PG9351FA型燃氣輪機熱通道部件改造可行性分析

李云峰，姜紅衛，魯曉宇，夏 林，胡孟起

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PG9351FA型燃氣輪機熱通道部件改造可行性分析

李云峰1，姜紅衛1，魯曉宇2，夏 林2，胡孟起2

（1.中電投珠海橫琴熱電有限公司，廣東 珠海 519000； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

介紹了PG9351FA型燃氣輪機熱通道部件改造技術，結合某廠PG9351FA型燃氣輪機及其聯合循環機組實際情況，分析并提出改造原則及改造方案，對改造方案下的聯合循環機組熱力性能變化及投資收益進行了預估分析。結果表明：針對PG9351FA型燃氣輪機實施熱通道部件改造，能夠提高聯合循環機組的出力和熱效率，改造經濟性較好；建議在實施改造前，對全廠關鍵配套設備進行必要的核算、檢查和試驗，以有針對性的制定改造方案。

燃氣輪機；PG9351FA型；聯合循環；熱通道部件；改造；可行性；經濟性

燃氣-蒸汽聯合循環發電技術（聯合循環）具有高效、節能、環保等特點[1-2]，與燃煤機組相比，聯合循環機組進一步實現了能源的梯級利用。此外，聯合循環機組還具有運行靈活、調峰能力強、噪聲低頻分量低、污染物排放極低的特點和優 勢[3-8]。目前，聯合循環發電技術在世界范圍內得到了廣泛應用和發展，在全球電力供應中，天然氣發電占比已達20%以上，并且發電用氣占天然氣總消費比例也超過30%[9-10]。

自20世紀90年代起，聯合循環發電技術的核心裝備之一，燃氣輪機的設計制造技術進入了新的發展時期，以F級為代表的大容量、高參數、高效重型燃氣輪機逐步成為市場應用的主力機型[11]。GE公司于1999年推出的F級PG9351FA型燃氣輪機，透平初溫達到1 327 ℃，單循環功率為255.6 MW，熱效率為36.9%[12]。自2003年起，我國通過打捆招標方式逐步引入PG9351FA型燃氣輪機及與之配套的聯合循環機組，目前國內投運的PG9351FA型燃氣輪機已超過30臺。

近年來，隨著燃氣輪機關鍵部件設計制造、高溫熱通道部件材料及制造工藝[13-15]、涂層保護及其先進冷卻[13]、高效低污染燃燒[16-17]等核心技術的發展和應用，各燃氣輪機制造商不斷推出改進型F級燃氣輪機以及針對現役燃氣輪機的增容提效改造技術，如GE公司針對PG9351FA型燃氣輪機推出了先進熱通道（advanced hot gas path components）升級改造技術（AGP改造技術）。

本文介紹了AGP改造技術的主要內容，分析了某廠AGP改造原則及改造方案，并對AGP改造后聯合循環機組的熱力性能收益和改造投資收益進行了計算和分析，為同類機組實施改造提供借鑒。

1 GE公司AGP改造技術簡介

GE公司推出的PG9351FA型燃氣輪機AGP改造技術，其核心是采用更先進的9F.04型燃氣輪機熱通道部件及相關技術對PG9351FA型燃氣輪機的相關部件和系統進行升級：

1）一、二、三級動葉，靜葉和護環等9大熱通道部件均采用了耐用性更強、抗蠕變和抗疲勞性能更好的高溫合金材料和高溫涂層材料，以延長部件壽命。

2）應用先進動葉葉型與噴嘴優化設計技術，降低葉型損失，提高通流效率。

3）應用葉根及葉尖平臺、葉冠、輪盤的優化冷卻技術。

4）動葉采用榫頭與榫槽密封、帶雙切齒的葉頂密封技術，護環采用雙切齒蜂窩密封技術，以降低級間泄漏損失，提高通流效率。

5）優化控制參數，將透平初溫提高約10℃，提高熱力循環初溫，提高循環效率及機組出力。

6）應用DLN2.6+全預混燃燒技術。相比DLN2.0+燃燒技術，DLN2.6+全預混燃燒技術可提高機組對燃料的適應性（華白數適用范圍擴大），將燃氣輪機NO排放質量濃度由50 mg/m3（負荷率75%~100%）降低至30 mg/m3（負荷率40%~100%）。

