东莞中电新能源热电有限公司
摘要：作为西气东输和LNG（液化天然气）输入的配套工程，我国新建了一批350MW等级燃气-蒸汽联合循环机组。介绍日本三菱重工业公司生产的M701F型重型燃气轮机的性能及主要结构特点，分析了其与其它同类产品的优缺点。
关键词：燃气—蒸汽联合循环；结构；性能
1、引言
三菱M701F燃气轮机为采用带进气可调导叶（IGV）的17级高效率轴流式压气机。燃烧室由环绕机轴呈环状布置的20只燃烧器组成。透平段包括4级反动式叶片。燃气轮机的特点是高温透平，而且沿用了许多三菱燃气轮机系列发展过程中的特性，燃气轮机叶片装有先进的冷却系统。叶片涂有涂层，以改进耐腐蚀和抗机械磨损的能力。
2、F系列燃气轮机概况
20世纪60年代初，三菱向美国西屋公司（现已被西门子兼并）购买了生产燃气轮机的许可证，80年代中期在与西屋分手后才开始进入自主研发阶段，但在不到20年的时间里，三菱迅速成为独立研发和制造的世界重型燃气轮机主要制造厂商。F系列分为用于60Hz的M501F和用于50Hz的M701F两类产品，先开发研制的是M501F机型，首台样机在1989年完成了工厂带负荷试验，并于1993年投运，而M701F机型是按M501F机型比例模化法设计而成，首台样机于1992年6月在三菱重工的横滨工厂进行了两年的性能和可靠性试验，并于1996年投入商业运行，透平进口温度1350℃，出力234.2MW，压比16，机组效率36.6% M701F经过了多次改进，1997年M501G试制成功后，又将透平叶片新材料和隔热涂层等新技术反过来用于M701F型机组上，使透平进口温度进一步提高到1400℃，也是东方电气要从三菱引进的F级燃气轮机，即透平进口温度1400℃，出力270MW，压比17，机组效率38.2% 。经过改进，性能提高了，机组的可靠性也得到了改善。到2002年7月，三菱F系列燃气轮机在世界累计投运了56台，其中M710F型32台，累计运行57.9万h，平均可靠性99.6%（截 止2003年7月投运的F系列燃气轮机已增至65台，实际累计运行180万h）。除此以外，据同期统计，已收到的F系列燃气轮机订单还有57台，其中M501型43台，M701F型14台。
3、M701F 燃气轮机的结构特点
3.1压气机
M701F型机组的压气机是17级、压比为17的轴流式压气机。前4级采用双圆弧叶型（DCA）以适应大流量跨音速的流动特点。压气机通流部分沿流动方向上，即在第6、11、14级后分别设置了3个抽气口和相应的放气阀，以防止机组在启、停过程或非设计工程下发生喘振；压气机进口导叶还设有可转动装置，不仅可以防止压气机喘振，还可以减少启动时的动力消耗，并改善低负荷下的经济性；压气机前3级动静叶片采用了防磨 和防腐蚀的涂层。压气机静子部分采用重型叶片机械常用的水平中分面结构，各级静叶片都带有内外环（与叶片焊接或整体成型）。这种结构虽然制造复杂一些，但增加了刚度，减少了级间的漏气，使机组的可靠性和经济性都有所提高。检修时，不需要吊出转子就可以取出静叶进行检查和维修，不需要解体转子就可以更换动叶片。压气机缸后面几级高温部分 11 级还采用了静叶持环（双层结构），对运行中在高温下保持良好的对中有很大好处。
压气机前3级叶轮和前端轴用整体锻造成一体，并与后14级叶轮及与透平联结的鼓筒用12根均匀分布在圆周方向的长拉杆紧紧连接在一起，盘与盘之间还沿径向布置了若干骑缝销钉以帮助传递扭矩；4级透平轮盘也用12根稍短一些的拉杆与压气机转子连接成一整体，不过透平叶轮间的传扭是借助于端面齿来实现的，这对轮盘在高温下保持对中更为精确。当然，为此也增加了制造的难度，需要有专用的机床来完成端面齿的加工。
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压气机动叶材料是17- 4PH钢和12Cr钢，耐蚀涂层作为供选项目；静叶材料是12Cr钢，带耐蚀涂层；拉杆螺栓材料NI基合金；转子和叶轮材料是33.5NiCrMoV钢和2.25CrMoVNb钢；缸体材料是铸钢。
3.2 燃烧室
M701F 型燃气轮机的燃烧室采用环管形结构，上下两半的燃烧室外壳与压气机和透平的外缸连接成一整体。20个燃烧器沿机组圆周向均匀地斜插入燃烧室外壳里。
燃料喷嘴由围成一圆圈的8个干式预混主喷嘴和位于圆心的导向喷嘴组成。采用多喷
嘴预混式的目的是为了使空气与燃料混合均匀，增加火焰面积，降低燃烧温度，特别是减少
