DQZHAN技術訊：【長知識】走近工業(yè)性能巨獸 H級燃氣輪機你必須了解的幾件事
導讀：H級重型燃氣輪機被稱為制造業(yè)的王冠，作為一個體形龐大的工業(yè)機械巨獸，它既要追求高效性能，又需考慮經(jīng)濟效益，這是一種讓制造業(yè)糾結于魚和熊掌的痛苦。中國航空發(fā)動機和燃氣輪機兩機專項已經(jīng)明確把H級燃氣輪機在2030年實現(xiàn)自主研發(fā)作為專項目標，同時，GE攜手哈電集團簽署了重型燃機合資項目協(xié)議，在秦皇島建立燃機制造基地，專注于包括9H和9F級在內(nèi)的燃機和部件制造。這個讓中國魂牽夢繞的工業(yè)性能巨獸，有幾件事情你確實必須了解。
什么是重型燃氣輪機?燃機不等于重型燃氣輪機!
重型燃氣輪機屬于燃氣輪機中的一種，它的兄弟還包括：航空發(fā)動機、航改燃氣輪機、船用燃氣輪機、車輛與工業(yè)驅動燃氣輪機和各種微型燃氣輪機，它們之間的結構和原理相似，因此當有人和你談論燃氣輪機的時候，他口中燃氣輪機可能并不一定指重型燃氣輪機。
一般來說，重型燃氣輪機的出力明顯大于它的這些“兄弟”，主要用于電廠發(fā)電。重型燃氣輪機也這些“兄弟”里面迄今為止效率*高的熱-功轉換類發(fā)電設備，其發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的22%,而且還在穩(wěn)步增加。重型燃機的研發(fā)制造水平很大程度上也代表了一個國家的重工業(yè)水平。目前能獨立研制重型燃氣輪機的國家卻只有美國、德國和日本。研制重型燃機不僅要強調(diào)性能，還強調(diào)性價比，必須要能夠真真切切的為電廠帶來效益。
近年來，隨著霧霾的肆掠和頁巖氣**的發(fā)展，國內(nèi)外科技界與產(chǎn)業(yè)界已認識到，重型燃氣輪機將是21世紀乃至更長時期內(nèi)能源高效轉換與潔凈利用系統(tǒng)的重要裝備。
什么是H級燃氣輪機?H字母背后的技術意義!
H并不是任何單詞的縮寫，但它是目前全世界*先進重型燃氣輪機的代號。由于重型燃氣輪機的技術水平主要體現(xiàn)在壓氣機壓比和透平進口燃氣溫度這兩項指標上，尤其是透平進口溫度直接影響燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱效率，因此國際上通常根據(jù)透平進口燃氣溫度把重型燃氣輪機分為E、F級和H級。
其中，E級重型燃氣輪機透平進口約1200℃，F(xiàn)級透平進口溫度約為1400℃，目前*先進的H級透平進口溫度達到1430℃-1600℃。溫度越高，技術等級越高。
目前全世界*先進的H級重型燃氣輪機單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)的熱效率已分別超過了40%和60%，是所有熱-功轉換發(fā)電系統(tǒng)中效率*高，是*適合大規(guī)模商業(yè)化的發(fā)電方式。2016年6月， GE的H級燃氣輪機更是創(chuàng)造了新的吉尼斯世界記錄，機組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電凈效率高達62.22%。
中國的重型燃氣輪機制造處于什么水平?有H級燃氣輪機制造能力嗎?
