论提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平

第一篇：论提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平

论提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平

论文作者：糜洪元

发表时间： 2004年11月29日

摘要：在形成自立开发能力,发展我国燃气轮机产业中,要努力提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平。结合我国实际情况提出对高温部件材料,重大部件设计制造,总能系统优化,维修技术,运行管理等方面的分析意见。

关键词：燃气轮机；急切核心技术；高温部件材料；设计制造；总能系统；运行维修管理

现代燃气轮机发电技术已进入一个高度发展的时代。各种机型及其组成的各种总能系统，以其高效的性能指标，在发电领域广泛应用。在我国，随着经济的高速发展，以及能源结构的调整和电力市场的需求，发展燃气轮机技术已成十分急切的论题。在国家大力支持下，沿着统一组织国内市场资源，集中招标，引进技术，形成自主开发能力的道路来发展我国燃气轮机产业，我们正在迈出重要的一步。

研究发展燃气轮机发电的技术路线和重要环节，显示出燃气轮机基多项高新技术于一体。燃气轮机是一种多学科交叉的综合性技术，其核心技术应包括燃气轮机重大部件的设计，制造，以及总体成套和运行管理的技术。包括高温热通道部件的材料，制造工艺，涂层保护技术，高转速机械复杂结构的组合，总能系统的优化技术，控制和信息技术，以及运行管理应用技术。

本文对各关键技术进行认真分析，为提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平提出建设性意见。

1.燃气轮机高温部件的材料

透平前燃气的进口温度早期仅600-700°C，现在一般水平都超过1100°C，有些已投入商业运行的机组透平进口温度达到1288°C，高的甚至达1430°C或1500°C。由于燃气轮机初温提高，简单循环热效率已由早期的16%-25%，提高到36%，有的更达38%-39.5%。透平初温的提高主要依靠燃气轮机高温部件(涡轮，喷咀，动叶)的材料，最早一般使用GJ450，V500，In738合金材料，现发展到合金金相结构控制的材料，出现了同向结晶或定向结晶的GTD111,DS GTD111，最新的机组已使用单晶工艺。金属材料的进步还表现在涂层的应用上。涂层减轻了腐蚀和氧化，使用寿命增长了10-20倍，早期有铂铝(Pt AL)涂层，后来发展等离子保护GT-29和GT-29 IN-PLUS TM等，先进材料和涂层的应用使透平前燃气进口温度提高150-200°C左右。

高温材料学科既有其丰富的理论，又必须通过大量的实验研究分析。所以燃气轮机热部件材料开发是一个不断实验研究的过程。从选择一两个具有开发潜力的材料开始，开展大量的材料性能实验，进行长期的蠕变实验或进行拉伸，断裂，高温疲劳，低温疲劳，热疲劳，刚性，抗腐蚀/氧化性，加工性能/样品的处理和全部物理性能的种种测试工作，在实验室实验的基础上再进行实物实验，例如透平转子实物挂片实验，燃烧室实验等等。美国GE公司单材料性能实验就用20多年时间，化费1000多万美元，积累大量数据并建成数据库。GE以彩虹(Rain bow)定名开展大规模实物实验课题，对50多种不同材料进行优化筛选。

我国高温材料研究有较好的基础，也有一些成果，与国外最新技术相比的差距主要是母合金性能和冶炼铸造技术上的差距。我国有条件选定一，二种自行开发的母合金或依靠国外引进一，二种母合金开展深入的研究工作。在真空冶炼技术方面，我国尚缺乏大容量的真空冶炼，精铸设备。建议有计划地引进一些先进的定向结晶和单晶炉，争取以较短的时间为新型燃气轮机提供最高水平的高温材料。

2.燃气轮机重大部件的设计，制造

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。在燃气轮机的设计，开发，制造方面，堪称力量雄厚，水平高，规模大。例如GE公司的格林威尔工厂拥有12.1万m2的制造车间，拥有7个热态试车台(其中4个试车台可以试F级燃气轮机)和15个总装配台位。GE公司的研究开发中心有高温材料，陶瓷材料和涂层，流体力学实验，冷却，传热实验，低NOx燃烧器实验等各种实验室。GE公司还以其动力，航空和研发三个部门紧密合作，在国际上无可争辩地占有领先地位。

值得注意的是四大燃气轮机制造厂商之中，三菱重工80年代中期才完全进入自主开发阶段，可以说是最年轻的成员。三菱重工60年代初生产几种功率较小的燃气轮机，后来引进美国西屋公司制造技术，这段时间与我国燃气轮机制造业的水平差距不大，但是三菱与西屋分手后，仅经过一二十年的时间成为独立研究，开发和制造技术的世界重型燃气轮机主要制造厂商，三菱重工引进技术，消化吸收到创新的经验是值得我们借鉴的。

