分布式能源用SGT-800工业型燃气轮机与LM6000航改型燃气轮机对比分析研究

谢大幸,郝建刚,刘志敏,朱亚迪

(1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.上海华电闵行能源有限公司，上海 201108)

目前30 MW和50 MW等级燃气轮机在国内现有的分布式能源装机结构中较常见，应用最多的燃气轮机主要有工业型燃气轮机和航改型燃气轮机两个流派，具有各自的特点[1]。针对30 MW等级分布式能源用燃气轮机，选用SGT-700工业型燃气轮机与LM2500+G4航改型燃气轮机开展了对比分析[2]，本次针对50 MW等级分布式能源用燃气轮机，分别选取SIEMENS公司的SGT-800工业型燃气轮机和GE公司LM6000航改型燃气轮机为研究对象，综合分析两种机型的结构特点、热力性能、污染物排放特性、燃料适应性、启动及运行特性、供热(冷)能力、检修维护等方面优缺点，为50 MW等级分布式能源用燃气轮机主机选型提供参考。

1 发展历程

SGT-800是西门子工业透平机械公司制造的功率最大的工业型燃气轮机。该系列燃气轮机首台型号为GTX-100，于1997年发布，1998年被瑞典的赫尔辛堡项目订购，1999年投入商业运行并对燃气轮机核心机、辅助系统、控制设备以及机组性能、排放指标进行了全面测试。2003年经设计优化后功率提升至45 MW[3]。2007年进一步升级，增加流量，优化热部件，功率提升至47.5 MW，燃气轮机热效率提升至37.7%，成功完成了平台A的演化[4]。2011年SIEMENS公司基于既往成功经验和已获得认可的设计方案，引入平台B，重新设计了燃气轮机三大部件：改进15级压气机叶片叶型以提升压气机的空气动力性能，改进燃烧室压降和冷却系统，重新设计1级透平和3级透平，功率提升至50.5 MW[5]。2014年机组功率进一步提升至54 MW。2017年基于系统设计及制造工艺上的持续改进，发布57 MW版本。

1965年，GE公司开始为美军开发TF39新型发动机，后基于此机型开发了航空用的CF6-80C2和陆用/船用的CF6-6。CF6-80C2型商用航空发动机作为波音747-400的主发动机，于1985年首次进入航空服务。基于CF6-80C2平台研制的LM6000航改型燃气轮机，保留核心机、移除前端风扇、增加进气导叶、改型支承框架、增加输出轴、改型轴承结构、改进燃料系统，功率输出达40 MW，于1992年首次投入商业运营，是世界首例热效率超过40%的燃气轮机。GE公司从1995年开始着手LM6000的升级工作，于1997年研制成功LM6000 PC和LM6000 PD两个型号，功率输出超过43 MW，燃气轮机热效率达41%。LM6000 PC使用单环形燃烧器，LM6000 PD使用双燃料干式低排放燃烧器。1998年，LM6000 SPRINT系统开始商业运行，以提升燃气轮机出力。2007年，GE公司发布LM6000 PF，输出功率47 MW，燃气轮机热效率达41%。2010年LM6000 PG 完成了可靠性测试，该机型安装单环形燃烧室，功率59 MW，燃气轮机热效率为39.8%。2011年GE发布专门针对缺水地区的LM6000 PH，燃气轮机功率50 MW。2014年，中国华电集团公司与GE公司合作推出了热效率高达42%的LM6000 PF，联合循环效率54.9%。2015年POWER-GEN亚洲会议上，GE公司发布LM6000 PF的升级版LM6000 PF+，燃气轮机热效率41.4%，联合循环发电效率达55.9%。

2 结构特点

SGT-800燃气轮机结构简单、灵活、高效、可靠，整体模块化设计便于维护。压气机为15级轴流压气机，前3级为可调导叶，透平为3级透平。压气机转子和三级螺栓连接的透平为单轴结构，由两个可倾瓦式滑动轴承支撑，配备3台70%交直流润滑油泵，起动电机变频起动，甩负荷能力出色，性能衰减低。燃烧系统有30个双燃料第三代干式低排放燃烧器安装在环形燃烧室中，燃料适应性强，运行灵活，无需注水或蒸汽即可有效控制排放，采用脉动隔离技术降低燃烧室燃烧压力脉动，并配备有压力脉动监测装置[6-7]。

