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H型燃气轮机蒸汽冷却技术的开发及技术特点 |
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| H型燃气轮机蒸汽冷却技术的开发及技术特点 |
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作者：佚名 文章来源：技术论文 点击数： 更新时间：2008-10-13 8:55:03  |
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H型-蒸汽冷却片300 MW燃气轮机的开发是基于美国能源部“先进轮机系统计划”的要求而进行的，该计划共分为3个阶段：第一阶段是“循环选择”；第二阶段是“概念设计及项目开发”，于2000年完成；第三阶段是“电站商业运行展示阶段”。其总体目标是展示燃气轮机联合循环60%的效率，低于10 mg／kg的NOx排放（以天然气为原料）以及减少10%的机组电力损耗，预计于2002～2003年投入商业运行。GE公司赢得了第二阶段蒸汽冷却燃气轮机的“概念设计及项目开发”的合同，负责第二个阶段的工作。
1 蒸汽冷却燃气轮机的发展现状
GE公司没有参加美国能源部“先进轮机系统计划”的第一阶段（循环选择）。GE公司参与了第二阶段蒸汽冷却燃气轮机“概念设计及项目开发”的工作。
50 Hz的MS9001H（以下的Fr9H同）燃气轮机以及60 Hz的MS7001H（以下的Fr7H同）燃气轮机全速空载试验已于1999年11月完成，GE公司已经着手准备分别在美国和英国进行“运行展示机组”的建设及运行试验工作，其中包括：
(1)800 MW／Fr7H电站
两套额定功率为400 MW的S107H（1台MS7001H燃机加1台汽轮机，下同）联合循环电站将安装在美国纽约，投资额估计为4亿美元。
(2)500 MW／Fr9H电站
1套额定功率为480 MW的S109H（1台MS9001H燃机加1台汽轮机，下同）的联合循环电站将安装在英国南威尔士，作为热电联供机组，投资额约为5亿美元。
从1999年到准备全比例设计之前，GE公司进行了如下的工作：包括燃烧系统设计开发、材料开发、导热性试验、热涂层开发及元件刚性试验，以及缩小的Fr7H压气机的刚性试验以及正在进行的全比例火焰筒开发。分析并试验了大规模应用蒸汽冷却技术的技术要求，其范围包括材料与蒸汽的兼容性问题、蒸汽清洁度的要求、蒸汽冷却转动部件的热传导问题、联合循环性能及系统启动要求等。
当前GE公司从事的是美国能源部先进轮机系统计划的第三阶段，Fr7H的全速空载试验包括“设计、制造以及专用工具及测试仪表的安装”。GE公司称Fr9H试验的成功 ，为Fr7H的设计提供了重要的技术依据，并可应用于以后的试验计划中。Fr7H的全速空载试验是投入运行的第一阶段，目的是检验用蒸汽代替空气进行冷却后对燃机的影响 。空气冷却（而不是蒸汽冷却）将用于初始的试验中。一旦完成，燃机将被运回制造厂进行评估，并重新进行运输前的出厂试验（不使用蒸汽）。以上工作成功完成后，下一阶段是将设备运至展示现场进行全蒸汽冷却的运行。
2 H型燃气轮机的技术特点
2.1 蒸汽冷却概念的建立
蒸汽冷却概念的建立基于两方面：一方面，蒸汽的导热性优于空气，其冷却效率能保证叶片能承受更高的燃烧温度；另一方面，蒸汽冷却技术的应用可以减少冷却密封空气在压气机的抽取量，有利于提高压气机的效率，乃至提高燃气轮机及联合循环的热效率。
2.2 冷却蒸汽的要求
在蒸汽冷却系统的设计中，蒸汽的纯度是至关重要的，应避免杂质堆积在叶片喷嘴的内表面上。全部蒸汽应取自由汽包蒸发出的蒸汽以适于蒸汽纯度的要求，并应对高压蒸汽进行温度调节，按规定蒸汽需进行全部过滤并使用除盐水。另外，在备用状态下，全部高压管线及冷却蒸汽管线中需充满氮气以防腐蚀。氮气系统可以是供余热锅炉的使用常规充氮系统的扩展。
2.3 压气机设计
H型燃气轮机的压气机由CF6－80C2航空发动机及LM6000燃气化机衍生而来，Fr7H具有23∶1的压比及558 kg／s的空气流量（Fr9H为685 kg／s的空气流量）。CF6－80C2航空发动机以2．6∶1的比例放大为Fr7H，3．1∶1的比例放大为Fr9H，并增加4级压气机叶片，以获得期望的燃烧空气流量和压比。在Fr9H中该4级叶片增加在CF6－80C2航空发动机的后部，而在Fr7H中与Fr9H相比，减少了Fr9H的末级叶片，增加了前面的零级叶片。
以上两种压气机均使用进口可转导叶(IGV)(与以前的设计类似)，并在前4级设有可转静叶(VSV)。可转静叶与进口可转导叶共同作用以控制压气机空气流量,适于环境温度的变化。试验结果表明燃烧可以增加压气机效率0．8%。
目前内、外部元件的热交换试验与材料特性试验已一同完成，为进一步证明其可用性，全比例的蒸汽冷却1级喷嘴在燃烧温度下成功地进行了刚性试验，包括安装在单燃烧筒及过渡段后的两组喷烧温度以达到10 mg／kg以下的NOX排放。该设计中要求对第1、2级喷嘴及动叶进行蒸汽冷却。其中，第1级元件使用单晶叶片，镍基合金并带有隔热涂层；第3级喷嘴及动叶是空气冷却；第4级不进行冷却。
使用的材料应适合于蒸汽及烟气两个方面的要求，并使用有效的密封以防蒸汽到达动叶片。针对Fr9H及Fr7H机组的这一要求，GE采用通常用于航空发动机的密封技术－管状密封，称作“线轴密封”。线轴密封装置在Fr9H及Fr7H机组的全速空载的试验中取得良好效果，尽管在这次试验中没有使用蒸汽冷却技术。从1999年底开始，模拟Fr9H及Fr7H机组运行条件（模拟热空气工作流造成的热负荷），对旋转的蒸汽传导系统性能进行评估。
2.5 火焰筒设计
最初的H型燃烧系统是一个标准的铅合金火焰筒／环型分布干式低NOX设计。为适应流量的增加，Fr9H及Fr7H机组的火焰筒直径与FA系列相比增加20%。Fr9H使用14只火焰筒，Fr7H使用12只火焰筒。
除了以上改进可以增加空气的有效性外，火焰筒的设计可以减少冷却并增加出力 。经过分析及试验，该种火焰筒可以达到10 mg／kg以下的NOX排放，同时降低CO及残碳量。
3 结束语
据估计从全速空载试验到满负荷运行试验可能需要1年的时间。在这些试验全部完成后，将在现场进行全速满负荷试验。Fr9H机组可能在2001年底进行满负荷试验，然后在2002年进行Fr7H的满负荷试验。如果以上试验顺利完成，Fr9H及Fr7H机组分别将于2002年及2003年相继投入商业运行。
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