我国自五六十年代开始引进燃气轮机发电机组，先后测绘仿制或自行设计制造过多种机型，70年代后期到80年代按国家川沪输气管线计划，曾投资建成南京汽轮电机厂的燃气轮机制造车间和实验研究基地，自行设计17.8MW燃气轮机，单机功率40MW,效率31.8%。除此之外，我国还有上汽，哈汽，东汽以及多家研究院，所，高等院校开展燃气轮机的设计制造和实验研究工作，取得不少科研成果，形成我国燃气轮机开发基础。特别是航空和造船部门的一批制造厂和科研院所在实验研究设备和型号开发等方面都已初具规模。航空部和美国普惠公司合作开发FT-8燃气轮机功率25MW，效率38.7%,我国负责制造低压压气机,动力涡轮,燃烧室,气缸成套件等,约占整机工作量的30%。我国有近十家制造厂受GE,西门子等国外公司委托生产E型或F型的叶片，喷咀，燃烧室，隔板，机壳，有的厂家年产量达40台套。机械系统的企业通过八五，九五改造，拥有大型制造厂房，大型数控加工设备和精密测试仪器。我国生产大型燃气轮机的能力缺口不大。

我国要从目前能生产中小型燃气轮机的水平，形成自主开发能力，生产高性能的大型燃气轮机，在设计，制造方面主要应该从以下方面来提高能力。

(1)在部件机加工方面要加强的是冷却叶片，喷咀加工的特种工艺技术；

(2)大型转子组装必须具有恒温或可控温度分布的转子装配坑；

(3)进一步充实多级模型压气机实验台和建设大功率驱动的整台压气轮实验台；

(4)开展空冷和蒸汽冷却的透平实验；

(5)开展低NOx燃烧室的实验研究；

(6)要建成大型燃气轮机整机试车台，并能提供液体，气体多种燃料燃烧实验。

我国现有研究院所和高等院校拥有的一批气动实验室，燃气轮机部套实验台，应该充分发挥其作用，规划和委托研究课题。在燃气轮机技术的开发过程中，必须循序渐进，一方面依靠必要的技术引进，消化，吸收；另一方面要开展型号机的开发实验，试制和生产规模可逐步扩大，但起点要高。

3.燃气轮机总能系统优化技术

燃气轮机利用燃烧产生的燃气直接做功,完成布雷顿(Bragton)循环，不同于常规蒸汽轮机由燃烧加热产生蒸汽,蒸汽做功的朗肯(Rankine)循环。蒸汽循环参数的提高受到限制,蒸汽轮机发电效率也受限制。燃气轮机可提高燃气初温来提高效率，因此燃气轮机就有效率高，重量轻，结构紧凑，以及机动灵活等一系列优点而广为人们重视。但当燃气轮机与蒸汽轮机组成联合循环后，高品位和低品位的能量得到充分利用，因而大大提高了循环的热效率，这才形成了总能系统的概况。

总能系统还应涉及到热力循环优化的各个方面。例如Alstom公司的GT26型燃气轮机采用分段燃烧的技术，是燃气轮机简单循环热力优化的典型例子，显然能提高循环热效率，是具有发展前途的技术。燃气-蒸汽联合循环由单压发展到双压，三压，再热，同样使热力循环优化，提高总能系统热效率。燃气轮机总能系统的优化还有很多方面，有待于我们开发，研究。

美国能源部ATS(先进燃气轮机系统)计划(1992-2000年)，开发具有里程碑的机组MS9001H和MS7001H，燃气-蒸汽联合循环效率接近60%，这是总能系统发展的标志性水平。ATS项目完成后，美国能源部又立即开始FY2001-2008NGGT(下一代燃气轮机)计划，和Vision21规划，提出简单循环效率至少为47%，联合循环效率达到70%。美国能源部的能源规划已包括新一代采用燃料电池联合循环的总能系统。例如美国国家能源技术实验室在30MW-150MW中等功率级燃气轮机方面提出一些新的有用的设计方案，称为CHAT电厂，其中以GE6B系列为核心机的CHAT电厂功率94MW，热效率可达52.3%,方案采用双级间冷的压气机,湿空气一级透平和二次燃烧的低压膨胀透平，以及优化的余热回收锅炉等。可见美国能源部新的能源规划正在偏重于总能系统这一方向。

从能源的有效利用方面出发，我国在发展先进燃气轮机的同时，必须重视总能系统的开发和研究，而且可以认为这一方面更加重要，更加迫切，会更快取得成效。

4.燃气轮机的维修技术

发展燃气轮机发电应该是与掌握燃气轮机的维修技术紧紧同步的。燃气轮机热通道部件使用高温优质合金，又有抗高温氧化，腐蚀的涂层，部件有复杂结构，要求精密加工制造，国内燃机电厂大部分采用进口部件。而这些部件的修复回用更有其技术上的独特性，对高温高应力下长期工作产生的裂纹，形变和腐蚀，损坏，金属材料的金相结构的变化等要经修复回用，是一门高水平的专门技术。

