国内重型燃气轮机辅助系统的发展现状

2021-08-04范雪飞王思远刘传亮朱志劼

发电设备 2021年3期

范雪飞，王思远，刘传亮，朱志劼，徐前

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

燃气轮机在20世纪50年代开始用于发电技术，到20世纪80年代后发展迅速，并且技术日趋成熟。美国、欧洲、日本等投入大量研究经费，开发出一批大功率、高效率、低排放的燃气轮机。从2002年起，我国实施以市场换技术的措施，通过打捆招标，引进国外F级重型燃气轮机技术。哈尔滨电气集团与通用电气合作，引进PG9351型燃气轮机技术；东方电气集团与三菱合作，引进M701F型燃气轮机技术；上海电气集团与西门子合作，引进V94.3A型燃气轮机技术[1-2]。随着我国能源结构的调整和工业水平的进步，燃气轮机在发电领域发挥日益重要的作用。

“十三五”期间我国已全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项，推动重型燃气轮机产品研制。在《电力发展“十三五”规划(2016—2020年)》中，提出“十三五”期间天然气发电装机容量增加5 000万kW，天然气发电总装机容量达到1.1亿kW以上，占全国发电总装机容量的5%以上[3]。燃气轮机发电在我国具有良好的发展前景，发展重型燃气轮机技术成为我国电力装备制造业的重要任务。

辅助系统是重型燃气轮机的重要组成部分，直接关系到重型燃气轮机的安全、高效、可靠运行，提高其设计制造水平是实现重型燃气轮机设计制造自主化的重要环节之一。笔者结合燃气轮机供应商、辅助系统供应商及燃气轮机电厂的调研情况，介绍国内重型燃气轮机辅助系统发展概况，对国内辅助系统的设计技术、产业链情况和存在的问题等方面展开分析，提出对策和建议，以期对国内重型燃气轮机辅助系统产业发展起到一定的促进作用。

1 辅助系统概况

1.1 总体配置

为保证燃气轮机长期稳定高效运行，根据燃料特性、控制要求、本体结构特点等，通常会配置多个辅助系统，每个系统又由多个设备和部件组成。各燃气轮机制造商在辅助系统配置上基本相近，但由于设计思想不同，在设计上也存在一些差异。国内引进的F级重型燃气轮机辅助系统典型配置情况(以天然气为燃料、采用DLN燃烧室为例)见表1[4](“√”表示机组配置该系统)。

表1 引进的重型燃气轮机辅助系统配置

1.2 各系统作用

F级燃气轮机发电机组配置的辅助系统一般包括燃料系统、油系统、进气系统、罩壳通风系统、消防系统、压气机水洗系统、排气系统、启动系统等。实际工程应用中，各制造商对辅助系统的命名略有差异，一般以实现的功能和用途加以区分。主要系统的作用具体如下：

(1)燃料系统的作用是向燃气轮机燃烧室提供适量的、符合压力和温度要求的燃料，实现对燃料进行过滤、计量、加热和流量调节等功能，满足燃气轮机在启动、加速及加载的运行过程中对燃料的不同要求。

(2)油系统一般由润滑油系统和液压油系统组成，用于向燃气轮机提供合适的润滑油，以满足燃气轮机在正常工作时润滑、冷却及控制调节所需的油。

(3)进气系统的作用是导入并过滤进入燃气轮机的空气，以提供符合质量要求的洁净空气；同时，进气系统通过设置消声器，降低压气机入口的噪声，满足国家相关环保要求。

(4)罩壳通风系统的作用是为燃气轮机提供相应的保护性措施，包括隔音降噪、强制通风、散热、照明等，避免燃气轮机运行过程中产生大量的废热、噪声及可燃性气体泄漏，满足文明安全生产的要求。