国内常用的LM6000 PF为双轴燃气轮机，由一个5级低压压气机、一个14级高压压气机、一个2级高压透平、一个5级低压透平组成。低压压气机入口配置可调导叶，高压压气机前5级静叶也可调，保证燃气轮机在部分负荷下的高效并防止压气机发生喘振。LM6000 PF的两根轴(高速轴和低速轴)同心套轴布置，高速轴由高压压气机及驱动它的高压透平组成，低速轴由低压压气机及驱动它的低压透平组成。发电机由低速轴驱动，两者通过减速齿轮和联轴器连接。LM6000 PF燃气轮机采用耐高温合金材料制作的滚动轴承，用于支撑转子和平衡轴向推力，轴承需要特殊的合成油冷却和润滑。LM6000 PF燃用天然气，采用干式低排放燃烧技术，配置75个预混燃烧的喷嘴，在全功率范围内减少NOx排放[8]。

LM6000燃气轮机可根据需求配备SPRINT®系统，采用中间喷水冷却设计，在压缩过程中冷却空气，增加质量流量，提升燃气轮机出力[9]。此外，还可以通过进气冷却功能，大幅提升在较高环境温度下的性能。

SGT-800和LM6000两个机型的结构特点对比见表1。从结构上看，SGT-800工业型燃气轮机体积和质量较大，标准型尺寸为20.8 m×7.3 m×6.6 m，质量285 t，但其结构相对简单；LM6000 PF航改型燃气轮机体积小，质量轻，尺寸约19.67 m×4.11 m×4.40 m，质量206 t，但其轴系、油系统、燃烧系统、辅助系统等设计较复杂，较难维护。

表1 结构特点对比

3 联合循环配置情况

3.1 典型布置方式

SGT-800和LM6000 PF燃气轮机配套的燃气-蒸汽联合循环冷热电三联供机组多数采用“一拖一”多轴布置方式，也有“二拖一”多轴布置方式。

SGT-800燃气轮机是典型的“一拖一”布置方式：核心燃气轮机部件为单点起吊式成套配置方案，占地小，燃气轮机和配套发电机室外布置，上部进气、轴向排气；汽轮机和配套发电机室内布置，布置在汽机房内；余热锅炉为双压、非再热锅炉，室外布置。江苏某厂两套“一拖一”分轴联合循环机组主厂房长约140 m，宽约100 m。

LM6000 PF燃气轮机是典型“一拖一”多轴布置方式：LM6000 PF航改型燃气轮机和发电机室外布置，燃气轮机上部进气、轴向排气；汽轮机和发电机室内布置；余热锅炉为双压、非再热锅炉，室外布置。广东某厂三套“一拖一”分轴联合循环机组主厂房长约100 m，宽约80 m。

LM6000 PF航改型燃气轮机因其质量轻、结构紧凑的特点，在占地面积上有一定优势。

3.2 联合循环性能

以目前SIEMENS公司主推的54 MW级SGT-800型“一拖一”燃气-蒸汽联合循环机组和GE公司主推的47 MW级LM6000 PF型“一拖一”燃气-蒸汽联合循环机组作为对比对象，假设环境参数和天然气成分相同，建模分析两者配置的联合循环机组性能，见表2。

表2 “一拖一”联合循环参数对比

由表2可知，LM6000 PF燃气轮机热效率比SGT-800燃气轮机高，但SGT-800燃气轮机排烟温度更高，其联合循环底循环能量利用效率更高，出力更大，在供热量及供热参数上具有更大的选择余地，更适合于分布式供能系统。

4 运行特性分析

4.1 低负荷及高温环境下燃气轮机性能

SGT-800燃气轮机和LM6000 PF燃气轮机部分负荷下的性能曲线见图1，两者在80%～100%负荷均能维持良好的性能，当负荷低于80%后，机组性能快速下降。

图1 两种燃气轮机部分负荷下的性能曲线

SGT-800和LM6000 PF燃气轮机出力随温度变化曲线见图2。当环境温度由15 ℃升高到35 ℃时，54 MW等级SGT-800燃气轮机出力下降约6.5 MW。LM6000 PF燃气轮机可通过SPRINT湿压缩技术提高出力，在高温环境下相比不带SPRINT系统的机组可提高约20%的出力。当环境温度由15 ℃升高到35 ℃时，LM6000 PF SPRINT(带SPRINT湿压缩技术)燃气轮机出力下降约8 MW。

图2 SGT-800和LM6000燃气轮机出力随温度变化曲线

总体而言，SGT-800和LM6000 PF燃气轮机在部分负荷下的性能相差不大。LM6000 PF燃气轮机对环境温度变化更敏感，在高温环境下LM6000 PF燃气轮机出力衰减比SGT-800燃气轮机稍大，但LM6000 PF燃气轮机可以增加SPRINT系统提高高温环境下的性能。

4.2 污染物排放特性

SGT-800和LM6000 PF燃气轮机均采用干式低排放燃烧技术，燃用天然气时两者满足氮氧化物(NOx)排放的负荷均为50%～100%负荷。两种机型的污染物排放特性见表3，SGT-800燃气轮机在控制一氧化碳(CO)排放方面具有优势。

