GE燃气轮机简史:工业皇冠是如何一步步铸成的

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  导读:今天,GE是燃气轮机领域最大的原始设备制造商,已经开发和部署了几代燃气轮机和蒸汽轮机、发电机、余热锅炉(HRSG),冷凝器和其他发电设备。虽然经历了一波大裁员,但仍是家大业大,以下是GE公司(含收购企业)过去80年来燃气轮机的演变过程。

  1939年世界上第一台工业燃气轮机开始商业运营

  

  世界上第一台工业燃气轮机组,一台4MW的简单循环燃气轮机,于1939年7月7日在瑞士纳沙泰尔的一个市政电站投入商业运行。该燃气轮机由Brown Boveri&Cie(BBC)设计。 这家公司于1891年在瑞士巴登小镇成立,但于1988年与阿西亚公司(ASEA)合并成为ABB公司,并于2000年作为ABB发电业务的一部分出售给阿尔斯通公司,然后2015年GE公司又收购了阿尔斯通的电力业务。

  纳沙泰尔燃气轮机当时是作为备用设备投入商业运营,发电效率为17.4%。该燃气轮机以3,000转/分的速度旋转,透平入口温度TIT为550℃(1,022F),总功率为15.4MW,但其中11.400MW被压气机消耗,进气温度为20℃(68F)。它主要作为发电备用和峰值工作,运行了近70年。

  1949年美国第一台发电用燃气轮机

  

  GE公司自主研发的首台燃气轮机Frame 3是一台3.5MW的机器,与一台51MW蒸汽机组合,安装在俄克拉荷马州天然气和电力公司Belle Isle 电站。该燃气轮机的轴线水平布置。正如美国机械工程师协会(ASME)所指出的那样:“虽然这个单位的额定功率为3.5MW,但实际上它的使用功率却大大超过了这个数字”。它通常提供5MW的电力输出,并且在1949年7月到1952年7月之间,平均发电量为4.2MW。据报道,GE Frame 3燃机的效率约为17%。值得注意的是,除了发电之外,该燃机的废气还用于为常规蒸汽设备加热给水,使其成为美国首个用于“联合循环”配置的燃气轮机。

  1951年双轴衍生型号

  

  GE在佛蒙特州拉特兰安装了3台5MW的燃气轮机发电厂,这是基于GE Frame 3燃机衍生发展的一种双轴结构型号,该燃机包括两个中间冷却器和换热器。

  1953年首台带再加热的商用中冷回收燃气轮机

  

  在纳沙泰尔燃气轮机的基础上,随着压气机压比、材料和涂层的技术突破,使得BBC公司能够将透平入口温度提高到649℃(1200 F),并且在1953年,该公司启动了一个27MW的Beznau II电厂,并且提升了热效率到30%。双轴Beznau燃气轮机的BBC工程师S. Can Gülen在2019年2月出版的《发电用燃气轮机》一书中写道:“布雷顿循环效率的每一点提升都受到燃气轮机压气机压比和透平进口温度的限制,而这种新思路虽然牺牲了燃机的紧凑性,却带来了整个电厂效率的提升,最终让发电用户收益。”

  1960年首个商业化的燃气-蒸汽联合循环电厂

  

  受到荷兰新天然气发现的鼓舞,奥地利发电集团NEWAG投入使用Korneuburg-A电厂,这是一个总功率高达75MW的燃气-蒸汽联合循环发电厂,是欧洲首批此类发电厂之一。该电厂由2台25MW的BBC“12型”燃气轮机、一台25MW的汽轮机和一台带补燃的余热锅炉组成。虽然该联合循环燃机机组效率并不高(约32.5%),但它在1960年至1975年之间,在基本负荷下平均每年运行6,000小时,但后来运营很快变得不经济,主要原因是天然气燃料成本和煤电厂效率的提高,之后主要用于调峰。

  1967年首个的GE燃机联合循环电厂

  在1965年11月经历美国大东北大停电之后,监管局要求通过安装一定比例的具有黑启动能力的小型、本地化、快速启动的发电机组,迫使发电公司提高系统备用设备。GE公司在安大略省渥太华市安装了一台11MW的FS3燃气轮机,在安大略省的Wolverine Electric Ottawa安装了一台21MW的FS5燃气轮机。FS3已经在美国海运船和机车上进行了测试,Ronald Hunt是一名咨询工程师,他是柴油和燃气轮机工程师学会(IDGTE)的一员,他在2019年4月出版的《Gas Turbine for Power Generation, Industrial, and Marine Purposes》对此进行了相关描述。

  1968年首台LM航改燃气轮机

  

