GE9FA燃气轮机关键技术分析

GE9FA燃气轮机关键技术分析

欧阳喜

东莞中电新能源热电有限公司523000

摘要：目前来看，GE发电用燃气轮机的设计技术已经有了完整的系列，比如单轴轴流式压气机在保持已有的压气机可靠性的同时，逐步把流量、压比和效率进行提高；各种燃气轮机也渐渐形成了从A、B、C、E、EA、F、FA和FB等一系列的产品。采用这种渐进的方式发展系列产品，可以最大限度地利用从前成熟的设计经验，使燃气轮机性能提高的同时，又保持了较高的可靠性。

关键词：9FA；燃气轮机；技术分析

GE所采用的是尺寸模化设计技术，使用以直径比来定义为模化系数，模化系数和转速成反比，功率、流量和模化系数的平方成反比，在机械尺寸缩小或是放大的同时增加或是降低它的转速，这样就可以获得到机械与气动性能相似的燃气透平系列和一组压气，并且在试验台上全面的进行试验，从而使机组具有优良的起动和变工况特性得以保证。但由于模化设计技术对于燃烧室的开发不适用，原因是燃烧室在模化设计中不能获得化学反应、相同的传热和气体混合的过程，所以仍然沿用边设计边在试验台上进行全负荷试验的方法来对燃烧室进行研发。

一、GE9FA燃气轮机关键技术

1、压气机的高压比

为了使热效率和燃气轮机容量提高，GE引入了较为先进的航空空气动力学设计方法（比如具有大容量空气流量的超音速压气机叶型），FA级压气机增加了第零级（第零和第1级都工作在跨音速区），并且采用了可以大幅度增加压气机的空气流量和压比技术。GE所采用尺寸模化设计方法来对通流面积和压气机直径放大，从而增加空气压比和流量。如果只是简单的把压比提高，就可以使用增加压气机级数，但是对于单轴轴流式压气机来说，压比在提高过程中，压气机的效率也就越来越低，并且级数比较多的压气机在前后级间容易发生失速、不协调以及喘振等问题。在9FA单轴燃气轮机中，GE就采用了压气机进口可调导叶（IGV），来对压气机起动时调节空气流量进行适应以及对联合循环低负荷的性能进行改善；在压气机第9与13级都布置有抽空气口，并且回送到压气机入口（IBH），从而使压气机进口空气温度提高，以防空气中的水汽析出，还有控制喘振的功能。通过这两项技术使9FA燃气轮机单轴压气机级数增加至18级，流量为623.7kg/s，压比为15.4，取得了较宽的喘振裕度与高效率。

2、燃气轮机的耐高温性能

对燃气透平进口温度提高，是循环效率得以提升的一个有效途径，但燃气透平进口温度的提高，主要是受高温部件（静叶片、燃气透平动、喷嘴以及燃烧室等）强度的一些限制。因此，GE在透平级设计上，采取大焓降，并改进空气冷却方式和采用更加好的耐高温材料等措施。燃气透平使用大焓降级的设计和低反动度的冲动式第1级，使第1级静叶有大的温降，可以降低第1级动叶片的工作温度，从而减少冷却动叶片的空气量，使机组性能能够有效改善，从而延长叶片的使用寿命。

燃气透平第1级动叶片采用定向凝固的GTD2111（即DSGTD2111）材料，它是一种

超耐热的高温镍钴基合金，相比于等轴晶粒的GTD2111，使燃气透平的进口温度提高66±C。动叶片和透平级静叶相同，都使用了Ni基合金。燃气透平喷嘴也比叶片有着更强的抗高温蠕变的强度，因此GE开发了改善真空铸造成型喷嘴技术和蠕变强度的GTD2222合金材料。为提高喷嘴、叶片的耐高温、抗腐蚀性能，在材料的使用上要选择更好的之外，GE同时也开

发了真空等离子喷涂（VPS）技术，燃气透平进口温度就可以提升到1430±C，这样对F型燃气轮机的耐高温材料有效解决。在燃烧室中，最为重要的高温部件就是火焰筒，对于材料的强度要求，它要低于叶片，而对高温下的耐氧化、耐腐蚀性要求比较高，另外还要有较为良好的加工性、焊接性。燃烧室材料最常使用的有Co和Ni基合金。为使提高Ni基合金高温的强度，就需在此加入Nb、W和Mo等一些固溶强化的元素。Co基合金相比较于Ni基合金来说，其抗热腐蚀性更高，工作温度能够提高55±C。冷却高温部件是一个十分重要措施。燃气透平的转子、静子以及叶片从压气机抽取空气冷却：压气机在第9与第13级动叶后各设置4个抽气口，在每2个抽气口上，进行合并为一根管通过防喘阀向燃气透平排气管进行排气；第9、13级的抽气又为燃气透平第2和第3级静叶的冷却气源；在转子第3级动叶后有一路冷却气通过燃气透平转子中心孔去冷却轮鼓和第1、2级动叶（第3级动叶不需冷却）。为了提高冷却效果

