中小型双燃料燃气轮机发展现状及应用前景分析

杨 强

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

双燃料燃气轮机是指利用双燃料燃烧技术，可同时使用液体/气体燃料的燃气轮机。通过在燃气轮机中实施双燃料燃烧技术，可以提高燃气轮机对燃料的适应性，拓宽燃气轮机应用领域。

燃气轮机产业作为高端装备制造业的代表产品，是一个涉及到国家能源的战略性产业，是能源动力装备领域的最高端产品。其技术难度大、投入经费多、研制周期长、经营风险高、高附加值的特点使之成为当之无愧的工业强国的象征。2017年，闻雪友等发表了《燃气轮机技术与发展》，系统性总结了燃气轮机的发展历程，并指出了今后燃气轮机的发展方向：1）提高工质温度及压力，进一步提高机组的功率、效率等技术指标；2）发展多燃料燃气轮机，适应燃料多样性的要求；3）改变基本热力循环，采用新工质，完善控制系统并优化总体性能[1]。由此可见，研发具有较好燃料适应性的高性能双燃料燃气轮机，拓展燃气轮机应用领域，已经成为燃气轮机新的发展方向之一。

本文意在通过对中小型燃气轮机应用现状进行总结，梳理中小型双燃料燃气轮机发展情况，指出现有燃气轮机技术水平下可拓展的应用范围，为设计研发、试验研究及工程使用提供技术支持。

1 现状与发展

根据文献查阅，国外对于中小型燃气轮机，现已发展成了以GE，Solar，Siemens等公司为主的中小型燃气轮机产品体系。这些公司基本代表了当今国际燃气轮机制造业的最高水平，其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或者购买制造技术生产[2]。

随着技术的发展，各公司在双燃料燃气轮机发展上也有着不同的特色，为更好了解当今中小型双燃料燃气轮机的发展水平，对有代表性的各国中小型双燃料燃气轮机进行发展现状梳理，并针对各燃气轮机制造商技术特点及现有产品进行整理与分析。

1）美国SOLAR公司

SOLAR公司1927年成立，1981年被卡特彼勒公司收购成为其全资子公司，20世纪60年代开始研制燃气轮机，目前可提供功率范围1～23 kW共11个型号的燃气轮机。除了mercury50以沼气及垃圾填埋气为燃料外，其余10种燃机目前均可提供双燃料系统[3–14]。根据使用方式不同，可选天然气/柴油/馏分油等燃料，现售双燃料燃气轮机如表1所示。

表 1 Solar公司双燃料机型表（发电型）Tab. 1 Solar company dual fuel model table

经过对文献的总结，Solar公司产品及相关技术的特点如下：

1）Solar公司产品线只关注中小型燃气轮机。从20世纪60年代发展至今，虽然功率及效率一直在增长，但其产品功率始终在30 MW级以下。

2）所有产品具有较强的产品生命力。伴随着技术的进步，Solar公司通过突破关键技术并及时改进原有机型，通过气动设计改进、贫燃预混燃烧等先进技术，使得老机组性能指标不断升级，其中Saturn20发布近60年，目前仍在出售。

图 1 Solar公司产品发展路线Fig. 1 Product development route of Solar company

3）对于干式低排放技术，20世纪80年代即开始了燃烧室干低排放技术研究。1992年推出首款So-LoNOx技术燃气轮机，1996年开展SoLoNOx技术从气体燃料向液体燃料的技术研发，目前可售10种双燃料燃气轮机NOx与CO排放均达到世界领先水平。图2为典型双燃料低排放燃烧室喷嘴结构图，图3为最新发布的Titan250燃气轮机燃烧室截面图。由图2可知，气体/液体燃料在空气旋流器后进行预混，进入燃烧室燃烧。为了精确控制主燃区内空燃比以达到降低主燃区温度的需求，通过燃气轮机出口T5控制燃烧室内可变空气调门（见图3），保证燃气轮机在部分负荷时即拥有较好的排放特性。同时对于主燃区温度较低可能导致的燃烧室熄火，通过增加值班路在保证燃烧室低负荷下的燃烧稳定性。

