GE-LM2500+G4航改燃氣輪機在艦船和工業(yè)上的應(yīng)用

PAGEPAGE10GER-4250（09/05）GE公司LM2500+G4航改式燃氣輪機在艦船和工業(yè)上的應(yīng)用作者：GilbertH.BadeerLMTM產(chǎn)品銷售部部長工業(yè)用航改式燃氣輪機目錄摘要 3引言 3類型 3燃氣輪機設(shè)計的改進 5可靠性、可利用性和可維修性的趨勢分析 5燃料和燃燒室靈活性 6性能 7工廠驗證試驗 9用戶利益 9總結(jié) 10摘要GE公司能源和航空發(fā)動機事業(yè)部持續(xù)改進運行經(jīng)驗豐富、技術(shù)先進的航改式燃氣輪機LM2500，現(xiàn)在非常自豪的宣布其第四代升級版LM2500+G4。在功率為20至35MW的燃氣輪機中，GE公司研發(fā)的燃氣輪機功率最大、效率最高。這就意味著用戶的運營成本大大降低而收益增加。航改式燃氣輪機由于其設(shè)計遺傳性，具有某些特征使其最終用戶的運營成本顯著降低。本文對GE公司最新的LM2500系列航改式燃氣輪機（ISO軸端輸出功率34.3MW，效率41.3%）進行全面描述。從本文可以看出，由于其繼承了LM2500系列燃氣輪機的高可靠性和可用性，使用該型燃氣輪機的用戶可以獲得更大的經(jīng)濟效益。LM2500+G4的研究資金來源于航空發(fā)動機研發(fā)基金，在過去十年里每年使用資金超過10億美元。今天，GE能源的整個燃氣輪機產(chǎn)品生產(chǎn)線仍然受益于該穩(wěn)定的研發(fā)基金。不斷引入的先進技術(shù)使GE燃氣輪機用戶獲得的利益持續(xù)提高。引言GE公司的工業(yè)用航改式燃氣輪機事業(yè)部總部設(shè)在俄亥俄州的辛辛那提市，生產(chǎn)制造工業(yè)和艦船用航改式燃氣輪機。GE能源和油氣事業(yè)部負責(zé)LMTM燃氣輪機系列產(chǎn)品（包括LM1600、LM2000、LM2500、LM2500+、LM6000TM和LMS100eq\o\ac(○,R)）這些燃氣輪機的使用方式有單循環(huán)、熱電聯(lián)供、聯(lián)合循環(huán)或機械驅(qū)動方式，如圖1所示。圖1工業(yè)用航改式燃氣輪機的應(yīng)用方式類型GE公司航改式LM2500工業(yè)有兩種類型，如下：燃氣輪機，包括燃氣發(fā)生器和動力渦輪，如圖2所示燃氣發(fā)生器，可以與OEM-supplied動力渦輪配套圖2LM2500+DLE燃氣輪機w/6級動力渦輪GE的LM2500+G4型燃氣輪機有兩種動力渦輪：六級低速型，名義轉(zhuǎn)速3600rpm；二級高速動力渦輪（HSPT）。高速動力渦輪的設(shè)計轉(zhuǎn)速為6100rpm，運行轉(zhuǎn)速3050~6400rpm。其用于機械驅(qū)動和其他要求連續(xù)軸端輸入轉(zhuǎn)速為6400rpm的用途。對于機械驅(qū)動用途來說，六級和二級動力渦輪均產(chǎn)生立方載荷曲線（overacubicloadcurve）。GE還具有各種on-engine排放控制技術(shù)：簡單環(huán)形燃燒室（SAC）w/水噴射SACw/蒸汽噴射干燥低排放（DLE）燃燒室LM2500+G4型燃氣輪機的歷史沿革L(fēng)M2500/+燃氣輪機35年的發(fā)展史和現(xiàn)在LM2500+G4型燃氣輪機如圖3所示。功率在20~35MW的航改式燃氣輪機中沒有一種具有LM2500型燃氣輪機總計3.29億小時的運行經(jīng)驗，且其在工業(yè)上仍在廣泛應(yīng)用。LM2500型燃氣輪機是航改式燃氣輪機中無可爭辯的領(lǐng)導(dǎo)者。