整机 | 安萨尔多AE94.3A EVO2+燃气轮机升级技术研究及应用

推荐理由

本文深入探讨了安萨尔多 AE94.3AEVO2+型燃气轮机的升级优化技术，揭示了其在提高效率、降低排放、增强灵活性方面的显著优势。文章详细阐述了燃烧器、燃烧室、透平叶片、整机间隙等方面的优化设计，并结合实际案例验证了技术成果，为燃气轮机技术进步提供了宝贵经验。此外，文章还展望了燃气轮机国产化的应用前景，为推动我国燃气轮机产业发展提供了重要参考。

关键词：燃气轮机；优化设计；国产化

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摘要

介绍安萨尔多AE94.3AEVO2+型燃气轮机发电机组的主要技术优化原理,通过技术对比分析,阐述了该机组的节能及经济效益,并对AE94.3AEVO2+型燃气轮机发电机组本体及附件的国产化应用进行探讨。结果表明:AE94.3AEVO2+型燃气轮机发电机组的节能减排及经济效益提升效果显著;燃气轮机部件部分国产替代已具备技术和制造实力,已实现全面自主的燃气轮机检修维护,整机在全寿命周期内的成本将大幅降低。

——以下为正文——

21世纪初,我国分别引进了德国、日本和美国的燃气轮机技术,实现了F级燃气轮机的组装。但是,这种技术引进有很大限制:(1)仅能实现整机组装,不能生产压气机、燃烧室和透平三大部件;(2)无法设计生产燃气轮机核心部件。因此,我国不能进行自主维护。

2004—2016年,先后对安萨尔多重型燃气轮机压气机第一、二级和透平第四级进行设计优化,引入转子位移优化系统(RDS)装置,设计环形低氮燃烧器,将压气机增加一级可转导叶,优化二次空气设计等。安萨尔多AE94.3A机型实现单机功率从279.9MW到321MW的跨越。

开发AE94.3AEVO2+型燃气轮机是为了满足市场对更高效、更灵活、更环保的需求,提高F级产品的市场竞争力,以期获得更大功率、更高效率、更低排放等性能更优化的产品。笔者通过介绍AE94.3AEVO2+型燃气轮机的一系列技术优化,对比AE94.3AEVO1和AE94.3AEVO2+机型的技术指标,分析AE94.3AEVO2+机型的节能减排效果和经济效益,最终对燃气轮机的国产化应用进行展望。

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技术特点

某燃气热电厂有2套400MW燃气蒸汽联合循环热电联产机组,燃气轮机选用安萨尔多F系列AE94.3AEVO2+型。在性能保证工况下,纯凝燃气轮机的单机功率为321.9MW,汽轮机的功率为160.5MW,纯凝联合循环机组效率达59.96%。单台机组额定供热蒸汽流量(质量流量)为180t/h,供热燃气轮机单机功率为322.3MW,汽轮机功率为115.1MW,供热联合循环机组效率达73.11%。该机型实现了部分部件制造的国产化,并且相比于AE94.3AEVO1机型,燃气轮机单机出力及单机效率等参数均有较大幅度的提升。

为满足安萨尔多F级AE94.3AEVO2+型燃气轮机升级的需求,相比于AE94.3AEVO1机型,针对AE94.3AEVO2+机型的主要研究内容为整机整体设计开发,并分模块进行开发研究。

1.1 燃气轮机外预混管路优化升级

1.1.1 燃气轮机本体部分

将所有燃烧器由HR3型升级为FlexPremix型,如图1所示,燃烧器数量为24个,呈环形布置[1]。

图1 FlexPremix型燃烧器

AE94.3AEVO2+型燃气轮机的燃烧器开发项目的目标是对AE94.3A系列的燃烧器进行设计优化,提高升级版本AE94.3AEVO2+型燃气轮机的燃烧性能。技术目标如下:

(1)透平入口温度(TISO)为1265℃时,氮氧化物(NOx)的排放限值(质量浓度)为15mg/m3;TISO为1280℃时,NOx的排放限值(质量浓度)为25mg/m3。

(2)燃料成分为100%甲烷(CH4)。

(3)燃气轮机变负荷速率为13MW/min。

FlexPremix型燃烧器的特征如下:

