柴油机-燃气轮机联合(史上最全GE燃气轮机技术发展简史)

Posted 2023-05-29

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柴油机-燃气轮机联合(史上最全GE燃气轮机技术发展简史)

(原标题：聚焦｜GE燃气轮机技术发展简史——史上最全！)

本文译自2019年7月8日POWER Magazine发表的“GE燃气轮机技术发展简史”。作者Sonal Patel 系POWER Magazine副主编

为纪念世界上第一台工业燃气轮机投入商业运行80周年，以及世界上第一台用于发电的燃气轮机投入商业运行70周年，美国著名电力行业媒体POWER Magazine于2019年7月8日编撰发布了“GE燃气轮机技术发展简史”，对过去80年间，GE燃气发电产品和解决方案的演进进行回顾。

2019年7月，对于全球燃气发电行业来说，有两个重要的里程碑事件值得纪念。这两个里程碑事件标志着燃气发电技术从实验室走向商用，并由此成长成为全球最主要的发电形式之一：1939年，世界上第一台工业燃气轮机在瑞士纳沙泰尔投入商业运营；1949年，世界上第一台用于发电的燃气轮机在位于美国俄克拉荷马州贝尔岛的电站投入商业运营，这台燃机由GE设计制造，出力为3.5MW。

从此，GE开发并推出了一系列燃气轮机、蒸汽轮机、发电机、余热锅炉、凝汽器以及电站辅助设备，并成为当今燃气发电领域首屈一指的原始设备制造商。

1939年，

世界上第一台工业燃气轮机投入商业运行

1939 年 7 月 7 日，世界上第一台工业燃气轮机（简单循环出力4MW）在瑞士纳沙泰尔市一座市政发电站投入商业运行。这台燃气轮机由Brown Boveri & Cie（BBC）公司设计研发，该公司于1891年在瑞士巴登成立，于1988年与ASEA AB合并成为ABB（ASEA Brown Boveri）公司，2000年，作为ABB发电业务的一部分出售给阿尔斯通。GE于2015年收购了阿尔斯通的电力和电网业务。

这台燃气轮机效率为17.4%，转速为 3,000 转每分钟，压气机进气温度为 20℃（68F），透平初温550℃（1,022华氏度），透平输出功率15,400kW , 其中 11,400 kW为压气机耗功，燃机输出功率为4000kW。仅作为备用发电和调峰，这台燃机运行了近 70 年。

1949年，

世界上第一台用于发电的燃气轮机在美国投入商业运行

1949年，世界上第一台用于发电的燃气轮机在位于美国俄克拉荷马州贝尔岛的电站投入商业运营，这台燃机由GE设计制造，出力为3.5MW。燃机采用水平轴向布置，燃机厂房与一台51MW的蒸汽轮机机组厂房毗连。正如美国机械工程师协会 (ASME) 指出的：“虽然该燃机的额定出力为 3,500 kW，但在实际运行中，它的出力远远大于额定出力，达到约5,000 kW。在 1949年7月到1952年7月之间，经实际测算，它的出力均值为4,200 kW。”这台GE Frame 3燃机的效率约为17%。除了发电，燃机排气还用于为传统蒸汽轮机发电机组加热给水。这样的“联合循环” 配置模式也是首次应用。

1951年，

双轴中间冷却回热式燃气轮机诞生

这一年，GE在美国佛蒙特州拉特兰县安装了三台5MW燃气轮机。这三台燃机的设计基于GE Frame 3燃机，采用双轴配置，包括两台空压机中间冷却器和余热回收器。

1953年，

第一台再热的中间冷却回热式燃气轮机投入商用

得益于在压比、材料和涂层方面的技术突破，BBC公司在瑞士纳沙泰尔燃机的基础上，进一步将燃机透平初温提高到1,200华氏度（649摄氏度）。1953 年，该公司参与建造的 27 MW 瑞士贝兹诺二电站采用了两台40 MW燃机，燃机效率达到30%。S. Can Gülen在 2019 年 2 月出版的《燃气轮机发电》一书对此这样描述：“BBC的工程师通过提升压力比和燃烧温度，不断在布雷顿循环中挖掘更高的效率。最终的结果是整个发电厂成就了更高的效率。”

