燃气轮机简介

1、燃气轮机发展史

1939年世界上第一台燃气轮机投入使用以来，至今已有65年的历史。在这65年中燃气轮机的发展非常快，其性能、结构不断地提高和完善。燃气轮机的用途已从过去的军事领域扩展到铁路运输、移动电站、海上平台、机械驱动和各种循环方式的大中型电站等。例如：简单循环、回热循环、间冷循环、再热循环、燃气—蒸汽联合循环（单压、双压、三压再热）、增压硫化床燃烧—联合循环（PFBC—CC）、整体式煤气化联合循环（IGCC）等。由于燃气轮机具有用途广泛、启动快、运行方式灵活、用水量少、热效率高、建设周期短以及对燃料的适应性非常广（各种气体燃料、液体燃料和煤）等特点，因此可以这样说，燃气轮机已经成为热机中的一支劲旅，汽轮机长期独霸发电行业的格局已经开始动摇。

近二十年来，燃气轮机在电站中的应用得到了迅猛发展。这是因为燃气轮机启动速度快、运行方式灵活，且能在无电源的情况下启动（黑启动Black），机动性能好且有极强的调峰能力，可保障电网安全运行。进入八十年代以后，燃气轮机技术得到了迅猛发展，技术性能大幅度提高。到目前为止单机容量已达334MW，简单循环的燃气轮机热效率达43.86%，已超过大功率、高参数的汽轮机电站的热效率。而燃气—蒸汽联合循环电站的热效率更高达60%。先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构，使其运输、安装、维修和更换都比较方便，而且广泛应用了孔探仪定期检查、温度控制、振动保护、超温保护、熄火保护、超速保护等措施，使其可靠性和可用率大为提高。此外，由于燃气轮机的燃烧效率很高，未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化硫等排放物一般都能达到严格的环保要求。注水/蒸汽燃烧室和DLN燃烧室的应用使NOX的排放降至9-25ppm。

2、我国燃气轮机工业概况

我国解放前没有燃气轮机工业，解放后全国各地试制过十几种型号的陆海空用途的燃气轮机。1956年我国制造的第一批喷气式飞机试飞，1958年起又有不少工厂设计试制过各种燃气轮机。

1962年上海汽轮机厂试制船用燃气轮机，1964年与上海船厂合作制成550KW燃气轮机，1965年制成6000KW列车电站燃气轮机，1971年制成3000KW卡车电站。在这期间还与703研究所合作制造了3295KW、4410KW、18380KW等几种船用燃气轮机。

1969年哈尔滨汽轮机厂制成2200KW机车燃气轮机和1000KW自由活塞式燃气轮机，1973年与703研究所合作制成4410KW船用燃气轮机，与长春机车车辆厂合作制成3295KW机车燃气轮机。

1964年南京汽轮电机厂制成1500KW电站燃气轮机；1970年制成37KW泵用燃气轮机；1972年制成1000KW电站燃气轮机；1977年制成21700KW快装式电站燃气轮机；1984年与GE 公司合作生产了PG6541B型36000KW燃气轮机；从1984年至2004年已生产了PG6541B 型、PG6551B型、PG6561B型、PG6581B型四种型号燃气轮机，功率由36000KW上升到现在的43660KW。2003年国家发改委决定南京汽轮电机集团有限责任公司与GE公司进一步扩大合作生产范围，在南京汽轮电机集团有限责任公司生产S209E型燃气－蒸汽联合循环发电装置中的燃气轮机、汽轮机和发电机。

1978年东方汽轮机厂制成6000KW燃气轮机；1972年杭州汽轮机厂制成200KW燃气轮机；1972年青岛汽轮机厂制成1500KW卡车电站燃气轮机。

2003国家发改委决定在秦皇岛建一座燃气轮机生产基地，与美国GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。该生产基地隶属于哈电集团，与哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂共同生产S109FA-SS型燃气－蒸汽联合循环发电设备。2004年8月在秦皇岛组装的第一台MS9001FA型燃气轮机已发运到杭州半山电厂。