  GE工程师基于J79航空发动机(它首次于1955年安装在一架飞机上进行了首飞),重新发展了一种具有工业和船舶用途的航改燃气轮机LM1500,首台LM1500燃气轮机是安装在康涅狄格州Millstone核电站上,输出功率为13.3MW。

  1969年传奇的LM2500航改燃气轮机

  

  首台LM2500,来衍生自CF6-6飞机发动机,最初设计为美国海军的GTS Adm. Callaghan货船提供动力。该航改燃机使用16级压气机、带有入口导叶和6级可变静叶,2级高压涡轮,和6级自由动力涡轮。最初的设计采用双轴,ISO额定功率为17.9 MW,联合循环热效率为35.8%。 LM2500航改燃气轮机至今仍在广泛使用。到目前为止,美国海军仍在继续选择LM2500航改燃机为其舰队提供动力。

  1970年功率更大的Frame 5燃气轮机

  Frame 5燃气轮机,具有单轴和双轴结构,轴流式压气机,它的销售至今仍然活跃。1970年,巴林的一家铝冶炼厂采用了一台额定功率为24MW的Frame 5燃气轮机。由于该燃机的可靠性的声誉极佳,该型号今天在燃气轮机领域仍获得了令人尊敬的地位。一位管理GE燃机现场工程项目的Dave Lucier表示,在几年前,纽约南安普敦的一台Frame 5燃气轮机机组就在纽约市停电后,仍能很快重启恢复了长岛的供电,而这台老旧机组是在1965年9月纽约市经历大东北停电之后兴建的。

  1970年,Frame 7燃气轮机推出

  

  MS7000是一台Frame 7(60Hz)重型燃气轮机,额定功率为47.2MW,透平进口温度为550℃(1,650F)。后来GE很快又开始和法国阿尔斯通合作研发了50Hz的Frame 9单轴燃气轮机。

  1970年,BBC公司推出GT系列燃气轮机

  

  为了争夺燃气轮机市场份额,并响应GE建造更大型燃气轮机的战略,BBC公司开发了GT11(60 Hz)和GT13(50 Hz)系列燃气轮机。BBC的首台GT11燃气轮机于1970年在加拿大的Rainbow Lake点火,它的额定功率为32 MW,转速为3,600 rpm。

  1971年第一台E级重型燃机

  

  首台E级(7E)燃气轮机首次亮相于英国国家电网的肖勒姆燃烧透平电厂。

  1972年首台7B燃气轮机

  GE推出首台B级燃气轮机Frame 7,取名为MS7001B,额定功率为51.8 MW。

  1975年首台Frame 9燃气轮机

  第一台80.7MW的Frame 9B机器由法国电力集团EDF在法国巴黎附近安装,主要用于调峰。

  1978年首台6B燃气轮机

  

  首台6B燃气轮机安装在Montana-Dakota Utilities的Glendive电厂。GE燃气发电公司首席执行官斯科特-斯特拉齐克(Scott Strazik)在2018年9月曾表示,该燃气轮机仍处于运行状态。最终全球还安装了1,150台6B燃气轮机,为石油化工、石油和天然气勘探以及水泥生产等领域的能源生产和工业应用提供动力。GE指出,多年来,该公司一直在改进技术:1981年,它开发了提高燃烧温度的技术,功率增加了15%;1991年,它引入了干式低NOx燃烧技术,并于2009年推出了性能改进包,其中包括材料,涂层,密封和空气动力学方面的进步,这些都来自其F级系列燃气轮机技术。为了庆祝该机组推出40周年,GE在2018年还推出了6B燃机机组的升级改造解决方案,作为电厂用户继续投资“成熟机组”以保持竞争力的一部分。

  1984干式低NOx技术突破

  第一代BBC公司开发的“贫燃料”干式低NOx(DLN)预混燃烧的第一次商业运营是在位于德国杜塞尔多夫的420MW联合循环Lausward电厂,在一台改进型GT13D燃气轮机上进行的。正如Dietrich Eckardt在其2014年出版的《Gas Turbine Powerhouse》一书中指出的那样,BBC公司在1978年基于理论认识提出了这一概念,即有效的低NOx燃烧需要将燃料/空气混合过程从燃烧过程中分离出来,并且保持燃烧本身应该在“贫燃料”条件。该技术将燃气轮机机组的NOx排放降低至百万分之32(ppm)。Eckardt表示,虽然它后来应用于到了7台GT系列燃气轮机中,但由于它“过于复杂并且在一段时间后容易性能衰变”,于是BBC公司开始研发第二代贫预混燃烧器。

