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窑82窑

DOI：10.16056/j.1005-7676.2016.02.020

2）

能源研究与管理

2016（

开发与应用

F级燃气机组主机选型及配置对比

于涛，冯展管

（国核电力规划设计研究院，北京100095）

摘要：根据F级燃气轮机发展现状、结构特点、国产化状况、国内运行业绩和性能指标，针对现有的F级燃气-

蒸汽联合循环机组“一拖一”多轴、“一拖一”单轴、“二拖一”多轴装机方案进行逐一论证，提出了配置建议，

以达到降低投资、保证供热要求、提高电厂经济性的目的。

关键词：F级燃气轮机；国产化；供热；优化

中图分类号：TK262文献标志码：A文章编号：1005－7676（2016）02－0082－04

YUTao,FENGZhanguan

（StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China）

Accordingtothedifferencesofthedevelopmentstatus,frameworkcharacteristics,home-madestatus,operation

exploitsandperformanceindexofclassFgasturbinegenerator,severaldesignplansarementionedonebyone,suchas1gas

turbine+1steamturbine+2generatorsplan,1gasturbine+1steamturbine+1generatorsplan,2gasturbine+1steamturbine

+2generatorsplan,andsomeadvicesareprovidedtoreducethecost,makesureheatsupplyingandimproveeconomical

efficiencyofthewholeplant.