图 2 Solar公司低排放双燃料喷嘴Fig. 2 Solar low emission dual-fuel nozzle

图 3 Titan130燃烧室Fig. 3 Titan130 combustion chamber

2）美国GE公司

作为世界第一大能源公司，美国GE公司燃气轮机目前拥有34～557 MW的全系列产品线。2015年，GE收购ALSTOM公司能源业务，并将GT26，GT36燃气轮机产品及人员、技术等于2016年剥离后出售给意大利Ansaldo公司。现GE公司在售燃气轮机产品线中，40 MW以下双燃料燃气轮机只有LM2500及TM2500两个型号。其两型产品原型机为TF-39涡轮风扇发动机。1987年GE推出了LM2500，1997年LM2500+进入市场，2006年LM2500已经发展至第4代（LM2500+G4），是目前实际上最成功的30 MW级燃气轮机[15–17]。同时，GE公司利用LM2500+原型机推出了TM2500车载式移动电站（见图3），可在短时间内完成电力供应，并可应用多种燃料，具有较强的燃料适应性。现阶段，GE公司可销售的中小型双燃料燃气轮机如表2所示。

表 2 GE公司双燃料主要机型表（发电型）Tab. 2 GE company dual fuel model table

目前，LM2500系列燃气轮机可使用合成气、高炉煤气、沼气等多种燃料。对于双燃料燃烧室，典型结构如图4所示[18–20]，GE公司双燃料喷嘴采用了双环形反向旋流器，气体燃料通过外旋流器出口边缘的小孔喷出与空气混合，掺混段内工质被加速以防止出现回火现象。液体燃料则通过燃油椎体的喷嘴喷向燃烧室，且液体燃料喷嘴出口边缘位于双燃料喷嘴空气流道内，以防止喷嘴因燃气燃烧时辐射温度过高损坏喷嘴（见图5）。目前，通过模化设计，GE公司双燃料DLE燃烧室已应用在LM2500燃气轮机及LM6000燃气轮机上。

3）德国SIEMENS公司

SIEMENS公司于2001年收购阿尔斯通工业涡轮业务，2014年收购Rolls-Royce航改型燃气轮机和压缩机业务。西门子现阶段已经拥有4～567 MW共20个型号的燃气轮机[21]。目前中小型双燃料燃气轮机在售型号中，主要包含其原有的SGT100-800系列7型燃气轮机及收购Rolls-Royce引进的A65（即原trent60）、A35（即原RB211）、A05（即原501-K）三型燃气轮机，并与2017年推出A45型燃气轮机用于移动电站。目前，其中小型双燃料燃气轮机在售机型如表3所示。

图 4 TM2500 燃气轮机Fig. 4 TM2500 gas turbine

图 5 LM2500+G4燃气轮机喷嘴Fig. 5 LM2500+G4 gas turbine nozzle

表 3 Siemens公司双燃料主要机型表（发电型）Tab. 3 Siemens company dual fuel model table

对于双燃料燃烧室，已经历了4代发展[22–27]，其最新的第4代干低排放燃烧室结构图如图6所示，现已应用在SGH-750型燃气轮机上[21,28–33]。其采用分管式结构，值班路在使用气体燃料时用于点火及稳定火焰，使用液体燃料时只用于点火。燃料路被旋流器隔板分成一、二两路进入燃烧室燃烧，并在图中灰色区域内形成回流区，最终掺混后通过过渡段进入涡轮做功。火焰筒采用双层冷却结构，燃烧室排放NOx数值在9～15 ppm之间，代表了市场现在售双燃料燃气轮机的最高水平。

图 6 SGH-750燃气轮机喷嘴Fig. 6 SGH-750 gas turbine nozzle

4）乌克兰zorya-mashproekt公司

乌克兰Zorya-mashproekt公司成立于1946年，作为苏联时期其境内唯一一家燃气轮机大型生产企业，60多年来，已经成功研发出4代燃气轮机交付客户使用。至2014年，已经交付4 100台燃气轮机用于舰船/工业用途，总功率达5 000万千瓦。目前，Zorya-mashproekt公司在售中小型双燃料燃气轮机为UGT15000/UGT 16000/UGT25000共3种型号。其具体功率及热效率如表4所示，UGT15000双燃料机组外形如图7所示。

表 4 Zorya-mashproekt公司双燃料主要机型表（发电型）Tab. 4 Zorya-mashproekt company dual fuel gas turbine table

作为舰船燃气轮机主要供应商，Zorya-mashproekt公司双燃料燃气轮机其燃烧室采用环管型结构，尽管其重量较重，但在维护性上却有着一定优势。经与乌方技术人员交流，UGT16000为首代双燃料机组，采用环管式结构，后期开发的UGT15000/25000采用回流环管式结构。其中双燃料喷嘴燃油油路采用离心式喷嘴，天然气燃料由通过同轴的环状喷口喷至燃烧室燃烧。由于在设计时未考虑排放控制，排放指标普遍较高；以UGT25000为例，在使用天然气燃料时，其NOx排放达300 ppmvd。