  1985年热电联产里程碑

  

  2台GE LM2500航改燃气轮机,一台蒸汽轮机和一台安装在单轴配置中的发电机安装在荷兰IJsselcentrale公司的区域供热系统中。该配置旨在抵消LM2500燃气轮机的高投资成本。 GE指出,该项目还标志着其首个蒸汽喷射系统应用,性能测试显示满负荷效率为50%。

  1987年首次推出GT13E重型燃机

  首台ABB(后来属于阿尔斯通,然后属于GE)公司的GT13E燃气轮机推出,这台功率为147.9MW的发电装置在荷兰公用事业公司UNA拥有和运营的Hemweg电厂成功投产。在市场需求推动该公司开发效率更高,NOx排放低于25 ppm的燃气轮机之前,另有27台此类机组投入运行。1991年,它推出了GT13E2燃气轮机,该燃气轮机使用了单个顶部安装的SILO型环形燃烧室。

  1988推出LM6000航改燃气轮机

  

  GE将LM航改燃机系列扩展至包括LM6000,这是一种源自GE CF6-80C2大涵道涡扇发动机核心机的航改燃气轮机。双轴、高性能燃气轮机的简单循环发电容量高达36.6MW,在ISO工况下发电效率为41.9%。

  1990年的F级燃机时代来临

  

  首台F级燃气轮机是一台发电功率为147MW的7F重型燃机,透平进口温度为1260℃(2,300F),于1990年6月6日开始在弗吉尼亚电力公司(VEPCO)的切斯特菲尔德电站运行,该原型样机最初用于简单循环,但在1992年转换为联合循环机组,发电效率达到了45.2%,总输出功率达到了214MW(在简单循环模式下分别为150MW和34.5%)。根据7F重型燃机用户组的数据,切斯特菲尔德的7F燃机标志着燃气轮机技术黄金时代的开始(据一些行业观察家称,该F级燃机技术于2015年落幕)。GE公司还指出,F级燃气轮机多年来日趋复杂,以满足更苛刻的环境法规和业主更高效率和可用性/可靠性的目标。

  F级燃气轮机技术最初是在20世纪80年代设计的,当时它代表了“重型燃气轮机的工作温度、冷却技术和热力性能的巨大飞跃。”自1987年GE推出MS7001F燃气轮机以来,燃气轮机设计开始驱动了低排放和低成本(每千瓦/小时)的高效燃机电厂的需求,“该技术已经向上和向下发展,现在输出功率为51 MW的6F.01简单循环燃机电厂到总功率超过1,000 MW基于3×1 7的F.05联合循环发电厂。该燃气轮机系列已扩展到6F和9F。全球已安装了1,500多台F级重型燃机,其应用范围包括发电,热电联产和机械驱动应用,适用于铝冶炼,炼油厂和食品加工等行业。

  1991干式低NOx解决方案的首次商用

  

  虽然GE公司在20世纪70年代开始开发和测试干式低NOx(DLN)燃烧系统,但直到1991年,它才推出其首个用于燃气和重型燃气轮机的商用DLN燃烧系统:包括为E级重型燃机准备的DLN-1燃烧解决方案,和用于F级重型燃机的DLN-2燃烧解决方案,后者也适用于EC和H级重型燃机。2015年,GE为新的和已有的7F重型燃机推出了DLN2.6 +燃烧系统,并于2018年5月宣布了一项“FLEX(灵巧)”升级解决方案,该解决方案将DLN 2.6+燃烧室与轴向燃料分级技术相结合。今年早些时候,该公司表示已完成首次安装新的燃气发电厂技术,可将氮氧化物浓度降至5 ppm。

  1992年首台9F级重型燃机

  一台输出功率为159 MW的7F重型燃机在弗吉尼亚州的另一个切斯特菲尔德电站(Chesterfield 8)运行,其透平进口温度已经高达1288℃(2,350F)。首台9F重型燃机开始在巴黎北部的EDF电厂以简单循环模式运行,这台重型燃机的输出功率达到了212MW,为GE和阿尔斯通共同研发。

  1992年首台GT13E2重型燃机

  

  ABB向市场推出输出功率为166MW的GT13E2燃气轮机。与GT13E相比,GT13E2的透平进口温度更高,为1100℃(2,012F),压气机增压比从13.9:1提高到15.0:1。 GE今天仍然提供该重型燃机型号。GT13E2重型燃机在2012年就提供了38%的简单循环效率和超过55%的联合循环效率。

  1996年移动式燃机电站

  