圖3LM2500+G4型燃氣輪機的歷史沿革母型航空發(fā)動機及其工業(yè)和艦船用航改式燃氣輪機的累積運行經(jīng)驗如圖4所示。圖4截止2005年2月的運行經(jīng)驗燃氣輪機設(shè)計的改進LM2500+G4型燃氣輪機是LM2500+的改進型，其增加高壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪的流速。壓比從LM2500+的23.6提高到LM2500+G4的24.2。對較小葉片和靜葉的型線設(shè)計進行了調(diào)整，使其能夠滿足氣流增加的要求。HPT調(diào)整包括較小葉片冷卻系統(tǒng)的改進和經(jīng)過最近航空技術(shù)驗證的材料的升級，從而提高了機組的進氣溫度，也就降低了用戶的成本。為了維持轉(zhuǎn)子推力平衡，調(diào)整了壓氣機排壓氣封的有效面積。在結(jié)構(gòu)上，所有的框架（比如前端、壓氣機后端、渦輪中部和渦輪后部框架）都為改變。同樣，高壓壓氣機前后氣缸也沒有變化。油箱硬件和主軸軸承數(shù)量也沒變。這些都是借鑒了LM2500+的成功經(jīng)驗。對于用作DLE的燃氣輪機，對燃燒室進行了升級，即采用無翼B環(huán)隔熱罩，去除后A和C環(huán)隔熱罩，并采用螺栓固定隔熱罩，方便更換，因此，減少了燃燒室的總維修時間。由于變化有限，LM2500+系列燃氣輪機成功的運行經(jīng)驗將證實LM2500+G4將具有同樣的效率、可靠性、可利用性、排放和檢修間隔?？煽啃?、可利用性和可維修性的趨勢分析LM2500+G4型燃氣輪機是在LM2500/+的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有很好的可靠性。LM2500+G4采用了先用了很多經(jīng)過驗證的先進技術(shù)，并且其大部分零件與LM2500/+具有通用性，因此其具有與LM2500/+同樣的優(yōu)異可靠性。LM2500/+系列燃氣輪機的可靠性、可利用性和可維修性（RAM）持續(xù)改進。從表5可以看出，LM2500/+系列燃氣輪機的RAM由于其他公司生產(chǎn)的航改式燃氣輪機（20~40MW）。GE公司不斷對其產(chǎn)品進行改進，采取各種措施減少不必要的錯誤?；据d荷/連續(xù)載荷下簡單燃氣輪機的可靠性和可利用性*平均可靠性，%平均可利用性，%發(fā)動機報告數(shù)量LM2500/+系列燃氣輪機98.6295.8469其他公司的工業(yè)燃氣輪機（20~40MW）95.1392.4433圖5簡單循環(huán)燃氣輪機的可靠性和可利用性*來源：ORAPeq\o\ac(○,R)；所有版權(quán)歸GE改進SPSeq\o\ac(○,R)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)所有。數(shù)據(jù)收集時間截止2005年3月。排放技術(shù)LM2500+G4將會具有與目前LM2500/+產(chǎn)品一樣的排放能力，包括：SAC干天然氣或液體w/無NOx消除SAC天然氣w/水或蒸汽下降至25ppmvNOx（15%O2條件下）SAC天然氣w/水或蒸汽下降至42ppmvNOx（15%O2條件下）僅DLE天然氣下降至25ppmvNOx（15%O2條件下）雙重燃料（DF），DLE液體和氣體分別下降至100ppmvNOx和25ppmvNOx（15%O2條件下）經(jīng)驗證的極熱和冷條件下的DLE能力（運行數(shù)據(jù)為-45.6℃，起始數(shù)據(jù)為-40℃）全負荷下降/接受能力（SAC和DLE）SAC和DLE燃料性能變化靈活對于從起始到最大功率的全功率范圍，通過傾斜的、預(yù)先混合的、分段的燃燒室進行干的低排放注意：LM2500DFDLE技術(shù)已經(jīng)發(fā)放給客戶，計劃2006年中期投產(chǎn)2臺。