(1)斜旋旋流器为标准旋流器,燃气进气孔为10个孔,其中外侧有6个孔,内侧有4个孔,径向分级。

(2)轴向旋流器的型号为VeLoNOx1.A。

(3)中心喷枪为虚拟喷枪或燃料喷枪,与燃烧器壳体之间的间隙为0.1mm。

FlexPremix型燃烧器设计与HR3型燃烧器的不同之处在于:其斜向旋流器叶片的燃料孔按数量分割为内外两组,外侧有6个孔,内侧有4个孔,可以单独控制每组孔的燃料流量,从而控制内外侧火焰强度。FlexPremix型燃烧器的燃料调节方式更灵活,有更优异的燃料分级和调节能力。将该燃烧器配备至AE94.3AEVO2+型燃气轮机上,为燃气轮机的稳定运行提供保障。

将燃烧室设计升级,在燃烧室外壳增加阻尼器接口,每台机组增加21个阻尼器。增加一路天然气预混管道,燃气轮机本体相应增加天然气预混环管、支架、预混软管、预混环管压力变送器。燃气轮机本体的基础外形尺寸、荷载设计保持不变。

1.1.2 燃气轮机辅助系统及外围设施部分

(1)在燃气模块增加预混管线,配套增加预混阀门及安装附件。

(2)在燃气模块至燃气轮机本体环管之间增加预混管道,配套增加管道电伴热、温度测量仪表、管道保温、管道支吊架、管道膨胀节、电缆等。

(3)增加燃气轮机本体预混环管及软管保温设计。

(4)增加预混阀门液压执行机构及相应控制油管路设计。

1.1.3 其他部分

(1)增加对应的燃气轮机控制卡件,并增加相关开环及闭环逻辑设计。

(2)基于上一代透平升级改进、透平前温度提升方案,优化透平整机性能,包括透平气动优化、冷却空气优化、叶片表面涂层优化和关键叶片材料升级。

(3)通过燃烧室冷却空气孔矩阵优化技术,减少冷却空气量,改善燃烧稳定性[2]。

(4)通过叶顶间隙优化技术,提高机组运行效率,减少叶顶二次流带来的流动分离,提高机组运行喘振裕度。

(5)在不发生转子动静摩擦、不影响热部件寿命的前提下,基于燃气轮机已配备的液压进气导叶(IGV)调节机构,进行现场调试优化,提升燃气轮机加、减载的变负荷率,提升机组作为调峰电源的能力,从而应对电网负载波动。

1.2 透平叶片气动优化设计技术

减少AE94.3AEVO1型燃气轮机透平的第一级静叶和第二级静叶叶片数,提高透平的通流能力。对第四级动静叶片采用先进三维气动优化设计,保证结构安全性,同时降低了二次流损失,提高了透平气动效率。

1.3 透平高温叶片冷却优化设计技术

与AE94.3AEVO1型燃气轮机相比,对AE94.3AEVO2+型燃气轮机部分透平叶片的内部冷却结构、叶片表面气膜孔分布、金属涂层及热障涂层厚度进行优化,以提高透平叶片的冷却效率、增加叶片基材与高温气体热阻、延长涂层寿命,具体包括:

(1)优化透平叶片的内部冷却结构设计,合理分配不同位置的冷却气流量。

(2)改进叶片上气膜孔的排布位置及数量,有效增强透平叶片高温区域的冷却保护效果,保证服役叶片的安全稳定运行。

(3)优化透平叶片冷却空气孔的分布,适当减少温度相对较低区域的冷却空气。

(4)改进叶片涂层厚度设计,升级喷涂工艺方法,延长涂层寿命,增加涂层与基材间的热阻。

为了保证透平叶片的结构完整性,对透平第一级静叶和第一级静叶持环冷却空气支路进行了优化设计。在保证透平第一级静叶冷却效果的前提下,通过优化冷却空气孔的孔数、孔径和位置实现最优冷却效果,减少冷却空气量,提高透平效率。

1.4 燃烧室冷却空气矩阵优化设计技术

(1)为了保证燃烧室瓦块和瓦块挂钩在恶劣工况下不超温,延长瓦块和瓦块挂钩寿命,在保证安全的前提下尽可能减少冷却空气量,提高燃气轮机整机效率,提高燃烧稳定性,降低NOx排放。根据AE94.3A型机群运行检修及三维数值仿真结果,对AE94.3AEVO2+型燃气轮机燃烧室的冷却空气孔矩阵进行优化升级,调整了燃烧室外壳后三排的冷却空气孔矩阵分布,同时放大了燃烧室各排的冷却空气孔孔径,增大了冷却空气的流量,使得燃烧更稳定,陶瓷瓦块的冷却更加充分。