1960年，

第一台联合循环燃气发电站投入商用

这一时期，荷兰发现了新的天然气储备，受此利好消息影响，奥地利公用事业公司NEWAG建设了一座75兆瓦联合循环电厂Korneuburg-A。这在欧洲尚属首例。该工厂采用两台 25 MW BBC 12型燃机，一台 25 MW 蒸汽轮机，以及一台带补燃的余热锅炉。尽管该机组效率低（约32.5%），但在1960年至1975年间，该机组以基本负荷运行，平均每年运行6000小时。然而，很快，电厂运营的经济性下降。这一方面是因为燃料成本高，另一方面是因为燃煤电厂的效率更高。燃煤电厂在1965年之后在欧洲得到广泛应用，主要用于满足高峰时段用电需求。

1967年，

第一家专用的 GE 联合循环电厂

在 1965 年 11 月美国东北大停电之后，监管部门要求公用事业公司通过安装一定比例的具有黑启动功能的小型、本地化、快速启动发电机组来增加电力系统备用容量。为此，GE 在安大略省渥太华市分别安装了 11 MW 的FS3燃机和21 MW的FS5燃机。罗纳德·亨特（Ronald Hunt）是美国柴油机和燃气轮机工程师学会的一位咨询工程师，他在2019年4月出版的《发电、工业和舰船用途的燃机发展史》一书中提到过，FS3燃机已经在美国海事船舶和机车中进行了测试。

1968年，

第一台 LM 轻型燃机诞生

GE的工程师将1955年首飞的J79航空发动机改装为LM1500轻型燃机。这种燃机主要作工业驱动和舰船动力。第一台LM1500安装在美国康涅狄格州米尔斯通核电站，出力为13.3MW。

1969 年，

更先进的航改型燃机诞生

1969年，第一台LM2500燃机被美国海军卡拉汉号货船采用，为其提供动力。该燃机源自GE CF6-6航空发动机，采用16 级压气机，进气导叶和 6 级可调静叶，2级高压透平串联6级动力透平。原设计采用双轴高压涡轮叶片，ISO工况下的额定出力为17.9 MW，简单循环效率为35.8%。LM2500 燃机至今仍被广泛使用。GE表示：“直到今天，美国海军仍采用 LM2500 为其最新的水面作战船舰提供动力。”

1970 年，

Frame 5级燃机得到广泛应用

从1970年上市以来，Frame 5燃机的单轴、双轴、简单循环、轴流透平配置都得到了广大客户的青睐，销量一直很好。第一台Frame 5燃机于1970 年安装在位于巴林王国的一家铝冶炼厂，额定功率为 24 MW。Frame 5燃机以其高可靠性著称，在燃气轮机领域已经获得广泛认可。在1965年11月9日美国东北大停电之后，纽约南安普敦地区的Frame 5燃机实施黑启动，使长岛地区的电力系统恢复正常，随后又帮助纽约市恢复电力供应。正如GE现场服务工程师团队负责人戴夫·卢西尔（Dave Lucier）指出的：“成就永远只是下一座丰碑的基石”。Frame 5燃机的经验为后续的燃机提供了很好的基础。

1970年，

Frame 7系燃机问世

MS7000是一款60赫兹的Frame 7系燃机，其出力为47.2 MW，透平初温1,650华氏度（899摄氏度）。在Frame 7系燃机问世后不久，GE开始与阿尔斯通公司开发50赫兹的单轴Frame 9系燃机。

1970年，

BBC公司推出了GT系列燃机

在美国东北大停电之后，为了争夺市场份额，同时也为抗衡GE研发出力更大的燃气轮机的战略，BBC研发了GT11燃机（60赫兹）和GT13燃机（50赫兹）系列。1970年，BBC公司的第一台GT11燃气轮机在加拿大彩虹湖点火。这台燃机的转速为3,600 转每分钟，额定功率为 32 MW。