7）應用先進透平間隙控制技術。一級護環表面覆蓋可磨涂層，并通過透平缸體溫度管理系統控制透平缸溫，減小透平一級動葉與一級護環間隙，以降低級間泄漏損失，提高通流效率。

8）進行透平冷卻空氣量優化。因透平第2、3級靜葉采用了更加耐高溫的合金材料，可適當減小從壓氣機第9級和第13級抽出的透平冷卻空氣量，以增加一級動葉入口工質流量，提高燃氣輪機出力和效率。

通過上述改造，PG9351FA型燃氣輪機能在更高的透平初溫下運行，可獲得更高的出力、熱效率以及更好的污染物排放指標。

2 某廠PG9351FA型燃氣輪機AGP改造方案

2.1 主機概況

某廠配備2套一拖一分軸聯合循環機組，于2014年投入商業運行。每套聯合循環機組的主機配置為：1臺PG9351FA型燃氣輪機和1臺燃氣輪機發電機、1臺余熱鍋爐、1臺汽輪機和1臺汽輪機發電機。該廠PG9351FA型燃氣輪機主要技術參數見表1。

表1 某電廠PG9351FA型燃氣輪機主要技術參數

Tab.1 Main technical parameters of PG9351FA gas turbine in a power plant

根據2015年該廠機組檢修后的熱力性能試驗數據，2臺PG9351FA型燃氣輪機實測發電熱耗率均比設計值高約300 kJ/(kW·h)，燃氣輪機性能不佳，已對聯合循環機組的運行經濟性造成顯著的不利影響。因此，擬對該廠2臺PG9351FA型燃氣輪機實施AGP改造，本文就AGP改造進行可行性分析。

2.2 改造原則

實施燃氣輪機AGP改造，需同時兼顧聯合循環機組余熱鍋爐系統、汽輪機系統、電氣系統和輔助設備系統的限制。實施AGP改造，燃氣輪機發電出力和排氣能量增加，將導致燃氣輪機燃料流量增加、余熱鍋爐產汽參數和汽輪機進汽參數提高，故應結合機組實際情況，著重對改造后余熱鍋爐各級汽水系統運行參數及安全性、汽輪機進汽參數及預估的發電出力和運行安全性、發電機及勵磁系統和主變壓器的容量、燃氣輪機上下游相關輔機系統容量等進行仔細核算和評估。改造應選擇科學合理且經濟的方案，并遵循如下原則：

1）燃氣輪機基礎不變；

2）燃氣輪機壓氣機本體不變；

3）燃氣輪機透平轉子不變；

4）燃氣輪機與發電機的連接方式和位置不變；

5）燃氣輪機與余熱鍋爐的連接方式和位 置不變；

6）聯合循環機組熱力系統結構不變；

7）盡可能利用原有設備，減少改造工作量。

2.3 改造方案

2.3.1 燃氣輪機系統

1）將原有DLN 2.6+燃燒器返廠改造；

2）對透平一、二、三級噴嘴，動葉，護環等九大部件進行升級更換；

3）配置及安裝燃氣輪機控制系統軟件，其中Mark VIe控制系統本體部分無需改造，僅需增加一定數量的溫度、壓力、流量測量元件；

4）進行壓氣機第9、第13級抽氣流量調節系統升級；

5）進行透平缸體溫度管理系統升級；

6）更換燃氣輪機透平輪間測溫熱電偶；

7）進行OpFlex運行優化系統升級。

2.3.2 聯合循環機組其他系統

廠內所配天然氣調壓系統、余熱鍋爐及輔機、汽輪機及輔機、主要電氣設備、主要汽水管道等均能夠滿足AGP改造后的運行要求，從盡量利用舊件以節約投資角度，無需對上述設備及系統進行配套增容。但仍有必要在實施改造前，對上述設備及系統進行必要的檢查或試驗，分析設備的健康狀況，并制定相應的適用性方案，對影響改造方案的設備進行改進性維護。

