干货丨中小型燃气轮机应用发展概况

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本文重点针对10-30MW级别的燃气轮机的主要参数、性能特点、应用情况进行应用发展分析。根据中小型燃气轮机技术发展趋势，更多的轻型、高效、业绩丰富的燃气轮机产品将被应用于海上油气领域。

燃气轮机被誉为海上油气田生产的“心脏”，目前渤海湾油田 90% 以上发电均采用燃气透平作为主电站。燃气透平具有功率大、体积小、效率高、排放气体污染小的特点，得以在海上油气田开发及 LNG 发电领域获得广泛应用。燃气轮机于 20 世纪 30 年代后期问世，最初在航空领域获得快速发展和应用，之后逐步应用于油气发电等领域。

经过半个世纪的发展，燃气轮机在美国、英国、日本、加拿大和俄罗斯等国家大量使用。从世界燃气轮机发展来看，先进燃气轮机生产已集中在几家大型公司，形成了高度核心技术垄断和市场垄断局面，并已经成为一个国家工业基础和科技水平的重要标志之一。

燃气透平是以连续流动的气体为工质的内燃旋转式热能动力机械。气体在压缩机内压缩，经加热后在透平中膨胀做功，把热能转换成机械能。燃气轮机由压气机、燃烧室和透平三大部件以及相应的控制系统和辅助系统设施组成。输出的功率可用于发电机、泵与压缩机等各种负荷。

目前，海洋石油油气开发平台燃气透平主电站定位于 10～30MW 的功率等级机组，尤其对 10MW 级别的燃气轮机有着丰富的应用。展望今后海上油气田对平台电力的需求，本文对国外中小型燃气轮机的应用状况进行研究分析。

美国索拉涡轮公司(Solar)

美国索拉涡轮公司成立于 1927 年，在二战中凭借金属材料加工的优势，20 世纪 50 年代起在美国海军的支持下研制燃气轮机。目前索拉公司提供 6 个产品系列的燃气轮机，包括 Saturn、Centaur、Taurus、Mercury、Mars、Titan。

1977 年索拉公司推出 Mars 燃气轮机，在进行了多次升级后，发电功率达到 10685kW。1985 年索拉公司推出 Centaur 系列燃气轮机，发电功率为 4600kW，具有重量轻、结构紧凑的特点，以上两款机型全球累计应用超过 4000 台套。

Titan130 燃气轮机是索拉公司于 1997 年研发的基于简单循环的燃气轮机，具有机械驱动用途的双轴变速形式和用于连续负荷发电的单轴恒速形式，燃机 ISO 功率达到 15000kW。索拉公司在设计 Titan130 燃气轮机及其整套涡轮时，将机械部件的可维护性放在首位，在海上油气田应用非常成熟。

Titan130

Titan250 燃气轮机是索拉公司于 2008 年投入应用的升级型燃气轮机，ISO 功率为 21.7MW，机组效率高达 38.8%，比具有同样底座的 Titan 130 多提供 50% 的输出功率，排放减少 30%，Titan 250 既可用于电力生产应用，亦可用于压缩机站和机械驱动装置应用。Titan250 燃气轮机采用工业型双轴设计，使用 16 级轴流压气机，具有进口可转导叶和 5 级可转导叶。压比为 24∶1。

美国 GE 公司

美国通用电气公司在基于航空发动机基本结构基础上发展了 LM 系列燃气轮机并研发了基于 GE 10 系列和 MS 系列的重型工业燃气轮机。

LM2500 是从 GE 公司的 TF-39 涡轮风扇发动机派生而来，ISO 功率为 25MW，机组效率为 37%。从 1975 年开始投入舰船使用以来，已经发展了许多类型，并研制了LM2500+（第三代LM2500）、 LM2500+G4（第四代LM2500）等机组。目前 LM2500 系列燃气轮机应用已经超过 1800 台。

LM2500+ 燃气透平的 ISO 功率 32MW，机组效率 39%。LM2500+ 与 LM2500 相比，做了以下方面的改进：压气机增加 1 级零级，进口导叶采用可调导叶；高压压气机采用高效部件；高压涡轮叶片采用更好的材料和涂层;燃烧室采用热障涂层；动力涡轮重新设计；控制系统采用综合电子控制系统。

LM2500

LM2500+G4 燃气透平的 ISO 功率 35MW，机组效率 39%。LM2500+G4 按照动力涡轮可以分为两种类型，一种动力涡轮采用 6 级低速涡轮，一种采用 2 级高速动力涡轮。LM2500+G4 在 LM2500+ 基础上，再次做了以下方面的改进：重新设计压气机进口导向叶片，并将零级叶片错级布置；改变压气机转子材料，增加高压压气机寿命;重新设计高压涡轮第一级转子叶片，改善冷却结构和抗氧化涂层;重新设计高压涡轮转子增加其寿命，重新设计 6 级动力涡轮的第 2 级和第 3 级的导向器，增加其输出功率。

GE 公司还研发了基于 GE10-1、GE10-2、MS5001、MS5002 系列的重型工业燃气轮机。MS5000 系列（又称Frame V）是 GE 公司从 1952 年开始研制的单/双轴工业用燃气轮机，1957 年开始生产。MS5000 系列具有良好的燃料适应性，能实现原油、天然气、柴油等三种燃料的切换。

