分布式能源用SGT-800工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)與LM6000航改型燃?xì)廨啓C(jī)對比分析研究

謝大幸,郝建剛,劉志敏,朱亞迪

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

目前30 MW和50 MW等級燃?xì)廨啓C(jī)在國內(nèi)現(xiàn)有的分布式能源裝機(jī)結(jié)構(gòu)中較常見，應(yīng)用最多的燃?xì)廨啓C(jī)主要有工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)和航改型燃?xì)廨啓C(jī)兩個流派，具有各自的特點(diǎn)[1]。針對30 MW等級分布式能源用燃?xì)廨啓C(jī)，選用SGT-700工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)與LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)開展了對比分析[2]，本次針對50 MW等級分布式能源用燃?xì)廨啓C(jī)，分別選取SIEMENS公司的SGT-800工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)和GE公司LM6000航改型燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，綜合分析兩種機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、熱力性能、污染物排放特性、燃料適應(yīng)性、啟動及運(yùn)行特性、供熱(冷)能力、檢修維護(hù)等方面優(yōu)缺點(diǎn)，為50 MW等級分布式能源用燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)選型提供參考。

1 發(fā)展歷程

SGT-800是西門子工業(yè)透平機(jī)械公司制造的功率最大的工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)。該系列燃?xì)廨啓C(jī)首臺型號為GTX-100，于1997年發(fā)布，1998年被瑞典的赫爾辛堡項(xiàng)目訂購，1999年投入商業(yè)運(yùn)行并對燃?xì)廨啓C(jī)核心機(jī)、輔助系統(tǒng)、控制設(shè)備以及機(jī)組性能、排放指標(biāo)進(jìn)行了全面測試。2003年經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后功率提升至45 MW[3]。2007年進(jìn)一步升級，增加流量，優(yōu)化熱部件，功率提升至47.5 MW，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率提升至37.7%，成功完成了平臺A的演化[4]。2011年SIEMENS公司基于既往成功經(jīng)驗(yàn)和已獲得認(rèn)可的設(shè)計(jì)方案，引入平臺B，重新設(shè)計(jì)了燃?xì)廨啓C(jī)三大部件：改進(jìn)15級壓氣機(jī)葉片葉型以提升壓氣機(jī)的空氣動力性能，改進(jìn)燃燒室壓降和冷卻系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)1級透平和3級透平，功率提升至50.5 MW[5]。2014年機(jī)組功率進(jìn)一步提升至54 MW。2017年基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造工藝上的持續(xù)改進(jìn)，發(fā)布57 MW版本。

1965年，GE公司開始為美軍開發(fā)TF39新型發(fā)動機(jī)，后基于此機(jī)型開發(fā)了航空用的CF6-80C2和陸用/船用的CF6-6。CF6-80C2型商用航空發(fā)動機(jī)作為波音747-400的主發(fā)動機(jī)，于1985年首次進(jìn)入航空服務(wù)?；贑F6-80C2平臺研制的LM6000航改型燃?xì)廨啓C(jī)，保留核心機(jī)、移除前端風(fēng)扇、增加進(jìn)氣導(dǎo)葉、改型支承框架、增加輸出軸、改型軸承結(jié)構(gòu)、改進(jìn)燃料系統(tǒng)，功率輸出達(dá)40 MW，于1992年首次投入商業(yè)運(yùn)營，是世界首例熱效率超過40%的燃?xì)廨啓C(jī)。GE公司從1995年開始著手LM6000的升級工作，于1997年研制成功LM6000 PC和LM6000 PD兩個型號，功率輸出超過43 MW，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率達(dá)41%。LM6000 PC使用單環(huán)形燃燒器，LM6000 PD使用雙燃料干式低排放燃燒器。1998年，LM6000 SPRINT系統(tǒng)開始商業(yè)運(yùn)行，以提升燃?xì)廨啓C(jī)出力。2007年，GE公司發(fā)布LM6000 PF，輸出功率47 MW，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率達(dá)41%。2010年LM6000 PG 完成了可靠性測試，該機(jī)型安裝單環(huán)形燃燒室，功率59 MW，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率為39.8%。2011年GE發(fā)布專門針對缺水地區(qū)的LM6000 PH，燃?xì)廨啓C(jī)功率50 MW。2014年，中國華電集團(tuán)公司與GE公司合作推出了熱效率高達(dá)42%的LM6000 PF，聯(lián)合循環(huán)效率54.9%。2015年P(guān)OWER-GEN亞洲會議上，GE公司發(fā)布LM6000 PF的升級版LM6000 PF+，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率41.4%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率達(dá)55.9%。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡單、靈活、高效、可靠，整體模塊化設(shè)計(jì)便于維護(hù)。壓氣機(jī)為15級軸流壓氣機(jī)，前3級為可調(diào)導(dǎo)葉，透平為3級透平。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和三級螺栓連接的透平為單軸結(jié)構(gòu)，由兩個可傾瓦式滑動軸承支撐，配備3臺70%交直流潤滑油泵，起動電機(jī)變頻起動，甩負(fù)荷能力出色，性能衰減低。燃燒系統(tǒng)有30個雙燃料第三代干式低排放燃燒器安裝在環(huán)形燃燒室中，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行靈活，無需注水或蒸汽即可有效控制排放，采用脈動隔離技術(shù)降低燃燒室燃燒壓力脈動，并配備有壓力脈動監(jiān)測裝置[6-7]。

