戴云飛，劉 可

(上海申能臨港燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電有限公司，上海 201306)

1 西門子H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)介

2000年10月，西門子公司首次提出H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)計(jì)劃［1］，2007年4月在柏林工廠完成了首臺(tái)SGT5-8000H型燃?xì)廨啓C(jī)原型機(jī)組裝，并于2007年12月至2009年8月在德國(guó)巴伐利亞州Irsching 4電站成功完成全部燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)驗(yàn)證性試驗(yàn)項(xiàng)目，隨后進(jìn)入單軸聯(lián)合循環(huán)安裝和調(diào)試，最終于2011年7月完成整臺(tái)聯(lián)合循環(huán)調(diào)試，這標(biāo)志著世界首臺(tái)H級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段。H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是西門子綜合了原V94.3A系列燃?xì)廨啓C(jī)和原西屋W系列燃?xì)廨啓C(jī)的成熟技術(shù)而創(chuàng)新研發(fā)的第一個(gè)系列產(chǎn)品，創(chuàng)造了單軸聯(lián)合循環(huán)ISO工況凈出力578 MW和凈效率60.75%的世界紀(jì)錄。

繼西門子公司完成50 Hz產(chǎn)品SGT5-8000H型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證性試驗(yàn)后，通過(guò)相似理論和?；O(shè)計(jì)的思路，按照1∶1.2模化系數(shù)開(kāi)發(fā)了適用于60 Hz市場(chǎng)的SGT6-8000H型燃?xì)廨啓C(jī)，使西門子H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)涵蓋了50 Hz和60 Hz產(chǎn)品。H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 西門子H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

本文從設(shè)計(jì)特點(diǎn)、操作靈活性和聯(lián)合循環(huán)配置三方面對(duì)H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)主要結(jié)構(gòu)介紹

H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是西門子公司為了滿足用戶對(duì)效率、出力、運(yùn)行靈活性和可靠性等日益增長(zhǎng)的需求而研發(fā)的產(chǎn)品，本節(jié)從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、壓氣機(jī)、燃燒器、透平四個(gè)方面對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。圖1為西門子SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 西門子SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)延用西門子V系列燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)理念，通過(guò)中心拉桿把端面帶Hirth齒的壓氣機(jī)動(dòng)葉輪盤、中空輪盤和透平動(dòng)葉輪盤拉緊而成，該設(shè)計(jì)能夠確保轉(zhuǎn)子在所有運(yùn)行工況下的整體剛性、扭矩傳遞和熱膨脹三者互不干擾。采用此設(shè)計(jì)的近800臺(tái)西門子燃?xì)廨啓C(jī)已累計(jì)了近1 650萬(wàn)當(dāng)量運(yùn)行小時(shí)數(shù)驗(yàn)證。

2.2 壓氣機(jī)

H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)是在原西屋W501F型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得，共13級(jí)，具有大壓縮比、大空氣流量、高效率等特點(diǎn)。壓氣機(jī)前幾級(jí)葉片采用可控?cái)U(kuò)壓葉型(CDA)設(shè)計(jì)，其它壓縮級(jí)葉片采用高性能葉型(HPV)設(shè)計(jì)。由于壓氣機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)葉加前三級(jí)靜葉可調(diào)設(shè)計(jì)，其空氣流量調(diào)節(jié)范圍增大為50% ～100%，而F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的流量調(diào)節(jié)范圍約為70% ～100%，因此H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷性能較F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)有所提高。壓氣機(jī)所有13級(jí)靜葉分裝在4個(gè)不同的靜葉持環(huán)上，這樣無(wú)須起吊轉(zhuǎn)子就能實(shí)現(xiàn)靜葉更換。

2.3 燃燒器［3］

H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器是在原西屋W501F型燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)管型燃燒器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成的，西門子稱之為平臺(tái)燃燒系統(tǒng)(Platform Combustion System，簡(jiǎn)稱PCS)(見(jiàn)圖2)，環(huán)管型燃燒器在 W501F上累計(jì)運(yùn)行了800萬(wàn)小時(shí)，與環(huán)形燃燒室相比具有更高的可靠性和運(yùn)行靈活性。50 Hz和60 Hz燃?xì)廨啓C(jī)采用同樣尺寸的燃燒器，由于50 Hz燃?xì)廨啓C(jī)尺寸是60 Hz燃?xì)廨啓C(jī)尺寸的1.2倍，因此50 Hz燃?xì)廨啓C(jī)使用了16個(gè)燃燒器，而60 Hz燃?xì)廨啓C(jī)只使用了12個(gè)燃燒器。

