上海電氣燃氣輪機執(zhí)行項目技術(shù)總結(jié)

上海電氣燃氣輪機執(zhí)行項目技術(shù)總結(jié)周支柱【摘要】總結(jié)了截止目前，上海電氣已先后承接了國內(nèi)18臺燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)的機島設(shè)備供貨訂單，其中15臺V94.3A,3臺V94.2型機組（包括IGCC配套改進型機型）.在承接的總共18臺項目中,已投產(chǎn)12臺，處于調(diào)試1臺（廈門2號機）,建設(shè)中5臺.已投產(chǎn)石洞口2號機、鄭常莊電廠先后獲得2006年、2008年亞洲最佳燃氣輪機電廠的榮譽，其余機組均順利通過性能試驗，在建的各項目也進展順利，獲得了業(yè)主的充分認可和肯定.對項目執(zhí)行過程中取得的經(jīng)驗和教訓(xùn)及時分析和總結(jié)，為今后的項目執(zhí)行提供借鑒和參考.【期刊名稱】《熱力透平》【年（卷），期】2010（039）003【總頁數(shù)】6頁（P149-153,158）【關(guān)鍵詞】上海電氣;燃氣輪機;技術(shù)項目;總結(jié)【作者】周支柱【作者單位】上海電氣電站集團，上海,201100【正文語種】中文【中圖分類】TK471從2003年3月起至今,國家發(fā)改委組織了3次及后續(xù)F和E等級燃氣輪機項目的打捆招標(biāo)工作，上海電氣集團和德國西門子公司合作，獲得石洞口（3臺）、鄭州（2臺）、中原（2臺）、蕭山（2臺）和北京（2臺）、廈門2臺、上海臨港（4臺）、天津IGCC（1臺E級）共15臺F級、3臺E級（包括IGCC）燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組合同。本文對上述項目執(zhí)行過程中涉及的國產(chǎn)化進度、機組單軸布置方案、H-E型汽輪機的特點、變頻啟動技術(shù)、一鍵啟停、燃燒調(diào)整、單軸基礎(chǔ)設(shè)計和軸系計算等方面的情況逐一進行介紹。1國產(chǎn)化進展（1） 燃氣輪機國產(chǎn)化進展對于非熱通道部件和輔助系統(tǒng)，上海電氣已經(jīng)實現(xiàn)了除轉(zhuǎn)子、葉輪以外的全部靜止部件和輔助系統(tǒng)的國產(chǎn)化（廈門2號燃機）,2010年上汽廠制造整根轉(zhuǎn)子的設(shè)備可以在新廠房內(nèi)投產(chǎn)，保證了上海臨港燃機實現(xiàn)轉(zhuǎn)子、葉輪國產(chǎn)化。對于熱通道部件,上海電氣和西門子合資成立了〃上海西門子燃機部件有限公司”，并同意轉(zhuǎn)讓給合資公司透平全部四級動、靜葉片的制造和維修技術(shù)。合資公司目前已具備第四級動靜葉片的生產(chǎn)、第三級動靜葉片的熱噴涂和激光打孔能力,正進行第二級靜葉片的激光打孔工作，到2010年6月份，完成第一、二級動靜葉片的熱噴涂和激光打孔。西門子已向熱部件公司提供了透平葉片鑄件的采購檢驗和質(zhì)量規(guī)范,同意在國內(nèi)采購?fù)钙饺~片精密鑄造毛坯。（2） 汽輪機、發(fā)電機國產(chǎn)化進展繼蕭山2號機投產(chǎn)后，對于SIEMENS的F級燃機（V94.3A）配套的余熱系統(tǒng)國產(chǎn)化已基本完成，汽輪機制造已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。