世界最先进H级燃机技术特点对比

导语

国际先进燃气轮机已发展到H级，其技术更先进、输出功率更大、发电效率更高。H级燃气轮机研发制造的核心技术和市场份额目前主要由Mitsubishi Power、Siemens Energy、GE Vernova和Ansaldo四家公司掌握和分割，根据四大燃机制造厂的H级机型及性能参数，可知H级燃气轮机的透平入口燃气温度超过1600℃，联合循环输出功率最高已经达到880MW，联合循环净效率高达64%。

目前四大燃机公司主要型号

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Mitsubishi Power

J/JAC系列燃气轮机技术特点

三菱M701J燃机

三菱系列燃气轮机具有增强型空气冷却系统、加厚涂层和高压比压气机三个典型技术特点。

①增强型空气冷却系统的技术特点是采用余热锅炉冷却水冷却压气机抽气，并增加压缩机增压，然后再向燃烧室供应冷却空气，同时优化透平两级动叶片的叶尖间隙，该系统采用两种冷却空气供应方式，一种是使冷却空气绕过燃气轮机叶片外环直接引入燃烧室（灵活模式），另一种是冷却空气流经燃气轮机叶片外环后供应到燃烧室（性能模式），在负载运行期间通过减小透平间隙使燃机性能最优化。

这两种冷却空气供应方式可在负载运行期间通过三通阀进行切换，灵活模式下可通过打开间隙应对大的负载波动，性能模式下可以减小负载运行期间的间隙，最大限度提高性能，这种增加或减少间隙的能力可以实现更快的负荷调节和更高的运行灵活性；

②热障涂层（TBC）的应用对燃气轮机高温部件至关重要，通常叶片涂有两种不同的保护涂层，称为粘合涂层和表面涂层。粘合涂层材料使用等粉末合金，具有良好的附着力和优异的抗氧化性。表面涂层使用具有低热导率的陶瓷粉末，一般来说，随着增厚，涂层的耐久性会下降，但基于三菱开发的涂层具有更高的耐久性，使得更厚的涂层成为可能。

③高压压气机采用高压比设计，压比为25，为实现更高的压气机效率，通过优化叶片尾缘和弯叶片设计等，减少了前面级的冲击损失和中后级的摩擦损失。

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Siemens Energy

SGT-8000H燃气轮机技术特点

西门子能源燃机

西门子燃机主要特点为：

①采用中心拉杆转子，转子的每个轮盘上都带有Hirth锯齿以传递扭矩，通过中心拉杆螺栓拉紧互锁，转子通过Hirth锯齿和中心拉杆进行自定心和找中，以防止转子不平衡，可实现转子终身无大修，通过内部冷却空气通道来实现高负载交变，并可在现场拆卸转子。

②轮盘采用具有高韧性的特种钢材料，可保证机组在快速启动和灵活负荷变化操作条件下具有最高的可靠性。

③H级与HL级燃机均采用环管型燃烧室，具有相同数量的燃烧器，先进的环管燃烧室可实现排放控制和灵活的燃料适应性。

④四级透平，其叶片材料为经过验证的基础高温材料，并采用全空气冷却结构，没有使用单晶体材料，也不依赖蒸汽进行冷却。

⑤轴承中采用液压间隙优化（HCO），在启动和瞬态运行期间主动控制动静间隙，以减少透平端间隙损失，提高燃气轮机运行性能，并实现无限制次数热重启。

⑥压气机共13级，其中前4级为可转导叶，可提升部分负荷状态下的机组性能，同时采用新型三维叶片设计。

⑦压气机及透平全部叶片均可在不吊起转子的情况下更换。

3

GE Vernova

H级燃气轮机技术特点

GE Vernova 燃机

GE Vernova公司的H级燃气轮机主要特点表现在：

①H级燃机的镍金转子结构简单，采用直接空气冷却方式，透平静叶的冷却方式为：从压气机抽取冷却空气经转子与静子内部的冷却通道直接引至1级和2级透平静叶，静叶叶片区和端壁区采用气膜冷却、冲击冷却和对流冷却多种冷却技术融合，透平动叶的冷却空气由压气机排气和位于10级动叶叶根处的集流腔室引入到1~3级透平动叶和轮盘间隙中，冷却空气流经贯穿动叶的冷却通道，并由动叶前缘、后缘或叶顶处气膜孔流出。

叶片冷却孔的间隔和孔径依据最小压气机抽气量条件下叶片的最佳冷却流量原则设定，该冷却结构的最大特点在于不需要采用外部冷却器进行二次冷却后再去冷却转子、透平和燃烧室，在确保热通道部件的合理运行温度和寿命的同时简化系统设计并提高了系统的可靠性。

②燃烧系统采用DLN2.6e旋风预混结构燃烧模式，主要有三个主要特征，一体式加长过渡段、先进微孔预混模式、轴向燃料分级喷燃烧。在燃烧系统中，压气机排气逆向流动并将整个燃烧室包围，空气逆流进入燃烧器端盖后再进入预混管束，燃料喷入预混器和轴向分级燃烧喷嘴，采用旋流器进行混，而的先进微孔预混技术则采用小型管束作为快速混合器。

这种小型管束使得混合空间分布更均匀，进而保证了级燃机燃烧温度的提高，同时实现较低的x的排放。一体式加长过渡段，火焰筒与过渡段为一体，减少了反应滞留时间和泄漏量。轴向燃料分级燃烧，改善了燃烧调节能力，控制热力型x生成。

③采用四级透平，其中一级导叶与一级动叶均由单晶材料制造，一级动叶采用了新的通流设计和密封技术，设计有冷却空气导流器，叶型及叶片根部进行了三维优化，叶片更薄，2~4级动叶采用定向结晶材料制造，同时2级动叶也涂有TBC涂层。

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Ansaldo

H级GT36燃气轮机技术特点

安萨尔多GT36

Ansaldo公司H级GT36燃气轮机采用一体式焊接转子设计，全寿命周期内无需拆卸或更换轮盘，从而降低机组的维护成本压气机设计了4级可调导叶，压比为26，使联合循环的性能得到优化。燃机燃烧系统采用恒压顺序燃烧技术（CPSC）。恒压顺序燃烧分为两个燃烧阶段，由分隔的两个燃烧级在相似的压力下进行，通过调整第一阶段的火焰温度，保持整体燃烧器出口温度恒定，燃料反应性的变化通过燃料分布的变化得到补偿，在第一和第二阶段获得最佳火焰位置。

GT36透平空气动力学优化的一个关键部分是最大限度地减少后面级带冠叶片和前面级叶片叶顶尖端的间隙泄漏损失，通过优化叶冠部分的轮廓、改进护翼设计、在所有运行模式下的间隙控制等方式优化透平气动性能，其中前三级动叶应用TBC涂层以补偿温度升高带来的影响，第一级动叶采用三维设计以改善冷却效果，第三级和第四级动叶带有护环，同时喷嘴叶片和动叶的叶片都采用了气膜冷却技术，还加入了表面光滑的热障涂层，使气动损失和冷却效率得到优化。