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SGT800工业燃气轮机技术及市场分析

Technology and Market Analysis of SGT800 Industrial Gas Turbine

魏佳明 周灵敏 余沛坰 李祎曼 谢健 闫志勇 何成     2019年10月18日

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德国西门子公司的SGT800工业燃气轮机(见图1)的前身为GTX100燃气轮机,是瑞士ABB公司为了补充功率等级产品目录而研制的40MW级工业燃气轮机,GTX100从1994年开始研制,1997年完成第一台产品。1999年,ABB公司将燃气轮机业务整体转让给了法国阿尔斯通公司。2004年,阿尔斯通公司又将小型工业燃气轮机业务出售给了德国西门子公司,GTX100燃气轮机更名为SGT800。2003年,SGT800简单循环机组的输出功率提升至45MW,与此同时,基于经验和已经获得认可的设计方案,西门子公司逐步对SGT800进行改进和开发,以追求更高的功率和可靠性。2010年,德国西门子公司宣布将SGT800升级到50.5MW。2017年,SGT800功率输出升级到57MW。

 

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图1  西门子公司的SGT800燃气轮机总体结构

 

SGT800结构和性能特点


SGT800燃气轮机的转子结构为单轴,由15级轴流式压气机和3级轴流式涡轮组成。


SGT800的压气机是采用最新空气动力学设计的跨声速结构,受控扩散叶型(CDA),压比为20∶1,前3级采用了可变导流叶片设计,设置放气孔来确保机组在不同负荷范围和环境工况下能够稳定运行。为使叶尖漏气降至最低,使用了可磨蚀密封材料。


SGT800的燃烧室结构配有30个第三代干式低排放(DLE)双燃料燃烧器,在50%~100%负载水平时,其排放性能为NOx体积分数≤15×10-6 (使用柴油燃料时NOx体积分数≤25×10-6~42×10-6)和CO体积分数≤5×10-6,无须注水或者蒸汽[1]。


SGT800的涡轮通过先进的空气动力学设计和基于3D分析的通流部分优化设计,使得转子叶尖间隙最小。涡轮前2级叶片的冷却设计沿用西门子先进的冷却技术,且第一级转子叶片采用了单晶材料,以确保耐久性和长寿命。涡轮静子采用压气机空气进行冷却,以减小间隙,改善效率。


SGT800转子结构、压气机结构、燃烧室结构及涡轮结构如图2所示。


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图2  SGT800燃气轮机各部位结构特点

 

SGT800不仅具备非常高的简单循环效率,而且由于出口扩压器的排气温度较高,尤为适合联合循环和热电联产。在联合循环下,SGT800与可利用废气热量的余热锅炉(HRSG)一起组合使用,由双压的余热锅炉向蒸汽轮机供汽。对于较大的功率,可安排2台SGT800,每台燃气轮机均连接一台余热锅炉,为一个公用的蒸汽轮机供汽。简单循环和联合循环性能参数如表1所示。

 

表1  SGT800简单循环和联合循环性能参数

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同等功率等级燃气轮机对比


目前,主流的50MW级燃气轮机除了SGT800以外还有2款机型,分别是三菱日立电力系统株式会社的H25和美国GE航空集团的6F.01。三菱日立在为GE航空集团多年代加工和制造实践的基础上,独立开发了高效率燃气轮机H25[2],其初始输出功率为28MW,之后陆续升级到32MW、35MW和42MW。GE航空集团的50MW级的6F.01则传承了GE航空集团的F级燃气轮机技术。现就SGT800、H25和6F.01机组总体结构、性能参数、热部件材料和运行维护进行对比。


总体结构


3款燃气轮机的总体结构都是水平中分式缸体,单轴式结构,轴向排气,冷端驱动,两轴承设计,H25和6F.01的总体结构如图3和图4所示。3款燃气轮机结构的区别具体如表2所示。

 

