SGT800工业燃气轮机技术及市场分析

2019-10-28魏佳明周灵敏余沛坰李祎曼谢健闫志勇何成杭州汽轮动力集团有限公司

航空动力 2019年5期

■ 魏佳明周灵敏余沛坰李祎曼谢健闫志勇何成/杭州汽轮动力集团有限公司

德国西门子公司的SGT800工业燃气轮机广泛用于简单循环、联合循环和热电联产等领域，截至目前已有超过325台套机组销往世界各地。2017年，西门子公司与杭州汽轮机股份有限公司签订了SGT800技术转移协议，这次技术转移使得SGT800燃气轮机在中国市场的前景有了更多的期待。

德国西门子公司的SGT800工业燃气轮机（见图1）的前身为GTX100燃气轮机，是瑞士ABB公司为了补充功率等级产品目录而研制的40MW级工业燃气轮机，GTX100从1994年开始研制，1997年完成第一台产品。1999年，ABB公司将燃气轮机业务整体转让给了法国阿尔斯通公司。2004年，阿尔斯通公司又将小型工业燃气轮机业务出售给了德国西门子公司，GTX100燃气轮机更名为SGT800。2003年，SGT800简单循环机组的输出功率提升至45MW，与此同时，基于经验和已经获得认可的设计方案，西门子公司逐步对SGT800进行改进和开发，以追求更高的功率和可靠性。2010年，德国西门子公司宣布将SGT800升级到50.5MW。2017年，SGT800功率输出升级到57MW。

图1 西门子公司的SGT800燃气轮机总体结构

SGT800结构和性能特点

SGT800燃气轮机的转子结构为单轴，由15级轴流式压气机和3级轴流式涡轮组成。

SGT800的压气机是采用最新空气动力学设计的跨声速结构，受控扩散叶型（CDA），压比为20∶1，前3级采用了可变导流叶片设计，设置放气孔来确保机组在不同负荷范围和环境工况下能够稳定运行。为使叶尖漏气降至最低，使用了可磨蚀密封材料。

SGT800的燃烧室结构配有30个第三代干式低排放（DLE）双燃料燃烧器，在50%～100%负载水平时，其排放性能为NOx体积分数≤15×10-6（使用柴油燃料时NOx体积分数≤25×10-6～42×10-6）和CO体积分数≤5×10-6，无须注水或者蒸汽[1]。

SGT800的涡轮通过先进的空气动力学设计和基于3D分析的通流部分优化设计，使得转子叶尖间隙最小。涡轮前2级叶片的冷却设计沿用西门子先进的冷却技术，且第一级转子叶片采用了单晶材料，以确保耐久性和长寿命。涡轮静子采用压气机空气进行冷却，以减小间隙，改善效率。

SGT800转子结构、压气机结构、燃烧室结构及涡轮结构如图2所示。

SGT800不仅具备非常高的简单循环效率，而且由于出口扩压器的排气温度较高，尤为适合联合循环和热电联产。在联合循环下，SGT800与可利用废气热量的余热锅炉（HRSG）一起组合使用，由双压的余热锅炉向蒸汽轮机供汽。对于较大的功率，可安排2台SGT800，每台燃气轮机均连接一台余热锅炉，为一个公用的蒸汽轮机供汽。简单循环和联合循环性能参数如表1所示。

图2 SGT800燃气轮机各部位结构特点

同等功率等级燃气轮机对比

目前，主流的50MW级燃气轮机除了SGT800以外还有2款机型，分别是三菱日立电力系统株式会社的H25和美国GE航空集团的6F.01。三菱日立在为GE航空集团多年代加工和制造实践的基础上，独立开发了高效率燃气轮机H25[2]，其初始输出功率为28MW，之后陆续升级到32MW、35MW和42MW。GE航空集团的50MW级的6F.01则传承了GE航空集团的F级燃气轮机技术。现就SGT800、H25和6F.01机组总体结构、性能参数、热部件材料和运行维护进行对比。

总体结构

3款燃气轮机的总体结构都是水平中分式缸体，单轴式结构，轴向排气，冷端驱动，两轴承设计，H25和6F.01的总体结构如图3和图4所示。3款燃气轮机结构的区别具体如表2所示。

图4 GE航空集团的6F.01燃气轮机结构

性能参数

3款燃气轮机性能参数如表3所示，其排气温度高于500℃，燃气轮机简单循环和联合循环效率也很高，3款燃气轮机都适合联合循环发电和热电联产，但SGT800简单循环和联合循环的效率都是最高的，6F.01次之，H25相对最低，较高的燃气轮机循环效率可以有效降低发电燃料成本，更具有市场竞争力。

表2 3款燃气轮机总体结构对比

表3 3款燃气轮机性能参数对比

表4 3款燃气轮机部件材料对比

热部件材料

3款燃气轮机涡轮静叶都采用等轴晶材料，其中SGT800和6F.01静叶材料采用镍基高温合金，而H25采用钴基合金，静叶材料的持久强度大小为：IN792＞IN939＞GTD111＞GTD222＞FSX-414。

SGT800和6F.01的第一级转子叶片都采用单晶材料，H25使用定向结晶材料。转子叶片材料的持久强度大小为：单晶（CMSX4）＞定向(GTD111/RMO2B）＞GTD111＞IN738。由于SGT800和6F.01涡轮入口初温更高，因此SGT800和6F.01使用的静子、转子叶片材料性能也相对更好。表4为3款燃气轮机部件材料对比。

图 5 SGT800工业燃气轮机应用行业

机组运行维护

燃气轮机的运行维护一般包括燃烧室检修、热通道检修和大修3个阶段，3款燃气轮机的运行维护时间如表5所示，其中检修周期时间为等效运行时间，燃料为天然气。SGT800燃烧室检修间隔时间相对另外两款燃气轮机增加了1倍，达到30000h，这也体现出了环形燃烧室后期运行维护的优势。

表5 3款燃气轮机运行维护时间对比

SGT800工业燃气轮机的市场

西门子公司的SGT800被广泛应用于石油与天然气、工业发电以及电力生产等领域，如图5所示。

在全球范围来看，SGT800遍布欧洲、美洲、亚洲、大洋洲。截至目前已有超过325台套机组销往世界各地，累计等效运行时间超过700多万小时。而在亚太地区，SGT800的业绩最为突出，有超过100台SGT800的用户位于亚太地区。其中泰国成为最大市场，有超过70台SGT800在泰国服役。2015年8月，泰国TPS公司与西门子公司签署了18台SGT800的购买及长期服务协议，其中6台额定功率为53MW，12台额定功率为50.5MW。这18台燃气轮机被用于9座燃气蒸汽联合循环热电联产电厂中。

SGT800进入中国市场的时间相对较晚。2016年2月，西门子在中国获得了首份4台SGT800订单，用于山西国新能源在保德和昔阳的分布式能源项目。2017年8月，西门子公司与杭州汽轮机股份有限公司签订了SGT800技术转移协议，这次技术转移使得SGT800燃气轮机在中国市场的前景更为光明。