GE10 系列重型燃气轮机是由意大利新比隆公司研发的第二代双轴 PGT10 工业型燃气轮机派生而来，GE10-1 主要用于发电，GE10-2 用于机械驱动，于 1999 年开始投入使用。目前国内中航世新已经对 GE10-1 进行国产成撬化，研发了 QD100A 燃气轮机。

西门子能源

西门子成立于 1847 年，2001 年起西门子收购德国 Demag Delaval 公司和阿尔斯通工业涡轮业务后，拥有中小型燃气轮机（50MW以内）完整的产品系列。西门子生产的 SGT 系列燃气轮机已经超过 1600 台。

SGT400 燃气轮机 ISO 额定功率为 12.9 MW。SGT400 压气机采用 11 级轴流式，增压比为 16.9，空气流量 38.9kg/s。燃烧室为分管式，采用 6 个回流火焰筒。高压涡轮采用 2 级轴流式。SGT400 为双轴设计。目前已成产和安装 SGT-400 燃气轮机至少 87 台。

SGT400

SGT500 燃气轮机 ISO 额定功率为 17MW。SGT-500 压气机采用 10 级轴流式，增压比为 12，空气流量 92.4kg/s。燃烧室为环管型，7 个火焰筒。高压涡轮和低压涡轮均为 2 级轴流式，动力涡轮则分为 2 级和 3 级两种规格。此外，SGT-500 具有良好的燃料适应性，在一定条件下，可以对油气燃料进行混烧。

SGT600 燃气轮机 ISO 功率为 24.8MW，SGT700 燃气轮机 ISO 功率为 29.1MW。这两款机型是由瑞士 Sulzer-Escher Wyss 公司生产的双轴工业燃气轮机，2004 年起被西门子收购。SGT-600 采用 10 级轴流式压气机，SGT-700 采用 11 级轴流式压气机，前 2 级为超音速设计，以便用更少的级数达到更高的增压比。燃烧室为环形，包括 1 个点火器和 18 个环形布置的燃油喷嘴，采用低排放技术使得 SGT-700 的 NO_X 排放低于 15ppm。高压涡轮和动力涡轮采用 2 级轴流式。

德国MAN Turbo

德国 MAN Turbo 主要包括 THM1300 系列工业燃气轮机和用于工业及城市电力的 FT8 航改燃气轮机。

1988 年，MAN 接管了法国 Hispano-Suiza 公司的 THM 系列燃气轮机。THM1300 系列燃气轮机的发电功率从 8.6MW-11.5MW。THP1304-12 于 2004 年投入使用。其压气机采用 10 级轴流加单机离心组合式，最大增压比为 11.3。高压涡轮采用 2 级轴流式，动力涡轮为 2 级轴流式，反力式设计，转速为 8600r/min。

英国罗尔斯·罗伊斯公司(Rolls-Royce)

英国罗罗公司 1904 年成立于英国曼彻斯特，在二战期间主导了喷气式航空发动机。20 世纪 60 年代，罗罗公司研发了 RB211 型发动机。RB211 燃气轮机是从航空型RB211 涡轮发动机发展而来。

航空型 RB211 用于波音 747、波音 757、波音 767、洛克希德 L-1011 型飞机。RB211 燃气轮机移除了风扇，将原中压压气机变成了低压压气机，增压比为 20~21.5；改进低压压气机第 1 级转子、静叶片、安装双向滚珠推力轴承。燃烧室采用镍合金制成火焰筒。高压涡轮和低压涡轮均为单级轴流式。RB211 燃气轮机在加拿大魁北克省的蒙特利尔市加工制造。

乌克兰曙光机械联合体

乌克兰曙光机械联合体成立于 1946 年，是前苏联时期唯一的燃气轮机大型生产企业。从 1954 年起，曙光机械已经交付了四代燃气轮机，功率从 2.5MW 至 110MW，累计交付 3000 多台舰船用或工业用燃气轮机。

UGT10000 是曙光机械研制的第四代高效单元体式燃气轮机，其 ISO 功率为 10.7MW，效率高达 36%。从 1998 年开始研制，2004 年批量生产。

UGT15000 是曙光机械研制的第三代燃气轮机，是苏联海军应用最多的燃气轮机。UGT15000 的 ISO 功率为 17.5MW，效率为 34.2%。前苏联有 50% 以上的舰艇都以它作为动力装置，是世界上应用最广泛的舰用燃气轮机之一。1993 年，曙光机械研制了该机型的升级版 UGT1500+，ISO 功率升级至 20MW，效率提高至 36%。

UGT25000是曙光机械研制的第四代燃气轮机，ISO 功率为 26.7MW，效率为 35.6%。该机是在 UGT15000 的基础上进行升级，将原压气机加零级，涡轮的进口温度提高至 1250 度。UGT25000 从 1995 年开始研制，2002 年开始投运。

结语

燃气轮机对于海上油气田开发具有举足轻重的地位，燃气透平是海上油气田主电站的首选方式。展望未来，随着海上油气开发的要求，燃气轮机的选型考虑因素将更加全面，除了需要综合考虑燃气透平对油田方案的负荷率，还需考虑发电效率、占地面积及重量、排放标准、海上维护性等要求，更多轻型、高效、丰富业绩的燃气轮机产品将会用于海上油气开发的领域。

来源：两机动力先行