深度丨中小型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用發(fā)展概述

導(dǎo)讀：本文重點(diǎn)針對(duì)10-30MW級(jí)別的燃?xì)廨啓C(jī)的主要參數(shù)、性能特點(diǎn)、應(yīng)用情況進(jìn)行應(yīng)用發(fā)展分析。根據(jù)中小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，更多的輕型、高效、業(yè)績(jī)豐富的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品將被應(yīng)用于海上油氣領(lǐng)域。

燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為海上油氣田生產(chǎn)的“心臟”，目前渤海灣油田90%以上發(fā)電均采用燃?xì)馔钙阶鳛橹麟娬?。燃?xì)馔钙骄哂泄β蚀?、體積小、效率高、排放氣體污染小的特點(diǎn)，得以在海上油氣田開(kāi)發(fā)及LNG發(fā)電領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)于20世紀(jì)30年代后期問(wèn)世，最初在航空領(lǐng)域獲得快速發(fā)展和應(yīng)用，之后逐步應(yīng)用于油氣發(fā)電等領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)在美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大和俄羅斯等國(guó)家大量使用。從世界燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展來(lái)看，先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)已集中在幾家大型公司，形成了高度核心技術(shù)壟斷和市場(chǎng)壟斷局面，并已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的重要標(biāo)志之一。

燃?xì)馔钙绞且赃B續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)的內(nèi)燃旋轉(zhuǎn)式熱能動(dòng)力機(jī)械。氣體在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮，經(jīng)加熱后在透平中膨脹做功，把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部件以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)設(shè)施組成。輸出的功率可用于發(fā)電機(jī)、泵與壓縮機(jī)等各種負(fù)荷。

目前，海洋石油油氣開(kāi)發(fā)平臺(tái)燃?xì)馔钙街麟娬径ㄎ挥?0～30MW的功率等級(jí)機(jī)組，尤其對(duì)10MW級(jí)別的燃?xì)廨啓C(jī)有著豐富的應(yīng)用。展望今后海上油氣田對(duì)平臺(tái)電力的需求，本文對(duì)國(guó)外中小型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用狀況進(jìn)行研究分析。

1 美國(guó)索拉渦輪公司(Solar)

美國(guó)索拉渦輪公司成立于1927年，在二戰(zhàn)中憑借金屬材料加工的優(yōu)勢(shì)，20世紀(jì)50年代起在美國(guó)海軍的支持下研制燃?xì)廨啓C(jī)。目前索拉公司提供6個(gè)產(chǎn)品系列的燃?xì)廨啓C(jī)，包括Saturn、Centaur、Taurus、Mercury、Mars、Titan。

1977年索拉公司推出Mars燃?xì)廨啓C(jī)，在進(jìn)行了多次升級(jí)后，發(fā)電功率達(dá)到10685kW。1985年索拉公司推出Centaur系列燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電功率為4600kW，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，以上兩款機(jī)型全球累計(jì)應(yīng)用超過(guò)4000臺(tái)套。

Titan130燃?xì)廨啓C(jī)是索拉公司于1997年研發(fā)的基于簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)，具有機(jī)械驅(qū)動(dòng)用途的雙軸變速形式和用于連續(xù)負(fù)荷發(fā)電的單軸恒速形式，燃機(jī)ISO功率達(dá)到15000kW。索拉公司在設(shè)計(jì)Titan130燃?xì)廨啓C(jī)及其整套渦輪時(shí)，將機(jī)械部件的可維護(hù)性放在首位，目前已有累計(jì)300多臺(tái)Titan130在全球獲得應(yīng)用，在海上油氣田應(yīng)用非常成熟。

Titan250燃?xì)廨啓C(jī)是索拉公司于2008年投入應(yīng)用的升級(jí)型燃?xì)廨啓C(jī)，ISO功率為21.7MW，機(jī)組效率高達(dá)38.8%，比具有同樣底座的Titan 130多提供50%的輸出功率，排放減少30%，Titan 250既可用于電力生產(chǎn)應(yīng)用，亦可用于壓縮機(jī)站和機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用。Titan250燃?xì)廨啓C(jī)采用工業(yè)型雙軸設(shè)計(jì)，使用16級(jí)軸流壓氣機(jī)，具有進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和5級(jí)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉。壓比為24∶1。

2 美國(guó)GE公司

美國(guó)通用電氣公司在基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展了LM系列燃?xì)廨啓C(jī)，并研發(fā)了基于GE10系列和MS系列的重型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。

LM2500是從GE公司的TF-39渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)派生而來(lái)，ISO功率為25MW，機(jī)組效率為37%。從1975年開(kāi)始投入艦船使用以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展了許多類型，并研制了LM2500+(第三代LM2500)、LM2500+G4(第四代LM2500)等機(jī)組。目前LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)1800臺(tái)。