classFgasturbinegenerator;home-made;heatsupplying;optimization

1

1.1

燃气-蒸汽联合循环发电的特点和应用

特点

燃气-蒸汽联合循环利用燃气轮机作功后排出高

2）环保性好污染物排放少。燃气-蒸汽联合循

环发电装置一般不会排放SO

2

，不会产生粉尘和灰

渣，NO排放量不超过25伊10

-6

，是一种绿色环保型

发电方式。

3）投资小、占地省、耗水少、建设快。联合循

环发电厂设备简单、布置紧凑；燃气轮机为整体发

运，余热锅炉采用模块化组装，现场工作量小，安

装周期短；无需煤场、灰场；占地面积小；可分期

建设，先投运燃气轮机简单循环，再扩建为燃气-蒸

汽联合循环。与同容量火电厂相比，燃气-蒸汽联合

循环发电厂的投资费用可节约40%，耗水量减少

2/3，地面积节省70%。

温气体在余热锅炉中将给水加热成过热蒸汽，并送

至汽轮机中继续做功，把燃气循环和蒸汽循环联合

在一起，即把2个使用不同工质的独立动力循环，

通过能量交换联合在一起的循环。使用天然气作为

燃料的燃气-蒸汽联合循环发电的主要优点如下：

1）整体循环效率高。联合循环机组充分回收燃

机排烟热损失，提高机组效率。燃气-蒸汽联合循环

供电效率高达50%

～

60%，有效提高了能源利用率。

收稿日期：2016-01-26

作者简介：于涛

（

1983—），男，山东文登人，工程师，学士，2006年毕业于西安交通大学，核工程与核技术专业，现主要

从事核电厂热力系统设计工作。

开发与应用

2）

能源研究与管理

2016（

窑83窑

4）能快速启停，调峰性能良好。燃气轮机从开

始盘车到满负荷运行所需时间仅为10

～

20min，联

合循环发电机组热态、温态和冷态启动时间分别为

60、90和120min，大大少于传统火电机组。

1.2在我国的应用与发展

我国使用天然气为燃料、以燃气轮机为原动机

6）轴向排气，压降减小，便于余热锅炉布置。

2.2“F”级燃气轮机国产化

“十五”期间我国引进美国通用电气、德国西门

子和日本三菱3种F级大型单轴燃气轮机机组。哈

尔滨动力集团和美国通用电气

（

GE）组成的联合体

共同生产109FA机型；东方电气集团和日本三菱组

成的联合体共同生产M701F机型；上海电气集团与

德国西门子组成的联合体共同生产SGT5-4000F机

型。2014年上海电气集团与意大利Ansaldo组成的

联合体共同生产AE94.3A机型。

东方电气/三菱重工、哈动力/通用电气及原上

海电气/西门子三大联合体设备厂家9F级燃气轮机

在我国已有数十台投入商业运行，其中哈动力/通

用电气联合体业绩最多，东方电气/三菱重工机组

容量最大，并已逐步实现国产化，而上海/Ansaldo

联合体效率最高，目前国内业绩较少。

2.3“F”级燃气轮机技术性能汇总表

国内各厂家所生产的F级燃机的详细参数详见

下表1。

发电起始于20世纪70年代。20世纪80年代中后

期以来，华南和华东地区引进了容量更大、参数更

高、具有世界先进水平的120

～

160MW级燃气轮

机。从2003年起，从3个国外公司引进了F级燃气

轮机制造技术。

2

2.1

“F”级燃气轮机选型

“F”级燃气轮机技术特点

各公司在F级燃气轮机研发过程中，广泛引入

航空发动机气动设计和燃烧技术，把握好创新和继

承的关系，努力找准高效率和高可用率的平衡点，

将产品的先进性和机组可靠性融为一体，形成了覆

盖各种F级燃机的设计共性，归纳起来包含以下几

方面：1）整体式结构，水平中分式装配，便于安装

与维护。2）冷端（压气机侧）功率输出，消除了热

应力对输出轴的影响。3）双轴承支撑结构，压气机

侧设置推力轴承，透平侧为滑动轴承。4）采用环管

状燃烧室，装备干式预混合低NO双燃料燃烧器。

5）压气机进口设置可调导叶，提高效率、抑制喘

振、改善机组启停/低负荷性能。

表1

F级燃机

西门子

SGT5-4000F

哈尔滨-GE

PG9351FA

东方-三菱

M701F4

上海-Ansaldo

AE94.3A

F级燃机

西门子

SGT5-4000F

哈尔滨-GE

PG9351FA

东方-三菱

M701F4

上海-Ansaldo

AE94.3A

第1台

投运年代

1996

1991

1992

—

热耗/

-1

（kJ·(kW·h）

)

