专栏 2022-04-22

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LNG接收站专栏 丨行业观察

燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。 


燃气轮机第一个优势是功率密度极大;(一般情况下,同等功率的燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一,是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右。燃气轮机的第二个优势是启动速度快;燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。


前言

目前,燃气轮机产业已形成高度垄断的局面。
形成了以GE、西门子、三菱为主的重型燃气轮机产品系列,以GE、Solar、Rolls-Royce(RR)、Z-M和川崎等为主的驱动和发电用中小型燃气轮机产品体系,以Capstone、IngersollRand、Turbec和川崎等公司为主的微型燃气轮机产品体系。
这些公司基本代表了当今国际燃气轮机制造业的最高水平,其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系,合作生产或购买制造技术生产。



一、燃气轮机分类

(一)

按结构形式分类

1、重型燃气轮机
西门子SGT5—8000H重型燃气轮机

设计特点:

主要用作陆地上固定的发电机组。零部件较为厚重,设计时不以减轻质量为主要目标,而是在应用不太好的材料情况下能够达到长期安全工作的目的,单位功率的质量为2~5千克/千瓦。


结构特点:

1)机组的静子水平分为上下两半,称水平中分结构,可在现场装拆分解和大修;

2)转子采用滑动轴承支承,已达到很长的工作寿命。


2、轻型燃气轮机

Solar土星20 燃气轮机


设计特点:用较好的材料制造,结构紧凑,质量轻,单位功率的质量小于2千克/千瓦。


结构特点:1)采用轴向装配方式,即整个静子不是水平中分的,仅局部静子例如压气机气缸分为两半以便拆装;2)转子一律采用滚动轴承支承。


3、微型燃气轮机

西门子 SGT-100燃气轮机


设计特点:将燃气轮机与发电机设计成整体,体积很小,质量很轻。


结构特点:1)采用径流式叶轮机械;2)一些机组还采用了空气轴承,不需要润滑油系统。



(二)

按用途进行分类

1、电站燃气轮机
用于陆地固定电站、移动电站(列车电站、卡车电站或船舶电站)。


2、舰船燃气轮机
用于水翼艇、远洋船、油船、护卫舰、驱逐舰、巡洋舰、直升机航母等。


3、航空燃气轮机
用于涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轮螺桨式、涡轮轴式、涡轮桨扇式飞机上。



(三)

按功率大小分类

1、大中型燃气轮机:功率大于20MW的燃气轮机归类为大中型燃气轮机。 


2、小型燃气轮机:功率范围在0.3MW—20MW的燃气轮机归类为小型燃气轮机。


3、微型燃气轮机: 功率范围在30-300kW或更小的燃气轮机归类为微型燃气轮机。


补充:(1)功率为几十至数百千瓦,主要替代柴油机用于机车、坦克;(2)功率在1兆瓦以上,40兆瓦以下,应用于发电,石油、天然气的管道运输,钢厂的焦炉废气再次燃烧和舰船应用等;(3)功率在40兆瓦以上,几乎全部用于发电。



二、世界燃气轮机发展

(一)诞生1791年,英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程;1872年,德国人施托尔策设计了一台燃气轮机,并于1900~1904年进行了试验,但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。


(二)实用1939年,在瑞士制成了4MW发电用燃气轮机,效率达18%; 1939年,在德国制造的喷气式飞机试飞成功;从此,燃气轮机进入实用阶段,并开始迅速发展。


(三)发展在1941—1950年期间,应用扩展到舰艇、机车、汽车;在1970年代中期出现了数种100MW级的燃气轮机,最高能达到130MW。 随着材料和冷却技术的不断进步,现如今简单循环单机输出功率已在340MW以上。



三、中国燃气轮机发展

我国的燃气轮机发电事业始于1959年,当时从瑞士BCC公司引进两套6200kW 的单循环燃气轮机列车发电机组,燃料为大庆原油。


20世纪60年代,燃气轮机发电站的建设及其设备的制造生产初具规模,总装机容量达到6万kW,最大单机容量为45000kW。
上汽厂、南汽厂、哈汽厂、东汽厂等制造厂曾先后设计生产过燃气轮机组,这些机组的技术性能都不高,燃气初温一般在600~700℃左右,热效率为16~25%,所建电站基本上是单循环机组。


客观地讲国家在当时也投入了不少力量,开辟和启动了燃气轮机发电领域,取得了一些研究成果。但由于燃料政策及政治、经济方面的原因,使兴起不久的这项事业在20世纪60年代末陷入停滞不前的状况。


后来,于1972年和1976年分别从英国JB公司和日本日立公司引进了10套MS5000系列、PG5301型单机功率在21700~23000kW单循环机组,从而使我国燃气轮发电机组总装机容量达到30万kW左右。