表3 两种类型燃气轮机污染物排放特性对比

4.3 燃料适应性

SGT-800和LM6000燃气轮机燃料适应性对比见表4，两种机型均支持双燃料(气体/液体燃料)燃烧。SGT-800燃气轮机燃用液体燃料时需安装液体燃料模块；气体燃料适应性方面SGT-800燃气轮机具有明显优势，甲烷、氢气等成分摩尔百分比适应范围、气体燃料华白指数要求均更宽泛。LM6000燃气轮机对燃料组分更敏感，气体燃料供气压力要求高。当机组处于天然气管网下游、管道天然气压力较低时，SGT-800燃气轮机无需加装天然气增压设备即可满足进气压力要求[10]。当天然气管道压力较低时，LM6000燃气轮机一般需加装天然气增压设备，从而增加了系统复杂程度和后期运行维护成本。

表4 两种类型燃气轮机燃料适应性对比

4.4 机组启动特性及灵活性

SGT-800燃气轮机正常模式启动到满负荷需26 min，其配备EconoFlexTM技术可以实现燃气轮机10 min快速启动，以适应快速启停及快速加载负荷。LM6000 PF燃气轮机能在基本负荷和频繁起停时均保持高效稳定运行，可在10 min实现标准启动，5 min内完成快速启动，具有较高的运行灵活性。总体而言，LM6000 PF燃气轮机在启动速度上要优于SGT-800燃气轮机。

4.5 供热(冷)性能

按照供热蒸汽参数1.3 MPa、220 ℃进行建模分析，两种机型抽凝工况经济指标核算结果见表5。

表5 不同联合循环配置方案参数对比

综合表2和表5可知，SGT-800联合循环机组具有更高的供热能力，受燃气轮机排烟温度的限制。LM6000 PF航改型燃气轮机排烟温度低，配套的联合循环底循环能量利用率低，容量配置小，供热能力较低[11]。两种燃气-蒸汽联合循环机组供热在供热参数相同的情况下，SGT-800燃气-蒸汽联合循环机组供热量更高，热电比更高，发电气耗率更低，热电联产效率更高。

5 检修维护情况

两种燃气轮机目前主要执行的长协服务模式对比如表6所示。SGT-800燃气轮机基于工业型的设计，具有全生命周期性能衰退少、除热端部件外其他部件均可实现现场检修、大修间隔长等特点，且无需燃烧调整，维护成本较航改型燃气轮机低。SIEMENS公司在宜兴设立了燃气轮机热部件生产基地、现场服务基地、战略备件库、检修工具库和培训中心等，为中小型工业燃气轮机(SGT-100到SGT-800)提供境内服务和备件支持，可以对燃气轮机燃烧系统的核心部件——透平叶片进行检修。

表6 两种机型长协服务内容对比

GE公司针对LM6000燃气轮机，通过无损检测、振动分析和油样分析三种监控方法给出基于状态的维护策略，制定详细的定期“体检计划”。华电通用是GE认证的电站航改型燃气轮机成套的技术转让方，公司配备有专业的本地化服务团队，向中国客户提供航改型燃气轮机电厂的现场安装调试、一级维护、二级维护。GE公司未下放三级维护、四级维护的权限，机组大修需返厂开展，所更替的检修工厂也较多，折算的度电维护费用相对较高。该型燃气轮机多数零部件为高级特殊合金，与飞机发动机通用，价格昂贵，加上备机协调、服务响应不够及时，对项目公司的生产经营产生较大影响。若燃气轮机发生事故，返回美国检修周期较长，备机费用较高。

6 结论

作为50 MW等级分布式能源用燃气轮机，LM6000和SGT-800各有优缺点。从结构特点及检修维护便利性来看，LM6000航改型燃气轮机具有质量轻，体系小，启动快速灵活等优点，对于调峰具有较大优势。但其系统结构、轴系、燃烧系统等设计复杂，燃料进气压力高，热性能衰减大，叶片应力大，对环境变化及污垢较敏感，大修需要返厂进行，对维护要求较高。SGT-800工业型燃气轮机质量较大，占地面积大，但其结构相对简单，零部件的更换和大中修相对简单，所需专用工具少，可以在现场实现，维护费用相对较低。

从机组性能方面来看，LM6000航改型燃气轮机热效率高，但排烟温度低，联合循环底循环能量利用潜力小；SGT-800工业型燃气轮机热效率低，但排烟温度高，联合循环底循环能量利用潜力大，因此整体联合循环效率更高。得益于SGT-800燃气轮机较高的排气能量利用率，其在供热(冷)性能上优于LM6000，因此SGT-800燃气轮机更适用于蒸汽需求量大的用户。