2單軸布置2.1單軸布置的特點和優(yōu)勢單軸布置是指燃氣輪機和汽輪機共帶一個發(fā)電機的布置方式;燃氣輪機、汽輪機機分別帶發(fā)電機的布置方式稱為分軸（多軸）布置方案。其中分軸方案又包括“1+1”系統(tǒng)配置和〃多+1”系統(tǒng)配置?！?+1”是指一臺燃氣輪機加一臺汽輪機的配置〃多+1”是指多臺燃機加一臺汽輪機的配置。對于F級“1+1”聯(lián)合循環(huán)配置而言岸軸布置相對分軸布置優(yōu)勢不言而喻，少一臺發(fā)電機,在出力同等的情況下，效率和投資也相應(yīng)占優(yōu)勢。下面重點就2套“1+1”單軸布置和1個“2+1”多軸布置兩種布置方案進行比較。對于投資者而言，選擇哪種布置方案取決于其對于投資的最后收益的偏好,如財務(wù)凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率、運營成本及回收周期等。因此，對于項目建設(shè)而言，建設(shè)周期短，效率高,運營維護方便，可靠性和可用率高，投資成本低及運行費用低是考察系統(tǒng)方案的主要內(nèi)容。不同的出發(fā)點會導(dǎo)致不同的選擇結(jié)果。以下就效率、建設(shè)周期、占地面積等幾個方面進行比較。系統(tǒng)性能比較在帶滿負荷的情況下，兩種方案中燃氣輪機的出力和熱耗是相同的岸軸方案兩臺發(fā)電機而“2+1”方案三臺發(fā)電機相對而言，計及廠用電等因素后單軸方案發(fā)電效率高于多軸方案;而單軸方案中有兩臺汽輪機，多軸方案則為一臺，單機容量大，因此多軸方案中汽輪機的效率高于單軸方案，但單軸方案的余熱鍋爐和汽輪機之間的汽、水管道短捷，壓降和溫降小，因此，總體上，兩種系統(tǒng)方案的熱力性能相當(dāng);在部分負荷工況下運行，且負荷低于50%時，系統(tǒng)中一臺燃氣輪機將退出運行，此時單軸方案中汽輪機負荷偏離基本負荷的程度小，效率仍較高，而且廠用電率相對穩(wěn)定，因此單軸方案效率有明顯優(yōu)于多軸方案;負荷高于50%,則兩種方案效率相當(dāng)。圖1給出了單軸-多軸方案效率比較曲線。圖1單軸-多軸方案效率比較曲線由此可見，就經(jīng)濟性而言，在目前國內(nèi)用于調(diào)峰的F級燃氣輪機項目中，采用單軸方案為宜,而帶基本負荷的燃氣輪機項目，可優(yōu)先考慮采用“2+1”方案。建設(shè)周期比較單軸方案由于兩臺機組相互獨立，因此可以同時建設(shè)，可相對縮短總工期。多軸方案則適合于分期建設(shè),燃氣輪機可先行投產(chǎn)發(fā)電,早日回收成本，以利于整個項目的現(xiàn)金流計劃。⑶占地面積方面的比較單軸方案由于多一套汽輪機系統(tǒng)，因此其占地面積相對多軸而言較大。單軸-多軸方案占地面積比較如圖2所示。(4)設(shè)備造價比較單軸比多軸少1臺發(fā)電機、1臺主變壓器、1套電氣設(shè)備;燃氣輪機和余熱鍋爐之間省去旁路煙囪;燃氣輪機和汽輪機可共用1套潤滑油系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡單;燃氣輪機和汽輪機同處一個廠房內(nèi)，便于運行檢修;對于抑制燃氣輪機的噪聲傳播也較為有利。2.2SIEMENS典型的單軸機島布置方案及其特點在目前已執(zhí)行的項目中,SEC/SIEMENS的供貨范圍包括：燃機及其輔助系統(tǒng)；發(fā)電機及其輔助系統(tǒng)；汽輪機及其輔助系統(tǒng)；⑷上述設(shè)備間的連接管道、電纜、橋架及附屬的平臺、樓梯等BOP部分內(nèi)容。