3、GE公司动力系统

GE公司动力系统总部位于纽约州的斯克纳克塔第（Schenectady）市，纽约州地处美国东北

地区，而斯克纳克塔第市又位于纽约州的西北部。该市是一座非常小的城市，仅有一万多人口，斯克纳克塔第市的兴衰是与GE公司动力系统的兴衰紧密相连的。前几年GE公司动力系统裁员时，该市人口也随之减少。除了GE公司动力系统下属的燃气轮机设计、生产、试验等部门之外，GE公司动力系统总部及下属的产品部、项目部、汽轮机设计部及生产工厂等部门均设在此处。

现在的GE公司动力系统总部就是创建于1878年10月15日的爱迪生电灯公司的前身，1892年爱迪生电灯公司与汤姆森休斯顿电气公司合并，在纽约州的斯克纳克塔第（Schenectady）市创建了通用电气公司（General Electric Co,简称GE）。经过一百多年的发展，至今GE公司已成为一个特大型跨国电气集团公司，其产品和服务项目涉及航空、航天、广播电视、配电和电机制造、工业与动力、信息、照明工程、机车制造、家用电器、医疗设备以及塑料工程等。GE公司在100多个国家开展了业务活动，全球员工近30万人，其中在中国的雇员8700人。

GE 公司生产的第一台燃气轮机于1942年问世，用于航空发动机；第一台用于机械驱动的燃气轮机于1948年装备在机车上，燃气轮机输出功率为4800KW；1949年GE生产出第一台用于发电的燃气轮机，输出功率为3500KW。GE公司动力系统主要生产和经营重型燃气轮机、汽轮机、核电设备、输电设备和电力驱动系统等产品。GE公司在全球的合作伙伴有日本的日立、东芝、韩国重工、印度BHEL、中国的南汽集团等5家。过去法国的阿尔斯通和英国的约翰·布朗工程有限公司（John Brown Engineering）曾经也是GE公司的生产合作伙伴，现在已被GE公司兼并。2003年中国又多了一个GE公司的合作伙伴，即“哈电集团秦皇岛燃气轮机生产基地”引进GE公司MS9001FA型燃气轮机技术，与GE公司合作生产MS9001FA型燃气轮机。

GE公司动力系统的燃气轮机设计、生产、试验等部门建在美国南卡罗来纳州（South Carolina）西部城市格林威尔（Greenville），南卡罗来纳州地处美国东南部。1989年之前GE公司动力系统拥有2个燃气轮机生产工厂，一个设在斯克纳克塔第（Schenectady）市的动力系统总部，另一个设在格林威尔（Greenville）市。随着GE公司燃气轮机业务的不断扩大和大功率、高参数燃气轮机的发展，1998年以来，GE在全球范围相继大规模兼并收购了欧洲燃气轮机公司（Alstom）、意大利新庇隆燃气轮机公司（Nuovo Pignone）、英国约翰·布朗工程有限公司（John Brown Engineering）、新加坡艾玛等公司。然后GE公司逐步将小功率燃气轮机的生产转向阿尔斯通、新庇隆生产，并将斯克纳克塔第（Schenectady）的厂房留给了汽轮机生产部。而工程技术人员迁往格林威尔（Greenville）。该项工作于1998年至1999年两年时间完成。

目前，设在格林威尔（Greenville）的燃气轮机工厂只生产7EC、7FA、7FB、9E、9FA、9FB、9H等机型。6000系列和部分9E型燃气轮机转到了法国贝尔福市（Belfort前阿尔斯通）生产，3000、5000系列燃气轮机转到了意大利新庇隆生产，但6C和6FA型燃气轮机的研发部仍设在格林威尔（Greenville）。

GE公司动力系统格林威尔（Greenville）燃气轮机工厂总建筑面积为12.1万平方米，其中厂房面积为9.7万平方米。现有员工2100人，其中设计人员500多名。2003年共生产7EC、7FA、7FB、9E、9FA、9FB、9H等型号燃气轮机180台，现在的生产厂房面积比扩建前的面积增加了15％，生产能力已提高到年产300台燃气轮机的能力。