國內(nèi)常用的LM6000 PF為雙軸燃?xì)廨啓C(jī)，由一個5級低壓壓氣機(jī)、一個14級高壓壓氣機(jī)、一個2級高壓透平、一個5級低壓透平組成。低壓壓氣機(jī)入口配置可調(diào)導(dǎo)葉，高壓壓氣機(jī)前5級靜葉也可調(diào)，保證燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷下的高效并防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振。LM6000 PF的兩根軸(高速軸和低速軸)同心套軸布置，高速軸由高壓壓氣機(jī)及驅(qū)動它的高壓透平組成，低速軸由低壓壓氣機(jī)及驅(qū)動它的低壓透平組成。發(fā)電機(jī)由低速軸驅(qū)動，兩者通過減速齒輪和聯(lián)軸器連接。LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)采用耐高溫合金材料制作的滾動軸承，用于支撐轉(zhuǎn)子和平衡軸向推力，軸承需要特殊的合成油冷卻和潤滑。LM6000 PF燃用天然氣，采用干式低排放燃燒技術(shù)，配置75個預(yù)混燃燒的噴嘴，在全功率范圍內(nèi)減少NOx排放[8]。

LM6000燃?xì)廨啓C(jī)可根據(jù)需求配備SPRINT?系統(tǒng)，采用中間噴水冷卻設(shè)計(jì)，在壓縮過程中冷卻空氣，增加質(zhì)量流量，提升燃?xì)廨啓C(jī)出力[9]。此外，還可以通過進(jìn)氣冷卻功能，大幅提升在較高環(huán)境溫度下的性能。

SGT-800和LM6000兩個機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比見表1。從結(jié)構(gòu)上看，SGT-800工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)體積和質(zhì)量較大，標(biāo)準(zhǔn)型尺寸為20.8 m×7.3 m×6.6 m，質(zhì)量285 t，但其結(jié)構(gòu)相對簡單；LM6000 PF航改型燃?xì)廨啓C(jī)體積小，質(zhì)量輕，尺寸約19.67 m×4.11 m×4.40 m，質(zhì)量206 t，但其軸系、油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等設(shè)計(jì)較復(fù)雜，較難維護(hù)。

表1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

3 聯(lián)合循環(huán)配置情況

3.1 典型布置方式

SGT-800和LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)配套的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供機(jī)組多數(shù)采用“一拖一”多軸布置方式，也有“二拖一”多軸布置方式。

SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)是典型的“一拖一”布置方式：核心燃?xì)廨啓C(jī)部件為單點(diǎn)起吊式成套配置方案，占地小，燃?xì)廨啓C(jī)和配套發(fā)電機(jī)室外布置，上部進(jìn)氣、軸向排氣；汽輪機(jī)和配套發(fā)電機(jī)室內(nèi)布置，布置在汽機(jī)房內(nèi)；余熱鍋爐為雙壓、非再熱鍋爐，室外布置。江蘇某廠兩套“一拖一”分軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主廠房長約140 m，寬約100 m。

LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)是典型“一拖一”多軸布置方式：LM6000 PF航改型燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)室外布置，燃?xì)廨啓C(jī)上部進(jìn)氣、軸向排氣；汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)室內(nèi)布置；余熱鍋爐為雙壓、非再熱鍋爐，室外布置。廣東某廠三套“一拖一”分軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主廠房長約100 m，寬約80 m。

