西门子SGT-8000H燃气轮机技术特点及联合循环应用介绍

戴云飞，刘 可

(上海申能临港燃气轮机发电有限公司，上海 201306)

1 西门子H级燃气轮机研发过程简介

2000年10月，西门子公司首次提出H级燃气轮机的研发计划［1］，2007年4月在柏林工厂完成了首台SGT5-8000H型燃气轮机原型机组装，并于2007年12月至2009年8月在德国巴伐利亚州Irsching 4电站成功完成全部燃气轮机单循环验证性试验项目，随后进入单轴联合循环安装和调试，最终于2011年7月完成整台联合循环调试，这标志着世界首台H级燃气-蒸汽联合循环机组进入商业运行阶段。H级燃气轮机是西门子综合了原V94.3A系列燃气轮机和原西屋W系列燃气轮机的成熟技术而创新研发的第一个系列产品，创造了单轴联合循环ISO工况净出力578 MW和净效率60.75%的世界纪录。

继西门子公司完成50 Hz产品SGT5-8000H型燃气轮机的设计、制造和验证性试验后，通过相似理论和模化设计的思路，按照1∶1.2模化系数开发了适用于60 Hz市场的SGT6-8000H型燃气轮机，使西门子H级燃气轮机涵盖了50 Hz和60 Hz产品。H级燃气轮机主要技术指标见表1。

表1 西门子H级燃气轮机主要技术指标

本文从设计特点、操作灵活性和联合循环配置三方面对H级燃气轮机进行详细介绍。

2 H级燃气轮机主要结构介绍

H级燃气轮机是西门子公司为了满足用户对效率、出力、运行灵活性和可靠性等日益增长的需求而研发的产品，本节从转子结构、压气机、燃烧器、透平四个方面对燃气轮机结构进行介绍。图1为西门子SGT5-8000H燃气轮机结构图。

图1 西门子SGT5-8000H燃气轮机结构图

2.1 转子结构

H级燃气轮机延用西门子V系列燃气轮机转子设计理念，通过中心拉杆把端面带Hirth齿的压气机动叶轮盘、中空轮盘和透平动叶轮盘拉紧而成，该设计能够确保转子在所有运行工况下的整体刚性、扭矩传递和热膨胀三者互不干扰。采用此设计的近800台西门子燃气轮机已累计了近1 650万当量运行小时数验证。

2.2 压气机

H级燃气轮机的压气机是在原西屋W501F型燃气轮机压气机设计的基础上改进而得，共13级，具有大压缩比、大空气流量、高效率等特点。压气机前几级叶片采用可控扩压叶型(CDA)设计，其它压缩级叶片采用高性能叶型(HPV)设计。由于压气机采用进口导叶加前三级静叶可调设计，其空气流量调节范围增大为50% ～100%，而F级燃气轮机的流量调节范围约为70% ～100%，因此H级燃气轮机部分负荷性能较F级燃气轮机有所提高。压气机所有13级静叶分装在4个不同的静叶持环上，这样无须起吊转子就能实现静叶更换。

2.3 燃烧器［3］

H级燃气轮机的燃烧器是在原西屋W501F型燃气轮机的环管型燃烧器基础上开发而成的，西门子称之为平台燃烧系统(Platform Combustion System，简称PCS)(见图2)，环管型燃烧器在 W501F上累计运行了800万小时，与环形燃烧室相比具有更高的可靠性和运行灵活性。50 Hz和60 Hz燃气轮机采用同样尺寸的燃烧器，由于50 Hz燃气轮机尺寸是60 Hz燃气轮机尺寸的1.2倍，因此50 Hz燃气轮机使用了16个燃烧器，而60 Hz燃气轮机只使用了12个燃烧器。

图2 H级PCS燃烧器及火焰筒设计简图

PCS燃烧器采用的是分级燃烧的设计理念，分为A、B、C、D级以及先导值班级。其中，A和B级为主燃烧级，各由4个带旋流的预混燃烧器组成，其分布如图3所示。C级燃烧器位于导流衬套内，在主燃烧器和值班燃烧器空气气流上游。D级燃烧器是先导预混燃烧级，以调整燃烧动态特性为目的。先导值班级采用扩散燃烧方式，以调整燃烧动态特性和污染物排放为目的。

图3 A、B级燃烧器分布示意图

在50%～100%负荷段，燃料控制系统在原来的预设控制参数基础上增加了在线燃烧参数自动调整系统，使PCS燃烧器通过分级燃烧技术实现对燃烧特性和NOx排放的动态控制。按照机组性能设计要求，天然气须被加热到215℃。

2.4 透平

H级燃气轮机透平采用4级动静叶设计。在透平叶片的冷却设计上摒弃了原西屋W501G型燃气轮机采用的蒸汽、空气组合冷却技术，采用前三级叶片全空冷，第四级叶片无冷却的方案，提高了机组操作灵活性并缩短启动时间。透平四级叶片的叶型设计仍采用全三维设计技术，第四级动叶叶顶采用了围带，提高了每级叶片的级效率和透平整体效率。叶片材料上第一、二级叶片采用定向结晶材料和改进型隔热涂层技术。四级静叶全部装在一个静叶持环上，这样无须起吊转子就能实现静叶更换;第一级动、静叶可以通过燃烧室来拆装而无须起吊透平外缸，这种设计大大缩短了燃气轮机检修时间。