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图3  三菱日立电力系统株式会社的H25燃气轮机结构

 

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图4  GE航空集团的6F.01燃气轮机结构

 

表2  3款燃气轮机总体结构对比

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性能参数


3款燃气轮机性能参数如表3所示,其排气温度高于500℃,燃气轮机简单循环和联合循环效率也很高,3款燃气轮机都适合联合循环发电和热电联产,但SGT800简单循环和联合循环的效率都是最高的,6F.01次之,H25相对最低,较高的燃气轮机循环效率可以有效降低发电燃料成本,更具有市场竞争力。

 

表3  3款燃气轮机性能参数对比

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热部件材料


3款燃气轮机涡轮静叶都采用等轴晶材料,其中SGT800和6F.01静叶材料采用镍基高温合金,而H25采用钴基合金,静叶材料的持久强度大小为:IN792>IN939>GTD111>GTD222>FSX-414。


SGT800和6F.01的第一级转子叶片都采用单晶材料,H25使用定向结晶材料。转子叶片材料的持久强度大小为:单晶(CMSX4)>定向(GTD111/RMO2B)>GTD111>IN738。由于SGT800和6F.01涡轮入口初温更高,因此SGT800和6F.01使用的静子、转子叶片材料性能也相对更好。表4为3款燃气轮机部件材料对比。

 

表4  3款燃气轮机部件材料对比

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机组运行维护


燃气轮机的运行维护一般包括燃烧室检修、热通道检修和大修3个阶段,3款燃气轮机的运行维护时间如表5所示,其中检修周期时间为等效运行时间,燃料为天然气。SGT800燃烧室检修间隔时间相对另外两款燃气轮机增加了1倍,达到30000h,这也体现出了环形燃烧室后期运行维护的优势。

 

表5  3款燃气轮机运行维护时间对比

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SGT800工业燃气轮机的市场


西门子公司的SGT800被广泛应用于石油与天然气、工业发电以及电力生产等领域,如图5所示。

 

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图 5  SGT800工业燃气轮机应用行业

 

在全球范围来看,SGT800遍布欧洲、美洲、亚洲、大洋洲。截至目前已有超过325台套机组销往世界各地,累计等效运行时间超过700多万小时。而在亚太地区,SGT800的业绩最为突出,有超过100台SGT800的用户位于亚太地区。其中泰国成为最大市场,有超过70台SGT800在泰国服役。2015年8月,泰国TPS公司与西门子公司签署了18台SGT800的购买及长期服务协议,其中6台额定功率为53MW,12台额定功率为50.5MW。这18台燃气轮机被用于9座燃气蒸汽联合循环热电联产电厂中。


SGT800进入中国市场的时间相对较晚。2016年2月,西门子在中国获得了首份4台SGT800订单,用于山西国新能源在保德和昔阳的分布式能源项目。2017年8月,西门子公司与杭州汽轮机股份有限公司签订了SGT800技术转移协议,这次技术转移使得SGT800燃气轮机在中国市场的前景更为光明。

 

结束语


SGT800燃气轮机设计灵活,支持基本负载、中间负载和电网,可以满足各种效率、可靠性和环保要求,主要应用于联合循环、热电联产系统。杭州汽轮机股份有限公司通过借鉴西门子的工业燃气轮机技术、设计、制造与运行维护方法的丰富经验,可进一步加强在燃气轮机领域的自主研发能力。  


(魏佳明,杭州汽轮动力集团有限公司,工程师,主要从事燃气轮机热部件结构强度以及可靠性设计)

 

参考文献

[1]  Shukin S, Annerfeldt M, Bjorkman M. Siemens SGT800 industrial gas turbine enhanced to 47MW design modifications and operation experience [C]. ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea, and Air, 2008.


[2]  Urushidani H, Sasada T, Wada M, et al. Development of a new 25MW high efficiency heavy-duty gas turbine h-25[C]. ASME International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exposition, 1990.


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