導(dǎo)讀：本文重點針對10-30MW級別的燃氣輪機的主要參數(shù)、性能特點、應(yīng)用情況進行應(yīng)用發(fā)展分析。根據(jù)中小型燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢，更多的輕型、高效、業(yè)績豐富的燃氣輪機產(chǎn)品將被應(yīng)用于海上油氣領(lǐng)域。

燃氣輪機被譽為海上油氣田生產(chǎn)的“心臟”，目前渤海灣油田90%以上發(fā)電均采用燃氣透平作為主電站。燃氣透平具有功率大、體積小、效率高、排放氣體污染小的特點，得以在海上油氣田開發(fā)及LNG發(fā)電領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。燃氣輪機于20世紀(jì)30年代后期問世，最初在航空領(lǐng)域獲得快速發(fā)展和應(yīng)用，之后逐步應(yīng)用于油氣發(fā)電等領(lǐng)域。

經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，燃氣輪機在美國、英國、日本、加拿大和俄羅斯等國家大量使用。從世界燃氣輪機發(fā)展來看，先進燃氣輪機生產(chǎn)已集中在幾家大型公司，形成了高度核心技術(shù)壟斷和市場壟斷局面，并已經(jīng)成為一個國家工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的重要標(biāo)志之一。

燃氣透平是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)的內(nèi)燃旋轉(zhuǎn)式熱能動力機械。氣體在壓縮機內(nèi)壓縮，經(jīng)加熱后在透平中膨脹做功，把熱能轉(zhuǎn)換成機械能。燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和透平三大部件以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)設(shè)施組成。輸出的功率可用于發(fā)電機、泵與壓縮機等各種負荷。

目前，海洋石油油氣開發(fā)平臺燃氣透平主電站定位于10～30MW的功率等級機組，尤其對10MW級別的燃氣輪機有著豐富的應(yīng)用。展望今后海上油氣田對平臺電力的需求，本文對國外中小型燃氣輪機的應(yīng)用狀況進行研究分析。

1 美國索拉渦輪公司(Solar)

美國索拉渦輪公司成立于1927年，在二戰(zhàn)中憑借金屬材料加工的優(yōu)勢，20世紀(jì)50年代起在美國海軍的支持下研制燃氣輪機。目前索拉公司提供6個產(chǎn)品系列的燃氣輪機，包括Saturn、Centaur、Taurus、Mercury、Mars、Titan。

1977年索拉公司推出Mars燃氣輪機，在進行了多次升級后，發(fā)電功率達到10685kW。1985年索拉公司推出Centaur系列燃氣輪機，發(fā)電功率為4600kW，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，以上兩款機型全球累計應(yīng)用超過4000臺套。

Titan130燃氣輪機是索拉公司于1997年研發(fā)的基于簡單循環(huán)的燃氣輪機，具有機械驅(qū)動用途的雙軸變速形式和用于連續(xù)負荷發(fā)電的單軸恒速形式，燃機ISO功率達到15000kW。索拉公司在設(shè)計Titan130燃氣輪機及其整套渦輪時，將機械部件的可維護性放在首位，目前已有累計300多臺Titan130在全球獲得應(yīng)用，在海上油氣田應(yīng)用非常成熟。

Titan250燃氣輪機是索拉公司于2008年投入應(yīng)用的升級型燃氣輪機，ISO功率為21.7MW，機組效率高達38.8%，比具有同樣底座的Titan 130多提供50%的輸出功率，排放減少30%，Titan 250既可用于電力生產(chǎn)應(yīng)用，亦可用于壓縮機站和機械驅(qū)動裝置應(yīng)用。Titan250燃氣輪機采用工業(yè)型雙軸設(shè)計，使用16級軸流壓氣機，具有進口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和5級可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉。壓比為24∶1。

2 美國GE公司

美國通用電氣公司在基于航空發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展了LM系列燃氣輪機，并研發(fā)了基于GE10系列和MS系列的重型工業(yè)燃氣輪機。

LM2500是從GE公司的TF-39渦輪風(fēng)扇發(fā)動機派生而來，ISO功率為25MW，機組效率為37%。從1975年開始投入艦船使用以來，已經(jīng)發(fā)展了許多類型，并研制了LM2500+(第三代LM2500)、LM2500+G4(第四代LM2500)等機組。目前LM2500系列燃氣輪機應(yīng)用已經(jīng)超過1800臺。

