国内大型燃气轮机发展历程及运行综述

2012-08-15 00:49李树田
浙江电力 2012年12期
关键词:压气机燃气轮机燃煤

李树田

(神华浙江国华余姚燃气发电有限责任公司,浙江 宁波 315400)

1 燃气轮机发展历程

1.1 发展历程及技术特点

燃气轮机首先应用于航空和宇航领域,随后迅速向能源发电、石油化工、冶金及海陆交通等领域发展。燃气轮机涉及多学科交叉的综合性技术,其核心技术包括:重大部件的设计制造、系统设计优化和成套技术;高性能压气机与透平及高转速机械复杂结构的组合;高温热通道部件的材料制造工艺、涂层保护技术及其先进的冷却技术;高效低污染的燃烧技术;长寿命主机结构与先进制造技术;新的材料和隔热涂层等。国际燃气轮机技术的发展步伐是紧紧围绕着上述核心技术的突破而展开的。按技术特征不同,燃气轮机的发展可分为4代:20世纪,发展了两代工业燃气轮机,透平初温的提高主要通过增大压气机的压比和完善相关部件实现。第一代的技术特点是:单轴重型结构,采用高温合金和简单空冷技术,亚音速压气机,机械液压式/模拟式电子调节系统。第二代的技术特点是:轻重结合结构,超级合金和保护涂层,先进的空冷技术,干式预混低污染燃烧,数字式微机控制系统,联合循环总能系统。进入21世纪,利用新材料和新技术的突破,陆续开发出后两代燃气轮机。第三代主要技术特点是采用更有效的蒸汽冷却技术,采用定向结晶、单晶叶片等,部分静部件采用陶瓷材料,应用智能型微机控制系统,更加重视环保性能。第四代燃气轮机是一种理想机型,发动机将处于或接近理论燃烧空气量条件下工作,初温将大于1600~1800℃,采用革命性的新材料,有更好的综合高温性能。国外燃气轮机制造厂商主要有美国GE公司、德国siemens公司、法国Alstom公司和日本MHI公司等。

1.2 燃气轮机发电技术的发展趋势

(1)重视系统集成与总能系统的广泛应用。关键集成技术与系统集成技术对提高燃气轮机系统性能同样重要,基于能量梯级利用的总能系统概念,燃气轮机联合循环系统既能充分发挥其高温加热优势,又避免较高温排热、损失较大的缺陷,显示出极好的总体性能,在电力、石化、冶金等领域,以联合循环、功热并供、三联供、多联产、注蒸汽双工质循环以及总能工厂等多种形式得到广泛应用。

(2)积极采用新技术、新材料、新工艺。燃气轮机主机的4大集成技术(高温合金、冷却技术、气动热力设计以及燃烧技术),在很大程度上沿用了航空科技成果。工业燃气轮机制造公司与航空部门密切合作,积极移植先进技术,开发新一代高性能产品,是燃气轮机发展的趋势。

(3)不断向高参数、高性能、大型化方向发展。由于燃气轮机热力循环的固有特点,其热力性能随着透平初温上升而提高,不断提高热力参数以提高性能一直是燃气轮机发展的主要趋势。当前,透平初温已提高到1300℃,单机功率250 MW,联合循环达到390 MW。正在建造的H级燃气轮机的初温达到1430℃,联合循环达到480 MW。燃气轮机的热力性能已提高到新水平,简单循环热效率已接近现代汽轮机电站的水平(35%~40%),而联合循环热效率则明显超过汽轮机电站。另外,在提高初温的同时,采取间冷与再热等措施,用热力循环手段来提高系统性能,也是值得注意的发展方向。

(4)燃料多元化和燃煤联合循环商业化。长期以来,燃气轮机发电机组只燃用油气燃料,多用于调峰、应急及移动电站。由于油气资源有限、价格较贵,燃气轮机燃煤技术受到特别关注。燃煤联合循环是高效的联合循环和洁净煤技术相结合的燃气轮机总能系统洁净煤发电技术,将成为新世纪煤电动力的主要发展方向。而我国一次能源以煤为主,燃煤联合循环更显重要。