圖2單軸-多軸方案占地面積比較上述范圍統(tǒng)稱為機島范圍。為配合廠房內(nèi)的規(guī)劃和設(shè)計，業(yè)主會要求SEC/SIEMENS提供機島范圍的布置圖以方便其完成整體的規(guī)劃和布置。SIEMENS有成熟的F級燃氣輪機系統(tǒng)配置和方案，其配套的輔助系統(tǒng)和設(shè)備也基本固定,因此通常會提出如圖3所示的參考布置方案。圖3SIEMENS典型機島布置方案圖從汽輪機向發(fā)電機方向看，軸系布置依次為:凝汽器、汽輪機、發(fā)電機、燃氣輪機。軸系中心高5.5米兩側(cè)運行平臺高4.5米。在汽輪機兩側(cè)平臺下分別布置主汽門、中壓進氣門、凝汽器立管、疏水管道及中低壓旁路系統(tǒng)管道;在發(fā)電機兩側(cè)零米層分別布置氫、油、水系統(tǒng)及勵磁、SFC系統(tǒng);燃氣輪機罩殼外平臺下零米層則布置主潤滑油系統(tǒng);其中汽輪機和發(fā)電機之間通過3S離合器連接,實現(xiàn)汽輪機的并網(wǎng)和脫開。發(fā)電機和燃氣輪機通過中間軸實現(xiàn)剛性連接，進氣系統(tǒng)錐尾部分跨過中間軸，與燃氣輪機的壓氣機進口相連。整個軸系布置緊湊，總長約47.9米。各輔助系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計和供貨，大大簡化了現(xiàn)場的安裝工作。主廠房內(nèi)機島范圍兩側(cè)則分別為預(yù)留的檢修通道、全廠BOP部分設(shè)備如抽真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)等空間。機島范圍占地面積大約為25x52m,主廠房跨度大約為38x52m,高20.5m。主廠房旁布置有兩個3.6x12x6米的集裝箱，內(nèi)布置電氣盤柜。與GE及三菱公司的同等級燃機機島布置方案比較,SIEMENS采用其軸向排汽H-E型汽輪機，較向下排汽汽輪機的布置方案具有如下優(yōu)點：減少土建工程量由于汽輪機采用軸向排汽,導(dǎo)致整個軸系中心高度下降到5.5米降低運轉(zhuǎn)層高度至9米相對于GE公司和三菱公司的11.5米運轉(zhuǎn)層，不僅節(jié)省了運轉(zhuǎn)層的土建工程量,也降低了主廠房的高度，減少了主廠房鋼結(jié)構(gòu)量。采用發(fā)電機中置方式(燃機+發(fā)電機+3s離合器+汽輪機順序布置)，加強了聯(lián)合循環(huán)機組運行的靈活性相對于GE和三菱公司發(fā)電機尾置(即燃機+汽輪機+發(fā)電機)的布置方案，當(dāng)蒸汽輪機故障時,燃氣輪機可以帶部分負荷單獨運行，提高了機組的調(diào)峰能力;而尾置式方案,當(dāng)蒸汽輪機故障時,燃氣輪機不可能越過汽輪機驅(qū)動發(fā)電機運行，降低了機組運行的靈活性。另外，發(fā)電機中置的軸系布置方案，在機組啟動過程中，燃氣輪機帶部分負荷運行的同時，通過余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽對汽輪機及其管道進行預(yù)熱，可相應(yīng)縮短啟動時間。但增加了3S離合器，會導(dǎo)致軸系加長增加設(shè)備的投資費用;發(fā)電機中置，不利于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的檢修，需吊裝整個發(fā)電機，增加了行車容量。