LM2500+燃氣透平的ISO功率32MW，機組效率39%。LM2500+與LM2500相比，做了以下方面的改進：壓氣機增加1級零級，進口導(dǎo)葉采用可調(diào)導(dǎo)葉;高壓壓氣機采用高效部件;高壓渦輪葉片采用更好的材料和涂層;燃燒室采用熱障涂層;動力渦輪重新設(shè)計;控制系統(tǒng)采用綜合電子控制系統(tǒng)。

LM2500+G4燃氣透平的ISO功率35MW，機組效率39%。LM2500+G4按照動力渦輪可以分為兩種類型，一種動力渦輪采用6級低速渦輪，一種采用2級高速動力渦輪。LM2500+G4在LM2500+基礎(chǔ)上，再次做了以下方面的改進：重新設(shè)計壓氣機進口導(dǎo)向葉片，并將零級葉片錯級布置;改變壓氣機轉(zhuǎn)子材料，增加高壓壓氣機壽命;重新設(shè)計高壓渦輪第一級轉(zhuǎn)子葉片，改善冷卻結(jié)構(gòu)和抗氧化涂層;重新設(shè)計高壓渦輪轉(zhuǎn)子增加其壽命，重新設(shè)計6級動力渦輪的第2級和第3級的導(dǎo)向器，增加其輸出功率。

GE公司還研發(fā)了基于GE10-1、GE10-2、MS5001、MS5002系列的重型工業(yè)燃氣輪機。MS5000系列(又稱Frame V)是GE公司從1952年開始研制的單/雙軸工業(yè)用燃氣輪機，1957年開始生產(chǎn)。MS5000系列具有良好的燃料適應(yīng)性，能實現(xiàn)原油、天然氣、柴油等三種燃料的切換。目前累計生產(chǎn)了164臺MS5001燃氣輪機及492臺MS5002燃氣輪機。

GE10系列重型燃氣輪機是由意大利新比隆公司研發(fā)的第二代雙軸PGT10工業(yè)型燃氣輪機派生而來，GE10-1主要用于發(fā)電，GE10-2用于機械驅(qū)動，于1999年開始投入使用。GE公司已經(jīng)累計生產(chǎn)了近30臺GE10系列機組。目前國內(nèi)中航世新已經(jīng)對GE10-1進行國產(chǎn)成撬化，研發(fā)了QD100A燃氣輪機。

3 德國西門子Siemens AG

西門子成立于1847年，2001年起西門子收購德國Demag Delaval公司和阿爾斯通工業(yè)渦輪業(yè)務(wù)后，擁有中小型燃氣輪機(50MW以內(nèi))完整的產(chǎn)品系列。西門子生產(chǎn)的SGT系列燃氣輪機已經(jīng)超過1600臺。

SGT400燃氣輪機ISO額定功率為12.9MW。SGT400壓氣機采用11級軸流式，增壓比為16.9，空氣流量38.9kg/s。燃燒室為分管式，采用6個回流火焰筒。高壓渦輪采用2級軸流式。SGT400為雙軸設(shè)計。目前已成產(chǎn)和安裝SGT-400燃氣輪機至少87臺。

SGT500燃氣輪機ISO額定功率為17MW。SGT-500壓氣機采用10級軸流式，增壓比為12，空氣流量92.4kg/s。燃燒室為環(huán)管型，7個火焰筒。高壓渦輪和低壓渦輪均為2級軸流式，動力渦輪則分為2級和3級兩種規(guī)格。此外，SGT-500具有良好的燃料適應(yīng)性，在一定條件下，可以對油氣燃料進行混燒。目前已經(jīng)有超過193臺SGT-500機組投入運行或安裝。