国外燃气轮机电厂的维修一般都与维修公司签订长期维修合同。维修公司负责制定和实施维修计划周期检查(大修，热通道检查和燃烧室检查)，长期维修合同是维修专业化的一个方向。专业的维修公司可集中人力和维修装备等方面优势，对各燃气轮机电厂进行维修服务，使维修工作更规范化。电厂则可把注意力集中在运行生产上，这更有利于规范电厂维修市场。

向电厂提供的维修服务可以由维修专业队伍，也可由设备制造商及其下属的或委托授权的维修中心。维修专业队伍可以提供长年运行更换部件，及时提供备品备件，现在更普遍建立计算机网络联系的远程监测。据介绍，优质，及时的服务，使客户少买大量备用部件，及时的维修大大减少了停机处理时间。

我国燃气轮机电厂还正在酝酿维修合同的路子，主要问题是对合同双方约定的责任范围内容，以及合同价格等方面没有明确的规范。另外燃气轮机电厂期望有国内的维修公司，能提供有效，及时的服务。但国内尚缺乏足够规模的用户可信赖的维修队伍。

我们建议筹建国内维修基地可通过新建电厂设备引进同时引进维修设备和技术，但维修基地的机制最终应与电厂脱离，独立经营。维修基地可依靠国内维修公司与国外有实力的维修公司合资的方式，引进外资和国外维修技术，并得到国际上的资格认可。

5.运行管理信息技术

利用运行管理信息对电厂进行指导管理，北美电力可靠性中心(NERC)的北美发电可用性数据系统(GADS)最具有代表性。据介绍，北美及周边的12个国家参加这数据库，并分享信息管理指导。数据库对燃煤机组，核电，燃气轮机，喷气发动机，柴油机，水电，泵站，联合循环，地热发电机组，热电联供，多炉多机的电厂共11种不同类型的装置的各种运行数据进行详细的分类。对不同的燃料，运行的负荷条件，机组运行小时数，机组的供应厂商，用户所在地区等多种因素都一一进行分类，收集的信息和数据包括机组维修的周期，零部件的损坏情况，出现故障的记录，等效可用率，强迫停机率等等。一年内，进入GADS的信息可达到50万条。一旦某电厂机组要求数据库提供咨询，数据库会选出不少于7台的同类机组进行对比分析，立即提供指导性的咨询意见。北美数据库20多年的运行经验以及高水平的软件，硬件技术，可以使运行管理信息处理及时，可靠，可发挥强有力的指导作用。

我国对常规火力发电，水力发电的可靠性统计已有二十年的历史，对燃气轮机和燃气-蒸汽联合循环至今仍是空白。我国尚未建立发电可靠性数据库。为了提高运行管理水平，我们急待建立全国性的可用性数据库。我们建议现阶段可参于或部分参于如北美发电可用性数据系统，既有责任承担义务，又有权利分享数据库的咨询指导。虽然我们要付出一定的入门费或缴纳必要的费用，电厂的得益以及我国发电技术水平的提高应该是益大于支出的。以上是作为提高我国燃气轮机发电整体水平的几点意见和建议，只是初步的，尚有待进一步探讨，仅供大家参考。

(本文作者：糜洪元 中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会,广东 深圳 518052)

第二篇：技术创新能力快速提高 我国发电设备制造企业地位劲升

技术创新能力快速提高 我国发电设备制造企业地位劲升

根据相关统计数据，我国近9亿千瓦的电力装机，有80%以上为国产机组。而在国际市场，中国制造的发电设备也越来越受青睐。

国内发电设备在国际市场上的竞争力如何？《中国发电设备制造业国际竞争力调查与评价》课题组公布的结果显示，国产发电设备已经具备较强的自主创新能力，在国际市场上的地位也不断提升。该报告认为，通过自主开发、技术引进、消化吸收再创新，我国发电设备制造企业掌握了世界先进技术，并根据国情加以融合和创新，形成了具有中国特色并符合中国国情的发电设备制造技术优势。其中，煤电和水电机组技术与国外先进水平相当，有些技术还优于国外。

事实也证明了上述判断。在火电机组方面，我国目前已具备了批量生产60万、100万千瓦级超临界火电机组的能力，后者的单位煤耗仅为276克，比国际通用设计值少2克，达到世界先进水平。在水电机组方面，以三峡为代表的国产70万千瓦水电机组顺利投运，标志着我国水电机组制造水平迈入世界先进行列，结束了依赖进口的历史。

中国机械工业联合会重大技术装备办公室顾问孙凤鸣表示，三峡工程的32台机组，我国自主设计、制造的机组有16台，机组最高效率达95%以上，高于进口机组2个百分点，同时也将具有自主知识产权的全空冷和蒸发冷却技术创造性地应用到水电机组上，使我国大型水电机组新型冷却技术的创新走在世界的前列。

此外，经过技术改造，我国发电设备制造企业的加工装备已达到世界领先水平。例如，在加工装备方面，已具有大型重型加工中心、大型重型数控机床等世界先进设备；在试验装备方面，已具有3000吨推力轴承试验台、高能水力试验台、大型蒸发冷却试验台、空气冷却试验台等世界先进试验设备。