LM6000 PF航改型燃?xì)廨啓C(jī)因其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，在占地面積上有一定優(yōu)勢。

3.2 聯(lián)合循環(huán)性能

以目前SIEMENS公司主推的54 MW級SGT-800型“一拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組和GE公司主推的47 MW級LM6000 PF型“一拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組作為對比對象，假設(shè)環(huán)境參數(shù)和天然氣成分相同，建模分析兩者配置的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能，見表2。

表2 “一拖一”聯(lián)合循環(huán)參數(shù)對比

由表2可知，LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)熱效率比SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)高，但SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度更高，其聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用效率更高，出力更大，在供熱量及供熱參數(shù)上具有更大的選擇余地，更適合于分布式供能系統(tǒng)。

4 運(yùn)行特性分析

4.1 低負(fù)荷及高溫環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)性能

SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)和LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷下的性能曲線見圖1，兩者在80%～100%負(fù)荷均能維持良好的性能，當(dāng)負(fù)荷低于80%后，機(jī)組性能快速下降。

圖1 兩種燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷下的性能曲線

SGT-800和LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)出力隨溫度變化曲線見圖2。當(dāng)環(huán)境溫度由15 ℃升高到35 ℃時，54 MW等級SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)出力下降約6.5 MW。LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)可通過SPRINT濕壓縮技術(shù)提高出力，在高溫環(huán)境下相比不帶SPRINT系統(tǒng)的機(jī)組可提高約20%的出力。當(dāng)環(huán)境溫度由15 ℃升高到35 ℃時，LM6000 PF SPRINT(帶SPRINT濕壓縮技術(shù))燃?xì)廨啓C(jī)出力下降約8 MW。

圖2 SGT-800和LM6000燃?xì)廨啓C(jī)出力隨溫度變化曲線

總體而言，SGT-800和LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷下的性能相差不大。LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)對環(huán)境溫度變化更敏感，在高溫環(huán)境下LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)出力衰減比SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)稍大，但LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)可以增加SPRINT系統(tǒng)提高高溫環(huán)境下的性能。

4.2 污染物排放特性

SGT-800和LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)均采用干式低排放燃燒技術(shù)，燃用天然氣時兩者滿足氮氧化物(NOx)排放的負(fù)荷均為50%～100%負(fù)荷。兩種機(jī)型的污染物排放特性見表3，SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)在控制一氧化碳(CO)排放方面具有優(yōu)勢。

表3 兩種類型燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放特性對比

4.3 燃料適應(yīng)性

SGT-800和LM6000燃?xì)廨啓C(jī)燃料適應(yīng)性對比見表4，兩種機(jī)型均支持雙燃料(氣體/液體燃料)燃燒。SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)燃用液體燃料時需安裝液體燃料模塊；氣體燃料適應(yīng)性方面SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)具有明顯優(yōu)勢，甲烷、氫氣等成分摩爾百分比適應(yīng)范圍、氣體燃料華白指數(shù)要求均更寬泛。LM6000燃?xì)廨啓C(jī)對燃料組分更敏感，氣體燃料供氣壓力要求高。當(dāng)機(jī)組處于天然氣管網(wǎng)下游、管道天然氣壓力較低時，SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)無需加裝天然氣增壓設(shè)備即可滿足進(jìn)氣壓力要求[10]。當(dāng)天然氣管道壓力較低時，LM6000燃?xì)廨啓C(jī)一般需加裝天然氣增壓設(shè)備，從而增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和后期運(yùn)行維護(hù)成本。

表4 兩種類型燃?xì)廨啓C(jī)燃料適應(yīng)性對比

4.4 機(jī)組啟動特性及靈活性

SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)正常模式啟動到滿負(fù)荷需26 min，其配備EconoFlexTM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)10 min快速啟動，以適應(yīng)快速啟停及快速加載負(fù)荷。LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)能在基本負(fù)荷和頻繁起停時均保持高效穩(wěn)定運(yùn)行，可在10 min實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)啟動，5 min內(nèi)完成快速啟動，具有較高的運(yùn)行靈活性。總體而言，LM6000 PF燃?xì)廨啓C(jī)在啟動速度上要優(yōu)于SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)。