SGT600燃氣輪機ISO功率為24.8MW，SGT700燃氣輪機ISO功率為29.1MW。這兩款機型是由瑞士Sulzer-Escher Wyss公司生產(chǎn)的雙軸工業(yè)燃氣輪機，2004年起被西門子收購。SGT-600采用10級軸流式壓氣機，SGT-700采用11級軸流式壓氣機，前2級為超音速設(shè)計，以便用更少的級數(shù)達到更高的增壓比。燃燒室為環(huán)形，包括1個點火器和18個環(huán)形布置的燃油噴嘴，采用低排放技術(shù)使得SGT-700的NOX排放低于15ppm。高壓渦輪和動力渦輪采用2級軸流式。目前已累計生產(chǎn)和安裝SGT600和SGT700燃氣輪機277臺。

4 德國MAN Turbo

德國MAN Turbo主要包括THM1300系列工業(yè)燃氣輪機和用于工業(yè)及城市電力的FT8航改燃氣輪機。

1988年，MAN接管了法國Hispano-Suiza公司的THM系列燃氣輪機。THM1300系列燃氣輪機的發(fā)電功率從8.6MW-11.5MW，目前已經(jīng)交付188臺。THP1304-12于2004年投入使用。其壓氣機采用10級軸流加單機離心組合式，最大增壓比為11.3。高壓渦輪采用2級軸流式，動力渦輪為2級軸流式，反力式設(shè)計，轉(zhuǎn)速為8600r/min。

5 英國羅爾斯 羅伊斯公司(Rolls-Royce)

英國羅羅公司1904年成立于英國曼徹斯特，在二戰(zhàn)期間主導(dǎo)了噴氣式航空發(fā)動機。20世紀(jì)60年代，羅羅公司研發(fā)了RB211型發(fā)動機。RB211燃氣輪機是從航空型RB211渦輪發(fā)動機發(fā)展而來。

航空型RB211用于波音747、波音757、波音767、洛克希德L-1011型飛機。RB211燃氣輪機移除了風(fēng)扇，將原中壓壓氣機變成了低壓壓氣機，增壓比為20~21.5;改進低壓壓氣機第1級轉(zhuǎn)子、靜葉片、安裝雙向滾珠推力軸承。燃燒室采用鎳合金制成火焰筒。高壓渦輪和低壓渦輪均為單級軸流式。RB211燃氣輪機在加拿大魁北克省的蒙特利爾市加工制造，目前制造和安裝工業(yè)型和艦船用燃機587臺。

6 烏克蘭曙光機械聯(lián)合體

烏克蘭曙光機械聯(lián)合體成立于1946年，是前蘇聯(lián)時期唯一的燃氣輪機大型生產(chǎn)企業(yè)。從1954年起，曙光機械已經(jīng)交付了四代燃氣輪機，功率從2.5MW至110MW，累計交付3000多臺艦船用或工業(yè)用燃氣輪機。

UGT10000是曙光機械研制的第四代高效單元體式燃氣輪機，其ISO功率為10.7MW，效率高達36%。從1998年開始研制，2004年批量生產(chǎn)。

UGT15000是曙光機械研制的第三代燃氣輪機，是蘇聯(lián)海軍應(yīng)用最多的燃氣輪機。UGT15000的ISO功率為17.5MW，效率為34.2%。前蘇聯(lián)有50%以上的艦艇都以它作為動力裝置，是世界上應(yīng)用最廣泛的艦用燃氣輪機之一。1993年，曙光機械研制了該機型的升級版UGT1500+，ISO功率升級至20MW，效率提高至36%。

UGT25000是曙光機械最新研制的第四代燃氣輪機，ISO功率為26.7MW，效率為35.6%。該機是在UGT15000的基礎(chǔ)上進行升級，將原壓氣機加零級，渦輪的進口溫度提高至1250度。UGT25000從1995年開始研制，2002年開始投運。

7 結(jié)語

燃氣輪機對于海上油氣田開發(fā)具有舉足輕重的地位，燃氣透平是海上油氣田主電站的首選方式。展望未來，隨著海上油氣開發(fā)的要求，燃氣輪機的選型考慮因素將更加全面，除了需要綜合考慮燃氣透平對油田方案的負荷率，還需考慮發(fā)電效率、占地面積及重量、排放標(biāo)準(zhǔn)、海上維護性等要求，更多輕型、高效、豐富業(yè)績的燃氣輪機產(chǎn)品將會用于海上油氣開發(fā)的領(lǐng)域。

(作者：馬強 王文祥 王建豐 洪毅，中海油研究總院，中海石油有限公司)