  GE公司推出了TM2500移动电站,这是一种拖车式便携式航改燃气轮机衍生设备——一种把燃机电厂放在卡车上的“轮式发电厂”。

  1997年参与F级重型燃机竞赛的GT24/26

  

  GE于1987年推出了150MW的Frame 7F(全球第一款F级重型燃机),随后是西屋公司(与三菱合作)于1989年推出了501F重型燃机,1991年西门子公司推出其V94.3重型燃机。这就是为什么,ABB决定采用'蛙跳'战略来定位自己以赶上竞争对手。ABB公司于1991年12月推出了自己的GT24(60Hz)/ GT26(50Hz)。一台165MW的GT24原型机于1993年在新泽西州吉尔伯特发电厂安装。作为一种革命性的解决方案,它是市场上最紧凑(功率密度比)的型号,也是唯一一款使用具有特别高增压比的再热燃烧的型号。它的效率也高达56%,比竞争对手高出2~3%。GT26重型燃机于1997年服役。英国一个发电功率高达770MW的Rocksavage燃机发电站是首批配备GT26燃气轮机的发电站之一。

  2003年的H级燃机时代开始了

  

  GE在威尔士的Baglan Bay电厂推出了首台H级燃气轮机:9H重型燃机,一台50Hz,发电功率高达480MW的重型燃气轮机,燃烧温度高达1427℃(2,600F)。9H燃气轮机在轴联合循环下,燃烧温度远高于1427℃(2,600F)。不过,正如Gulen在2019年2月出版的书中指出的那样,虽然H级重型燃机从技术角度来说是一次无可比拟的成功,但在商业上确也是一次无可比拟的失败。单晶叶片、蒸汽冷却、带先进的热障涂层的热端部件增加了维修维护的成本和复杂性。总共仅6个H级重型燃机联合循环发电厂建成并继续在商业上运营,而其中一个电厂——60Hz内陆帝国能源中心也取得了显着的热耗率和NOx排放参数。痛定思痛后,GE不再提供9H重型燃机,通过改进采用空气冷却技术,其H级重型燃机的最新明星变成了9HA级重型燃机。

  然而,GE推出的9H重型燃机加剧了大型燃气轮机领域主要制造商之间的竞争,他们在提高燃气轮机效率方面的努力翻了一番。 2011年,西门子凭借位于德国Irsching的SGT-8000H燃气轮机打破了60%的热效率障碍,该燃气轮机名义上具有与GE 9H重型燃机相同的透平进口温度1500℃(2,732F),但燃烧温度较低。与此同时,西屋公司与日本三菱公司技术合作,研发F级和H级中间的G级燃气轮机燃烧温度,该系列燃机目前由三菱和日立的合资公司三菱日立动力系统公司(MHPS,Mitsubishi Hitachi Power Systems)现在提供。再后来,三菱公司又放弃了H级燃气轮机技术的开发,直接开发燃烧温度更高的J级重型燃机,该燃烧器技术基于G级重型燃机中使用的蒸汽冷却系统。

  2004年 LMS100航改燃机的第一份订单

  

  第一台LMS100是世界上第一台中间冷却燃气轮机,专为电力工业研制,使用了重燃燃机和航空发动机两方面的技术。它在2004年安装在南达科他州的格罗顿发电站,其简单循环热效率高达44%。

  2005 6C重型燃机取得成功

  

  一台130MW的2x Frame 6C(6F.01)燃气-蒸汽联合循环CCGT在土耳其首次亮相。6C现在被称为6F.01,最初于2003年以42MW的输出功率推出,并在燃机电厂现场验证后升级到46MW。GE公司表示,该型号在燃气轮机的热电联产和联合循环效率方面处于行业领先地位,输出功率小于100MW。 “它巨大的排气能量可以为发电或热电联产生产大量蒸汽。它在2×1联合循环布置中实现了超过58%的效率,在热电联产作业中实现了超过80%的效率,“它说。

  2009年阿尔斯通的GT26燃机MXL2升级版

  

  阿尔斯通在西班牙Castejon发电厂推出GT26 MXL2先进燃气轮机升级版。MXL升级也使GT24燃机业主能够受益于压气机的新优化,以及高压和低压透平的涂层和冷却改进。它还延长了燃机的使用寿命。同时,MXL概念也开始被阿尔斯通接受,作为新的GT13E2燃机标准功能,并在2012年英国南亨伯银行电厂为其GT13E2燃气轮机安装了第一个MXL2升级版。