中國的重型燃氣輪機就制造來說，基本屬于起步階段。具體一點的來說，就是中國尚無完全自主設計制造重型燃氣輪機的能力。中國**的一臺重型燃氣輪機R0110處于E+級技術水平，目前尚處于試運行階段，并未在發(fā)電領域完全推廣，目前國內(nèi)所有應用重型燃氣輪機發(fā)電廠全部采用的是國外產(chǎn)品。
其實，中國的重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)與國外發(fā)達國家相比起步也并不晚，建立于20世紀50年代。在早期階段(1950—1970)，中國在消化吸收許多前蘇聯(lián)技術，并自主設計和制造了200到25000千瓦多種型號的燃氣輪機，培養(yǎng)了不少燃氣輪機技術人才和隊伍，全行業(yè)技術水平進步很快。
但在中期階段(1980—2000)，由于國內(nèi)油氣供應嚴重短缺，國家不允許使用燃油/燃氣發(fā)電，重型燃機失去市場需求，全行業(yè)進入低潮，國內(nèi)除保留南京汽輪機廠一家重型燃機制造廠外，其他制造企業(yè)全部退出，人員和技術流失，大學燃機專業(yè)改行，人才培養(yǎng)和國家研發(fā)投入基本停止，與國際水平差距迅速拉大?，F(xiàn)任上海電氣燃氣輪機有限公司總經(jīng)理虎煜，1998年從清華大學熱能工程系的燃機專業(yè)畢業(yè)時，他曾表示當時因為中國的燃氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)斷代十多年，發(fā)現(xiàn)畢業(yè)后去哪工作都是個大問題。所以中國的燃氣輪機人才基本呈“啞鈴型”，要么老，要么少。
2000年左右，中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展對電力需求逐步增大，國家組織進行了重型燃氣輪機的“打捆招標”計劃，耗資約350億元人民幣，采取中外合資、合作或引進技術消化吸收的方式，幫助國內(nèi)相關企業(yè)掌握重型燃氣輪機冷部件制造技術和少量核心制造技術。上海電氣、哈爾濱電氣、東方 電氣分別與西門子、GE、三菱三家跨國巨頭合資合作，上海電氣從西門子引進了SGT5-4000F燃氣輪機、哈爾濱電氣從GE公司引進了9FA燃氣輪機、東方 電氣從三菱引進了M701F燃氣輪機，此外南汽還從GE公司引進了6B和9E燃氣輪機。
近年來，中國更是把重型燃氣輪機的研制上升到了一個戰(zhàn)略高度，“航空發(fā)動機和燃氣輪機兩機專項” 經(jīng)過多年論證從今年開始進入實施階段，從國家能源局公布的行動路線圖來看，燃氣輪機專項的奮斗目標已經(jīng)明確，即2020年實現(xiàn)F級300MW燃機自主研制、2030年實現(xiàn)H級400MW燃機自主研制。
不過，雖然中國尚不能自主研制H級重型燃氣輪機，但是也參與了國外公司H級燃氣輪機零部件的制造。比如現(xiàn)今世界*大燃機輪機——GE 9HA系列燃機的排氣缸就是由中國宜昌船舶柴油機公司制造的，這個部件重達50噸左右，對工藝要求較高，這也是中國企業(yè)參與世界*先進的H級重型燃氣輪機制造的一個縮影。
H級重型燃氣輪機是如何研發(fā)的?數(shù)十年技術的傳承和演化!
H級重型燃氣輪機號稱工業(yè)性能巨獸，以GE*新的9HA重型燃氣輪機為例， 400噸的重量相當于兩頭藍鯨，約1600℃的透平進口溫度幾乎可以融化任何金屬。在實際使用中，燃氣輪機本身還會有諸多“輔機”，以支持機組運行等。除了體型龐大，零件眾多，還需“輔機”之外，發(fā)電行業(yè)還希望燃機24x7不間斷工作，同時符合越發(fā)嚴苛的環(huán)保法規(guī)要求。這一切都需要H級燃氣輪機的設計與制造無限趨近**——核心部件的精度誤差*多幾十微米。
