分布式能源用SGT-700工业型燃气轮机与LM2500+G4航改型燃气轮机对比分析

刘志敏，谢大幸，石永锋

(1. 上海华电闵行能源有限公司，上海 201108；2. 华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

分布式能源系统(distributed energy system,DES)包括冷热电联产及热电联产等系统，可实现能的梯级、高效利用[1-2]。区域分布式供能系统主要提供工业冷、热、电负荷，多采用轻型/中小型燃气轮机，可配置背压或抽凝式汽轮机构成联合循环实现热(冷)电联产[3]。燃气轮机是分布式能源系统的核心动力部分，目前主流的分布式能源用燃气轮机主要有工业型燃气轮机和航改型燃气轮机。工业型燃气轮机继承了发电和工业驱动设备的特点，工况稳定，维护间隔时间长，生产企业多出自汽轮机厂商；主流的航改型燃气轮机从航空发动机基础上改型而来，其轻质设计使其能够在高热应力梯度下有效运行，能在基本负荷和频繁启停时均保持高效稳定运行[4]。

目前市场主流的30 MW等级燃气轮机主要有Siemens公司的SGT-700燃气轮机，GE公司的LM2500+G4航改机和MHPS公司的H-25燃气轮机。目前MHPS公司在国内主推的32 MW版本H-25燃气轮机效率较低。本文主要选取 SGT-700工业型燃气轮机与LM2500+G4航改型燃气轮机开展对比分析研究。

1 发展历程

SGT-600和SGT-700是由瑞士Sulzer-Escher Wyss公司生产的双轴工业燃气轮机，于2004年被Siemens公司收购。SGT-700源于SGT-600，出力更大，效率更高，燃料灵活性更佳，排放更低，适用于发电及机械驱动，余热高，可用于联合循环及热电联产。SGT-600采用10级轴流式压气机，SGT-700采用11级轴流式压气机，前2级为超音速设计以达到更高的增压比。SGT-600型燃气轮机结构紧凑，双轴式设计，使用寿命长，易于现场维护，可用燃料范围广，适合环境恶劣地区或在现有设施的基础上进行海上安装和改进。1994年，Sulzer-Escher Wyss公司开始在SGT-600燃气轮机基础上研发升级版的SGT-700燃气轮机。第一台SGT-700于2002年在埃及投入商业运行，验证出力达29 MW。2007年，通过优化设计提升功率至31 MW。2012年，通过设计改进并融入3D打印等新型制造技术，机组出力提升至32.8 MW[5-6]。

1965年，GE公司开始为美军开发TF39新型发动机，后又开发出CF6-6的商业版本。1968年，以TF39(军用型)和CF6-6(民用型)涡扇发动机为蓝本研制了LM2500航空改进型燃气轮机[7]。1969年，第一台LM2500样机发动机输出功率达17.9 MW，效率达35.5%。1971年，第一批LM2500发动机交付用于天然气压缩。1998年，GE公司在LM2500燃气轮机的基础上，成功研制LM2500+燃气轮机，在原有16级压气机前新增0级压气机，第1级转子叶片基于航空发动机CF6-80C2叶型的宽弦叶片重新设计，去掉了原LM2500燃气轮机第1级转子叶片的突肩，第2,3 级转子叶片和0～11级静子叶片仍采用CF6-80C2的叶型设计。升级后LM2500+燃气轮机输出功率达29.8 MW，效率达38%。2005年，GE公司开发出新一代的LM2500+G4燃气轮机，对压气机转子和静子叶片叶型升级改进，使空气流量增加约5%，同时压气机和透平叶片采用新型冷却技术和材料，以承受更高的温度。升级后LM2500+G4燃气轮机功率提升到34.5 MW[8-9]。