2.3SEC/SIEMENS燃機項目機島布置優(yōu)化到目前為止,SEC/SIEMENS承接的國內(nèi)F級燃機均為調(diào)峰機組，采用獨立廠房的單軸布置方案。由于主機設(shè)備如燃氣輪機、發(fā)電機、汽輪機均為SIEMENS或引進SIEMENS技術(shù)的產(chǎn)品,因此外型尺寸、性能特點均相似,軸線布置也沒有發(fā)生變化。鑒于國產(chǎn)化的進度不同，各項目輔助系統(tǒng)的布置略有差別。關(guān)于檢修用起吊設(shè)備在SIEMENS典型布置圖中，燃氣輪機壓氣機進口側(cè)和高壓汽輪機主汽門側(cè)各有一個檢修用單臂吊機，其設(shè)計起吊容量為2T,主要用于燃機罩殼內(nèi)設(shè)備、主汽門等設(shè)備的檢修。蕭山項目沿用此設(shè)計，保留了燃氣輪機壓氣機側(cè)吊機，而取消了汽輪機側(cè)吊機石洞口、鄭州、中原、廈門項目則考慮用主吊機代替單臂吊完成所有設(shè)備的起吊任務(wù)，取消了兩個單臂吊，簡化了機島平臺的設(shè)計。關(guān)于電氣、熱控盤柜在SIEMENS的典型方案中，其控制系統(tǒng)按照POWERCONTROLCENTER的概念進行供貨,即將電氣及儀表控制盤柜就近設(shè)備布置在廠房內(nèi)，控制信號通過電纜送至其模塊化的集裝箱式控制室內(nèi)。該控制室采取一機一控的模式，所有的控制系統(tǒng)板卡和電源柜均布置在一個大的集裝箱式房屋中，該控制室按照ISO相關(guān)規(guī)定，設(shè)置空調(diào)、通風(fēng)、消防系統(tǒng)，實現(xiàn)就地集中控制系統(tǒng)。而參照中國火電站相關(guān)設(shè)計規(guī)范和慣例，對于控制系統(tǒng),尤其是集中控制系統(tǒng)，一般采取兩機一控的模式，即兩臺機共用一個相對較大的控制間;對于電氣和儀控盤柜也習(xí)慣于集中在工作環(huán)境相對較好的房間內(nèi)，這樣盡管增加了建筑物和占地面積,但是對運行和操作人員提供了便利和舒適，同時也保護了板卡，有利于安全運行和提高壽命,并相對減少信號的干擾和設(shè)備的誤動?；谏鲜鏊悸?，石洞口項目中，把機島內(nèi)燃氣輪機和進氣系統(tǒng)之間的一片區(qū)域封閉，將熱控和電氣就地柜布置其中，并加裝空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng);在3臺余熱鍋爐后的空地上專門建設(shè)了一座集控樓，放置電氣、儀控的控制機柜，布置集中控制室、工程師站;蕭山項目則在2臺機組之間建設(shè)了一座集中控制樓,底層用于低壓MCC等布置，中間層放置電氣、儀控盤柜，頂層則用于集中控制室和工程師站;鄭州項目更是將生產(chǎn)和行政辦公樓連通，將集控室、電子間布置在行政辦公樓側(cè)，中間通過天橋與生產(chǎn)現(xiàn)場連通,以方便生產(chǎn)人員到達現(xiàn)場。綜合來看,3種布局模式各有優(yōu)缺點:石洞口項目的布局對現(xiàn)場盤柜相對集中布局，對現(xiàn)場控制系統(tǒng)進行了較好的防護，但是增加了電纜、橋架等費用，不夠經(jīng)濟;蕭山項目相對來說節(jié)省了總的電纜和橋架的費用，但是增加了檢修和運行人員到達現(xiàn)場的難度,對信號的查對和保護不利;鄭州項目的布置則不利于生產(chǎn)和管理，在辦公樓中監(jiān)測現(xiàn)場的狀態(tài)，一旦發(fā)生狀況,對日常管理勢必帶來影響。