1.3 我国燃气轮机发电现状

我国燃气轮机发电事业始于50年代末期。70年代共引进10套MS5000系列快装式简单循环燃气轮机列车电站,总容量300 MW。80年代我国国民经济飞速发展,电力供需矛盾日益突出,燃机发电站得到飞速发展,由70年代的20座发展到90年代的80余座,发电机组由20余台/套增加到约140台/套,装机容量从300 MW增加到7200 MW,主要集中在珠江三角洲和长江三角洲。

进入21世纪,在国家西部大开发战略指引下,“西气东输”以及引进LNG(液态天然气)试点等重大工程陆续开展,为我国发展天然气发电创造了良机。国家支持适度发展天然气燃气-蒸汽联合循环发电,在以市场换技术、实现燃气轮机设备制造本土化和国产燃气轮机技术开发方面取得了良好成果。“十五”期间通过3次捆绑招标,引进了由哈尔滨汽轮机厂与美国GE公司合作生产109FA机组、由上海汽轮机厂与德国西门子合作生产V94.3A型机组、由东方汽轮机厂与日本三菱公司合作生产M701F型机组,共计52台,机组总装机容量近20000 MW。

2011年,随着我国天然气供应量的增加及沿海地区环保压力的加大,燃气轮机发电在我国迎来了发展高峰,2011年初以来已建成或正在规划建设的F级燃气轮机机组已达48台。

2 大型燃气轮机在国内的运行情况

自2005年7月29日国内首台9F燃气轮机发电机组在半山发电厂投运以来,国内燃气轮机发电机组陆续出现了一些严重事故。由于国内没有修理能力,需要返海外检修,周期长、费用高。有些机组已经超过了质保期,制造厂商不承担赔偿责任,电厂直接损失和因停机而造成的少发电间接损失巨大。比较严重的故障有压气机报废更换转子、发电机转子返厂、透平叶片断裂、燃烧故障导致燃烧部件损坏等。

2.1 燃气轮机透平叶片典型事故

2.1.1 燃气轮机三级动叶断裂

2007年10月9日,某电厂燃气轮机在正常运行中突发巨响,振动数据大幅度超标,机组跳机。停机冷却后检查发现燃气轮机三级动叶全部断裂,三级静叶受损严重,三级复环报废。

GE公司检修人员于10月12日到现场,开缸更换了三级动叶、三级静叶和三级复环,并对开缸后发现的压气机第15和16级静叶晃动情况进行修复,安装了稳定环;同时利用检修时机更换了标准型R0叶片。检修工作至2008年1月23日结束,所有修复费用全部由GE公司质保流程支付。

2.1.2 一级动叶进气边烧损

2008年3月4日,某电厂机组启动时连续2次因燃气轮机1X/1Y振动大导致保护动作停机,初步分析故障原因是燃气轮机运行销卡涩和燃烧器部件烧坏。于3月6日开始对燃气轮机重新复校中心,期间进行孔窥检查,发现燃烧器火焰筒涂层大面积脱落,部分火焰筒已严重变形,决定进行小修,此时燃气轮机点火运行仅4600 h,远远低于8000 h的小修周期。在小修检查时发现一级动叶进气边烧损,进而延长了小修时间,整个检修工作历时2个月。

2.2 燃气轮机压气机报废典型事故

某电厂1号燃气轮机于2008年9月12日发生了压气机损坏的严重事故。压气机共有38片填隙片,其中只有4片正常,其余都有不同程度的凸出现象。上缸共脱落填隙片2片,下缸共脱落填隙片17片。