1971年，

第一台E级燃机问世

1971年，首款E级（7E）燃机在英国国家电网的肖勒姆燃气发电站首次亮相。

1972年，

第一台 7B燃机问世

1972年，GE 推出 MS7001B燃机，这是首台Frame 7B燃机，额定出力为 51.8 MW。

1975 年，

第一台Frame 9燃机问世

这一年，首台80.7MW Frame 9B燃机安装在了巴黎市郊法国电力公司的一家电厂。主要用于调峰。

1978年，

第一台6B级燃机问世

1978年，第一台6B级燃机安装在美国蒙大拿州达科他公用事业公司燃气发电站。40年后的2018年9月，这台燃机依然在役。GE在全球交付的6B机组已经超过1,150台。6B燃机广泛应用于石化、石油、天然气勘探和水泥生产等领域，为能源生产设施和工业应用提供动力。多年来，GE持续为现役机组投入技术创新。1981年，通过对燃烧温度的提升，机组的出力提高了15%。1991 年，6B燃机引入干式低氮燃烧技术。2009年，6B性能提升方案（PIP）正式推出。该方案综合了F级燃机在材料、涂层、密封、空气动力学上的先进设计，提升6B燃机的出力与效率。在纪念6B燃机上市40周年之际，GE于2018年推出6B升级6F.01燃机解决方案。这再次印证了GE为现役成熟机组持续投资，帮助发电企业与工业用户在快速变化的市场环境中保持竞争力的坚定承诺。

1984年，

干式低氮燃烧室取得技术突破

首次投入商用的“贫燃”干式低氮燃烧预混技术是由BBC公司研发的，它最初用在一台经过改装的GT13D燃机上，这台燃机位于德国杜塞尔多夫劳斯沃德电厂，电厂联合循环出力420MW。正如迪特里希·埃卡德特在2014年出版的《燃气轮机动力》一书中所指出的那样，BBC在1978年提出了这一概念，其理论依据是：通过将燃料和空气在进入燃烧区之前进行充分混合，可以改变空燃比，参与燃烧的空气比燃料多，火焰温度较低，即可取得低氮氧化物排放。该技术将燃机的氮氧化物排放量降至32 ppm。埃卡德特说，虽然这一技术后来被应用于7台燃机上，但它“过于复杂，且过一段时间之后，就会出现老化和性能下降的问题”。这也就是为什么BBC公司随后开始开发第二代预混燃烧器。

1985年，

热电联产里程碑

1985年，两台GE LM2500 航改型燃气轮机、一台汽轮机，以及一台发电机，以一拖一单轴配置的方式被安装在荷兰IJsselcentrale电厂，用于区域供暖。该配置旨在实现更好的经济性，使LM2500 燃气轮机相对较高的投资获得相对更高的收益。GE指出，这也是第一个应用蒸汽回注技术的项目。经现场实测，在额定负荷下，该机组的联合循环效率达到50%。

1987年，

首台GT13E 燃机推出

ABB生产的首台GT13E燃气轮机（后被阿尔斯通收购，现被GE收购）额定出力为147.9MW。这台燃机被安装在荷兰公用事业公司的一座电站。在这之后，ABB又售出了27台GT13E燃机。之后，为了满足客户对更高效率、更低氮氧化物排放（低于25ppm）的需求， 1991年，ABB又推出了GT13E2型燃机。这一款燃机使用了安装在顶部的筒仓式燃烧器。

1988 年，

LM6000 燃机问世

1988年，GE LM级燃机家族增添了新成员——LM6000。这款燃机源自 GE 的 CF6-80C2航空发动机——一款高涵道比涡轮风扇发动机。在ISO工况下，采用简单循环、双轴配置的LM6000出力36.6MW，效率可达41.9%。

1990 年，

F 级燃机黄金时代到来

1990 年 6 月 6 日，第一台F 级燃机在弗吉尼亚电力公司 (VEPCO) 切斯特菲尔德发电站投入运行。这台7F燃机的出力可达147 MW，透平初温2,300华氏度（1260摄氏度）。在1992年用于联合循环之前，该款燃机是按照简单循环的配置进行研发和测试的，其简单循环燃机出力150MW, 简单循环效率34.5%。在联合循环运行模式下，联合循环效率达到45.2%，出力达到214MW。

有行业观察家指出，切斯特菲尔德发电站7F燃机的商用开启了F级燃气轮机的黄金时代，这一时代一直延续到2015年。伴随着F级燃机成长的行业主旋律是日益苛刻的环境法规，对更高效率、可用性和可靠性的追逐。F级燃机也在为满足这些需求而不断演进。