局部高温区，以最终减少NOx的生成。过渡段是将高温燃气引向透平作功的关键部件，它和火焰筒也是燃气轮机中承受温度最高的部件，因此对内壁的材料防护及冷却技术也是至关重要的。三菱对火焰筒和过渡段采用了双层结构。燃烧室设置旁路阀是三菱的专有技术，目的是为了控制燃料的燃烧，稳定火焰，防止爆燃：一旦压力传感器检测到燃烧压力产生波动，旁路阀将自动打开，让冷空气进入，保持燃烧的稳定。另外采用环管形燃烧室比其他形式的燃烧室有很多优点：功率不同的各种型号燃气轮机可以采用同一尺寸的燃烧器，不同型号的燃气轮机只是燃烧器的个数不同，有利于标准化、系列化、制造和维护修理都很方便；单个燃烧器做实验所需的条件简单、本低，实验结果较为准确，利于推广。
4、燃机控制系统工作状况分析
本文分五种情况对CSO进行分析，详细结果如下。
4.1 点火前
点火前（MDO时）FLCSO输出被钳制在－5％，所以最小选门输出为－5％，高选门的限制值也是－5％，因此实际C SO＝－5％。
4.2点火时
点火时（F IRE），F LCSO应该小于0，所以最小选门输出为FLCSO，但是在进入MIN状态前，高选门的输入限制值为16或18.5（根据FU EL GA S H EA T ER OU T LET T EM PHI的状态），因此实际CSO为16或18.5，维持燃料流量以取得可靠点燃。
4.3 点火后的升速阶段（WUP）
1）EXREF为602度，BPR EF为612度，而实际值都比较低，所以偏差量很大，因此通过相应PIQ模块的输出BPCSO和EXCSO很大，应该为其高限值RCSO（CSO＋bias）。
2）当LDO N为0时（LDO N 信号＝MD2 or MD3），LDCSO的输出为60和CSO＋5之间的较小值，在点火及升速时，实际输出值应该为CSO＋5。
3）对于GV CSO，LDON为0时，SPSET处于被跟踪状态，SPSET＝0.266（%），加上100后为100.266，减去实际转速得到偏差值INPUT。
G VC SO＝IN PU T * G V GA IN + N O LOA D C SO
4）对于FLCSO，在580r/m in－2500r/m in，FLC SO随着转速的增加线性地增大（1/76.8r/m in）。因此可以分别计算升速阶段GVC SO和FLC SO的输出以进行比较。
5）当转速为1600r/m in时，G VC SO >FLC SO＝33.3，所以最小选输出仍然为FLC SO。
转速为2500r/m in时，GVCSO >FLCSO ＝38.5，此时最小选输出仍然为FLC SO。
在额定转速左右，GVC SO＝36.4，FLC SO＝45（由函数决定），此时由速度控制替燃料限制控制作为实际的C SO 输出，控制燃机转速在3008r/m in附近。
4.4 同期并网
并网操作可由A PS自动实现，也可以在同步断点时由操作员确认后手动投入使A SS A U TOREQU EST为1，控制系统则将 A SSA U T O R EQU EST 转换为G EN.SY N A U T O SELEC T并送至G C P（G EN ER A T O R C O N T R O L PA N EL），由其自动调节转速设定值SPSET，实现与电网的同步，闭合发电机出口断路器GC B，从而实现并网。 发电机出口断路器的闭合信号（52G C LO SE）由就地测点三选二进入控制系统，作为M D3成立的逻辑判断条件。
5、结语
三菱的燃气轮机技术目前处于世界先进水平，特别是透平进口初温和冷却技术在重型燃气轮机领域处于领先地位，由于采用了干式预混燃烧器和增加旁路阀，较好地解决了低NOx 排放和燃烧稳定性的问题。以燃机为核心的燃气—蒸汽联合循环发电技术具有高效、 环保及良好的启动调峰特性，目前在国际上已得到了广泛应用，并将迅速成为我国发电机组中不可忽视的组成部分。
参考文献：
[1]Mitsubishi Heavy Industries，LTD.TechnicalReports Of Gas- turbine.
[2]王乃井.三菱重工业公司 M701F 型燃气轮机资料[J].燃气轮机发电技术，2004，3/4.
[3]王强.M701F 燃气轮机的结构特点[J].东方电气评论.
[4]焦树建.燃气—蒸汽联合循环[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]林汝谋，金红光.燃气轮机发电动力装置及应用[M].北京：中国电力出版社，2004.
论文作者:刘冰洋
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/8/1
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