格林威尔（Greenville）燃气轮机工厂9.7万平方米的生产厂房为全封闭中央空调。其中两跨厂房为总装车间，设有4个立式气缸对接台位。燃气轮机生产自动化程度非常高，车间生产工人很少。工厂中设有一座能容纳500多人工作的技术大楼、一座整机全速空载试车台厂房、一座燃气轮机燃烧试验厂房和一个燃气轮机维修研究中心，整个工厂面积非常大，有专用铁路通往厂内。厂区外围设有4个大型员工停车场，整座工厂掩映在绿色森林中。

工厂的质量管理采用“六个西格玛”体系，GE公司的企业精神是四句话：“想，解决，制造，服务。”

（Image、Solve、Building、Service）。

4、GE公司动力系统燃气轮机产品系列及编号

GE公司生产的重型燃气轮机由五个系列组成，即MS3002、MS5000、MS6001、MS7001、MS9001，每个系列中又有若干个型号。例如：MS9001B、MS9001E、MS9001EC、MS9001F、MS9001FA、MS9001FB、MS9001G、MS9001H等。每个型号的燃气轮机又可分为发电和机械驱动两个类型，例如：PG6541B型是用于发电的，M6501B型是用于机械驱动的。

GE公司燃气轮机型号中的字母和数字的含义规定如下：

MS－Machine Series

1=用途：M—机械驱动(Mechanical Drive)；PG—箱装式发电设备(Package Generation)；

2=系列号，3、5、6、7、9

3=输出功率，以英制马力为单位的近似值

4=轴的数量，单轴或双轴

5=型号，B、E、F、G、H等

GE公司燃气——蒸汽联合循环系列产品中的字母和数字含义规定如下：

S109FA－SS、S109FA－MS 、S209FA－MS、S306B等

S—STAG表示联合循环，STAG是Steam and Gas的缩写

1—燃气轮机的台数

0—没有意义

9—燃气轮机系列号

FA—燃气轮机型号

SS－Single Shaft

MS－Multi－Shaft

用数字和字母命名的设备及元件名称

数字命名的名称：

12——机械超速机构

63——压力开关

20——电磁阀

65——用于燃料调节的电液伺服阀

23——加热设备

71——液位检测

26——温度开关

77——转速传感器

28——火焰检测器

86——复位或闭锁开关

33——限位开关

88——电动机

39——振动传感器

90——电液伺服阀

43——手动开关

59——火花塞或点火变压器

45——火灾探测器

96——压力变送器

49——过载保护装置

第一字母

A——空气

H——液压油或加热器

C——离合器或压气机或CO2

P——清吹

D——柴油机或分配器

S——截止或转速或启动

F——燃料或流量

T——遮断或透平

G——气体

W——水或暖机

一般来说，第一个字母用来表示设备或元件所在地点。

第二字母

A——报警或附件或空气或雾化

M——中等或介质或最小

B——增压机或放气

N——正常

C——冷却或控制

P——压力或泵

D——分配器或之差

Q——润滑油

E——紧急

R——松开或比值或棘轮

F——燃料

S——启动

G——气体

T——透平或遮断或箱（罐）

H——加热器或高

V——阀或叶片

L——液体或低

一般来说，第二字母用来表示设备或元件的功能或使用状况。举例如下：

63QA——压力开关，用于润滑油系统的压力低报警；

63QT——压力开关，用于润滑油系统的压力低跳闸；

20VG——电磁阀，用于气体燃料系统的通风；

88QE——电动机，润滑油系统中的应急泵；

71WL——液位检测器，水系统低位检测；

5、燃气轮机结构型式的发展

目前，大中型燃气轮机的结构型式大体上可分为两类；一类是工业型，另一类是航机改装型。工业燃气轮机是按地面工作要求而设计的，其主要特点是寿命长、造价低、能长期安全运行、体积较大等。航机改装型是把航空发动机加以改装后用于工业及船用的机组，其主要特点是体积小、重量轻、热效率高、维修周期短、使用寿命较短等。