從便于生產(chǎn)和維護的角度出發(fā)，對SIEMENS的集裝箱式控制室進行就地改建,采取一機一控的模式,工程師站、打印等系統(tǒng)共用,更適合于燃機電廠自動化水平高、運行人員相對較少的運行特點，不必要采取火電站那種大屏幕、大集控室、多機組并列監(jiān)控等措施。⑶機島內(nèi)的消防布置按照IEC60028對于泄漏源的危險區(qū)域劃分等級相關(guān)規(guī)定，燃料氣模塊、潤滑油模塊及控制油模塊、氫氣系統(tǒng)均屬于危險區(qū)域，需采取防爆措施。因此如何合理布置上述模塊，需綜合考慮設(shè)備的安全性和系統(tǒng)的經(jīng)濟性。因此，把機島內(nèi)設(shè)備的消防要求分為普通消防和防爆兩種要求;對普通消防系統(tǒng),又分為燃機罩殼內(nèi)消防和機島消防兩部分,對危險源采用針對性的監(jiān)控和防范措施;而防爆措施則主要是通過布置安排，合理留出空間和采取通風(fēng)系統(tǒng)進行規(guī)避。如對于燃料氣模塊，按照IEC的規(guī)定，作為潛在的危險物泄漏源，其周圍3米范圍內(nèi)不得布置馬達、電機等可能導(dǎo)致火災(zāi)的設(shè)備。3H-E型汽輪機該汽輪機采用雙缸模塊化設(shè)計，采用H缸和E缸兩個模塊，因其結(jié)構(gòu)合理性、運行靈活及高效節(jié)能等突出優(yōu)點,在同類機組中具有世界先進水平。H缸采用內(nèi)外雙層缸設(shè)計，具有以下特點：外缸采用SIEMENS獨特的圓筒型設(shè)計，可減少運行中產(chǎn)生的應(yīng)力，加快啟動速度,提高設(shè)備壽命；高壓缸為切向進汽,可明顯減少蒸汽壓損，提高機組效率；內(nèi)缸具有中分面型，在運行中，整個內(nèi)缸均被高溫高壓蒸汽包圍，使中分面螺栓及缸體自身不受到高壓蒸汽張力;內(nèi)缸軸向定位外圓所受到的軸向力，通過結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計互相抵消而達到最小，從而實現(xiàn)內(nèi)缸的低應(yīng)力設(shè)計。E缸則采用中低壓合缸、軸向排汽的結(jié)構(gòu)形式。中壓部分采用內(nèi)外雙層缸設(shè)計，低壓部分則采用持環(huán)型式。流道采用中壓逆流、低壓順流的相反形式,以減小轉(zhuǎn)子軸向推力。E缸設(shè)計具有如下特點：采用軸向排汽，凝汽器布置在E缸的后端，汽輪機的出軸設(shè)在高壓缸的前端，從而使整個聯(lián)合循環(huán)機組呈單軸軸系,可以同層布置，減少了總的工程投資。外缸采用鑄鐵材料，降低了機組成本，提高了汽缸的剛度。末級葉片采用空心結(jié)構(gòu)，其空心腔室經(jīng)特別設(shè)計的通道與凝汽器相連，在靜葉頂部設(shè)置若干小孔，不但節(jié)省材料,還可提高除濕效果。盤車系統(tǒng)位于轉(zhuǎn)子末端，采用液壓馬達驅(qū)動，液壓馬達與轉(zhuǎn)子之間采用超越離合器連接，與轉(zhuǎn)子同軸，系統(tǒng)簡單合理，具有高機械效率、低油耗、大輸出扭矩、高可靠性等特點。4變頻啟動裝置(SFC)燃氣輪機啟動時，無需外接啟動設(shè)備，外接交流6KV電源,經(jīng)過變頻設(shè)備，改變交流電的頻率后，接入同軸的主發(fā)電機，將其作為同步電動機運行，驅(qū)動燃氣輪機轉(zhuǎn)動，完成燃氣輪機吹掃、點火、升速過程。待透平膨脹功大于壓氣機耗功，確保轉(zhuǎn)子繼續(xù)升速后，變頻啟動裝置即退出運行，發(fā)電機切換至正常工作狀態(tài)。