4.5 供熱(冷)性能

按照供熱蒸汽參數(shù)1.3 MPa、220 ℃進(jìn)行建模分析，兩種機(jī)型抽凝工況經(jīng)濟(jì)指標(biāo)核算結(jié)果見表5。

表5 不同聯(lián)合循環(huán)配置方案參數(shù)對比

綜合表2和表5可知，SGT-800聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有更高的供熱能力，受燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度的限制。LM6000 PF航改型燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度低，配套的聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用率低，容量配置小，供熱能力較低[11]。兩種燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱在供熱參數(shù)相同的情況下，SGT-800燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱量更高，熱電比更高，發(fā)電氣耗率更低，熱電聯(lián)產(chǎn)效率更高。

5 檢修維護(hù)情況

兩種燃?xì)廨啓C(jī)目前主要執(zhí)行的長協(xié)服務(wù)模式對比如表6所示。SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)基于工業(yè)型的設(shè)計(jì)，具有全生命周期性能衰退少、除熱端部件外其他部件均可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢修、大修間隔長等特點(diǎn)，且無需燃燒調(diào)整，維護(hù)成本較航改型燃?xì)廨啓C(jī)低。SIEMENS公司在宜興設(shè)立了燃?xì)廨啓C(jī)熱部件生產(chǎn)基地、現(xiàn)場服務(wù)基地、戰(zhàn)略備件庫、檢修工具庫和培訓(xùn)中心等，為中小型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(SGT-100到SGT-800)提供境內(nèi)服務(wù)和備件支持，可以對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)的核心部件——透平葉片進(jìn)行檢修。

表6 兩種機(jī)型長協(xié)服務(wù)內(nèi)容對比

GE公司針對LM6000燃?xì)廨啓C(jī)，通過無損檢測、振動分析和油樣分析三種監(jiān)控方法給出基于狀態(tài)的維護(hù)策略，制定詳細(xì)的定期“體檢計(jì)劃”。華電通用是GE認(rèn)證的電站航改型燃?xì)廨啓C(jī)成套的技術(shù)轉(zhuǎn)讓方，公司配備有專業(yè)的本地化服務(wù)團(tuán)隊(duì)，向中國客戶提供航改型燃?xì)廨啓C(jī)電廠的現(xiàn)場安裝調(diào)試、一級維護(hù)、二級維護(hù)。GE公司未下放三級維護(hù)、四級維護(hù)的權(quán)限，機(jī)組大修需返廠開展，所更替的檢修工廠也較多，折算的度電維護(hù)費(fèi)用相對較高。該型燃?xì)廨啓C(jī)多數(shù)零部件為高級特殊合金，與飛機(jī)發(fā)動機(jī)通用，價(jià)格昂貴，加上備機(jī)協(xié)調(diào)、服務(wù)響應(yīng)不夠及時，對項(xiàng)目公司的生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生較大影響。若燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生事故，返回美國檢修周期較長，備機(jī)費(fèi)用較高。

6 結(jié)論

作為50 MW等級分布式能源用燃?xì)廨啓C(jī)，LM6000和SGT-800各有優(yōu)缺點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢修維護(hù)便利性來看，LM6000航改型燃?xì)廨啓C(jī)具有質(zhì)量輕，體系小，啟動快速靈活等優(yōu)點(diǎn)，對于調(diào)峰具有較大優(yōu)勢。但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軸系、燃燒系統(tǒng)等設(shè)計(jì)復(fù)雜，燃料進(jìn)氣壓力高，熱性能衰減大，葉片應(yīng)力大，對環(huán)境變化及污垢較敏感，大修需要返廠進(jìn)行，對維護(hù)要求較高。SGT-800工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)質(zhì)量較大，占地面積大，但其結(jié)構(gòu)相對簡單，零部件的更換和大中修相對簡單，所需專用工具少，可以在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，維護(hù)費(fèi)用相對較低。

從機(jī)組性能方面來看，LM6000航改型燃?xì)廨啓C(jī)熱效率高，但排煙溫度低，聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用潛力小；SGT-800工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)熱效率低，但排煙溫度高，聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)能量利用潛力大，因此整體聯(lián)合循環(huán)效率更高。得益于SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)較高的排氣能量利用率，其在供熱(冷)性能上優(yōu)于LM6000，因此SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)更適用于蒸汽需求量大的用戶。