圖2 H級(jí)PCS燃燒器及火焰筒設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

PCS燃燒器采用的是分級(jí)燃燒的設(shè)計(jì)理念，分為A、B、C、D級(jí)以及先導(dǎo)值班級(jí)。其中，A和B級(jí)為主燃燒級(jí)，各由4個(gè)帶旋流的預(yù)混燃燒器組成，其分布如圖3所示。C級(jí)燃燒器位于導(dǎo)流襯套內(nèi)，在主燃燒器和值班燃燒器空氣氣流上游。D級(jí)燃燒器是先導(dǎo)預(yù)混燃燒級(jí)，以調(diào)整燃燒動(dòng)態(tài)特性為目的。先導(dǎo)值班級(jí)采用擴(kuò)散燃燒方式，以調(diào)整燃燒動(dòng)態(tài)特性和污染物排放為目的。

圖3 A、B級(jí)燃燒器分布示意圖

在50%～100%負(fù)荷段，燃料控制系統(tǒng)在原來(lái)的預(yù)設(shè)控制參數(shù)基礎(chǔ)上增加了在線燃燒參數(shù)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，使PCS燃燒器通過(guò)分級(jí)燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒特性和NOx排放的動(dòng)態(tài)控制。按照機(jī)組性能設(shè)計(jì)要求，天然氣須被加熱到215℃。

2.4 透平

H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平采用4級(jí)動(dòng)靜葉設(shè)計(jì)。在透平葉片的冷卻設(shè)計(jì)上摒棄了原西屋W501G型燃?xì)廨啓C(jī)采用的蒸汽、空氣組合冷卻技術(shù)，采用前三級(jí)葉片全空冷，第四級(jí)葉片無(wú)冷卻的方案，提高了機(jī)組操作靈活性并縮短啟動(dòng)時(shí)間。透平四級(jí)葉片的葉型設(shè)計(jì)仍采用全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，第四級(jí)動(dòng)葉葉頂采用了圍帶，提高了每級(jí)葉片的級(jí)效率和透平整體效率。葉片材料上第一、二級(jí)葉片采用定向結(jié)晶材料和改進(jìn)型隔熱涂層技術(shù)。四級(jí)靜葉全部裝在一個(gè)靜葉持環(huán)上，這樣無(wú)須起吊轉(zhuǎn)子就能實(shí)現(xiàn)靜葉更換;第一級(jí)動(dòng)、靜葉可以通過(guò)燃燒室來(lái)拆裝而無(wú)須起吊透平外缸，這種設(shè)計(jì)大大縮短了燃?xì)廨啓C(jī)檢修時(shí)間。

3 機(jī)組運(yùn)行靈活性

西門子H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了用戶對(duì)快速啟停、負(fù)荷快速變化、燃料靈活性和環(huán)保等方面的要求，本節(jié)從負(fù)荷變化率、負(fù)荷變化范圍、FACYTM技術(shù)和燃料靈活性四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3.1 啟動(dòng)時(shí)間和升負(fù)荷速率

以50 Hz機(jī)組為例，正常的升負(fù)荷速率為15 MW/min，燃?xì)廨啓C(jī)從并網(wǎng)到滿負(fù)荷375 MW僅需25 min。如電網(wǎng)急需負(fù)荷，可以選擇快速升負(fù)荷模式，其速率為35 MW/min，單循環(huán)僅須10 min就能從并網(wǎng)升至350 MW。在聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)工況下，升負(fù)荷速率受汽輪機(jī)冷、熱態(tài)工況影響而不同。熱態(tài)工況下，升負(fù)荷速率大于25 MW/min，機(jī)組在30 min以內(nèi)就能將負(fù)荷升至500 MW以上，具備快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求的能力，見(jiàn)圖4。

3.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍

由于壓氣機(jī)采用了Turndown技術(shù)(即降低聯(lián)合循環(huán)最低負(fù)荷技術(shù))和進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉加前三級(jí)靜葉可調(diào)設(shè)計(jì)，聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可以擴(kuò)大到50% ～100%，并且部分負(fù)荷效率和污染物排放仍然能維持在較優(yōu)的水平。