GE表示，F级燃机技术的研发始于 20 世纪 80 年代。当时，它代表了“重型燃气轮机在运行温度、冷却技术和空气动力学方面的最高水平”。1987年，GE推出的MS7001F燃机是应客户对“高效率，低排放，低单位千瓦造价”的需求而设计的。GE在7F燃机技术的基础上进行了一系列的模化设计，使F燃机家族扩展到了6F和9F系列，从而使燃机电厂的容量规模有了很大的扩展，可以涵盖从单台6F.01的51MW出力到3台7F.05联合循环超过1000MW出力的范围。F 级燃机全球总装机量已经超过1,500 台，应用于发电、热电联产和机械驱动，为铝冶炼、炼油和食品加工业广泛采用。

1991 年，

干式低氮（DLN）燃烧解决方案开始商用

GE早在20 世纪 70 年代就开始研发和测试干式低氮燃烧系统，直到1991 年，GE才正式将这一技术应用在重型燃气轮机上。GE研发了用于E级燃机的DLN 1干式低氮燃烧解决方案，以及用于F级燃机的DLN 2干式低氮燃烧解决方案。后者还应用于EC级和H级燃机。2015 年，GE为下一代7F级燃机，以及现有的7F级燃机推出了DLN2.6+燃烧系统。2018 年 5 月，GE 宣布推出将 DLN 2.6+燃烧技术与轴向燃料分级技术相结合的DLN2.6+ Flex升级解决方案。2019年初，GE表示，DLN2.6+ Flex技术已经应用于燃气电厂，采用这一技术后，机组的氮氧化物排放可降低至5ppm。2019年4月，深圳五家发电企业（深圳南山热电，深圳新电力，深圳大唐宝昌燃气发电，深圳钰湖电力，中海油深圳电力）九台9E燃机的DLN1.0+超低氮氧化物燃烧室改造工作顺利完成。这是此技术在全球的首次应用。改造完成后，五家发电企业的氮氧化物排放水平将从原有50mg/m³（约25ppm）降低到15mg/m³（约7.5ppm）。

1992年，

第一台9F燃机问世

1992年，一台出力159MW，透平初温2,350华氏度（1288摄氏度）的7F燃机在弗吉尼亚电力公司切斯特菲尔德发电站投入运行。第一台9F燃机也在位于法国巴黎北部的法国电力公司的一个电厂投入商业运行，这台9F燃机采用的是简单循环模式。这台燃机的出力为212MW，是由GE和阿尔斯通联合研发的。

1992年，

第一台GT13E2重型燃机问世

这一年，ABB公司的GT13E2燃机上市，这台燃机的出力为166MW。与GT13E相比，GT13E2的透平初温更高，为2012华氏度（1100摄氏度）。压气机压比从13.9:1提升至15.0:1。这款燃机现在依然在售。2012版GE13E2简单循环效率为38%，联合循环效率为55%。

1996年，

移动式发电站问世

1996年，GE推出了被誉为“车轮上的发电站”的TM2500机型。这是一款移动式航改型燃气轮机。

1997年，

F级燃机的激烈竞争催生了GT24/26燃机

GE 1987年推出出力为150MW的Frame 7（也就是第一台F级燃机）之后，西屋公司（与三菱合作）也迅速于1989年推出了501F燃机，随后，西门子又于1991年推出了V94.3燃机。ABB公司因此决定采取弯道超车的策略，并于1991年底推出了GT24（60赫兹）/GT26（50赫兹）燃机。1993年，首台GT24安装在新泽西州的Gilbert电厂，出力165MW。这在当时是一个具有革命性的解决方案，这款燃机在构造上也是最紧凑的。此外，顺序燃烧技术和高压比也是GT24的特色，是它成就更高效率的关键。

2003年，

H级燃机时代开启

GE发布了第一台H级燃机——9H，这是一台50赫兹的燃机，出力480MW，透平初温2,600华氏度（1427摄氏度）。采用这台燃机的是威尔士Baglan海湾电站。这座9H联合循环电厂采用单轴配置。

GE推出的H级燃机加剧了行业竞争。各主机厂商之间展开了新一轮对燃机效率的追逐。在2011年，西门子推出的8000H在德国Irsching电站突破了60%的效率。这台燃机的透平初温与GE推出的H级燃机相同，都在2,732华氏度（1500摄氏度），但是燃烧温度较GE的H级燃机略低。同时，西屋公司也与三菱合作推出了一款过渡机型——G级燃机。该燃机的燃烧温度比H级燃机低。三菱则放弃了对H级燃机技术的研发，转而投入J级燃机的研发。J级燃机的燃烧室冷却技术则是基于G级燃机的蒸汽冷却技术。

