机组 | 中国能建：9F级燃气-蒸汽联合循环分轴机组燃机发电机选型

推荐理由

针对9F级燃气-蒸汽联合循环分轴机组，本文比较了全氢冷、水氢氢冷和全空冷三种燃机发电机的技术经济性能。结果显示，三种发电机各有优劣，但水氢氢冷发电机在全寿命周期内经济效益最佳。这为国内建设单位在选择主机设备时提供了参考。

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摘要

——以下是正文——

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概述

9F级燃气－蒸汽联合循环分轴机组是目前国内安全、清洁、高效的大型发电设备之一，具有整体循环效率高、环保性强污染物少、投资小、占地省、耗水少、建设快、启停快速、调峰性能良好的优点，在电力行业具有广泛的发展前景。国内制造厂家有上海电气集团股份有限公司（国外合作公司意大利安萨尔多，机型AE94.3A)、东方电气股份有限公司（国外合作公司日本三菱，机型M701F4)、哈尔滨电气股份有限公司（国外合作公司美国GE,机型PG9371FB)、西门子能源有限公司（外方独资公司，机型SGT5-4000F)。

以上国内主机厂家常规成熟配套的300MW级燃机发电机的冷却方式有全氢冷、水氢氢冷、全空冷。作为燃机发电机的冷却介质，氢气、空气、水与油之间的冷却性能对比见表1（以空气为基准值）。

9F级燃气－蒸汽联合循环分轴机组燃机发电机是300MW级设备，目前国内已投运或建设中的全氢冷、水氢冷、空冷燃机发电机主要技术参数如下。

(1)全氢冷燃机发电机。粤电新会天然气9F级分轴机组（已投运），主机供货商为哈尔滨电气，引进GE技术，采用设备制造许可方式(license授权），专利权期限已满，型号为QFN-300-2，额定出力为300MW,额定电压为18kV，额定电流为11320.6A,励磁方式为自并励静态励磁，功率因数为0.85,短路比为0.50,额定氢压为0.35MPa，总损耗为3175.5kW,效率为98.95%，定子出线套管形式为上出线，定子总质量为230t，转子总质量为62t，发电机长度为11452mm，发电机宽度为3912mm,发电机高度为6362mm。

华能东莞谢岗天然气9F级分轴机组（已投运），主机供货商为东方电气，引进三菱技术，采用设备制造许可方式(license授权），专利权期限已满，型号为QFR-340-2-16,额定出力为336.6MW,额定电压为16kV,额定电流为14289A,励磁方式为自并励静态励磁，功率因数为0.85,短路比为0.58,额定氢压为0.35MPa,总损耗为4070kW,效率为98.8%,定子出线套管形式为下出线，定子总质量为235.7t,转子总质量为53.6t,发电机长度为13300mm,发电机宽度为4810mm,发电机高度为5935mm。

(2)水氢氢冷燃机发电机。大唐佛山天然气9F级分轴机组（已投运），主机供货商为上海电气，采用国产自主知识产权技术，型号为QFSN-300-2,额定出力为300MW,额定电压为20kV,额定电流为10189A,励磁方式为自并励静态励磁，功率因数为0.85,短路比为0.50,额定氢压为0.31MPa,总损耗为3030kW,效率为99%,定子出线套管形式为下出线，定子总质量为259t,转子总质量为53t,发电机长度为13923mm,发电机宽度为3760mm,发电机高度为6720mm。

(3)全空冷燃机发电机。肇庆鼎湖天然气9F级分轴机组（建设中），主机供货商为西门子能源有限公司，采用西门子技术，由上海电气代工制造，型号为SGEN5-1200A,额定出力为313.5MW,额定电压为20kV,额定电流为10652A,励磁方式为自并励静态励磁，功率因数为0.85,短路比为0.45,总损耗为3723kW,效率为98.8%,定子出线套管形式为上出线，定子总质量为318t,转子总质量为66.2t,发电机长度为12030mm,发电机宽度为6348mm,发电机高度为5178mm。