工业型燃气轮机的结构分为两种，一种是压气机、燃烧室、透平之间的气流用管道连接起来，布置较分散。另一种是压气机、燃烧室、透平直接连接成一个整体，故结构比较紧凑。过去曾根据上述特点把分散布置的燃气轮机称为重型燃气轮机，整体式的燃气轮机称为轻型燃气轮机。现在则把航空燃气轮机及其改型机称为轻型机组，把工业燃气轮机称为重型燃气轮机。

6、燃气轮机的热力循环

燃气轮机的工作介质是压缩空气和高温燃气，压气机从大气中吸入空气，并把空气压缩到一定压力，然后送往燃烧室与喷入的燃料混合、燃烧，形成高温、高压燃气。然后经透平喷嘴和动叶逐级膨胀做功，推动透平转子带着压气机一起旋转，从而把燃料中的化学能部分地转变为机械功。做功后的废气直接排入大气，这种循环方式称之为简单循环。若将做功后的废气引入余热锅炉加以回收利用，由余热锅炉产生的蒸汽用来发电、供热或回注到燃气轮机燃烧室中以提高燃气轮机出力和降低NOX等，这些循环方式又分别称之为常规联合循环、热电联供联合循环和程氏循环。

在压气机中，空气被压缩、比容减小、压力增高，因此必须输入一定的压缩功。这些压缩功由透平提供，透平所做的功约有2/3是压气机消耗的，只有1/3用于驱动负载。因此减少压气机耗功、提高压气机效率是提高燃气轮机出力的有效途径。

空气

加入燃料排气

燃烧室

负载

压气机透平

回热器

回热循环

冷却器

冷却水

燃烧室

压气机

透平

高压压气机

间冷循环

燃烧室燃烧室

燃气发生器发电机再热循环

主烟囱

旁通烟囱

燃烧室

余热

发电机给水泵除氧器

燃气轮机

汽轮机

发电机

冷却水

凝汽器

凝结水泵

空气进口

燃烧室旁通烟囱余热锅炉

除氧气

启动电机

压气机透平发电机给水泵

空气进口

燃烧室旁通烟囱余热锅炉

汽轮机发电机

冷却水出口

启动电机

压气机透平发电机冷却水进口

凝汽器

凝结水泵

多轴布置S209E-MS联合循环发电装置示意图

PG9351FA型燃气轮发电机组简介

1、研制、升级演化过程

二十世纪八十年代中期，美国GE公司投入了大量资金开始了F型燃气轮机的研制。GE公司动力系统与航空发动机系统进行合作，将飞机发动机上先进的冷却技术和材料应用到重型燃气轮机上，使得透平进气温度一下提高了167℃，从而使燃气轮机的性能有了大幅度提高，为F型燃气轮机的研制奠定了基础。

PG9351（FA）型燃气轮机是由PG9281（F）型燃气轮机、PG9301（F）型燃气轮机和PG9331（FA）型燃气轮机逐步演化升级而来的，而PG9281（F）型燃气轮机又是在MS7001F的基础上，通过模化放大演化而成的。F级技术的原型机是MS7001E，在MS7001E型机组的基础上，引入了航空发动机的先进冷却技术和材料，经历了九年漫长的研制、演化过程后，于1987年制成了首台60HZ的MS7001F型燃气轮机。通过对MS7001F型燃气轮机的模化放大，除轴承和燃烧室之外，模化系数都是按1.2的比例进行模化放大后，演化为50HZ的PG9281（F）型燃气轮机。又经历四年的研制时间后，于1991年将PG9281（F）型燃气轮机升级、演化为PG9301（F）型燃气轮机。在PG9301（F）型燃气轮机的基础上，于1992年经过改进、升级为PG9331（FA）型燃气轮机。