2 结构特点

SGT-700燃气轮机为轻型双轴工业型燃气轮机，设计开发结合了航改型燃气轮机尺寸小、重量轻的优势，同时保持工业燃气轮机的坚固性、灵活性和长寿命的优势。

SGT-700燃气轮机分为燃气发生器和动力透平两个主要部分，其结构图如图1所示。燃气发生器由压气机、燃烧室和压气机透平组成。SGT-700燃气轮机采用11级轴流式、跨音速、无中间冷却的压气机(前2级为超音速设计)，配有可调导叶。压气机第一级转子叶片是钛合金材料(未加涂层)，强度高、重量轻。燃烧室为单个环形燃烧室，包括18个第三代干式低排放(DLE)燃烧器。燃烧室采用金属板设计，通过冲击冷却和气膜冷却组合的方式进行冷却，燃烧室内部涂覆有热障涂层(TBC)。可根据用户需求设计使用双燃料，工作时根据载荷需要切换燃料类型。透平为轴流式透平，具有快速启动和变负荷能力。压气机(高压)透平和动力透平分别为2级轴流式透平，动力透平侧向排气，热端功率输出。转子叶片能在现场进行更换而无须重新平衡转子。燃气发生器转子由两个轴承支撑，从进口到排气口编号为1号和2号轴承。动力透平转子由两个轴承支撑，从进口到排气口编号为3号和4号。1,4号轴承是组合式推力和径向轴承，2,3号轴承是径向轴承，为可倾瓦块式轴承。

图1 SGT-700结构图

LM2500+G4燃气轮机采用航空的材料、工艺、设计理念，结构轻巧、紧凑，可适应频繁启停的需要，启停次数不需折算部件寿命，其热通道部件的更换间隔即为实际运行小时。

LM2500+G4双轴燃气轮机由燃气发生器和动力透平组成，其结构图如图2所示。燃气发生器包括17级的压气机(压比24∶1)、干式低排放(DLE)燃烧器和2级高压透平。压气机与驱动它的高压透平在同一根高速轴上，6级动力透平在一根单独的低速轴上，直接驱动发电机，为侧向排气热端功率输出方式。压气机叶片采用耐腐蚀航空级高温合金材料，前7级静叶可以通过液压执行机构进行调节，以提高燃气轮机在不同负荷下的效率并防止压气机发生喘振。LM2500系列燃气轮机采用耐高温合金材料制作的滚动轴承，用于支撑转子和平衡轴向推力，轴承需要特殊的合成油冷却和润滑。LM2500+G4燃气轮机设计有7个轴承支撑透平发动机的旋转部件和空气动力负荷，每个旋转部件的质量(压气机、透平和推力平衡盘系统)由滚柱轴承承担，轴向推力由滚珠轴承承担，这些轴承布置在4个轴承油池内。LM2500基本型和LM2500+G4燃气轮机燃用天然气，采用干式低排放燃烧技术，为环形燃烧室结构，配置了75个预混燃烧的喷嘴[10]。

图2 LM2500+G4结构图

两种机型的结构特点对比见表1。LM2500+G4是典型的航改型燃气轮机，采用双转子结构、侧排气、热端功率输出方式，具有质量轻、压比高、效率高的优点，但其材料等级较高，轴系及燃烧系统设计复杂，不利于维护。而SGT-700虽然为工业型燃气轮机，但在设计时借鉴了航改型燃气轮机尺寸小、质量轻的优势，部分采用了航改型燃气轮机的技术及材料。和航改机类似，轴系上采用了双转子结构，且采用侧排气、热端功率输出的方式，其质量较重，轴系及燃烧系统的设计复杂程度、压比等均低于LM2500+G4燃气轮机。

表1 结构特点对比

3 联合循环配置情况

3.1 典型布置方式

SGT-700燃气轮机和LM2500+G4燃气轮机配套的燃气-蒸汽联合循环冷热电三联供机组典型配置方式均以多轴配置为主，包括“一拖一”和“二拖一”布置。

SGT-700燃气轮机典型的“一拖一”布置方式为：核心燃气轮机部件采用成套配置方案，燃气轮机和燃气轮机发电机，采用室外布置，燃气轮机上部进气、侧向排气，排气口方向可根据总体布置的要求作向上、左、右调整，热端功率输出；汽轮机和发电机采用室内布置，汽轮机为下排汽，布置在汽机房内；余热锅炉为双压、非再热锅炉，采用室外布置。