3.3 FACYTM技術(shù)的應(yīng)用［5］

FACYTM就是FAst CYcling的縮寫(xiě)，是西門子為滿足機(jī)組快速啟動(dòng)需求而開(kāi)發(fā)的技術(shù)，其核心內(nèi)容是:通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)應(yīng)力控制、蒸汽旁路控制、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、高壓蒸汽減溫器、燃?xì)廨啓C(jī)升負(fù)荷速率等方面進(jìn)行優(yōu)化，在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，如果中壓轉(zhuǎn)子計(jì)算金屬溫度大于350℃，且蒸汽溫度上升速率滿足要求，鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī);并且汽輪機(jī)進(jìn)汽沖轉(zhuǎn)升負(fù)荷時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)可以同步升負(fù)荷。FACYTM技術(shù)的應(yīng)用可以充分利用鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽，并且能節(jié)約啟動(dòng)時(shí)間。試驗(yàn)證明采用該技術(shù)后，可以在30 min以內(nèi)實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)火到聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷［4］，見(jiàn)圖4。

圖4 FACYTM技術(shù)原理圖

3.4 燃料靈活性和排放控制技術(shù)

PCS燃燒器可以燃燒天然氣和液體燃料。H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟葹? 427℃，比F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)提高約200℃，但是在50% ～100%的負(fù)荷范圍內(nèi)NOx排放最高不超過(guò)25×10-6、CO不超過(guò)10×10-6。這主要得益于采用分級(jí)燃燒技術(shù)的燃燒器、主燃燒器之間和導(dǎo)流襯套內(nèi)空氣分布優(yōu)化、過(guò)渡段密封優(yōu)化以及冷卻密封空氣耗量節(jié)省等系列改進(jìn)。

4 西門子H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)在聯(lián)合循環(huán)電站中的應(yīng)用

目前世界上H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)布置方式大多為單軸、“2拖1”或者“3拖1”的方式，見(jiàn)表2［2］。

表2 H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)配置方案

本節(jié)以SGT5-8000H為例，簡(jiǎn)述聯(lián)合循環(huán)的配置。由于ISO工況下，H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度高達(dá)627℃，因此與之配套的余熱鍋爐為采用西門子BensonTM爐專利技術(shù)的三壓再熱鍋爐，其中高壓為直流鍋爐，中低壓為汽包爐，蒸汽參數(shù)為高壓17 MPa/600 ℃，中壓3.5 MPa/600 ℃，低壓0.5 MPa/300℃。為了匹配蒸汽參數(shù)的提高，西門子在余熱鍋爐中采用了大量百萬(wàn)機(jī)組才使用的先進(jìn)高溫材料;另外，西門子對(duì)余熱鍋爐模塊和管道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得水蒸汽流動(dòng)壓力損失減少。蒸汽輪機(jī)選用的是西門子SST5-5000型，該汽輪機(jī)為高中壓合缸反流布置，低壓缸為雙流對(duì)稱布置，該型號(hào)蒸汽輪機(jī)經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)可以滿足快速啟停和快速變負(fù)荷的要求。發(fā)電機(jī)組型號(hào)為西門子SGen-3000 W(THDF)，其定子線圈直接水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子線圈為直接軸向氫內(nèi)冷的冷卻方式。

5 結(jié)語(yǔ)

西門子H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)額定出力和效率的提升首先得益于壓氣機(jī)壓比、壓氣機(jī)流量、燃燒溫度、熱部件材料和隔熱涂層技術(shù)的提升，其次得益于采用本森技術(shù)的余熱鍋爐蒸汽參數(shù)的提高。在實(shí)際運(yùn)行中，使用FACYTM技術(shù)可以使機(jī)組以最短的時(shí)間進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)，另外采用天然氣性能加熱器以及進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉加三級(jí)可調(diào)靜葉設(shè)計(jì)，都對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率的提升有幫助。

隨著天然氣價(jià)格的上漲，選用清潔高效的H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是未來(lái)中國(guó)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的發(fā)展趨勢(shì)，用戶在進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)布置方式選型時(shí)要綜合考慮運(yùn)行方式(調(diào)峰還是基荷，是否供熱等)、廠區(qū)面積、建設(shè)周期和投資成本等因素。

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