3 AGP改造經濟性分析

3.1 熱經濟性

以該廠聯合循環機組設備的設計資料及最近一次的機組熱力性能試驗數據為基礎，在Thermoflow27效能仿真平臺上建立聯合循環機組整體性能仿真計算模型。

基于改造商提供的各氣象工況下燃氣輪機預估性能變化量（表2），對改造方案下聯合循環機組熱力性能變化進行預估，結果見表3。

由表3可以看出：若實施燃氣輪機AGP改造，在燃氣輪機發電機組100%負荷及典型氣象條件下，聯合循環機組發電出力預計可提高18.15~30.6 MW，發電熱耗率預計可降低93~131 kJ/(kW·h)；在燃氣輪機發電機組75%負荷及典型氣象條件下，聯合循環機組發電出力預計可提高13.4~17.9 MW，發電熱耗率預計可降低103~116 kJ/(kW·h)，機組熱經濟性提高顯著。具體計算結果見表3。

表2 燃氣輪機性能參數預估變化量

Tab.2 The estimated variations of the gas turbine performance parameters

表3 聯合循環機組性能參數預估變化量

Tab.3 The estimated variations of the combined cycle unit’s performance parameters

3.2 投資收益

3.2.1 經濟性計算的原始數據

1）僅考慮由于改造后熱耗率降低以及燃氣輪機長期維護協議（CSA）費用變化而節約的運維費用，不計及增容部分的發電效益所帶來的收益。其中，全年節約的長期維護協議（CSA）費用預計為580 117美元。

2）根據初步詢價結果，該廠2臺燃氣輪機AGP改造的投資總費用約為1 860萬美元。

3）經濟性計算采用的機組全年發電量情況按2017年該機組實際運行情況取值，其中，第1套聯合循環機組2017年全年發電量為145 211.36萬kW·h，第2套為193 198.90萬kW·h。

4）該廠燃氣輪機目前運行負荷率大部分時間維持在70%~80%，故按照75%電負荷率工況預估改造后的熱耗率降低收益：AGP改造后，每套聯合循環機組的發電熱耗率收益取為103 kJ/(kW·h)，暫取年均氣象條件純凝工況下燃氣輪機發電機組負荷率為75%時聯合循環機組發電熱耗率收益值。

全廠2套聯合循環機組全年節約燃料消耗的熱量為103×(145 211.36+193 198.90)×10=348 562 567.8 MJ，按照目前該廠天然氣低位熱值33.7 MJ/m3計算，全廠全年節約天然氣消耗10 343 102.9 m3。

5）天然氣價取2.37元/m3（不含稅），天然氣增值稅稅率10%，電力增值稅稅率16%，不計城鄉建設稅及教育附加費，所得稅按企業25%計算，融資前稅前行業基準收益率取8%。

6）按改造資金為100%自有資金計算，機組改造總計的靜態資金按一年100%投入，改造當年即投產發電。

7）匯率取1美元=6.9元人民幣。

3.2.2 技術經濟性指標

基于上述經濟性計算基礎數據，對改造方案下該廠實施2臺PG9351FA型燃氣輪機AGP改造的主要技術經濟性指標進行預估，結果見表4。

表4 AGP改造的主要技術經濟性指標預估值

Tab.4 The estimated values of the main technical and economical indexes of the AGP modification

由表4可知：AGP改造后，全廠全年節約燃料費2 451.3萬元，節約CSA運行維護費用400.3萬元，靜態投資回收期為4.63年，稅前內部收益率達到27.28%，高于8%的行業基準收益率，因此改造方案具有較好的經濟性。

