SGT800工業燃氣輪機技術及市場分析

■ 魏佳明 周靈敏 余沛坰 李祎曼 謝健 閆志勇 何成/杭州汽輪動力集團有限公司

德國西門子公司的SGT800工業燃氣輪機廣泛用于簡單循環、聯合循環和熱電聯產等領域，截至目前已有超過325臺套機組銷往世界各地。2017年，西門子公司與杭州汽輪機股份有限公司簽訂了SGT800技術轉移協議，這次技術轉移使得SGT800燃氣輪機在中國市場的前景有了更多的期待。

德國西門子公司的SGT800工業燃氣輪機（見圖1）的前身為GTX100燃氣輪機，是瑞士ABB公司為了補充功率等級產品目錄而研制的40MW級工業燃氣輪機，GTX100從1994年開始研制，1997年完成第一臺產品。1999年，ABB公司將燃氣輪機業務整體轉讓給了法國阿爾斯通公司。2004年，阿爾斯通公司又將小型工業燃氣輪機業務出售給了德國西門子公司，GTX100燃氣輪機更名為SGT800。2003年，SGT800簡單循環機組的輸出功率提升至45MW，與此同時，基于經驗和已經獲得認可的設計方案，西門子公司逐步對SGT800進行改進和開發，以追求更高的功率和可靠性。2010年，德國西門子公司宣布將SGT800升級到50.5MW。2017年，SGT800功率輸出升級到57MW。

圖1 西門子公司的SGT800燃氣輪機總體結構

SGT800結構和性能特點

SGT800燃氣輪機的轉子結構為單軸，由15級軸流式壓氣機和3級軸流式渦輪組成。

SGT800的壓氣機是采用最新空氣動力學設計的跨聲速結構，受控擴散葉型（CDA），壓比為20∶1，前3級采用了可變導流葉片設計，設置放氣孔來確保機組在不同負荷范圍和環境工況下能夠穩定運行。為使葉尖漏氣降至最低，使用了可磨蝕密封材料。

SGT800的燃燒室結構配有30個第三代干式低排放（DLE）雙燃料燃燒器，在50%～100%負載水平時，其排放性能為NOx體積分數≤15×10-6（使用柴油燃料時NOx體積分數≤25×10-6～42×10-6）和CO體積分數≤5×10-6，無須注水或者蒸汽[1]。

SGT800的渦輪通過先進的空氣動力學設計和基于3D分析的通流部分優化設計，使得轉子葉尖間隙最小。渦輪前2級葉片的冷卻設計沿用西門子先進的冷卻技術，且第一級轉子葉片采用了單晶材料，以確保耐久性和長壽命。渦輪靜子采用壓氣機空氣進行冷卻，以減小間隙，改善效率。

SGT800轉子結構、壓氣機結構、燃燒室結構及渦輪結構如圖2所示。

SGT800不僅具備非常高的簡單循環效率，而且由于出口擴壓器的排氣溫度較高，尤為適合聯合循環和熱電聯產。在聯合循環下，SGT800與可利用廢氣熱量的余熱鍋爐（HRSG）一起組合使用，由雙壓的余熱鍋爐向蒸汽輪機供汽。對于較大的功率，可安排2臺SGT800，每臺燃氣輪機均連接一臺余熱鍋爐，為一個公用的蒸汽輪機供汽。簡單循環和聯合循環性能參數如表1所示。

圖2 SGT800燃氣輪機各部位結構特點

同等功率等級燃氣輪機對比

目前，主流的50MW級燃氣輪機除了SGT800以外還有2款機型，分別是三菱日立電力系統株式會社的H25和美國GE航空集團的6F.01。三菱日立在為GE航空集團多年代加工和制造實踐的基礎上，獨立開發了高效率燃氣輪機H25[2]，其初始輸出功率為28MW，之后陸續升級到32MW、35MW和42MW。GE航空集團的50MW級的6F.01則傳承了GE航空集團的F級燃氣輪機技術。現就SGT800、H25和6F.01機組總體結構、性能參數、熱部件材料和運行維護進行對比。