LM2500+燃?xì)馔钙降腎SO功率32MW，機(jī)組效率39%。LM2500+與LM2500相比，做了以下方面的改進(jìn)：壓氣機(jī)增加1級(jí)零級(jí)，進(jìn)口導(dǎo)葉采用可調(diào)導(dǎo)葉;高壓壓氣機(jī)采用高效部件;高壓渦輪葉片采用更好的材料和涂層;燃燒室采用熱障涂層;動(dòng)力渦輪重新設(shè)計(jì);控制系統(tǒng)采用綜合電子控制系統(tǒng)。

LM2500+G4燃?xì)馔钙降腎SO功率35MW，機(jī)組效率39%。LM2500+G4按照動(dòng)力渦輪可以分為兩種類型，一種動(dòng)力渦輪采用6級(jí)低速渦輪，一種采用2級(jí)高速動(dòng)力渦輪。LM2500+G4在LM2500+基礎(chǔ)上，再次做了以下方面的改進(jìn)：重新設(shè)計(jì)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)向葉片，并將零級(jí)葉片錯(cuò)級(jí)布置;改變壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子材料，增加高壓壓氣機(jī)壽命;重新設(shè)計(jì)高壓渦輪第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，改善冷卻結(jié)構(gòu)和抗氧化涂層;重新設(shè)計(jì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子增加其壽命，重新設(shè)計(jì)6級(jí)動(dòng)力渦輪的第2級(jí)和第3級(jí)的導(dǎo)向器，增加其輸出功率。

GE公司還研發(fā)了基于GE10-1、GE10-2、MS5001、MS5002系列的重型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。MS5000系列(又稱Frame V)是GE公司從1952年開(kāi)始研制的單/雙軸工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)，1957年開(kāi)始生產(chǎn)。MS5000系列具有良好的燃料適應(yīng)性，能實(shí)現(xiàn)原油、天然氣、柴油等三種燃料的切換。目前累計(jì)生產(chǎn)了164臺(tái)MS5001燃?xì)廨啓C(jī)及492臺(tái)MS5002燃?xì)廨啓C(jī)。

GE10系列重型燃?xì)廨啓C(jī)是由意大利新比隆公司研發(fā)的第二代雙軸PGT10工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)派生而來(lái)，GE10-1主要用于發(fā)電，GE10-2用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，于1999年開(kāi)始投入使用。GE公司已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了近30臺(tái)GE10系列機(jī)組。目前國(guó)內(nèi)中航世新已經(jīng)對(duì)GE10-1進(jìn)行國(guó)產(chǎn)成撬化，研發(fā)了QD100A燃?xì)廨啓C(jī)。

3 德國(guó)西門子Siemens AG

西門子成立于1847年，2001年起西門子收購(gòu)德國(guó)Demag Delaval公司和阿爾斯通工業(yè)渦輪業(yè)務(wù)后，擁有中小型燃?xì)廨啓C(jī)(50MW以內(nèi))完整的產(chǎn)品系列。西門子生產(chǎn)的SGT系列燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)超過(guò)1600臺(tái)。

SGT400燃?xì)廨啓C(jī)ISO額定功率為12.9MW。SGT400壓氣機(jī)采用11級(jí)軸流式，增壓比為16.9，空氣流量38.9kg/s。燃燒室為分管式，采用6個(gè)回流火焰筒。高壓渦輪采用2級(jí)軸流式。SGT400為雙軸設(shè)計(jì)。目前已成產(chǎn)和安裝SGT-400燃?xì)廨啓C(jī)至少87臺(tái)。

SGT500燃?xì)廨啓C(jī)ISO額定功率為17MW。SGT-500壓氣機(jī)采用10級(jí)軸流式，增壓比為12，空氣流量92.4kg/s。燃燒室為環(huán)管型，7個(gè)火焰筒。高壓渦輪和低壓渦輪均為2級(jí)軸流式，動(dòng)力渦輪則分為2級(jí)和3級(jí)兩種規(guī)格。此外，SGT-500具有良好的燃料適應(yīng)性，在一定條件下，可以對(duì)油氣燃料進(jìn)行混燒。目前已經(jīng)有超過(guò)193臺(tái)SGT-500機(jī)組投入運(yùn)行或安裝。

SGT600燃?xì)廨啓C(jī)ISO功率為24.8MW，SGT700燃?xì)廨啓C(jī)ISO功率為29.1MW。這兩款機(jī)型是由瑞士Sulzer-Escher Wyss公司生產(chǎn)的雙軸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，2004年起被西門子收購(gòu)。SGT-600采用10級(jí)軸流式壓氣機(jī)，SGT-700采用11級(jí)軸流式壓氣機(jī)，前2級(jí)為超音速設(shè)計(jì)，以便用更少的級(jí)數(shù)達(dá)到更高的增壓比。燃燒室為環(huán)形，包括1個(gè)點(diǎn)火器和18個(gè)環(huán)形布置的燃油噴嘴，采用低排放技術(shù)使得SGT-700的NOX排放低于15ppm。高壓渦輪和動(dòng)力渦輪采用2級(jí)軸流式。目前已累計(jì)生產(chǎn)和安裝SGT600和SGT700燃?xì)廨啓C(jī)277臺(tái)。