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技术经济比较

2.1 技术对比

(1)主机供货商。全氢冷燃机发电机为哈尔滨电气和东方电气；水氢氢冷燃机发电机为上海电气；全空冷燃机发电机为西门子能源。

(2)冷却方式。全氢冷燃机发电机为定子绕组、转子绕组、定子铁心全氢冷；水氢氢冷燃机发电机为定子绕组水内冷，转子绕组、定子铁心氢冷；全空冷燃机发电机为定子绕组、转子绕组、定子铁心全空冷。

(3)辅助系统。全氢冷燃机发电机为氢冷却系统、密封油系统；水氢氢冷燃机发电机为定子冷却水系统、氢冷却系统、密封油系统；全空冷燃机发电机为定、转子空气冷却器系统。

(4)运行维护及安全性。

①全氢冷燃机发电机：氢气易爆、易漏，运行维护的操作复杂、费用高；氢介质在发电机内、外的泄漏，后果都非常严重，往往造成重大安全事故；无水系统，不存在电机漏水风险；安全性较水氢氢冷机组高，长期维护费用较水氢氢冷机组费用低；维护较复杂，需预防氢爆，但氢爆的条件是氢含量在25%~75%,密闭空间，有明火或火星，国内已投运的氢冷发电机千余台，发生氢爆事故的屈指可数，且事故原因均是违章操作。

②水氢氢冷燃机发电机：氢气易爆、易漏，水易于吸氧、对铜导体有腐蚀作用，运行维护的操作复杂、费用高；氢、水介质在发电机内、外的泄漏，后果都非常严重，往往造成重大安全事故；维护较复杂，也需预防氢爆。

③全空冷燃机发电机：无泵自循环、压力小、无泄漏，介质化学性能稳定，不腐蚀管材，绝缘系统稳定，与水氢氢冷却方式相比优越性显著；辅助系统简单，采用空气冷却，维护简单，安全可靠性高。

(5)绝缘系统。

①全氢冷燃机发电机：完全气密结构，机内清洁度保持较容易；冷却介质为氢气，电离时不会产生对绝缘有害的气体，线棒绝缘受损概率低，较利于发电机的安全运行和寿命。

②水氢氢冷燃机发电机：完全气密结构，机内清洁度保持较容易；冷却介质为氢气、水，电离时不会产生对绝缘有害的气体，线棒绝缘受损概率低，较利于发电机的安全运行和寿命。

③全空冷燃机发电机：非气密结构，机内清洁度保持较困难；冷却介质为空气，电离时会产生对绝缘有害的气体，空气冷却的定转子绕组的温升也较高，影响绝缘寿命。

(6)冷却系统功耗。全氢冷燃机发电机为氢气冷却系统，冷却系统相对简单，运行维护方便；水氢氢冷燃机发电机为定子冷却水系统、氢气冷却系统，系统复杂，运行维护成本高；全空冷燃机发电机为空气冷却系统，系统少，但冷却效果差，运行温度相对高，绝缘老化快。

(7)定子运输。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的运输质量轻，满足公路运输和铁路运输要求；全空冷燃机发电机的运输质量较重，但满足公路和铁路运输要求。

(8)发电机体积及基础。全氢冷燃机发电机体积略大于水氢氢冷燃机发电机，发电机基础成本与水氢氢冷燃机发电机相当；水氢氢冷燃机发电机体积小，发电机基础成本低；全空冷燃机发电机体积相对最大，考虑通风基础需特殊设计，发电机基础成本高。

(9)效率。全氢冷燃机发电机为氢介质，冷却效果是空气的5倍，冷却效果好，效率低于水氢氢冷燃机发电机；水氢氢冷燃机发电机为水介质，冷却效果是空气的50倍，氢介质的冷却效果是空气的5倍，冷却效果最好，效率最高；全空冷燃机发电机的通风损耗和转子风摩损耗大，效率低于全氢冷／水氢氢冷燃机发电机。

(10)孤网运行能力。全氢冷燃机发电机短路比最大，稳定性最高，抗谐波能力最强；水氢氢冷燃机发电机短路比较大，稳定性能高，抗谐波能力较强；全空冷燃机发电机短路比、抗谐波能力都较水氢氢冷燃机低。