總體結構

3款燃氣輪機的總體結構都是水平中分式缸體，單軸式結構，軸向排氣，冷端驅動，兩軸承設計，H25和6F.01的總體結構如圖3和圖4所示。3款燃氣輪機結構的區別具體如表2所示。

圖4 GE航空集團的6F.01燃氣輪機結構

性能參數

3款燃氣輪機性能參數如表3所示，其排氣溫度高于500℃，燃氣輪機簡單循環和聯合循環效率也很高，3款燃氣輪機都適合聯合循環發電和熱電聯產，但SGT800簡單循環和聯合循環的效率都是最高的，6F.01次之，H25相對最低，較高的燃氣輪機循環效率可以有效降低發電燃料成本，更具有市場競爭力。

表2 3款燃氣輪機總體結構對比

表3 3款燃氣輪機性能參數對比

表4 3款燃氣輪機部件材料對比

熱部件材料

3款燃氣輪機渦輪靜葉都采用等軸晶材料，其中SGT800和6F.01靜葉材料采用鎳基高溫合金，而H25采用鈷基合金，靜葉材料的持久強度大小為：IN792＞IN939＞GTD111＞GTD222＞FSX-414。

SGT800和6F.01的第一級轉子葉片都采用單晶材料，H25使用定向結晶材料。轉子葉片材料的持久強度大小為：單晶（CMSX4）＞定向(GTD111/RMO2B） ＞GTD111＞IN738。由于SGT800和6F.01渦輪入口初溫更高，因此SGT800和6F.01使用的靜子、轉子葉片材料性能也相對更好。表4為3款燃氣輪機部件材料對比。

圖 5 SGT800工業燃氣輪機應用行業

機組運行維護

燃氣輪機的運行維護一般包括燃燒室檢修、熱通道檢修和大修3個階段，3款燃氣輪機的運行維護時間如表5所示，其中檢修周期時間為等效運行時間，燃料為天然氣。SGT800燃燒室檢修間隔時間相對另外兩款燃氣輪機增加了1倍，達到30000h，這也體現出了環形燃燒室后期運行維護的優勢。

表5 3款燃氣輪機運行維護時間對比

SGT800工業燃氣輪機的市場

西門子公司的SGT800被廣泛應用于石油與天然氣、工業發電以及電力生產等領域，如圖5所示。

在全球范圍來看，SGT800遍布歐洲、美洲、亞洲、大洋洲。截至目前已有超過325臺套機組銷往世界各地，累計等效運行時間超過700多萬小時。而在亞太地區，SGT800的業績最為突出，有超過100臺SGT800的用戶位于亞太地區。其中泰國成為最大市場，有超過70臺SGT800在泰國服役。2015年8月，泰國TPS公司與西門子公司簽署了18臺SGT800的購買及長期服務協議，其中6臺額定功率為53MW，12臺額定功率為50.5MW。這18臺燃氣輪機被用于9座燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產電廠中。

SGT800進入中國市場的時間相對較晚。2016年2月，西門子在中國獲得了首份4臺SGT800訂單，用于山西國新能源在保德和昔陽的分布式能源項目。2017年8月，西門子公司與杭州汽輪機股份有限公司簽訂了SGT800技術轉移協議，這次技術轉移使得SGT800燃氣輪機在中國市場的前景更為光明。

結束語

SGT800燃氣輪機設計靈活，支持基本負載、中間負載和電網，可以滿足各種效率、可靠性和環保要求,主要應用于聯合循環、熱電聯產系統。杭州汽輪機股份有限公司通過借鑒西門子的工業燃氣輪機技術、設計、制造與運行維護方法的豐富經驗，可進一步加強在燃氣輪機領域的自主研發能力。