(5)消防系统是集火灾探测报警系统、灭火剂储存容器组件系统、管网系统、喷射系统、控制器系统等为一体的能自动探测并实施灭火的装置。

(6)压气机水洗系统的作用是清洗压气机在长期运行过程中叶片表面产生的积垢和积盐，防止因积垢导致的燃气轮机出力下降和热耗增加等问题，保证机组的运行性能。

(7)启动系统的作用是为燃气轮机的启动提供必要的外界动力，以保证机组能够从静态逐渐过渡到自持状态。

(8)排气系统主要作用是将高温排气平稳地输送至排气烟囱或余热锅炉，使阻力尽可能小，同时提供噪声保护，为测温、测压提供接口，并消除热膨胀对设备的外力。

国内燃气轮机电厂还会根据实际工程需要配置仪表空气系统、空气干燥系统等其他辅助系统，以满足燃气轮机本体要求。为有效缩短设计、安装和调试周期，便于设备维护，各辅助系统多采用模块化设计；但是燃气轮机制造商也会根据燃气轮机的运行需要，配置特殊辅助系统，如三菱的燃烧室旁通系统、西门子的空气干燥系统等。

2 辅助系统设计技术

国内辅助系统设计技术，随三大动力集团(哈尔滨电气集团、东方电气集团和上海电气集团)燃气轮机主机设备打捆招标一同引进，实质分别源于通用电气、三菱和西门子。三大动力集团基于不同的设计理念和设计体系，同一个辅助系统可能采用不同的设计方案，具有不同的技术特点。三大动力集团通过十余年的技术消化吸收，沿袭了相关技术特点。

国内对重型燃气轮机辅助系统的设计研究资料相对较少，相关研究多侧重于系统介绍、设备应用、系统优化运行等方面。丁哲等[5]对西门子SGT5-4000F型燃气轮机辅助系统进行了浅析；张楹等[6]对SGT5-4000F型燃气轮机进气系统进行了简介；杨小军等[7]对燃料系统管路过滤器结构进行了优化设计；张钦[8]提出了F级燃气轮机的新型罩壳设计方案；高振锡等[9]对燃气轮机消防系统设计进行了探讨；王欢[10]对辅机控制系统进行了设计研究；韩玉鑫[11]介绍了辅机设备控制逻辑与监视功能优化情况；黄文辉[12]介绍了变频技术在燃气轮机辅助系统上的应用；徐文文[13]分析了油系统清洁度对燃气轮机运行的影响；陈栋[14]对燃气轮机及其辅助系统的日常维护标准化管理进行了探讨。但是，国内尚未形成完整的辅助系统自主设计体系。

目前，国内基本掌握了引进型F级重型燃气轮机辅助系统的集成设计技术，具备了开展自主化辅助系统正向设计体系建设的基础，应利用设计标准、设计工具和设计准则等方面的现有基础和条件，建立并完善正向设计流程。

2.1 设计标准

重型燃气轮机辅助系统设计标准，涉及国家标准、国际标准、行业标准及企业标准规范，包括GB、ISO、IEC、ASME、ASTM、API、EN、DIN、JIS、DL等不同体系的燃气轮机相关标准。在国家标准方面，由于国内重型燃气轮机以引进、合作开发为主，在很长一段时间内主要按照重型燃气轮机出口国的标准[15]。在行业标准方面，多侧重于燃气轮机电厂设计，如DL/T 5174—2003 《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》等标准的制定不以辅助系统设计制造为目的。在企业标准规范方面，通用电气、三菱、西门子等对设计技术实施保护，所提供的企业标准更多集中在设备采购、加工、制造、产品验收等方面，涉及设计标准和设计准则的企业标准则较少，三大动力集团基于知识产权保护等原因，彼此不公开设计标准和设计准则。

近年来，国内制定和修订的重型燃气轮机标准有：GB/T 38179—2019 《燃气轮机应用用于发电设备的要求》、GB/T 15135—2018 《燃气轮机词汇》、GB/T 15736—2016 《燃气轮机辅助设备通用技术要求》、GB/T 14100—2016 《燃气轮机验收试验》、GB/T 32821—2016 《燃气轮机应用安全》、GB/T 14099—2010 《燃气轮机采购》等。其中，GB/T 38179—2019使用翻译法等同采用ISO 19859:2016Gasturbineapplications—Requirementsforpowergeneration；GB/T 32821—2016使用翻译法等同采用ISO 21789:2009Gasturbineapplications—Safety；GB/T 15736—2016在1995版标准的9E、6B机型基础上，增加了9F级各种机型的辅助设备技术标准，并对相关设备系统的内容进行了补充修定；GB/T 14099—2010明确了采购方提供向制造商采购燃气轮机装置包括联合循环机组和辅助设备时所需的技术资料。相关标准多侧重于术语定义、系统介绍和基本技术要求，与辅助系统相关性有限，深度尚不足以指导辅助系统自主化设计和制造。