(11)运行业绩。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的投运机组都多，运行经验丰富；而全空冷燃机发电机的国外投运项目业绩较多，国内投运机组相对较少，目前仅河北石家庄燃机电厂投运，广东肇庆鼎湖燃机在建设中。

2.2 经济对比

2.2.1 初始投资对比

全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的主机价格为4300万元／套（包括氢油水辅助系统），发电机基座土建费用为230万／套，供氢站的供氢设备约为60万元、建筑工程费约为50万元，年运行费用约为25万元；全空冷燃机发电机的主机价格为4360万元／套（包括空冷辅助系统），发电机基座土建费用为300万／套。由此可知，全空冷方式与全氢冷及水氢氢冷方式的初始投资相当。

2.2.2 安装调试费用的对比

全氢冷及水氢氢冷燃机发电机安装过程中较空冷燃机发电机多出如下项目。

(1)安装前的检查和试验。检查定子总进出水管封装并目检定子绝缘引水管；检查转子绕组的通风孔和转子两端通风道内有无异物；全面复查密封瓦、密封支座和中间环等关键部件的质量并做记录。

(2)基础调节及二次灌浆。空冷燃机发电机一般通过旋转基础安装座调节发电机水平及高度，不要求进行二次灌浆，调节方便，安装周期短。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机一般通过打斜垫铁调整发电机水平及高度，而且要求进行二次灌浆，安装周期相对较长。

(3)定子就位后，装配水内冷主引线和主出线的绝缘引水管，进行气体导通性试验、气密及水压试验。

(4)连接外部总进出水管和定子绕组水支路后进行水冲洗。

(5)定子三段机座组合后或背包式氢冷却器外罩机座组合后单独进行气密试验。

(6)转子气密试验。

(7)转子通风检验。

(8)安装轴（油）密封，包括密封瓦、密封支座等。

(9)对轴承及密封支座等进行油冲洗。

(10)安装氢冷却器。

(11)安装多级风扇装配及立式氢冷却器挡风板。

(12)安装静叶片座及其支架。

(13)定子绕组水系统的水冲洗、水压试验、排出积水或反冲洗。

(14)安装气隙挡风筒。

(15)发电机及其辅机系统的气密试验。

由此可知，全空冷燃机发电机安装简单、快捷，安装费用约为40万元；全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的安装周期增加约10天，安装费用约为60万元。

2.2.3 运行维护及检修费用的对比

(1)发电机附属设备及其消耗功率对比（按1台机计算）。

①供氢站。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的供氢站每天补氢量约为10m3,年补氢量约为3512m3,无消耗功率；全空冷燃机发电机无供氢站。

②定子线圈冷却水。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的线圈内冷却需约55t/h,二次冷却需约220t/h,其中定子线圈循环水泵功率为30kW;全空冷燃机发电机不需定子线圈冷却水。

③气体冷却水。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的氢气冷却器循环水量为440t/h;全空冷燃机发电机的空气冷却器循环水量为206m3/h。

④密封油系统。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机功率大致相当，所需氢气干燥器功率为4kW;全空冷燃机发电机无密封油系统。

⑤氢气循环防爆风机。全氢冷／水氢氢冷燃机发电机功率大致相当，氢气循环防爆风机功率为4kW;全空冷燃机发电机无氢气循环防爆风机。

由此可知，全空冷燃机发电机系统简单，辅助设备少；全氢冷／水氢氢冷燃机发电机所需辅助设备增加的用电负荷约为30/60kW,由此增加的用电成本每年约为6.35/12.7万元，以5年为一个大修周期计算，按机组年利用小时数3500h、电价0.605元/(kWh)计，则增加的费用约为31.75/63.5万元。

(2)正常运行时，全氢冷及水氢氢冷燃机发电机较全空冷燃机发电机多出的测录项目见表2。

由此可知，全空冷燃机发电机系统简单，维护量少；全氢冷／水氢氢冷燃机发电机需增加运行维护人员2人/班，四班三运转2×4=8人，每人年费用为4/6万元，以5年为一个大修周期计算，则全氢冷／水氢氢冷燃机发电机需增加的人员费用为160/240万元。