图 7 UGT15000燃气轮机Fig. 7 UGT15000 gas turbine

5）日本MHPS公司

2013年，三菱公司完成了对普惠中小型燃气轮机部门的收购；2014年，原三菱和日立公司合并火电事业部，成立三菱日立电力系统株式会社（Mitsubishi Hitachi Power Systems）。现燃气轮机产品线拥有28～470 MW多型燃气轮机。目前市场在售中小型双燃料燃气轮机为两型，即原日立公司的H25与原PW公司的FT8。其具体参数如表5所示。

表 5 MHPS公司双燃料主要机型表（发电型）Tab. 5 MHPS company dual fuel model table

6）中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司

中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司（GH Turbine）成立于2013年，由中国船舶重工集团公司、黑龙江省及哈尔滨市人民政府、中国船舶重工集团公司第七〇三研究所共同投入建设。作为国内中小型燃气轮机研发的团队，前期已国产化GT25000燃气轮机，并装备我国海军，解决了我国海军当前急需的动力需求。在此基础上，又成功研制了天然气燃料低排放燃气轮机CGT25-DA，该型燃气轮机现已成功应用在我国西气东输天然气长输管道燃驱压缩机组工程中。目前，其首台套25 MW双燃料燃气轮机已经完成整机试验考核，标志着国产中小型双燃料燃气轮机已经逐步开展工程应用。

25 MW双燃料燃气轮机燃烧室为回流环管形结构，包含16个火焰筒。火焰筒头部两侧设有联焰管，火焰筒筒壁采用气膜冷却。每个火焰筒上装有一个双燃料喷嘴。喷嘴利用旋流器使火焰筒头部产生的旋流和主燃孔射流共同作用，形成中心回流区用以稳定火焰。燃气燃烧后通过火焰筒后部掺混孔掺混后进入涡轮做功。含有单个火焰筒的燃烧室结构与喷嘴外形如图8所示。

图 8 龙江广瀚25 MW双燃料燃气轮机燃烧室与喷嘴Fig. 8 25 MW dual fuel gas turbine combustor and nozzle of CSIC

通过以上分析可知，中小型双燃料燃气轮机生产厂家已经形成了高度垄断的态势。GE，SIEMENS，MHPS三家公司通过收购并购途径，已经基本完成了从小型至重型燃气轮机产品线布局。通过合并重组，吸收原ABB/Alstom/P&W/Westinghouse的研发经验，因体量优势在市场上占据份额最大。Solar公司通过对中小型燃气轮机专业细分，在中小型燃气轮机驱动/发电领域优势明显。乌克兰Zorya-mashproekt公司以舰船燃气轮机为基础，其产品具有一定的特色。龙江广瀚燃气轮机有限公司作为国内首家双燃料燃气轮机研发生产厂家，市场前景较好，但工程应用仍处于起步阶段。

2 使用状况及分析

目前，双燃料燃气轮机由于具有燃料多样、用水少、安装周期短、开停灵活、自动化程度高、运行平稳、可靠性高、寿命长等优点，在工业中作为机械驱动具有明显的优势，因此它在各行业中有着广泛的应用。根据文献整理，目前中小型双燃料燃气轮机可以使用的方式主要可以分为5类。

2.1 海上平台/FPSO/FLNG

目前，海洋石油油气开发平台/浮动生产采油船（FPSO）/浮动天然气液化装置（FLNG）所采用燃气透平主电站定位于10～30 MW的功率等级机组，尤其对10 MW级别的燃气轮机有着丰富的应用。对于海上采油气平台电力系统，双燃料燃气轮机有着极强的优势[34]：1）由于其远离陆地的独立性和特殊性，海上平台电力系统所选用发电机要求具有较强的励磁能力和过载能力；2）发电驱动设备需利用海上采油气平台生产的天然气或分离出的伴生气作为燃气轮机发电的主消耗能源，同时又需考虑平台建设初期及特殊情况下的紧急燃料替换；3）由于海上平台建设成本较高，功率密度大的发动机可以极大提高投资的经济性，回报率较高，故在国内外现有海上平台/FPSO/FLNG上，绝大多数大功率主发电机均选用双燃料燃气轮机作为驱动设备发电[35–38]。以现有中海油为例，截至2016年底，其海上平台及处理厂共有各型燃气轮机机组174台套，其中80%以上均为双燃料机组。