2016年底，ISO 16890：2016已生效并全面实施，替代了使用多年的EN 779：2012Particulateairfiltersforgeneralventilation—Determinationofthefiltrationperformance。2018年全面废止EN 779：2012[16]。但是，目前国内仍有项目采用EN 779：2012中F9等级进气过滤精度，一定程度上反映了国内燃气轮机辅助系统相关标准的不完善性和滞后性。

国内燃气轮机辅助系统设计类标准的数量较少，现行标准主要以航空行业标准和机械行业标准为主，对重型燃气轮机辅助系统适用性不强。燃气轮机标准体系的建设，已经引起燃气轮机行业的关注和重视。由于ISO 19859、ISO 3977、ASME B16.5、ASME B31.3、API 616、API 614等ISO、ASME、API系列标准实用性强、可操作性好，对燃气轮机辅助系统的设计、制造、研制等过程具有较好的指导意义，在燃气轮机辅助系统标准体系建设中，可考虑结合国内实际情况充分借鉴或等同采用部分标准条款，加快国内重型燃气辅助系统相关标准的制定。

2.2 设计工具

辅助系统设计工具软件具有涉及面广、专业性强、实现途径多等特点。常用的设计软件主要涉及二维工程制图、三维建模、结构强度分析、流场仿真分析、管路应力分析、压力容器设计、换热器计算、物性查询等。二维工程制图软件以AutoCAD、中望CAD为主；三维建模软件以Unigraphics NX、Pro/Engineer、SolidWorks为主；结构强度分析软件有ANSYS、RISA-3D、MADIS、SATWE等；流场分析软件有ANSYS CFX、ANSYS Fluent、Star CCM+等；管道应力计算软件可采用CAESAR II；换热器计算软件可采用HTRI；压力容器计算软件可采用SW6；物性查询软件可采用NIST。

受设计体系、设计习惯和软件成本等因素影响，为实现同一设计目的，各厂商所采用的设计软件工具差异较大，具有较大的选择空间。为充分压缩设计周期，实现高效便捷设计，越来越多的专业软件在辅助系统设计过程中得到应用，如Star CCM+、中望CAD、SW6等。同时，部分厂商结合设计需要，自主开发了一定数量的辅助设计软件，但此类软件基本不对外公开，通用性较弱，实际应用范围小。

2.3 正向设计流程

通过广泛调研，结合实际设计经验，梳理形成的辅助系统正向设计流程见图1。

在初步设计阶段，基于燃气轮机本体对辅助系统的功能需求和设计输入条件，结合设计和工程经验，按照相关标准和规范，开展辅助系统总体方案设计，进行系统功能分解，初步确定系统组成和流程，完成系统图、布置图初步设计，完成主要设备、仪表等初步设计选型，对强度、流动等参数进行初步分析计算，形成初步设计图纸和技术文件，评审通过后进入详细设计阶段。

在详细设计阶段，需要更新详细设计边界条件，明确系统详细技术参数指标，优化和明确总体详细方案，对P&ID图、布置图、结构图等进行详细设计，完成系统内全部设备详细设计选型，开展结构强度计算、流动分析等，编制详细的设备材料清单、电负荷清单、仪表清单、接口清单等清单类文件，形成详细设计图纸和技术文件，通过详细设计评审后，可结合具体项目背景条件形成辅助系统采购技术规范。