1号燃气轮机在投产仅6341 h时就出现过压气静叶根部抬起及填隙片凸起情况,虽然按照GE公司的要求进行了跟踪检查,但仍然无法阻止压气机事故的发生。上述事故发生时还远未到中修和大修周期(中修24000 h,大修48000 h)。压气机开缸后,现场检查发现填隙片脱落、静叶叶片松动情况较为普遍,正是由于叶片松动使得叶片振动进入共振区、静叶叶台抬起过大,造成叶顶碰擦转子,从而使叶片可能产生高周疲劳断裂。由于GE公司对压气机的隐患处理及判断有误,导致压气机带病运行直至故障发生。

2.3 燃烧部件损坏事故

2007年5月15日,某电厂2号燃气轮机排气分散度从正常状态上升至约46℉且极不稳定,最高达60℉以上,减负荷后情况有所改善,当晚机组正常停机。17日上午机组再次启动,并网后9 s即因燃烧故障、排气分散度高而跳机。联系GE公司后再次启机同时采集相关数据,机组升速至3000 r/min后30 s又因同样情况跳机。GE公司根据采集到的数据进行分析后,派专人到现场对燃料喷嘴的天然气支管进行孔窥检查。2007年5月20日,在对13号喷嘴进行内部孔窥检查时,发现13号喷嘴端盖已经烧穿,火焰筒严重烧蚀,喷嘴头部烧损。

3 大型燃气轮机在国内的发展路径

3.1 大型燃气轮机发电的必要性

3.1.1 有利于缓解环境保护的压力

随着我国经济的快速发展,环境污染日趋严重,二氧化碳排放无法得到有效控制,酸雨问题突出。由于燃煤所产生的二氧化硫等污染物排放量持续增长,导致酸雨面积已超过国土面积的30%。天然气是优质清洁能源,用于发电时二氧化碳排放量约为燃煤电厂的43%,氮氧化物排放量约为燃煤电厂的10%,二氧化硫排放极低,没有灰渣排放,可明显减轻电力工业的环保压力。

3.1.2 有利于优化和调整电源结构

目前,我国发电一次能源主要依赖煤炭、水力资源,核电、风能尚处于起步阶段,而太阳能等新能源的应用尚无大规模实现的条件。因此,在我国特别是东南沿海地区适时适量发展燃气轮机,有利于优化和调整电源结构,逐步实现发电能源多元化。

3.1.3 有利于电网安全经济运行

目前全国大部分电网的调峰主要依靠煤电机组,以牺牲煤电机组寿命和经济性以及增加电网的运行成本换取电网的安全。而燃气轮机电厂具有运行灵活、可用率高、机组启动快、调节范围大,且宜于在负荷中心附近建厂等特点,成为提高电网运行质量的有力手段之一。

3.1.4 有利于缓解厂址资源日趋匮乏的矛盾

近年来,东南沿海地区尤其是上海、江苏南部、浙江、广东珠江三角洲及京津地区的燃煤电厂选址愈发困难,部分地区甚至已明令禁止规划建设新的燃煤电厂。燃气轮机电厂占地面积较小,一般仅为燃煤电厂的 10%~30%,耗水量一般仅为燃煤电厂的1/3。另外,对厂址外部条件的要求也相对宽松,为增加负荷中心地区的厂址资源和改善电力布局提供了有利条件。

3.1.5 燃气轮机发电整体效率高、电站造价低

近年来,燃气轮机单机功率和热效率不断提高,联合循环的理论研究、产品开发和电厂运行实践更趋成熟,目前大型燃气轮机的单机功率已超过300 MW,联合循环功率已达到450 MW,热效率达到60%,联合循环发电效率远远超过燃煤电厂。工程造价方面,燃气轮机电站造价约为3000元/kW,煤电工程项目造价4500元/kW,风电项目造价为 5500~7000元/kW,可见燃气轮机发电投资成本较低,具有一定优势。

3.2 发展大型燃气轮机发电面临的挑战

我国发展燃气轮机虽然已有50年的历史,但至今尚未掌握大型燃气轮机产品的整套设计和制造技术,尚未拥有自主知识产权的重型燃气轮机产品,与国外相比在某些方面差距很大。由于缺乏大型燃气轮机的运行维护经验,目前国内运行的F级燃气轮机机组陆续出现了一些严重事故,而国内厂家不具备制造核心部件的能力及维修能力,机组发生故障后需要返海外检修,周期长、费用高,致使发电厂损失重大。