(2)为了提高燃烧室的燃烧稳定性,在AE94.3AEVO2+型燃气轮机燃烧室外壳增加21个阻尼器。为了匹配阻尼器结构,对嵌件进行了升级,同步优化设计了进入燃烧室嵌件的冷却空气孔矩阵。

1.5 整机间隙优化设计技术

(1)为了进一步提高稳态运行工况下的机组性能,同时保证瞬态大胀差恶劣工况下的动静部件间隙使机组不发生危险碰摩,对AE94.3AEVO2+型燃气轮机的整机间隙进行了精细化优化设计。对整机温度场和变形量、转子由于离心力的影响而导致的轮盘几何变化量、压气机及透平叶片的变形量进行了瞬态工况建模。根据整机测试数据对传热系数及绝热壁面温度直接进行模化计算,使用流热固耦合方法对AE94.3AEVO2+型燃气轮机的间隙进行优化设计,考虑了流体与固体间换热对金属温度的影响,可以更精确地计算瞬态工况金属温度,获取金属变形量,进而获得各瞬态工况下的最小叶顶间隙。该方法已通过AE94.3A型机群测试数据验证标定。

(2)基于整机流热固耦合建模计算分析和AE94.3AEVO1型燃气轮机的整机测试数据,对AE94.3AEVO2+型燃气轮机压气机、透平的叶顶间隙进行了优化升级,适当增加个别级的叶顶间隙,使机组可以在更高变负荷速率下长期稳定运行,降低碰摩风险。其他级则根据测试结果适当减小叶顶间隙,从而减小二次流损失,提高气动效率,增加喘振裕度。最终实现运行安全性和整机性能的完美平衡,提高了整机效率和机组变负荷的能力。

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调试及整机验证性测试

(1)执行关键调试的步骤为:燃气轮机启动调试、全速空载调试、部分负荷及变负荷过程调试、满负荷调试(满负荷热力性能测试,透平排气温度和IGV开度运行上限测试)。

(2)对燃气轮机进行针对性优化调试(精调),提升机组性能。

经验证,上述研究内容及关键技术都取得了理想结果。通过评估,机组功率由307MW提升至321MW,单机效率由40%提升至40.3%,燃气轮机透平前入口等效温度(加入其他冷却空气后的透平前温度)由1260℃提升至1270℃,升负荷速率由13MW/min提升至18MW/min。

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同类比对情况

AE94.3AEVO2+型燃气轮机与AE94.3AEVO1型燃气轮机的整机性能指标对比见表1。

表1 AE94.3AEVO2+型燃气轮机与AE94.3AEVO1型燃气轮机性能指标对比

相比于AE94.3AEVO1型燃气轮机,AE94.3AEVO2+型燃气轮机的整机效率提升了0.59个百分点,额定出力增加了14MW,热耗率降低了73kJ/(kW·h),压比进一步提高,升负荷速率增加了5MW/min,排气温度增加了10K,排气流量(质量流量)增加了6kg/s。

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节能减排及经济效益

4.1 节能方面

相关参数每变化1%,对应的燃气轮机效率变化量见表2。

表2 相关参数对燃气轮机效率的影响

联合循环机组效率与燃气轮机、余热锅炉、汽轮机效率的关系[3]为:

式中:ηcc为联合循环机组效率;ηGT为燃气轮机效率;ηHRSG为余热锅炉的份额效率(余热锅炉吸收的热量占联合循环总输入热量的份额);ηST为汽轮机效率。

燃气轮机效率的提升显著影响联合循环机组效率的提升,本研究的联合循环机组效率最高可达78.15%。相比于AE94.3AEVO1型燃气轮机,AE94.3AEVO2+型燃气轮机的整机效率提升0.59个百分点,供热工况的热耗率降低至7373kJ/(kW·h)。

4.2 减排方面

4.2.1 NOx排放控制

(1)干式低NOx技术。

采用空气替代蒸汽或水作为稀释剂,在燃料进入燃烧区域前,天然气与过量空气预先均匀混合,再进入燃烧区域燃烧,从而达到控制燃烧温度的目的。

干式低NOx技术采用预混燃烧方式,主要用于气体燃料。NOx和一氧化碳(CO)排放浓度与燃烧火焰温度的关系见图2。预混燃烧使燃烧火焰的温度水平较低,并且燃料和空气混合均匀,因此产生的NOx较少。

图2 NOx、CO排放浓度与燃烧火焰温度的关系[4]