此后，辅助系统供应商可在此基础上完成具体项目的工程深化设计，进而完成辅助系统制造和集成，编制和提供有关安装、调试和运行维护等技术文件。

3 辅助系统产业链

辅助系统产品质量的优劣直接关系到燃气轮机运行的经济性和可靠性，电厂用户通常将辅助系统与燃气轮机本体一起捆绑招标，由燃气轮机供应商统一供货，燃气轮机供应商再将相应辅助系统分解到对应的辅助系统供应商进行供货。国内燃气轮机辅助系统的典型供货模式见图2。

随着F级燃气轮机技术的引进，相应辅助系统采购规范转移到三大动力集团。三大动力集团继承了技术转让方(通用电气、三菱、西门子)的供货模式，沿用了国外厂商的成熟做法，提出采购要求并委托辅助系统供应商进行设计选型、制造和集成供货。通常，三大动力集团提供采购技术规范、明确技术要求，辅助系统供应商负责深化设计、制造和系统集成。

引进初期，辅助系统供应商主要是国外燃气轮机制造厂指定的国外供应商，随着消化吸收的不断深入和再创新能力的提高，国内供应商逐渐成长并成熟。目前，国内燃气轮机辅助系统供应商，普遍具有合法经营资质，并取得质量、环境和职业健康安全体系认证，拥有包括三大动力集团在内的单个或多个燃气轮机厂家的合格供方资质。部分国内供应商经过多年的技术经验积累，通过引入专业技术团队加强产品研发力度并扩大生产规模，全面提升了生产、工程服务能力，已经成长为拥有一定自主知识产权的辅助系统供应商。

随着可选择的辅助系统供应商逐渐增多，国内新建燃气轮机机组更多采用本土化辅助系统，国内辅助系统产业具有较好发展空间，同时也面临着更为激烈的竞争。

4 存在的问题

(1)受到燃气轮机自主化研制进度的制约。

鉴于不同燃气轮机机型的自身特点，引进型F级燃气轮机辅助系统采购技术规范不可能完全适用于自主化重型燃气轮机。随着国家燃气轮机重大专项的有序推进，自主化燃气轮机研制需要配套自主化辅助系统，对辅助系统正向设计和国产化制造提出了更高要求。开展辅助系统自主化正向设计，必须基于燃气轮机实际需求，需要自主化燃气轮机提供清晰和完整的设计边界条件。辅助系统自主技术的发展，一定程度依赖于自主化燃气轮机技术的突破，但也受到自主化燃气轮机研制进度的制约，应重视并处理好两者关系。

(2)国产设备和仪表与国外相比仍存在差距。

经过二十多年的发展，国内重型燃气轮机辅助系统大部分已实现自主化制造，大量的国产设备和仪表在实际项目中得到应用。然而，较多国产设备和仪表在精度、可靠性、稳定性、使用寿命等方面仍与国外存在差距，部分国产通用件和基础件的质量不过关，影响了辅助系统的整体可靠性，成为辅助系统国产化发展过程的障碍。

(3)部分关键设备长期依赖进口。

辅助系统仍有部分关键设备长期依赖进口。以燃料系统为例，用于燃料计量的超声波流量计、涡轮流量计，国内产品较难保证其大流量、高精度、高稳定性等要求，基本采用国外产品。用于加热天然气的双管型性能加热器，对其安全性和传热效率的要求高，国内尚未突破加工制造关键工艺，仍依赖进口。气体燃料控制阀作为燃料系统的核心部件，其与燃气轮机的燃烧、控制及运行密切相关，对燃气轮机机组具有十分重要的作用。气体燃料控制阀在燃料流量控制精度、紧急关断时间、泄漏要求等方面具有十分严格的要求，设计、试验和制造的技术难度很大，目前国内尚处于空白状态，仍不能自主设计和制造。

(4)个别“卡脖子”技术有待突破。

美国、欧洲及日本等在重型燃气轮机气体燃料控制阀方面进行了大量的研究，国外主要阀门厂家都具有成熟的气体燃料控制阀设计制造技术，但是均被视为商业机密，公开发表的文献很少。国外燃气轮机主机制造商一般都会与这些阀门厂家签订独家协议，使气体燃料控制阀长期处于被国外垄断的状态，导致阀门价格昂贵、供货周期长、售后服务不到位等后果。