首臺剛剛完成產(chǎn)品試驗，證實功率、熱耗率、排放和燃料轉(zhuǎn)換運行非常成功。燃料和燃燒室靈活性LM2500+G4基于LM6000航空發(fā)動機15ppmvNOx）和LM2500/+技術(shù)。LM2500+G4采用單個簡單環(huán)形燃燒筒，燃料靈活性同LM2500/+，能夠采用多種燃料，比如：天然氣合成氣和中間BTU氣（mediumBTUgas）液態(tài)燃料雙重燃料（天然氣或液體燃料）兩種燃料（天然氣和液體燃料）水或蒸汽噴射，消除NOxDLE用途的燃料包括：僅天然氣DLE雙重燃料DLE性能與LM2500/+相比，基本載荷功率的改進是LM2500+G4可以在很寬的環(huán)境條件范圍內(nèi)運行。尤其是在非ISO條件下，比如冷天和熱天，LM2500+G4的功率可以分別提高11和12%，如圖6所示。同樣，在聯(lián)合循環(huán)機組中，期望LM2500+G4的功率提高8.5%，熱耗率提高0.75%。圖6LM2500+和LM2500+G4基本載荷功率比較LM2500+G4（六級動力渦輪或二級動力渦輪）的功率和熱耗率分別如圖7和圖8所示，排氣流量和排氣溫度分別如圖9和圖10所示。圖7LM2500+G4SAC干功率與進氣溫度的關(guān)系圖8LM2500+G4SAC干熱耗率與進氣溫度的關(guān)系圖9LM2500+G4基本載荷下的排氣流量圖10LM2500+G4基本載荷下的排氣溫度LM2500+G4的未加熱恢復(fù)蒸汽發(fā)生器的鍋爐蒸汽產(chǎn)量如圖11所示。蒸汽流量條件為SA/水基本載荷輸出（25ppmNOx條件下），4-和10-in天然氣燃料損失。圖11未加熱恢復(fù)蒸汽產(chǎn)量二級動力渦輪的機械驅(qū)動部分功率如圖12所示。圖12LM2500+G4SACHSPT部分載荷功率工廠驗證試驗計劃2005年3Q在俄亥俄州辛辛那提市裝配首臺機組，在2006年1Q完成驗證試驗。試驗范圍包括燃氣發(fā)生器和帶六級動力渦輪的燃氣輪機。二級高速動力渦輪將于2006年4Q在公司的油和氣工廠（位于意大利的馬薩）進行試驗。試驗將驗證機組滿足所有設(shè)計要求。用戶利益LM2500+G4保持了LM2500/+系列產(chǎn)品的所有優(yōu)勢，并且具有更高的輸出功率、可靠性和更低的安裝成本。用作DLE的LM2500+G4雖然提高的輸出功率但其排放水平仍維持在25ppm。在20~40MW功率范圍內(nèi)，LM2500系列產(chǎn)品的可靠性和可利用性高出其他工業(yè)航改式燃氣輪機3%（如圖5所示）?？衫眯缘奶岣呖梢詾橛脩魩砀嗟恼羝?0%功率的提高在維持現(xiàn)有LM2500+燃氣輪機優(yōu)勢的同時，還具有以下優(yōu)勢：在石油和天然氣開采行業(yè)，通常產(chǎn)油量與機組功率正比。比如，一個安裝42000SHP燃氣輪機的油田每天產(chǎn)80000桶原油，效率提高10%就意味著每天增加4萬美元銷售收入（假設(shè)每桶原油50美元）。在發(fā)電行業(yè)，功率提高3MW意味著每年增加14.4萬美元的收入（假設(shè)每小時每MW收入6美元，一年工作8000小時）。在熱電聯(lián)供機組中，蒸汽（600psig，750°F）產(chǎn)量為46t/h，比LM2500+增加17%?？偨Y(jié)GE公司在技術(shù)研發(fā)方面的持續(xù)投資使其LM2500系列燃氣輪機在技術(shù)、性能、運行靈活性和用戶增值等方面保持領(lǐng)先地位。LM2500+G4繼承了LM2500系列產(chǎn)