然而，這樣的工業(yè)性能巨獸并不是**煉成的，每一代新型重型燃氣輪機的研制幾乎都是從研制小功率的原型燃氣輪機(也稱為母型機、技術驗證機)入手，突破并掌握產(chǎn)品設計和制造核心技術，然后采用?；糯蠡蚩s小的方法，在較短時期內(nèi)形成同一溫度等級的不同功率的系列化產(chǎn)品的基本型號。這樣做的好處就是：節(jié)省研發(fā)投資、縮短研發(fā)周期、降低公司風險。
例如，原型機與放大機型的模化放大系數(shù)為2時，兩者的功率比將為1:4、轉子重量之比則為1:8。從核心技術研發(fā)、產(chǎn)品設計、關鍵部件性能試驗驗證、樣機制造、建設試驗電站完成帶負荷發(fā)電全過程的總投資則為1:4，這意味著直接研制300MW等級大功率燃機需要多投資數(shù)億、十幾億美元甚至更多。事實上，世界燃氣輪機發(fā)展歷史上沒有一家成功的企業(yè)是直接研制大功率燃機起家的。
同一參數(shù)等級的50Hz(3000轉/分)和60Hz(3600轉/分)燃機是模化設計理論應用的典型例子。60Hz燃機按比例放大1.2倍就得到50Hz燃機，50Hz燃機按比例縮小0.8倍就得到60Hz燃機，兩者熱效率、主機結構、材料和加工工藝相同，只是功率相差1.44倍。任何一家公司研發(fā)成功了50Hz的燃機，就等于有了60Hz燃機，反之亦然。
重型燃氣輪機在投入市場后，燃機廠商仍會保持新的技術研發(fā)，來提高熱效率、增加功率、降低污染和提高可靠性，不斷推出該型號的升級版，這就是你為什么會看到很多燃機產(chǎn)品有后有“.01”,“.02”，這種改進升級過程會貫穿整個產(chǎn)品的生命周期，甚至可以長達幾十年。
H級重型燃氣輪機的試驗測試有多復雜?建個試驗臺就得10多億!
重型燃氣輪機在研制出來后，還需要經(jīng)歷大量的試驗，這個試驗不是一般的燒錢，基本上這東西燒錢速度比你直接燒錢速度還快，而且試驗臺的本身建設也耗資巨大。GE 9HA燃氣輪機試驗臺就耗資了1.85億美金，工程師在燃機測試臺上放置了多達6000余個測量儀器和傳感器。此外，GE還打造了可以存儲18萬加侖液化天然氣的儲氣廠和一個北美*大的鐵路轉盤以供運輸和測試。
該測試臺位于美國南卡萊羅納州格林威爾，也是全球**的全速全負荷專用試驗臺，可以對燃機部件、系統(tǒng)和機組進行有效的驗證和試驗。同時它也是世界**的全尺寸燃機壓氣機試驗臺，它使用壓氣機作為模擬符合，可以根據(jù)測試要求，進行轉速和負荷變化試驗;可以模擬各種發(fā)電用實際工況;壓氣機壓比可控，以滿足燃機試驗的完整分析;大量數(shù)據(jù)可以捕捉燃機性能的瞬態(tài)變化。
該測試平臺在離網(wǎng)模式下，沒有轉速限制，能對燃氣輪機進行各種深度測試，以了解燃氣輪機在滿載和過載工況下的各種行為和性能特性(相當于在實際電廠運行8000多個小時所歷經(jīng)的各種工況條件，同時也能模擬一些在實際電廠現(xiàn)場一般難以遇到的特殊工況)。
而且該試驗臺提供新產(chǎn)品的全貌，產(chǎn)品在前往電站現(xiàn)場點火前就能完成**驗證，大大節(jié)省新技術在現(xiàn)場調(diào)試時間。此外，還可以為部件的新設計和將來的新產(chǎn)品提供試驗。
H級重型燃氣輪機制造有哪些黑科技? 3D金屬打印、數(shù)字化都有!