(3)停机检修时，全氢冷／水氢氢冷发电机比全空冷燃机发电机多出的测录项目：发电机每次运行超过2个月时，如遇停机就应对定子绕组进行正反冲洗，以确保水回路畅通（适用于水氢氢冷燃机发电机）；每次检修需用二氧化碳置换氢气，置换一次需约8h,操作人员2名。

由此可知，全氢冷／水氢氢冷燃机发电机比全空冷汽轮发电机每个大修期增加的检修成本大约在7/10万元。

2.2.4 备品备件及专用设备对比

(1)全氢冷／水氢氢冷燃机发电机比全空冷燃机发电机多出如下备品备件。发电机本体备品备件包括1台密封瓦、1台氢气冷却器、2套带法兰的瓷套管（含CT)、足量密封用零件、20只定子水接头测温元件。氢、油、水系统备品备件包括5个管道、阀门、控制系统的传感器、仪表及元件（不足1个按1个计），1台主密封油泵电机，1台真空泵，1台密封油压差调节阀，2只压力表，10只波纹管截止阀阀芯。

(2)全氢冷／水氢氢冷燃机发电机发电机比全空冷燃机发电机多出的专用工具及专用检测装置包括1套转子通风孔检测装置，1套安装、拆卸轴承、密封座等部件的工具，5套注胶枪，1台水内冷定子绝缘测试仪，1台卤素检漏仪，1台发电机气密试验装置，1台转子气密试验装置，1台漏氢检测仪，1台气体导通试验装置，1台流量试验计。

综上所述，基于全氢冷／水氢氢冷燃机发电机的特殊结构，需要的专业检测工具和检测设备很多，虽然随主机一起供货，但是这些设备及工具的存放仍需占用很大的空间，会增加大约15万元的投资。

2.2.5 机组年发电收益对比

全氢冷、水氢氢冷、全空冷燃机发电机的额定容量都为300MW,满载效率分别为98.95%、99%、98.8%。由此可知，全氢冷／水氢氢冷燃机发电机效率高，以单套机组年利用小时数3500h、上网电价0.605元/(kWh)、5年大修周期计，比全空冷燃机发电机多发电量增加的经济收益约为95/127万元。

2.2.6 机组30年运行寿命经济比较

(1)一次初始投资：全氢冷燃机发电机为4640万元/套，水氢氢冷燃机发电机为4640万元／套，全空冷燃机发电机为4660万元／套。

(2)发电机安装费用：全氢冷燃机发电机为60万元/套，水氢氢冷燃机发电机为60万元／套，全空冷燃机发电机为40万元／套。

(3)30年氢油水系统运行维护费用：全氢冷燃机发电机为392.5万元／套，水氢氢冷燃机发电机为681万元/套，全空冷燃机发电机为0。

(4)氢油水系统备品备件存放费用：全氢冷燃机发电机为15万元／套，水氢氢冷燃机发电机为15万元／套，全空冷燃机发电机为0。

(5)供氢运行成本：全氢冷燃机发电机为750万元/套，水氢氢冷燃机发电机为750万元／套，全空冷燃机发电机为0。

(6)机组发电增加收益：全氢冷燃机发电机为2850万元／套，水氢氢冷燃机发电机为3810万元／套，全空冷燃机发电机为0。

(7)总投资支出：全氢冷燃机发电机为3007.5万元/套，水氢氢冷燃机发电机为2336万元／套，全空冷燃机发电机为4700万元／套。

(8)总投资价差：全氢冷燃机发电机为-1692.5万元/套，水氢氢冷燃机发电机为-2364万元／套，全空冷燃机发电机为0。

通过以上对比可看出，全空冷燃机发电机与全氢冷/水氢氢冷燃机发电机相比，电厂初始投资相当，但从机组30年运行寿命考虑，经济效益差于全氢冷／水氢氢冷燃机发电机。

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全空冷燃机发电机供货可行性分析

由于全空冷燃机发电机具有冷却结构简单、基建速度快、安装投资费用低、使用维护方便、运行可靠等优点，因此对国内不同主机厂的制造技术和供货业绩进行如下分析。

(1)哈尔滨电气股份有限公司（以下简称哈电）。9F级燃气–蒸汽联合循环分轴机组燃机发电机引进美国GE技术，采用设备制造许可方式(license授权），冷却方式采用全氢冷，制造技术成熟，运行业绩丰富。哈电在2017年已研发具有完全自主知识产权350MW级全空冷燃机发电机，具有10台调相机的供货业绩（其中6台已投运），并在大唐高井9F级燃气–蒸汽联合循环分轴热电联产机组成功投运，华能汇流河燃煤机组1台350MW发电机在制造中。哈电集团可满足空冷燃机发电机设计供货需求。