2005 年，

6C燃机问世

2005年，两台出力为130MW，采用联合循环配置的Frame 6C（6F.01燃机的前身）在土耳其首次亮相。6C燃机在2003年推出时的设计出力为42MW，后根据现场实际验证，又将出力提升到46MW。GE表示，这款燃机是100MW等级燃机中热电联产和联合循环表现最佳的机型。“这款燃机排气温度高，有助于产生高品质的蒸汽，无论是发电还是热电联产，它的性能表现都俱佳”。采用二拖一联合循环配置，这款燃机的联合循环效率可达58%。在热电联产运行中，这款燃机的综合燃料利用效率可超80%。

2014年，

GE 推出HA级燃机

2014年，GE推出了具有划时代意义的新型空冷H级燃机——50赫兹的9HA燃机和60赫兹的7HA燃机。HA级燃机集全球最尖端的材料、冷却、空气动力学、先进制造和数字能力于一身。具有分析能力的数字化平台可以帮助机组实现更好的性能，突破更高的效率。

2016年，

首台HA级燃机在法国电力公司（EDF）布尚电厂投运

2016年，首台HA级燃机在法国电力公司（EDF）布尚电厂投运。2016年6月，布尚电厂以62.22%的实测联合循环净效率被吉尼斯世界纪录认定为全球最高效的50赫兹电厂。这一项目被POWER Magazine评为2017年全球最佳电厂。

2017年，

LM9000 发布

这一年，GE推出了LM9000燃机。这款燃机的双燃料和快速启动功能使其成为应对可再生能源间歇性发电的理想之选。这款燃机源自 GE-90航空发动机。波音777就是采用的这款发动机。LM9000系列燃机从67MW到75 MW出力版本可供用户选择。

2017年，

6F.01燃机应用在分布式能源项目上

2017年，GE结合华能桂林能源项目实际需求，利用全球设计与制造资源为该项目量身打造了6F.01燃机。2017年12月，项目三台机组正式投入商业运行。6F.01燃机采用了GE在H级和F级机组上使用的先进材料技术，燃机单循环出力50MW，机组联合循环效率57%，燃料利用效率81.15%，非常适合应用于分布式能源。

2017年，

7HA.02投入商业运行

2017年，Exelon订购了4台GE 7HA.02燃气轮机，这4台燃机分别配置在美国德克萨斯州的沃尔夫霍洛和科罗拉多本德项目上。这两个项目都采用二拖一多轴布置，出力都均超1,000 MW。

2017年，

7HA.01投入商业运行

GE向东芝提供了六台7HA.01燃气轮机和两台蒸汽轮机。这些设备安装在位于日本爱知县的日本中部电力株式会社西名古屋电厂。项目一期三台机组于2017年9月投入商业运营。2018年3月，GE宣布，配置GE 7HA.01燃气轮机的日本中部电力株式会社西名古屋电厂一期实测联合循环效率达63.08%，被吉尼斯世界纪录认定为全球最高效的联合循环电厂。项目二期三台机组也于2018年3月底投入商业运营。该项目被POWER Magazine评为2018年全球最佳电厂。

2018 年，

双燃料 HA级燃机问世

2018年6月，位于美国新泽西州的PSEG Sewaren 7联合循环发电项目投入商业运行。这台7HA.02燃机出力为540MW，是世界上第一台双燃料 H 级燃机。Sewaren 7项目可以天然气和超低硫馏分油这两种燃料间自由切换。在天然气供应短缺时，项目可采用超低硫馏分油，从而提高电厂的可靠性。

2019年，

中国内地首台9HA燃机顺利抵达天津临港

2019年4月，历经一百三十多天的海上运输，中国内地首台9HA燃机顺利抵达天津临港，并运抵华电天津军粮城项目现场。华电天津军粮城六期1×65万千瓦级燃气—蒸汽热电联产项目是中国内地第一个H级燃气-蒸汽机联合循环发电项目。

2019 年，

首台9HA.02燃机发运

单机出力达571MW的9HA.02燃机是GE目前最大的HA级燃机。2019年，首台9HA.02燃机被运往位于马来西亚帕西尔古当的马来西亚南方电力公司Track 4A联合循环发电厂。该项目采取一拖一单轴布置模式，两台9HA.02燃机各带一台蒸汽轮机、发电机和余热锅炉。项目总装机1,440MW。

（来源：GE）

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