3 机组运行灵活性

西门子H级燃气轮机在设计时充分考虑了用户对快速启停、负荷快速变化、燃料灵活性和环保等方面的要求，本节从负荷变化率、负荷变化范围、FACYTM技术和燃料灵活性四个方面进行介绍。

3.1 启动时间和升负荷速率

以50 Hz机组为例，正常的升负荷速率为15 MW/min，燃气轮机从并网到满负荷375 MW仅需25 min。如电网急需负荷，可以选择快速升负荷模式，其速率为35 MW/min，单循环仅须10 min就能从并网升至350 MW。在联合循环启动工况下，升负荷速率受汽轮机冷、热态工况影响而不同。热态工况下，升负荷速率大于25 MW/min，机组在30 min以内就能将负荷升至500 MW以上，具备快速响应电网负荷需求的能力，见图4。

3.2 负荷调节范围

由于压气机采用了Turndown技术(即降低联合循环最低负荷技术)和进口可调导叶加前三级静叶可调设计，联合循环负荷调节范围可以扩大到50% ～100%，并且部分负荷效率和污染物排放仍然能维持在较优的水平。

3.3 FACYTM技术的应用［5］

FACYTM就是FAst CYcling的缩写，是西门子为满足机组快速启动需求而开发的技术，其核心内容是:通过对汽轮机应力控制、蒸汽旁路控制、凝结水精处理系统、高压蒸汽减温器、燃气轮机升负荷速率等方面进行优化，在热态启动时，如果中压转子计算金属温度大于350℃，且蒸汽温度上升速率满足要求，锅炉产生的新蒸汽可以用来驱动汽轮机;并且汽轮机进汽冲转升负荷时，燃气轮机可以同步升负荷。FACYTM技术的应用可以充分利用锅炉产生的新蒸汽，并且能节约启动时间。试验证明采用该技术后，可以在30 min以内实现从点火到联合循环满负荷［4］，见图4。

图4 FACYTM技术原理图

3.4 燃料灵活性和排放控制技术

PCS燃烧器可以燃烧天然气和液体燃料。H级燃气轮机透平进口燃气温度为1 427℃，比F级燃气轮机提高约200℃，但是在50% ～100%的负荷范围内NOx排放最高不超过25×10-6、CO不超过10×10-6。这主要得益于采用分级燃烧技术的燃烧器、主燃烧器之间和导流衬套内空气分布优化、过渡段密封优化以及冷却密封空气耗量节省等系列改进。

4 西门子H级燃气轮机在联合循环电站中的应用

目前世界上H级燃气轮机联合循环布置方式大多为单轴、“2拖1”或者“3拖1”的方式，见表2［2］。

表2 H级燃气轮机联合循环配置方案

本节以SGT5-8000H为例，简述联合循环的配置。由于ISO工况下，H级燃气轮机的排气温度高达627℃，因此与之配套的余热锅炉为采用西门子BensonTM炉专利技术的三压再热锅炉，其中高压为直流锅炉，中低压为汽包炉，蒸汽参数为高压17 MPa/600 ℃，中压3.5 MPa/600 ℃，低压0.5 MPa/300℃。为了匹配蒸汽参数的提高，西门子在余热锅炉中采用了大量百万机组才使用的先进高温材料;另外，西门子对余热锅炉模块和管道进行了优化设计，使得水蒸汽流动压力损失减少。蒸汽轮机选用的是西门子SST5-5000型，该汽轮机为高中压合缸反流布置，低压缸为双流对称布置，该型号蒸汽轮机经设计改进可以满足快速启停和快速变负荷的要求。发电机组型号为西门子SGen-3000 W(THDF)，其定子线圈直接水内冷，转子线圈为直接轴向氢内冷的冷却方式。

5 结语

西门子H级燃气轮机及其联合循环额定出力和效率的提升首先得益于压气机压比、压气机流量、燃烧温度、热部件材料和隔热涂层技术的提升，其次得益于采用本森技术的余热锅炉蒸汽参数的提高。在实际运行中，使用FACYTM技术可以使机组以最短的时间进入联合循环，另外采用天然气性能加热器以及进口可调导叶加三级可调静叶设计，都对机组实际运行效率的提升有帮助。

随着天然气价格的上涨，选用清洁高效的H级燃气轮机是未来中国燃气-蒸汽联合循环电站的发展趋势，用户在进行联合循环布置方式选型时要综合考虑运行方式(调峰还是基荷，是否供热等)、厂区面积、建设周期和投资成本等因素。

［1］Fischer.J W H-Class High Performance Siemens Gas Turbine，Power-Gen International-Las Vegas，Nevada 2011:3-7.

［2］Sfar K.Update on Siemens 8000H CCPP Technology and Operational Experience.Bangkok，PowerGen Asia，2012:8-18.

［3］Huth.M Design of Combustion system on SGT5-8000H and First Experiences in the Irsching Power Plant.Powertech，2009:43-44.

［4］Pickard A Meinecke G The Future role of Fossil Power Generation，2011:17.

［5］Balling L.Fast cycling and rapid start-up new generation of plants achieves impressive results.Modern Power Systems，2011:3-5.