與之前的燃氣輪機產(chǎn)品相比，H級重型燃氣輪機采用了更高效的空氣冷卻結構、更先進的材料，以及經(jīng)過驗證的運行靈活性和可靠性。更重要的是，H級重型燃機擁有更低的單位千瓦生命周期成本，可以給電廠用戶帶來更多的效益，以一個使用20年的燃機電廠為例，與市場上同等級的9F燃機相比，單臺9HA.01燃機可節(jié)約燃燒費約7.83億元。
特別值得一提的是，3D金屬打印制造工藝也開始應用在了重型燃氣輪機的制造上。9HA燃氣輪機的核心部件燃燒室燃料噴嘴和預混器就使用了該工藝，從而讓9HA燃機的DLN2.6+燃燒系統(tǒng)中實現(xiàn)了微孔預混和全預混燃燒。這種低氮燃燒技術可以保證燃料與空氣以更好的比例混合，實現(xiàn)啟停過程全預混燃燒模式，不存在擴散火焰，滿足超低氮氧化物排放(在*低負荷至30%的工況下僅有25ppm氮氧化物排放)，并且在燃機快速增減負荷不熄火。
3D金屬打印技術在9HA燃機關鍵零部件上的充分應用，幫助該型燃機的功率較傳統(tǒng)制造方法至少增加了1%。不要小看這1%，GE在法國布尚電廠的9HA機組可以供給大約68萬個法國家庭的用電需求，也就是說，在原有能耗不變的情況下，這兩個部件將能把光明帶給額外6800個家庭。
此外，9HA燃氣輪機的另一項重要“黑科技”就是數(shù)字化技術，GE通過其研制的Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術應用到了9HA燃機電廠上，可以給電廠用戶帶來更加豐富和本地化的運營體驗：可以對燃機機組的全壽命周期提供預警，對機組故障進行診斷和分析以及對機組的檢修進行優(yōu)化等功能。
值得一提的是，其實當年H級燃氣輪機還有一項**性的技術：蒸汽冷卻。這個概念由美國GE公司在上世紀90年代率先提出，即用蒸汽替代空氣對透平靜動葉片進行冷卻，這種冷卻效率極高，可以在相同燃燒室出口溫度的條件下，提高透平第**動葉片進口溫度約110℃，而金屬材料本身的改進一般也就能提高8℃?？上У氖?，由于在實際商業(yè)運營中蒸汽冷卻系統(tǒng)結構過于復雜，而且蒸汽系統(tǒng)啟動慢影響了燃機調(diào)峰性能等原因，*終各大燃機廠商還是在實際產(chǎn)品中選擇了空氣冷卻，GE的9HA燃機中A字母就是表示空氣(Air)冷卻的意思，也許我們可以在下一代重型燃氣輪機中看到蒸汽冷卻技術的身影。
H級重型燃氣輪機的商業(yè)化情況如何?來勢洶洶，成為發(fā)電主力指日可待!
由于H級燃氣輪機優(yōu)異的發(fā)電效益，全球H級燃氣輪機可謂來勢洶洶，2016年初，H燃機在北美市場占有率就已經(jīng)超過了50%。
中國尚沒有投入商業(yè)運營的H級燃機電廠。不過2017年3月，中國哈電集團已經(jīng)與GE簽署了重型燃機合資協(xié)議，在河北秦皇島建立燃機制造基地，共同推進重型燃氣輪機本土化制造，推動中國**制造產(chǎn)業(yè)升級。合資項目將專注于GE 9F及9H級燃機和部件制造，并通過哈電和GE進行銷售。
同時，GE還拿下了華電天津軍糧城項目的9HA燃機合同，這是中國大陸的頭個H級燃氣輪機項目。
此外，由上海電氣持股的意大利安薩爾多公司收購了阿爾斯通的H級燃氣輪機GT36的相關技術，目前也在推進H級燃機的國產(chǎn)化。
*后帶你走進一個H級燃氣輪機電廠，來感受下這個工業(yè)巨獸的魅力吧
巴基斯坦必凱電廠是亞洲頭個H級重型燃機電廠，由哈電國際總包，使用2臺GE 9HA燃氣輪機，并于2017年4月一次性通過168小時滿負荷可靠性運行，成功實現(xiàn)單循環(huán)投運。
必凱電站由中國EPC企業(yè)哈電國際擔任工程總承包，中國能建中電工程東北院負責設計。項目總裝機容量為118萬千瓦，采用2+2+1的配置，即2臺GE 9HA燃機、2臺余熱鍋爐和1臺汽輪發(fā)電機組。
值得一提的是，該項目是GE**個雙燃料9HA機組項目。所謂雙燃料，就是即可以用天然氣作為燃料，也可以用輕油作為燃料，當因某種原因暫時不能使用主要燃料天然氣時，需要確保燃氣輪機可以快速切換到輕油燃料系統(tǒng)，保證發(fā)電。
必凱項目完工后產(chǎn)生的電力可供約250萬戶巴基斯坦家庭使用，為這一大批民眾還飽受電力短缺的國度“雪中送炭”。