(2)东方电气股份有限公司（以下简称东电）。9F级燃气–蒸汽联合循环分轴机组燃机发电机引进日本三菱技术，采用设备制造许可方式(license授权），冷却方式主要采用全氢冷，制造技术成熟，运行业绩丰富。

东电在天津陈塘庄燃机分轴项目的6台燃机发电机首次采用自主知识产权的水氢氢冷发电机，其中#1~3机组于2014年11月投运，#4~6机组于2016年4月投运。东电在2015年成功研发350MW级全空冷燃机发电机，在国内燃煤机组中有山西寿阳、新疆五五工业园、新疆红星热力3个项目共6台订货业绩，其中新疆红星热力项目2台已投运。300Mvar级空冷调相机在国家电网公司有14台业绩，其中部分已投运。

据东电表示，因为有全氢冷的设计制造和运行经验，因此具备把空冷发电机应用在燃机上的技术能力。经初步咨询，东电350MW等级空冷燃机发电机设计周期为2~3个月，因2022年公司生产较紧张，交货周期为16个月左右（含设计周期）。东电集团具备空冷燃机发电机设计供货能力，但尚无机组应用业绩，若建设项目选用，则需重点关注供货进度，避免影响项目工期。

(3)上海电气集团股份有限公司（以下简称上海电气）。燃机发电机采用水氢氢冷方式，制造技术和运行业绩成熟丰富。经初步咨询，现阶段不具备空冷燃机发电机设计供货条件。

(4)西门子能源有限公司。燃机发电机采用西门子自主全空冷技术，技术成熟，且有成熟应用业绩，可满足项目空冷燃机发电机设计供货需求。

(5)国内生产发电机的知名厂家还有山东济南发电设备厂有限公司和北京北重汽轮电机有限责任公司，以生产350MW及以下容量的空冷发电机为主。经与国内主要燃机供货厂家交流，选用第三家发电机的风险较高，主要在于：

燃机电厂运行方式与常规煤电机组不同，需频繁启停，同时在燃机启动阶段还需作为同步电机启动，第三家发电机厂缺乏燃机发电机的设计制造技术和经验，不具备这些核心能力；燃机轴系核心数据保密，燃机技术具有知识产权保护，外方不会随便公开引进技术；和第三家发电机厂配合，燃机发电机需重新设计及进行型式试验，造价成本大幅提升，增加了很多接口和协调事项，严重影响交货期和工程进度，且最终都要得到外方的验证批准，故燃机项目中燃气轮机与发电机均是打捆设计供货，优先选用主机厂成熟配套的发电机，均未考虑配套其他厂家的发电机。

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结语

对于燃机发电机，不同主机制造厂均选用自身成熟配套的产品，哈电和东电选用全氢冷，上海电气选用水氢氢冷，西门子能源有限公司选用全空冷。这三种燃机发电机的技术参数和结构性能各有优劣，初始投资大致相当，从机组30年全寿命周期考虑，水氢氢冷燃机发电机经济效益优于全氢冷和全空冷燃机发电机。

全空冷300MW级燃机发电机相对于全氢冷／水氢氢冷燃机发电机具有系统简单、维护量少、安全可靠性高等特点，符合建设“技术先进、安全可靠、造价合理、资源节约、绿色和谐”理念的示范电站要求。

建设工程项目如选用全空冷燃机发电机，哈电和西门子能源有限公司可满足供货要求，上海电气暂无相应产品而无法应标，东电可按要求设计供货，但设计及供货周期会较常规有所延长，因此建议项目业主与东电进一步落实采用空冷燃机发电机对供货周期的影响，避免因供货原因影响项目整体投运进度。

来源：《电工技术》，作者马晋辉、张振、李炬添