4 德國(guó)MAN Turbo

德國(guó)MAN Turbo主要包括THM1300系列工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和用于工業(yè)及城市電力的FT8航改燃?xì)廨啓C(jī)。

1988年，MAN接管了法國(guó)Hispano-Suiza公司的THM系列燃?xì)廨啓C(jī)。THM1300系列燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率從8.6MW-11.5MW，目前已經(jīng)交付188臺(tái)。THP1304-12于2004年投入使用。其壓氣機(jī)采用10級(jí)軸流加單機(jī)離心組合式，最大增壓比為11.3。高壓渦輪采用2級(jí)軸流式，動(dòng)力渦輪為2級(jí)軸流式，反力式設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速為8600r/min。

5 英國(guó)羅爾斯 羅伊斯公司(Rolls-Royce)

英國(guó)羅羅公司1904年成立于英國(guó)曼徹斯特，在二戰(zhàn)期間主導(dǎo)了噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)60年代，羅羅公司研發(fā)了RB211型發(fā)動(dòng)機(jī)。RB211燃?xì)廨啓C(jī)是從航空型RB211渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而來(lái)。

航空型RB211用于波音747、波音757、波音767、洛克希德L-1011型飛機(jī)。RB211燃?xì)廨啓C(jī)移除了風(fēng)扇，將原中壓壓氣機(jī)變成了低壓壓氣機(jī)，增壓比為20~21.5;改進(jìn)低壓壓氣機(jī)第1級(jí)轉(zhuǎn)子、靜葉片、安裝雙向滾珠推力軸承。燃燒室采用鎳合金制成火焰筒。高壓渦輪和低壓渦輪均為單級(jí)軸流式。RB211燃?xì)廨啓C(jī)在加拿大魁北克省的蒙特利爾市加工制造，目前制造和安裝工業(yè)型和艦船用燃機(jī)587臺(tái)。

6 烏克蘭曙光機(jī)械聯(lián)合體

烏克蘭曙光機(jī)械聯(lián)合體成立于1946年，是前蘇聯(lián)時(shí)期唯一的燃?xì)廨啓C(jī)大型生產(chǎn)企業(yè)。從1954年起，曙光機(jī)械已經(jīng)交付了四代燃?xì)廨啓C(jī)，功率從2.5MW至110MW，累計(jì)交付3000多臺(tái)艦船用或工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)。

UGT10000是曙光機(jī)械研制的第四代高效單元體式燃?xì)廨啓C(jī)，其ISO功率為10.7MW，效率高達(dá)36%。從1998年開(kāi)始研制，2004年批量生產(chǎn)。

UGT15000是曙光機(jī)械研制的第三代燃?xì)廨啓C(jī)，是蘇聯(lián)海軍應(yīng)用最多的燃?xì)廨啓C(jī)。UGT15000的ISO功率為17.5MW，效率為34.2%。前蘇聯(lián)有50%以上的艦艇都以它作為動(dòng)力裝置，是世界上應(yīng)用最廣泛的艦用燃?xì)廨啓C(jī)之一。1993年，曙光機(jī)械研制了該機(jī)型的升級(jí)版UGT1500+，ISO功率升級(jí)至20MW，效率提高至36%。

UGT25000是曙光機(jī)械最新研制的第四代燃?xì)廨啓C(jī)，ISO功率為26.7MW，效率為35.6%。該機(jī)是在UGT15000的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，將原壓氣機(jī)加零級(jí)，渦輪的進(jìn)口溫度提高至1250度。UGT25000從1995年開(kāi)始研制，2002年開(kāi)始投運(yùn)。

7 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于海上油氣田開(kāi)發(fā)具有舉足輕重的地位，燃?xì)馔钙绞呛Ｉ嫌蜌馓镏麟娬镜氖走x方式。展望未來(lái)，隨著海上油氣開(kāi)發(fā)的要求，燃?xì)廨啓C(jī)的選型考慮因素將更加全面，除了需要綜合考慮燃?xì)馔钙綄?duì)油田方案的負(fù)荷率，還需考慮發(fā)電效率、占地面積及重量、排放標(biāo)準(zhǔn)、海上維護(hù)性等要求，更多輕型、高效、豐富業(yè)績(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品將會(huì)用于海上油氣開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。

(作者：馬強(qiáng) 王文祥 王建豐 洪毅，中海油研究總院，中海石油有限公司)