2.2 车载移动电站

燃气轮机可移动电站使用已超过60余年的历史，根据文献，20世纪50年代燃气轮机车载电站（见图9）已投入使用[39]。燃气轮机车载移动电站相对其他类型移动电站，其主要有以下优点：1）不需要循环水或循环水量极少，电站系统中只有润滑设备需要冷却，且可用风冷等形式减少水的应用，相比其他类型优势明显；2）功率密度相比往复机优势明显，可在有限体积内提供更多的出力，便于运输；3）燃料适应性较好，可燃用多种气体/液体燃料；4）自动化程度高，操作人员较少。

图 9 Clark兄弟公司车载燃气轮机电站Fig. 9 Clark brothers railway gas turbine power station

随着技术的发展，车载移动电站也朝着大功率、陆海空快速机动部署、模块化快速发展。目前，中小型燃气轮机移动电站主要包括SOLAR公司的TITAN130车载电站、SIEMENS公司的A45车载电站、GE基于LM2500+开发的TM2500车载移动电站、MHPS基于P&W FT8燃气轮机开发的FT8MOBILEPAC车载移动电站，其所搭载燃气轮机也全部具备双燃料能力，并且部分机组在长可靠性、低排放上有较强的优势见表6。

2.3 联合循环/分布式能源

对于联合循环电站与分布式能源，其燃料的选用主要是基于经济性、安全性、可靠性的考虑，燃料的来源、供应量、质量直接影响着燃气轮机装置的运行。较好的燃料特性可以有效改善机组运行性能和降低维护成本。同时，双燃料燃气轮机的使用，可有效利用中低热值气体燃料、低品质液体燃料，并可同时使用高品质燃料作为调峰或应急使用，在保证安全性、可靠性的基础上，有效提高了联合循环的适应性及经济性，具有较强的现实意义。目前，联合循环机组应用已经相当普遍，在国外已有大量的应用案例。

表 6 主要厂家移动电站参数Tab. 6 The parameters of mobile power station of major manufacturer

2.4 舰船/冶金石化/管道输运

双燃料燃气轮机对比单燃料燃气轮机，主要区别在于拥有2套不同的燃料系统，并对燃烧室进行重新设计，使其能够适应不同燃料的燃烧需求；压气机、涡轮及相关系统可沿用原有单燃料燃气轮机系统，对比而言，双燃料燃气轮机对比单燃料情况下设备投资增加额占比并不大。且燃气轮机系统出力、效率等并不会因为燃料变化发生而引起明显的变化[43]，故各行业均可在适当增加小部分投资的基础上，由原来单燃料燃气轮机投资计划更改为双燃料燃气轮机，获得更好的经济效益。传统领域中舰船动力、冶金石化、管道输送等行业也已经有部分案例使用双燃料燃气轮机作为发电或机械驱动的原动机。

2.5 LNG船/FPSO/FLNG

根据相关资料，目前现有LNG船动力装置主要还是以蒸汽动力、柴油机动力为主，且基本完成了从蒸汽动力至柴油机动力的过渡[44]。由于LNG船的特殊性，需要将蒸发气BOG作为燃料，并同时使用重油/柴油作为备用燃料[45]。随着天然气在世界一次能源消耗中占比越来越大，LNG运输船在造船工业中所占据份额也越来越大，目前LNG船等整体发展趋势也朝着大型化、电气化发展[46–47]，各专家学者也对此进行了大量的研究论证工作[48–50]，燃气轮机驱动、联合循环、电力推进几种未来LNG船主动力装置也都表明中小型双燃料燃气轮机已经成为了下一代LNG船的主要动力装置。

除了上文所叙述的双燃料燃气轮机优点之外，在LNG船上使用时，作为主驱动装置占用体积小，船舶装载量提升巨大；作为联合循环主装置使用时，可拥有极强的能源利用率，经济效益好；作为电力推进用时，较小的体积可灵活布置，且小岛运行在陆上已经有成熟的运行方式，在技术层面上已经不存在相关屏障[51–52]。目前，大连船舶重工和劳氏船级社已对LNG船COCES动力系统研发进行相关合作，卡塔尔天然气公司也已指定其作为下一代LNG船优先选用推进系统。

3 结 语

中小型双燃料燃气轮机作为燃气轮机细分领域，应用极为广泛。随着国内经济的持续发展，国防、电力、石化等领域对于中小型双燃料燃气轮机的需求也在持续扩大。随着“两机专项”项目的启动，相关专业发展迅速。截至目前，我国中小型双燃料燃气轮机已经突破了从无到有的阶段，但在双燃料喷嘴设计、燃料混烧、低排放、吹扫冷却方面，国内燃气轮机生产厂商还处于摸索阶段。作为高端装备，其核心技术始终牢牢把握在少数国家手内，坚持自主创新掌握核心技术推进产业技术进步，仍然是我国燃气轮机科技界和产业界的共同任务。