LM2500+G4燃气轮机典型“一拖一”多轴布置方式为：LM2500+G4航改型燃气轮机和发电机采用室外布置，燃气轮机上部进气、侧向排气，热端功率输出；汽轮机和发电机采用室内布置；余热锅炉为双压、非再热锅炉，采用室外布置。

LM2500+G4航改型燃气轮机因其质量轻、结构紧凑的特点，在布置上具有一定的优势。

3.2 联合循环参数配置

将两种机型统一到同一环境参数和天然气成分下，建模分析两者配置的联合循环机组性能，见表2。LM2500+G4航改型燃气轮机单循环效率比SGT-700燃气轮机高；SGT-700燃气轮机排烟能量略高，下位电站容量配置略大；两者联合循环出力基本相当，但LM2500+G4燃气轮机配置的联合循环效率更高。

表2 “一拖一”联合循环参数对比

4 运行特性分析

4.1 部分负荷性能

SGT-700和LM2500+G4燃气轮机在部分负荷工况下的性能见图3，变化趋势基本相似：随着负荷上升，燃气轮机效率逐渐上升；当负荷率低于50%以下时，燃气轮机效率随负荷率上升速度较快。

图3 SGT-700和LM2500+G4燃气轮机部分负荷下的性能曲线

根据建模得出SGT-700燃气轮机和LM2500+G4燃气轮机配套的联合循环机组部分负荷下的性能见图4。两者的变化趋势相似：当负荷率低于75%时，联合循环效率随着负荷率增长较快；当负荷率高于75%时，联合循环效率随着负荷率增长变化较为平衡。

图4 SGT-700和LM2500+G4燃气轮机配套联合循环机组部分负荷下性能曲线

4.2 高温环境下燃气轮机性能

SGT-700和LM2500+G4燃气轮机在高温环境下的效率和功率变化见图5和图6。SGT-700燃气轮机高温环境下效率衰减和功率衰减较少，LM2500+G4航改型燃气轮机对环境温度变化较敏感，其功率衰减比SGT-700工业型燃气轮机要大。

图5 SGT-700和LM2500+G4燃气轮机高温环境下效率变化曲线

图6 SGT-700和LM2500+G4燃气轮机高温环境下功率变化曲线

4.3 排放特性

SGT-700燃气轮机和LM2500+G4燃气轮机均采用干式低排放(DLE)燃烧技术，燃用天然气时，两者满足氮氧化物(NOx)排放的负荷均为50%～100%负荷。两种机型的污染物排放质量分数ω(NOx)、ω(CO)见表3。

表3 两种燃气轮机排放特性对比

4.4 燃料适应性

SGT-700燃气轮机能够燃烧所有常见类型的天然气，无分级燃烧，燃烧系统随负荷变化自动连续平滑调整，无分组切换，调试投运后无需对燃烧系统周期性调整，可适应气体燃料华白指数范围为25～60 MJ/m3，并可根据需求设计使用双燃料。气体燃料压力最低2.7 MPa，最高4.0 MPa，最大变化±0.05 MPa。

LM2500+G4燃气轮机可以燃烧不同范围的天然气，气体燃料华白指数范围25～63 MJ/m3，机组底座接口处的天然气压力必须满足稳态压力3.69 MPa±0.13 MPa。

由表4可知，两种燃气轮机均具有较高的燃料适应性。SGT-700燃气轮机气体燃料供应压力具有明显优势。当机组处于天然气管网下游、管道天然气压力较低时，LM2500+G4一般需安装天然气增压设备，从而增加系统复杂程度和后期运维成本。