在PG9331（FA）型燃气轮机的基础上做了如下改进后，于1996年升级为PG9351（FA）型燃气轮机。

1、

改进了热通道的气封；

2、

将二级动叶的围带改成扇形围带；

3、

改进了二级动叶的冷却孔结构；

4、

改进了第一级喷嘴、动叶、复环的隔热涂层；

5、

减少了第一级喷嘴、动叶、复环的冷却空气；

6、

加强了压气机转子；

7、

1#、2#轴承采用了Bentley3300系列探针；

8、

采用了DLN2.0+燃烧室

·火焰筒直径为18英寸N263火焰筒；

·火焰筒密封改成了柔性密封；

9、将透平排气缸的内支撑改成了两头渐缩的锥形内支撑，减少了气流阻力；

10、对不合理的气缸法兰进行了改进；

11、将排气扩压器入口与2#轴承之间的隔板改成了双层锥形，同时改进了隔板的气封，减

少了漏气量；

12、高压通道密封改成了蜂窝密封；

13、压气机末级轮盘与透平一级叶轮之间的过渡轴罩壳改成了四个1/4圆的扇段罩壳；

14、增加了压气机轮盘拉杆螺栓和结合法兰的冷却；

上述4种型号9F机组的基本性能参数（ISO条件、基本负荷、以天然气为燃料）对照

料）对照

2、进、排气系统

燃气轮机的进气系统由进气室、进气弯头、进气消声器和进气过滤器室等组成。进气系统与机组成90°布置，进气过滤器室布置在机组罩壳上方，过滤器滤芯水平安装在过滤器室中。该过滤器为“脉冲自清洁型”，脉冲空气反吹下来的灰尘依靠重力排出。整个进气系统的压力损失为77.2mmH2O。排气系统与GE公司的传统结构相比作了较大改进，将传统的侧排气改成了水平排气。这样既可以直接与余热锅炉进气烟道相连，又能够减少排气压力损失。整个排气系统的压力损失为139.7mmH2O。

此外，该机组还设有一套压气机水洗设备，可以离线或在线清洗压气机，以清除压气机动静叶片上的积垢，减少通流部分的堵塞，保持压气机的高效率。

3、压气机

压气机为18级轴流式压气机，压缩比为15.4：1，空气质量流量为623.7kg/s，设有可调进口导叶，用于调节透平排气温度和防止压气机喘振。第9级和第13级开有抽气口，用于冷却以及在燃气轮机启动和停机过程中通过该抽气口排出一部分压缩空气用来防止压气机喘振。压气机第17级轮毂上开有一个径向抽气槽道，将压缩空气引入转子中心孔送往透平段，用来冷却透平第一级和第二级动叶片。18级压气机轮盘通过18根拉杆将其连成一个整体。其中第一级轮盘与压气机输出轴做成一个整体，作为压气机的前半轴。而最后一级轮盘通过过渡轴与透平叶轮相连。由于该型号机组的输出为“冷端”输出，增加了压气机转子的扭矩。因此18根拉杆的材料采用了IN738合金钢。

整个压气机气缸分为压气机进气缸、压气机缸和压气机排气缸三部分，压气机进气缸和压气机缸的材料为球墨铸铁，压气机排气缸的材料为CrMoV或NiCrMo。

4、燃烧室

整台机组共有18个分管、逆流型燃烧室，每个燃烧室有5个燃料喷嘴，整台机组共有90个燃料喷嘴。燃烧室型号为DLN2.0+型。在18个燃烧室中只有顶部2个燃烧室设有高能点火装置，其余燃烧室通过联焰管联焰。该燃烧室可烧天然气、蒸馏油和中热值的气体燃料，还可以注入蒸汽或水来抑制NOx的形成。

燃烧室外壳的材料为SA/516-55钢；火焰筒的材料为HS-188（镍基合金钢），内表面加隔热涂层；过渡段的材料为Nimonic263（镍铬钛合金钢）。

DLN2.0+燃烧室主要由火焰筒、过渡段、导流衬套、帽罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件组成。其中，端盖、喷嘴、前外壳和帽罩又形成了一个可以单独拆卸的头部组件。每个燃烧室外的头部均布置有5个预混喷嘴，5个喷嘴沿圆周方向均布。