我国燃气轮机发电装机容量在全国总装机容量中占比很小。除了技术方面的问题外,也有天然气资源的制约。前几年西气东输工程建成,但天然气供气量不能满足新增机组的气量要求,新建的天然气机组由于燃料供应短缺而长时间处于保养停产状态,有些电厂因燃料供应不足而无法满负荷运行。随着西气二线、川气东输、LNG等工程的建成,制约我国燃气轮机电厂发展的燃料问题才有所缓解。

3.3 发展燃气轮机发电的建议

3.3.1 发展国际贸易,引进国外天然气

近年来我国在天然气能源建设的投入非常大,油气资源勘查和开采成果显著。然而,仅靠国内有限的油气资源远不能满足我国经济发展的需要。要发展天然气联合循环发电,改变调整我国能源结构,必须引进国外天然气资源。

世界天然气资源十分丰富,天然气资源最丰富的俄罗斯及中东国家距离我国都不远,我们有很好的条件能方便经济地利用这些天然气资源。在世界经济走向一体化的今天,我们应在努力开发国内资源的同时,大力发展国际贸易,引进国外天然气资源。目前,从哈萨克斯坦引进的天然气已经通过西气二线输送到全国各地。

3.3.2 加快燃气轮机国产化建设

燃气轮机是联合循环发电最关键的设备,燃气轮机发电必须走装备国产化的道路。为实现高科技含量的9F系列燃气轮机在国内研制,我国三大动力集团的汽轮机厂都投入了大量的技术力量。目前我国已跻身国际最先进的燃气轮机制造行列,今后要尽快消化吸收9F级燃气轮机技术,实现本土化是当务之急。

3.3.3 建设分布式能源

我国天然气发电的最好形式是发展分布式能源,实现冷热电三联产的循环利用,不仅提高天然气利用效率,还能有效实现节能减排,降低污染。分布式能源是近年来兴起的利用小型设备向用户提供能源的新型能源利用方式。与传统的集中式能源系统相比,分布式能源更接近负荷,无需建设大电网来远距离高压或超高压输电,可大大减少电网线路损耗,节省输配电建设投资和运行费用。2010年4月,国家能源局发布《关于天然气分布式发电指导意见(征求意见函)》,其中提出到2012年底要建成1000个天然气分布式能源项目,到2020年要在大城市推广使用分布式能源系统,装机容量达到5000万kW。

3.3.4 加快发展整体煤气化联合循环

我国是产煤大国,利用丰富的煤炭资源满足国民经济高速发展的需要是现实的,也是符合我国国情的。从长远观点来看,整体煤气化联合循环(IGCC)将是我国燃气-蒸汽联合循环发电必然要走的道路。IGCC是先进高效、洁净发电技术,能够提高发电效率、降低污染物排放,甚至具有使煤电达到零排放的潜力。这一技术不仅可以合理利用一次能源发电,而且形成了能源资源的多产多供、联产联供的新概念,将发展成能源、电力、化工等领域相互交错的学科,更有利于能源、资源的优化和综合利用。

4 结语

目前天然气在我国一次能源消费中的比例约为3%,不仅远低于前苏联的50%,英国的34%和美国的27%,还远低于世界的平均比例23%,发展空间很大。根据电力工业“十二五”规划,至2015年我国燃气轮机装机容量将达6000万kW,燃气轮机发电必将迎来新的发展高峰。燃气轮机专业技术人员要在燃气轮机核心部件制造、先进技术研发、运行维护人才培养等方面共同努力,促进燃气-蒸汽联合循环发电的健康发展。

[1]焦树建.整体煤气化燃气—蒸汽联合循环装置:IGCC[M].北京∶中国电力出版社,1996.

[2]糜洪元.国内外燃气轮机发电技术的发展现况与展望[J].电力设备,2006,7(10)∶8-10.

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