9113

9473

9024

9000

额定

功率/MW

299

291

324

310

机组

热效率/%

38.6

36.9

38.2

40.0

压气机级数

15

18

17

15

3

3.1

余热锅炉

（

HRSG）的类型与选择

余热锅炉的特点

余热锅炉实质上是一台大型热交换器，是组成

燃气-蒸汽联合循环发电装置的重要设备。余热锅炉

利用燃气轮机的高温排气加热给水，并产生过热蒸

汽，再送往汽轮机作功。这使（非补燃型）余热锅

燃机进气

压力/MPa

2.8～3.3

3.2～3.6

约3.0

3.0～3.3

燃气轮机

叶片级数

4

3

4

4

F级燃机参数对比表

压缩比

18.2颐1

15.4颐1

17颐1

19颐1

燃烧器型式

组合式

DLN

DLN

组合式

排气流量/

（kg·s

-1

）

715

664

725

742

燃料

天然气，轻油

天然气，轻油

天然气，轻油

天然气，轻油

排气

温度/益

587

612

598

581

燃烧器数目

24

18

20

24

NO排放量/

伊10

-6

25

23

23

25

燃烧器

出口温度/益

发电机布置

1310

1326

1400

1240

轴系中间

轴系末端

轴系末端

轴系中间

窑84窑

2）

能源研究与管理

2016（

开发与应用

炉与电站锅炉存在很大差异：余热锅炉没有燃烧设

备，不需燃烧空间；烟气通道在正压条件下工作；

入口烟气温度较低，一般不大于600

～

640益，基本

上无辐射换热，而以对流换热为主；以天然气为燃

料的燃气轮机排气中不含固态粉尘，基本不含SO

2

，

不存在积灰和低温腐蚀，故余热锅炉受热面管束采

用螺旋鳍片，以强化传热；同时，为充分回收热量，

余热锅炉排烟温度很低；燃气轮机启停速度快，启

停频繁，故余热锅炉应具备良好的负荷跟踪性和运

行灵活性。

3.2余热锅炉形式

目前，余热锅炉根据受热面布置和炉水循环方

式的不同，可分为立式余热锅炉和卧式余热锅炉2

大技术流派。立式余热锅炉总体呈垂直布置，烟气

自下而上流经水平布置的各段受热面管束；卧式余

热锅炉总体呈卧式布置，烟气沿水平方向流经垂直

布置的各段受热面管束。

立式余热锅炉一般采用强制循环模式。受热面

沿高度方向布置，烟囱位于锅炉顶部，整体占地面

积小。锅炉较高，钢结构重量较大。高温炉水循环

泵可靠性差，电耗高，运行费用高。

卧式余热锅炉均采用自然循环。重心低，稳定

性好，抗风抗震能力强。占地面积较大。无需循环

泵，可靠性好，操作容易，厂用电率低。但是，锅

炉水容量大，启停及变负荷速度慢，但终比汽轮机

的启动速度快得多，因此余热锅炉启动速度尚不是

主要因素。

3.3余热锅炉推荐选型

余热锅炉蒸汽压力等级可分为单压、双压和三

压几种。蒸汽可以再热或不进行再热。归纳起来有

单压、双压、双压再热，三压、三压再热等5大类

汽水系统。具体选择主要取决于燃气轮机在额定工

况下的排气温度、流量和燃料含硫量。

现代大功率燃气轮机由于排气温度较高，为提

高余热利用率，多采用双压、三压或再热余热锅炉。

合理选取两压和三压的每个回路的压力、温度和流

量参数，达到在相同的节点温差下，使平均传热温

差较小，从而得到较高的锅炉余热利用率，并同时

考虑蒸汽的作功能力，保证输出功最多。在联合循

环蒸汽系统的设计中随着蒸汽压力的升高，以及采

用双压、三压和再热等复杂的系统，联合循环的效

率都会有一定程度提高，双压循环和三压循环之间

的效率差约为0.4%

～

0.6%，采用再热循环后，效率

约能再提高0.2%

～

0.4%。当然，上述效率的提高是

以增大余热锅炉换热面积为代价。根据国外公司的

设计经验，当燃气轮机的排气流量

＞

120kg/s，以及

进入余热锅炉的燃气温度高于510益时，可以采用

双压或三压循环的汽水系统；当燃气轮机排气温度

高于560益时，就可以考虑采用三压再热循环的汽

水系统。美国通用电气公司PG9351FA、三菱重工

业公司的M701F、阿尔斯通公司的GT26、西门子

公司的V94.3A等机组都采用三压再热蒸汽循环。

4蒸汽轮机选型

联合循环发电的汽轮机与一般的火力发电装置

的汽轮机在原理上相同，但为适应快速启停和承担

调峰负荷的要求，也有自身的特点，主要体现为：

排汽流量大；节流调节，滑压运行；配置旁路系统；

排汽方式多样。

5燃气、蒸汽轮发电机组的配置方式

5.1主机和轴系配置方式对比

燃气-蒸汽联合循环装置中的燃气轮机和汽轮机

可以单轴配置，也可以多轴配置。单轴配置即是燃