为了提高冷却效果，9FA燃气轮机还引入了热障涂层和航空叶片冷却技术，在燃气透平叶片的内部开出一些形状较为复杂的冷却通道，另在叶片的表面上开出一些小孔，把叶片里面冷却的空气引到叶片表面的内背弧面，从而形成冷却空气的保护膜；先进的热障涂层结合冷却技术相，即使进口的温度是1430±C的燃气，透平第1级动叶片依然可以保持金属温度小于899±C。近些年GE又开发出出H型的燃气透平，它的第1、2级动叶以及静叶及第1级护环都采用的是蒸汽代替空气冷却。蒸汽比空气有着更加大的比热值，也就是吸热能力，在冷却效果上更好。

3、干式低NOx燃烧技术

燃气轮机排放出的污染物和燃料质量、燃烧室的结构和运行条件密切相关。本机以天然气作为燃料，其中硫和粉尘的含量很少，所以NOx的排放量就是主要的限制因素。

NOx的生成量和燃烧过程有联系，传统的燃气轮机燃烧室是一个扩散燃烧的过程，火焰通常发生在燃料与空气化学当量比接近于1.0的条件下，有很高的温度，从而形成大量NOx。为了使燃气轮机NOx生成量得到控制，所以就使用贫燃料均相预混燃烧室，控制精确燃料比的贫燃料均相预混火焰温度，这样NOx的生成率就比较低。但由于这种燃烧方式可燃极限范围相对比较狭窄，火焰在传播速度上比较低，很容易造成熄火。另外，火焰的温度低，又导致CO以及不完全燃烧（UHC）排量不断增加。所以说，贫燃料均相预混燃烧室的设计要采取特殊的技术措施。

GE9FA燃气轮机使用干式低NOx单级多管式贫燃料均相预混燃烧室。燃烧室是由18个分管燃烧室来组成的，布置圆周，每一个分管燃烧室内都有5个燃烧器，每一个燃烧器的中心送入清扫用的压缩空气，5个燃烧器里的中圈把天然气送进扩散型的D5燃料喷嘴中，每一个燃烧器外圈都把预混燃料天然气送入。按照起动到正常运行的不同工况，低NOx（DLN）燃烧器有下面4种工作方式：

1、辅助预混燃烧方式。从2850r/min到带初负荷阶段，7%的燃料供D5燃料喷嘴燃

烧，形成扩散火焰，30%的燃料供给PM1燃料喷嘴，形成辅助预混火焰；

2、扩散燃烧方式。机组点火到2850r/min之前阶段，全部的燃料供D5燃料喷嘴燃烧，形成扩散火焰，从而保证稳定燃烧；

3、预混燃烧方式。从初负荷至60%额定负荷阶段，由D5与PM1和PM4的3种燃料喷嘴混合燃烧；

4、控制预混燃烧方式。从60%到100%额定负荷阶段，在60%额定负荷左右燃烧方式有一个瞬变过程：首先是D5燃料喷嘴熄火，后随着负荷逐渐增高，83%的燃料供给PM4燃料喷嘴，与17%的燃料供给PM1燃料喷嘴，从喷出的燃料（天然气）和空气预混为可燃气体，在整个燃烧室形成贫燃料预混燃烧火焰，无需喷水或喷蒸汽就可以进行低氮氧化物燃烧。GE9FA

燃气轮机燃用天然气时，在75%～100%额定负荷情况下，可以保证NOx的排放量低于25

ppmvd（15%含氧量），且保证在低负荷时燃烧室仍能稳定工作。

结语：

这些技术的成功实现，一定程度上积累了国内第一家燃气轮机滑动压力控制的运行经验，同时也给国内的一些燃气轮机的维修、设计和运行带来了改造的思路，也使我国燃气轮机的实际运行水平和理论分析不断提高。就当前机组来说，基本上是来源国外的产品市场，国内的发展尚处于初级阶段，此研究将提升我国燃气轮机的应用水平与理论，并培养出优秀人才。

参考文献：

[1]GEPowerSystems．GE公司的F技术燃气轮机[R]．

[2]郭正榘，燃气轮机自动控制系统设计，机械工业出版社，1982，11