  GE今天也为旗下的GT13E2重型燃机(2015年收购阿尔斯通后获得)提供MXL2升级。然而,作为收购阿尔斯通发电业务的一部分,GE被欧盟迫使剥离部分阿尔斯通燃气轮机组合以达到反垄断目地。50-Hz版本的再热燃烧GT26和阿尔斯通的J级燃机GT36被出售给意大利安萨尔多公司(Ansaldo Energia),但GE保留了60Hz的GT24重型燃机。安萨尔多今天为GT26重型燃机提供MXL2升级,而GE则在2019年也为GT26燃机推出了新的改造升级方案GT26 HE。

  2014 GE推出HA系列重型燃机

  

  经历过蒸汽冷却的阵痛之后,GE取得了新的里程碑,它推出了2型风冷型H级重型燃机:9HA(50Hz)和7HA(60Hz)系列重型燃机,这些HA级重型燃机基于材料,空气动力学和先进制造技术的进步而开发,并且融入了新数字时代的优势,通过集成软件和分析可以提高燃机机组性能和效率。GE表示,HA级重型燃机的功率范围从290 MW(7HA.01)到571 MW(9HA.02)不等。

  2015 GE收购阿尔斯通电力业务

  在20多个国家和地区的监管部门批准了这笔106亿美元的交易后,GE收购阿尔斯通电力业务于2015年11月完成。

  这笔交易是GE公司有史以来最大的交易。当时GE首席执行官杰夫-伊梅尔特表示,GE收购阿尔斯通后,可以在技术、全球能力、安装基础(又称客户群)和人才上形成互补,为客户带来直接利益,包括目前使用GE 7HA燃气轮机和阿尔斯通余热锅炉以及蒸汽轮机的发电项目。这也是许多拟议项目的福音。然而,2017年11月,另一位GE前首席执行官约翰-弗兰纳里透露,收购阿尔斯通后的表现“明显低于我们的预期。”

  当时,GE收购这家法国公司有4个原因:安装基础(又称客户群);在蒸汽和动力岛上有广泛的产品线,GE预计它可以交叉销售;运营,成本和收入之间的协同作用;阿尔斯通的优秀技术人员。但弗兰纳里说,GE受到“全球市场明显低于我们预期”的影响。

  2016年首台HA重型燃气轮机投运

  第一台397MW的9HA.01重型燃机,发电效率为62.22%,部署在法国EDF集团的Bouchain电厂。该项目也是2017年的“POWER Top”电厂。

  2017年LM9000航改燃机推出

  

  由于市场对航改燃机产品的需求有助于平衡不断增长的可再生能源份额,GE推出了LM9000航改燃机,这是一台67~75MW的发电设备,核心机来自GE-90飞机发动机(波音777客机动力)。

  2017年6F.01燃机重新撬动分布式能源市场

  

  为了在激增的分布式能源市场中获得一定的影响力,GE重新升级了6F.01燃气轮机,并采用了GE的H级和F级燃气轮机采用的先进材料和技术。重新升级的燃气轮机首先安装在华能桂林天然气分布式能源项目上。该项目中,50MW的6F.01重型燃机的综合循环效率为57%,燃料利用率为81.15%。

  2017年7HA.02重型燃机投运

  Exelon的Wolf Hollow和Colorado Bend项目在德克萨斯首次亮相7HA.02重型燃机。两个电厂都配置为2×1多轴结构,每个电厂的总输出功率大于1,000MW。

  2017年首台7HA.01重型燃机

  

  GE和东芝合作在日本爱知县中部电力公司的西名古屋火力发电厂安装6台7HA.01燃气轮机和2台蒸汽轮机。2017年9月,第一批3台燃机达到商业运营,首批7HA.01重型燃机的燃气-蒸汽联合循环效率达到了63.08%,创下了最高总效率的世界纪录。第二批3台燃机于2018年3月底开始商业运营,该项目于2018年成为POWER Top电厂。

  2018年双燃料HA重型燃机

  2018年6月,能源巨头PSEG的子公司PSEG Power开始在新泽西州的Sewaren 7联合循环发电厂进行商业运营。该电厂安装了一台540MW的7HA.02重型燃机,这也是世界上第一台双燃料H级重型燃机。该电厂设计采用2种燃料,包括天然气和超低硫馏分(ULSD)燃料油。双燃料能力可在天然气供应短缺的情况下使用超低硫柴油,从而提高电厂的可靠性。

  2019年首台9HA.02重型燃机发运

  GE公司目前为止最大的重型燃气轮机,一台输出功率高达571MW的9HA.02开始运往南方发电有限公司(SPG)的Track 4A电厂,该电厂位于马来西亚柔佛州巴西古当,其总功率高达1440MW,包含2个联合循环机组,且所有的燃机、发电机和余热锅炉均来自 GE。

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