(2)选择性催化还原(SCR)脱硝技术。

当燃气轮机排气通过余热锅炉时,喷入氨气,在催化剂的作用下氨气与NOx发生反应,生成氮气和水。

该项目采用干式低NOx技术,使燃气轮机的NOx排放浓度(质量浓度)低于45mg/m3。在余热锅炉内采用了SCR脱硝技术,进一步分解NOx,效率达到80%,使NOx排放质量浓度降低到9mg/m3以下。从实际情况看,机组的脱硝系统投运后,NOx排放质量浓度可以降到7~9mg/m3,完全达到江苏省目前实施的最新标准,其中要求新建燃气轮机NOx排放质量浓度≤10mg/m3,旧燃气轮机NOx排放质量浓度≤15mg/m3。

4.2.2 碳排放

该项目每台机组设计供热蒸汽流量(质量流量)为180t/h,供热工况下的发电功率为437MW,消耗的天然气体积流量约为85.2×103m3/h。按目前给定的年运行时间为4000h计算,每台机组每年消耗天然气量约3.4亿m3。若2台机组全负荷运行,每年消耗天然气量6.8亿m3,每燃烧1m3天然气产生1.964kg的CO2,每年CO2的排放量约为1.336×106t。

某660MW超超临界燃煤机组的煤耗率(换算为标准煤)为285g/(kW·h),其煤耗率是该联合循环机组煤耗率(换算成标准煤为205g/(kW·h))的1.39倍。在产生同等热量的情况下,煤燃烧释放出来的CO2量是天然气燃烧释放出来CO2量的2.18倍。因此,该660MW超超临界燃煤机组CO2的排放量是该联合循环机组的3倍多。折算后,该联合循环机组减少标准煤用量约110万t/a,减少CO2的排放量约270万t/a。

4.3 经济效益

相比于AE94.3AEVO1型燃气轮机机组,AE94.3AEVO2+型燃气轮机机组热耗率降低达73kJ/(kW·h)。每台机组设计供热蒸汽流量(质量流量)为180t/h,供热状况下的发电功率为437MW,消耗的天然气体积流量约为85.2×103m3/h,目前给定的年运行时间为4000h,负荷率为70%,设计天然气发热量为33.82MJ/m3,天然气门站价格为2.02元/m3。按照以上数据计算,相比于AE94.3AEVO1型燃气轮机机组,采用AE94.3AEVO2+型燃气轮机机组年节约资金为1067万元左右。此外,发电量能力及升负荷速率的提升还可以带来一定收益。

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推广应用情况及前景

5.1 燃气轮机本体核心部件

燃气轮机本体核心转子部件高强度合金钢锻件、核心通流缸体高精度铸件均已实现国产化。一方面,转子锻件的熔炼、锻造、性能、热处理等先进工艺的顺利攻关保障了部件的材料特性、强度性能,先进的车、磨、拉、钻加工方式确保了产品的技术指标。另一方面,通流缸体的国产化制造、设计优化提升了其在性能、装配、维护等多方面的优势。从大型缸体、转子部件,到中型环体、中小型装配组件、特殊定制件,燃气轮机本体核心部件均实现了国产化供应,极大地提高了设备的交付能力和长协服务备件供应的及时性。

5.2 燃气轮机本体附件

在关键燃气轮机本体附件方面,高技术指标的金属膨胀节、高啮合精度的液压盘车装置、先进大型自动同步离合器的国产自主设计及制造是技术创新的成果应用,扩大了产品的自主化范围。针对盘车装置,通过与国内知名传动企业合作,开发了新型轴向螺旋齿啮合结构的传动设计,采用了国内专业定制的液压马达,消除了进口部件的限制,保障了设备安装、调试的及时性和维护的便利性。通过大量科研分析、结构设计、轴系复核等工作,自动同步离合器得以实现完全国产化,为机组的有效功率传递、设备振动稳定性提供了坚实的产品保障。

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结语

介绍了AE94.3AEVO2+型燃气轮机相比于AE94.3AEVO1型燃气轮机的升级优化,重点包括燃烧器的升级优化,燃烧室的冷却空气优化升级,透平动叶的冷却空气优化,透平叶片气动优化设计,整机间隙优化升级,以及对应的控制系统优化升级。该厂2台机组目前已投入运行,运行状况良好,各项指标均达设计值,充分说明燃气轮机部件部分国产替代已具备技术和制造实力。燃气轮机后续的检修维护已实现全面自主性,这将进一步降低整机在全寿命周期内的成本。燃气轮机的国产化将会为产业绿色低碳发展注入强劲动力。当然,实现燃气轮机的全面国产化制造任重道远。

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来源：《发电设备》，作者吴伟

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