DLN2.0+燃烧室的燃料是分级供应的，设有1个速度比例/截止阀（SRV）和3个控制阀（GCV1、GCV2、GCV3），其控制系统比传统的气体燃料控制系统更为复杂。气体燃料的供应分为3条管路（PM1、PM4和D5）：PM1管路供应1个喷嘴、PM4管路供应其余4个喷嘴、D5管路仅在点火至低负荷时供应全部喷嘴。速度比例/截止阀（SRV）用来调节控制阀前的气体燃料压力，3个控制阀（GCV1、GCV2、GCV3）用来控制通向3条管路（PM1、PM4、和D5）的气体燃料流量。

5、透平

透平为3级轴流式透平，第1级、第2级动叶采用等离子耐高温保护涂层，内部冷却空气取自压气机排气；第3级动叶采用堆积耐高温保护涂层，不进行冷却；第1级动叶叶冠无围带，第2、3级动叶叶冠采用整体的乙型围带；3级透平动叶的材料均为GTD-111。3级静叶均采用空气内部冷却，第1级、第2级静叶设计成两片叶片为一整体的扇形段结构，并采用等离子耐高温保护涂层；第3级静叶设计成三片叶片为一整体的扇形段结构，并采用堆积耐高温保护涂层；第1级静叶的材料为FSX-414钴基超级合金；第2级、第3级静叶的材料为GTD-222镍基合金。

透平缸的材料为CrMo钢、透平排气缸的材料为SA/516-55钢。透平叶轮、轴的材料为Inconel 706合金钢。

6、轴承和气缸支撑

两个可倾瓦轴颈轴承位于转子两端，转子的轴向推力由双销轴推力瓦轴承自行平衡。燃气轮机的前支撑位于压气机进气缸两侧，燃气轮机后支撑位于透平排气缸两侧，整台机组共有四点支撑。机组的死点设在“冷端”，允许气缸和转子沿轴向向“热端”膨胀。整台燃气轮机通过四个支撑将其固定在燃气轮机底盘上。

7、辅助设备

9FA型燃气轮机的辅助设备安装在两个独立的模块上，它们均有各自的底盘和外壳。辅机模块的底盘上设有润滑油箱，其容量为30280L。润滑油系统设有带切换阀的双联润滑油过滤器、润滑油冷却器、两台交流电动机驱动的100%容量的润滑油泵和交流/直流电动机驱动的密封油泵、交流电动机驱动的流量冗余的液压油泵及转子顶起油泵。该模块上还装有双联燃油过滤器、三台交流电动机驱动的50%容量的燃油泵和两台交流电动机驱动的100%容量的雾化空气压缩机。

内部连接组件模块上装有气体燃料系统和清吹系统的气体燃料速比/截止阀、控制阀、分流器和清吹阀。同时还装有液体燃料系统的流量分配器、控制NOx排放的回注水分级隔离阀和连接辅机组件与燃气轮机的所有管道。

燃气轮机模块、辅机模块、内部连接组件模块均配有独立的隔声罩壳，组成各自的舱室。每个舱室中都配有照明系统、电源插座、CO2灭火保护系统、通风系统、出入门和根据需要使用的消声设备，各舱室外1米处的噪声不大于85dBA。

此外，9FA机组还设有独立的电气设备控制模块，该模块由底盘、隔声罩壳、照明系统、电源插座、空调系统、出入门等组成。控制室内装有三冗余的Mark-Ⅵ燃气轮机控制盘（Speedtronic）、发电机控制盘、发电机保护盘、电动机控制中心、带双充电器的机组蓄电池和励磁系统。所有电气控制设备都是在制造厂内组装的，运抵现场后仅需将控制设备、电气设备的电缆与燃气轮机舱室、辅机舱室、内部连接组件舱室的元件和设备相连即可。8、PG9351（FA）型燃气轮发电机组的启动

该机组中的发电机是GE公司的390H型发电机，采用氢气冷却，通过刚性联轴器与燃气轮机的压气机进气端相连。该发电机设有一套低速盘车装置，燃气轮发电机组的启动采用静态启动，即启动时将同步发电机作为启动电动机来使用，通过变频器供应启动电力。