由于种种原因, 我国燃机制造业在20世纪70年代开始萎缩,大部分制造厂停止生产,只保留南京汽轮电机厂为我国唯一生产燃气轮机的制造厂家。


二十世纪80年代中期,我国从英国JB公司引进了6套PG6531型燃气轮机组,其中两套就在胜利油田电力管理总公司孤北热电厂,当时配套引进了两台荷兰的余热锅炉和一台西门子的汽轮机组成了国内的第一套燃气轮机联合循环发电机组,此次也是我国燃气轮机的第一次配套技术引进,当时将6B型燃气轮机的制造技术引进给了南京汽轮电机厂,从而掀起了我国燃气轮机国产化的进程。


“十五”期间,我国开始天然气资源的大规模开发利用,西气东输、近海天然气开发和引进国外液化天然气工程全面展开,国家开始重视发展天然气燃气轮机联合循环发电。
“十五”期间进行了一次捆绑招标,引进美国通用电气、德国西门子和日本三菱3种F级大型单轴燃气轮机机组共54套,全部建成后总装机容量超过20000 MW


对于高科技含量的9F系列燃气轮机在国内研制,我国三大动力集团的汽轮机厂都投入重要力量。
哈尔滨动力集团(以下简称哈动力)和美国通用电气(GE)组成的联合体共同生产109FA机型;东方电气集团(以下简称东方电气)和日本三菱组成的联合体共同生产M701F机型;上海电气集团(以下简称上海电气)与德国西门子组成的联合体共同生产V93.4A机型,几乎超越了9E系列燃气轮机发展过程,直登9F系列。


2005年5月,哈动力的109FA机组首先在江苏省张家港电厂和浙江半山电厂正式投运,哈动力在1、2捆项目中中标了9个项目,拿到19台燃汽轮机的制造合同;相隔1个月后,东方电气的M701F燃气轮机又试运成功,国产化率达46%以上;同时,上海电气也拿到9 台V93.4A燃汽轮机的制造合同。


除此之外,“十五”期间我国还有一批电厂的中小型燃气轮机发电机组进行了“以大代小”技术改造,建成9E型联合循环机组50 台以上,装机容量8100MW。
南京汽轮电机(集团)有限责任公司(以下简称南汽轮)与GE组成联合体,启动了9E系列大型燃气轮机国产化项目。2006年7月,第1台国产化机组成功完成点火试车


此外,“十五“期间我国大型燃气轮机发电装备自主开发、制造的能力有显著增强,大型燃气轮机组装、试车中心已在国内建成投产;一批著名大学成立了燃气轮机研发中心。主机的国产化带动一大批设备配套,备品备件供应和维修、安装、调试、运行的专业队伍。


以燃气轮机发电为核心的产业链正在逐步形成。与捆绑招标同步进行的国家“863”大型燃气轮机研制科技攻关项目也全力推动,不仅在组织样机研制方面取得进展,在核心技术的消化、创新以及自行设计制造能力方面都有很大提高。


“863”燃气轮机研制项目的进展对我国捆绑招标、以市场换取技术起到了有力的推动作用。同时,我国船用、航空用燃气轮机的研制也取得丰硕成果。



四、我国燃气轮机发展面临的挑战

我国发展燃气轮机虽然已经有几十年的历史,但至今没有掌握大型燃气轮机产品整套设计、制造技术,与国外相比在某些技术上差距还很大。


燃气轮机在我国尚未能实现产品整套自行设计和制造,至今我国尚未有自主知识产权的重型燃气轮机的产品和型号


我国燃气轮机发电装机容量在全国总装机容量中也仅占很小的比重。除了技术本身的问题外,其他制约因素也在显现。


西气东输天然气供气量满足不了新增机组气量要求,新建的天然气燃气轮机电厂由于天然气燃料供应短缺,较长时间处于半停产状态,有些电厂至今因燃料供应不足仍不能满负荷运行。


面对天然气发电市场出现的新变化,应对措施不力,甚至引起人们怀疑引进天然气联合循环发电是否正确。



五、发展燃气轮机的建议措施

(一)研究燃气轮机共性技术和核心技术,巩固制造技术,攻克设计技术。组织开展燃气轮机设计、制造相关标准的预研,积极推广相关标准。


(二)解决发展中遇到的共性问题,采用集体谈判的方式购买核心装备、软件和知识产权,建立专利池,在公平、合理、无歧视的基础上进行专利许可和实施。


(三)搭建公共服务和信息发布平台,组织举办燃气轮机产业相关的会议、论坛和研讨,搭建技术交流平台。


(四)做好燃气轮机产业生产、经营数据等的统计工作,进行燃气轮机产业运行分析,研究编制中国燃气轮机产业发展报告。


(五)研究优秀燃气轮机设计制造商评选规则,开展优秀燃气轮机设计制造商推荐工作,组织制作并宣传推广优秀设计制造商案例集。


(六)组织形成燃气轮机产业联合体。



结语

我国燃气轮机的发展一直是处在迂回、复杂的环境下,当前适逢发展的大好时机。


只要国家为燃气轮机的发展制定好长期发展规划,有关配套政策、措施,并给予必要的资金投入,那么依靠专业人员的共同努力,我国燃气轮机的发展前景将是十分光明的。



-END-


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