表4 SGT-700与LM2500+G4燃气轮机燃料适应性对比

4.5 机组启动特性及灵活性

SGT-700燃气轮机从零转速至满转速仅需约300 s，升负荷速率一般为77 kW/s。SGT-700燃气轮机启动曲线见图7，从正常模式启动到100%负荷约需12 min。SGT-700燃气轮机每次正常启停折合5个等效运行小时(EOH)，对维护周期影响小。

图7 SGT-700燃气轮机典型启动曲线

LM2500+G4燃气轮机继承了航空发动机的结构，大量采用薄壁结构，使用航空级高端合金，对热应力变化不敏感，可以实现快速启动。在整个生命周期，启停对寿命的影响可忽略不计。LM2500+G4燃气轮机发电机组具有从冷态8 min快速起动至满负荷的能力， 负荷变化率最快可达500 kW/s，其启动曲线见图8。

图8 LM2500+G4燃气轮机典型启动曲线

4.6 供热(冷)性能

30 MW等级分布式能源用燃气轮机一般配置背压或抽凝式汽轮机组进行供热(冷)。根据所建模型，选用1.2 MPa、280 ℃的供热蒸汽参数，其抽凝工况下最大抽汽能力和背压供热工况下供热能力见表5。抽凝工况下，SGT-700燃气轮机和LM2500+G4燃气轮机所配置联合循环机组供热能力基本相当。背压供热工况下，SGT-700燃气轮机所配置联合循环机组供热能力略大。

表5 两种燃气轮机配置联合循环机组供热能力对比

5 检修维护情况

SGT-700燃气轮机基于工业型的设计，具有全生命周期性能衰退少、全部部件均可实现现场检修、大修间隔长等特点，无需燃烧调整，维护成本较航改机低。

LM2500+G4燃气轮机构造较复杂，一级维护、二级维护可在现场开展，三级维护、四级维护需运回原厂检修，所更替的检修工厂也较多，折算的度电维护费用相对较高。燃烧系统需在半年期进行内窥镜检查，所以最长连续运行时间被设定为6个月左右。该型燃气轮机多数零部件为高级特殊合金，与飞机发动机通用，有些金属编号为GE公司特有编号，且未在国际上广泛使用，价格昂贵，加上备机协调、服务响应不够及时，对项目公司的生产经营产生影响较大，如若燃气轮机发生事故，返回美国检修周期较长，备机费用较高[11]。

6 总结

从结构特点、布置方式及检修维护便利性来看，SGT-700燃气轮机基于工业型设计，质量较重，轴系及燃烧系统的设计复杂程度均低于LM2500+G4燃气轮机，全生命周期性能衰退少，全部部件均可实现现场检修，大修间隔长，无需燃烧调整，维护成本较LM2500+G4低。LM2500+G4航改型燃气轮机具有质量轻、压比高、效率高、布置紧凑等优点，但其材料等级较高，轴系及燃烧系统设计复杂，检修维护成本较高，三级维护、四级维护需返厂检修，周期较长。

从机组性能方面来看，相比SGT-700燃气轮机，LM2500+G4燃气轮机出力高，下位汽机出力略低，两者联合循环出力基本相当，LM2500+G4燃气轮机配置的联合循环机组效率更高；两种机型在部分负荷工况下的燃气轮机性能和联合循环性能变化趋势基本相似；LM2500+G4燃气轮机对环境温度变化较敏感，高温环境下功率衰减比SGT-700燃气轮机大；两种燃气轮机满足NOx排放的负荷均为50%～100%负荷；两种燃气轮机均具有较高的燃料适应性，LM2500+G4燃气轮机对气体燃料压力要求较高；LM2500+G4燃气轮机启动速度较SGT-700燃气轮机更快；抽凝工况下两者所配置联合循环机组供热能力基本相当，背压供热工况下SGT-700燃气轮机所配置联合循环机组供热能力略大。

综上所述，LM2500+G4燃气轮机对于分布式供能方面具有一定的优势，SGT-700燃气轮机在检修维护上具有一定的优势。