气轮机和汽轮机串联成一个轴系，共同驱动一台发

电机；多轴配置即是燃气轮机和汽轮机各自驱动单

独的发电机，多轴配置还可分为一拖一、二拖一和

三拖一型式。

5.1.1主机配置方案的比较

联合循环机组（带工业热负荷）常见机组配置

型式如下：

1）方案一。“一拖一”单轴抽凝方案

（燃气轮

机、汽轮机、发电机在同一根轴上）：1台燃机+1

台余热锅炉+1台抽凝式汽轮机+1台发电机+1台

凝汽器，如北京京丰电厂的机组。

2）方案二。“一拖一”多轴抽凝方案

（燃气轮

机、汽轮机、发电机在不同的轴上）：1台燃机+1

台余热锅炉+1台抽凝式汽轮机+2台发电机+1台

凝汽器，如北京郑常庄电厂的机组。

5.1.2轴系配置方案的比较

单轴配置主要应用于燃气轮机出力在250MW

以上的大功率联合循环机组，单轴布置的优点在于

联合循环机组只有1台发电机及相关的输变电设备，

燃气轮机和蒸汽轮机可以共用1套润滑油系统，同

时辅助设备也可以统一布置，系统简单，公用设施

多，设备费用降低。同时使设备简化、布置紧凑，

厂房面积小，节省投资。主机设备厂家反馈单轴布

置比多轴布置主机设备投资可节省约5%。单轴布置

开发与应用

2）

能源研究与管理

2016（

窑85窑

燃气-蒸汽联合循环机组启动时需解列蒸汽轮机或用

启动锅炉供蒸汽轮机轴封和低压缸冷却蒸汽。

多轴配置主要应用于目前中小容量和供热的联

合循环机组，多轴布置的优点在于燃气轮机与蒸汽

轮机单独驱动发电机，二者相对独立，可以实现燃

机、蒸汽轮机顺序启动，节省启动锅炉投资。同时

燃机启动速度快，调峰能力较强，具有适应性强、

运行灵活。

5.2供热能力比较

“一拖一”单轴方案中，东方-三菱产品

表2

项目

2台机组正常运行

1台机组汽轮机故障

1台燃气轮机故障

表3

项目

2台机组正常运行

1台机组汽轮机或

1台燃气轮机故障

M701F4机型和哈电-GE产品PG9351FA机型，发

电机位于轴端，由于轴系稳定要求，供热能力较小。

西门子产品SGT5-4000F和上海电气-Ansaldo产品

AE94.3A机型发电机位于轴端，汽轮机安装于燃机

和发电机之间，汽轮机与发电机之间可设置3S自动

离合器，在机组抽汽不满足供热负荷要求时可将汽

轮机解列，蒸汽经减温减压后直接对外供汽大大提

高了供热能力和供热可靠性。

西门子产品SGT5-4000F机型和东方-三菱产品

M701F4机型就供热能力分别见表2和表3。

负荷平衡（/t·h

-1

）

最小值

0

0

0

最大值

0

0

0

负荷平衡（/t·h

-1

）

最小值

0

0

最大值

0

-70

平均值

0

-180

平均值

0

0

-93

带3S离合器机型汽量平衡表（西门子SGT-4000F单轴机型为例）

蒸汽轮机再热抽汽+余热锅炉低压蒸汽（/t·h

-1

）

最小值

2伊119

238

238

最大值

2伊185

370

370

平均值

2伊240

93+387

387

抽汽参数/MPa

1.5/0.5

1.5/0.5

1.5/0.5

无3S离合器机型汽量平衡表（东方-三菱产品M701F4机型为例）

蒸汽轮机再热抽汽+余热锅炉低压蒸汽（/t·h

-1

）

最小值

2伊119

238

最大值

2伊185

300

平均值

2伊240

300

抽汽参数/MPa

1.5/0.5

1.5/0.5

根据表2、表3可知：

1）

带

3S离合器机型。机组正常运行时，2套F

级“一拖一”单轴燃气-蒸汽联合循环机组蒸汽轮机

热段供热抽汽+余热锅炉低压蒸汽合计可供1.5

MPa及0.5MPa参数的供热蒸汽，2台机组抽汽运

行时，可分别供最小、平均及最大蒸汽量238、370

和480t/h。

当单台机组蒸汽轮机故障时，可将故障蒸汽轮

机通过3S离合器与燃气轮机分离，燃机+余热锅炉

+发电机单独运行，此运行工况再热热段蒸汽通过

减温减压后供热，低压蒸汽直接供热，合计最大供

热能力387t/h。

当单台燃气轮机故障，另一台联合循环机组通

过3S离合器将蒸汽轮机与燃气轮机分离，燃机+余

热锅炉+发电机单独运行，此运行工况再热热段蒸

汽通过减温减压后供热，低压蒸汽直接供热，合计

最大供热能力387t/h。

2）不带3S离合器机型。机组正常运行时，2

套F级“一拖一”单轴燃气-蒸汽联合循环机组蒸汽

轮机热段供热抽汽+余热锅炉低压蒸汽合计可供1.5

MPa及0.5MPa参数的供热蒸汽，2台机组抽汽运

行时，可分别供最小、平均及最大蒸汽量238、370

和480t/h。