3.2.3 技術經濟性敏感性

對AGP改造方案的投資、氣價、全年發電量 3個不確定因素進行敏感性分析，分別按增減10%單因素變化，靜態投資回收期、投資回收年限的變化見表5。

表5 AGP改造方案不確定因素敏感性分析結果

Tab.5 The sensitivity analysis results for uncertainty factors of the AGP modification scheme

由表5可知，燃氣輪機AGP改造項目中投資、氣價、全年發電量3個因素的敏感性相當：

1）當氣價或全年發電量增加10%時，全部投資內部收益率將提高到30.45%，靜態投資回收期為4.26年；當投資減少10%時，全部投資內部收益率將提高到31.42%，靜態投資回收期為4.17年。

2）當氣價或全年發電量下降10%時，將產生24.23%的全部投資內部收益率，靜態投資回收期為5.06年；當投資增加10%時，將產生24.04%的全部投資內部收益率，靜態投資回收期為5.09年。

此外，根據GE公司提供的技術數據，實施燃氣輪機AGP改造后：燃氣輪機燃燒系統及透平部件的檢修間隔均由24 000 h延長到32 000 h，燃氣輪機大修檢修間隔由48 000 h延長到64 000 h，1個大修周期內燃氣輪機可運行時間增加16 000 h，可用率提高30%；燃燒室及透平一、二、三級噴嘴，動葉，護環等熱通道部件壽命也將由72 000 h延長到96 000 h，設備折舊成本也將有所降低。

4 結 語

對PG9351FA型燃氣輪機實施AGP改造，能夠提高聯合循環機組運行經濟性，有利于爭取更有利的節能發電調度排序，提高機組競價上網議價能力，延長燃氣輪機檢修周期，降低維護成本，提高企業市場綜合競爭力。技術經濟性分析表明，某廠聯合循環機組實施PG9351FA型燃氣輪機AGP改造后經濟性較好，投資回報期短。

值得關注的是，實施AGP改造后，聯合循環機組部分配套設備，特別是余熱鍋爐、汽輪機、燃機發電機、主變壓器等設備，可能將接近自身容量極限或運行參數極限，建議配備PG9351FA型燃氣輪機的其他電廠在實施AGP改造前對全廠關鍵配套設備進行必要的核算、檢查和試驗，分析設備的健康狀況，并對影響改造方案的設備進行改進性維護，以有針對性的制定AGP改造方案。

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Feasibility of hot gas path components upgrading for a PG9351FA gas turbine

LI Yunfeng1, JIANG Hongwei1, LU Xiaoyu2, XIA Lin2, HU Mengqi2

(1. SPIC Zhuhai Hengqin Cogeneration Co., Ltd., National Power Investment Group, Zhuhai 519000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The upgrading technology for hot gas path (AGP) components of GE's PG9351FA gas turbine is introduced. On the basis of the actual situation of a combined cycle power plant (CCPP), the retrofitting principle and scheme for the AGP upgrading are analyzed and proposed, and the corresponding change of the CCPP’s thermal performance, investments and earnings are also evaluated. The results show that, the AGP upgrading for the PG9351FA gas turbine can improve the CCPP’s power output and thermal efficiency. The AGP upgrading has good economic benefits and a short payback period. Moreover, it suggests that necessary check computations, inspections and tests should be carried out on the key accessorial equipments before the retrofitting is carried out, so as to make the most suitable transformation scheme.

gas turbine, PG9351FA, combined cycle, hot gas path components, retrofitting, feasibility, economy

TK472

B

10.19666/j.rlfd.201901006

李云峰, 姜紅衛, 魯曉宇, 等. PG9351FA型燃氣輪機熱通道部件改造可行性分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(6): 138-142. LI Yunfeng, JIANG Hongwei, LU Xiaoyu, et al. Feasibility of hot gas path components upgrading for a PG9351FA gas turbine[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 138-142.

2019-01-08

李云峰(1971—)，男，工程師，主要研究方向為發電廠建設及設備運行檢修，hljlyf@163.com。

（責任編輯 李園）