采用變頻啟動系統(tǒng),不僅能簡化系統(tǒng)配置，同時能提高系統(tǒng)的自動化水平，縮短機組啟動及停止時間，大大提高機組的調(diào)峰能力。5一鍵啟?？刂普麄€聯(lián)合循環(huán)控制系統(tǒng)采用SIEMENS成熟可靠的TXP（現(xiàn)升級為T3000）系統(tǒng)，一體化的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計，使燃氣輪機機組的控制保護系統(tǒng)（TCS系統(tǒng)）與蒸汽系統(tǒng)（蒸汽輪機-余熱鍋爐即其他輔助系統(tǒng)）無縫結(jié)合，具有較高的自動化水平。從機組盤車至帶指定負荷的整個過程，均無需人工介入，只需在機組啟動時設(shè)定負荷即可，實現(xiàn)真正的一鍵啟動操作;在機組停機時也只需設(shè)置停機指令，機組即按照設(shè)定程序自行運行至盤車待用。6燃燒參數(shù)調(diào)整燃燒調(diào)整作為燃氣輪機核心技術(shù)之一，其難點在于控制對象的復(fù)雜性和對控制精度的要求。燃氣輪機內(nèi)燃料氣的燃燒模式可分為擴散燃燒和預(yù)混燃燒。擴散模式NOX排放指標(biāo)較高,但在低負荷下的燃燒穩(wěn)定性較好;預(yù)混模式NOX排放量小，但低負荷下燃燒穩(wěn)定性差。兩種燃燒模式之間的分配和切換是通過專門的擴散燃料閥、預(yù)混燃料閥及相關(guān)閥門的開度調(diào)整實現(xiàn)的。如何實現(xiàn)從點火到穩(wěn)定燃燒在穩(wěn)定燃燒過程中實現(xiàn)燃燒模式的切換，以及過程中的燃燒振蕩的防止，燃燒溫度的控制等，均需要熟悉掌握SIEMENS燃燒系統(tǒng)的設(shè)計及控制原理和豐富的現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗。而SIEMENS關(guān)于此部分的調(diào)試技術(shù)對上海電氣進行封鎖和保密，調(diào)試過程中，基本不讓中方人員參與和學(xué)習(xí),也不進行專門的培訓(xùn)和指導(dǎo)，導(dǎo)致目前我方人員尚無獨立調(diào)試的機會和能力。7單軸基礎(chǔ)設(shè)計和軸系計算由于在目前的燃氣輪機技術(shù)轉(zhuǎn)讓過程中，偏重于制造技術(shù)，對燃機整體的設(shè)計技術(shù)還沒有深入的了解,因此對機組運行過程中的轉(zhuǎn)動特性，如轉(zhuǎn)動慣量的精確核算、轉(zhuǎn)動過程中設(shè)備的振動振幅、頻率等，外方都不提供詳細的資料和參數(shù)，只提供基本的荷載分布圖,或者設(shè)計完成的樁位布置圖，無法進行基礎(chǔ)型式的選擇及相關(guān)地基處理方案的比選。如廈門燃機項目，廠址為一塊自然形成的土丘經(jīng)平整處理后的天然地基，地面承載力和其他相關(guān)特性較好，如果按照火電設(shè)計規(guī)范，設(shè)備基礎(chǔ)完全可不需打樁處理，但是SIEMENS針對該項目提供的荷載分布及基礎(chǔ)型式，采用的是其通用的設(shè)計，即樁基基礎(chǔ)。由于設(shè)計單位未能掌握其燃機對于基礎(chǔ)的具體要求和特性，導(dǎo)致不敢輕易更改其設(shè)計，最后只能按照打樁方案進行施工。也因為未掌握燃機的運動特性，在項目執(zhí)行過程中非常被動。如將聯(lián)合