当单台机组蒸汽轮机或燃气轮机故障时，整套

联合循环机组需停机检修，正常运行联合循环机组

再热热段蒸汽通过减温减压后供热，低压蒸汽直接

供热，合计最大供热能力300t/h。

由上可知，对于无3S离合器的机型，可能需通

过增加备用炉的方式来满足供热负荷的调峰及可靠

性要求。

6结论

1）“一拖一”单轴方案，正常运行中1台燃机

或蒸汽轮机设备故障工况通过燃气-蒸汽联合循环机

组高温再热蒸汽减温减压+余热锅炉低压蒸汽供给

工业用汽。采用东方-三菱产品M701F4机型和哈电

-GE产品PG9351FA机型，当1台燃机或蒸汽轮机

设备故障工况联合循环供热能力不足，可能需通过

增加调峰燃气锅炉满足供热需求

。西门子产品

SGT5-4000F和上海电气-Ansaldo产品AE94.3A机

型可通过3S离合器的应用，灵活调整运行方式，满

足供热要求。提高了供热能力和供热可靠性；鉴于

燃气轮发电机组启动速度快，通过燃机、汽机顺序

启动，优化机组启动条件，还可取消启动锅炉，节

（下转第93页）

节能技术

2）

能源研究与管理

2016（

窑93窑

5存在问题及创新点

本文将平行流换热器应用到重型机械液压油冷

flowconditions[J].DesalinWaterTreat,2015,55(12):3267-

3276.

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[8]阙雄才,陈江平.汽车空调实用技术[M].北京:机械工业出

版社,2003.

却系统中，并通过计算机编程对其结构尺寸进行优

化，使得热经济性得到提高，减轻了噪声与环境污

染问题。

平行流换热器空气侧采用换热性能较高的百叶

窗翅片结构，制冷剂侧采用非圆截面的小水力直径

多孔扁管结构，空气侧和制冷剂侧传热均得到了强

化，使平行流换热器具有换热系数高、重量轻、结

构紧凑、制冷剂充灌量少等优点。但由于平行流换

热器的特殊结构，其较为复杂的换热机理目前尚未

被完全了解，尚缺乏精度高、通用性强的计算关联

式以及平行流换热器准确、合理的设计方法。

参考文献

[1]ShakibaA,calanalysisofmagneticfieldef-

fectsonhydro-thermalbehaviorofamagneticnanofluidina

dodoublepipeheatexchanger[J].JMagnMater,2016,402:

131-142.

[2]GeorgiouMC,BonanosAM,mental

evaluationofamultiple-effectdistillationunitinlowseawater

（上接第85页）

省项目投资。

2）“一拖一”多轴方案，燃气轮机与蒸汽轮机

分轴布置，运行方式灵活，单套燃气-蒸汽联合循环

机组燃气轮机或余热锅炉或蒸汽轮机发生故障时，

通过燃气轮机和余热锅炉独立运行，4大主机类型

均可满足供热工况热负荷要求。

3）在布置方面，“一拖一”单轴方案燃机、余

热锅炉及汽轮机布置紧凑，占地面积及主厂房容积

最小，4大管道长度短，不论主机设备造价还是工

程量都比“一拖一”多轴方案小的多

4）“二拖一”多轴方案，燃气轮机与蒸汽轮机

分轴布置，运行方式灵活，机组效率高，机型较成

熟，蒸汽轮机发生故障时，通过燃气轮机和余热锅

炉独立运行，可满足供热工况热负荷要求。但机组

启动时2台余热锅炉并炉时间较长，控制系统及控

制难度都会增加。且机组运行可靠性差，如果汽轮

机出现故障或检修会导致整个“2+1”联合循环机组

停运，虽然可以实现单燃机带汽轮机运行，但汽机

半负荷运行降低了整体热效率。

综上所述，当前国民经济发展的重要政策之一

是节约能源、保护环境、贯彻可持续发展的方针。

热电厂机组的选择，既要考虑节能效益，节省项目

投资，也要考虑经济效益，并符合改善环境和提高

供热质量的要求。主机型式和配置的确定应根据工

程需求的不同，而进行适当的选择，同时订货前还

应考虑厂家供货业绩、供货周期以及其他必要因素。

参考文献

[1]冯志军.替代燃煤小热电的F级燃气热电联产机组的选型

分析[J].电力与能源,2014,35(1):67-51.

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[3]华东电力设计院.燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定:DL/T

5174—2003[S].北京:中国标准出版社,2003.

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