9FA燃机
中国华电集团公司燃机协作网201*年第12期总第19期201*年09月28日论文节选--9FA燃机备件管理模式探讨杨惠新（上海通华燃气轮机服务有限公司）摘要：随着9FA燃机的投产运行，燃机备件的重要性已引起电厂的高度重视，本文通过对影响燃机运行成本的主要因素的分析和对燃机备件使用情况的预测，提出了9FA燃机备件管理的模式，供同类型燃机电厂参考。
关键字：燃机备件；热通道轮换部件；备件共享1：影响燃机运行成本的主要因素分析
目前，华东几个投产发电的9FA燃机电厂已确定了试运行阶段的临时电价，而影响燃机运行成本的主要因素包括以下几方面：固定资产投资额、年还贷利率、固定资产折旧率；天然气气价、天然气发电气耗；年发电利用时间、年发电量、厂用电率；维修费用、材料费用；人员工资、各类福利费用和管理费用等。
到目前为止，根据一段时间的运行经验，以上几个方面的因素已基本确定，以下初步作一分析：固定资产投资额、年还贷利率、固定资产折旧率：几个燃机电厂平均每台机组的动态投资均在12亿人民币左右，平均每千瓦单位投资在3100元左右，按照固定资产占投资总额90%计算，一般为每台机组11亿人民币左右；年还贷利率按5.5%计算并根据发电企业投融资的规定，贷款额占总投资的80%，因此一台机组年还贷额度在5000万左右；固定资产折旧率如果按5%计算，年折旧费为5500万左右。
天然气气价、天然气发电气耗：尽管几个已投产的燃机电厂都是用西气东输的气源，但由于地域不同、接入方式不同，气价也不尽相同，比如江苏几个燃机电厂直接从西气东输管道接入，目前的气价在1.20元/Nm3左右，燃料成本是影响上网电价的主要因素；天然气发电气耗主要与气质和机组效率等因素有关系，目前几
个电厂的发电气耗在0.190.21Nm3/kWh之间，如果按0.20Nm3/kWh计算，即每标准立方米天
然气可以发5千瓦时的电量。
年发电利用时间、年发电量、厂用电率：根据国家对几个燃机电厂项目的批复意见，燃机的年利用时间在3500小时左右，但由于新上发电项目较多，燃机又以调峰为主，可能实际利用时间会下降。以江苏燃机电厂为例，目前定的年利用时间为3000小时。如果每台机组出力按40万千瓦计算，年发电量为12亿千瓦时左右；各厂的厂用电率由于涉及的因素不尽相同，也有一定的差异，如果厂用电率按4%计算，年供电电量在11亿5千万千瓦时左右。
维修费用、材料费用：由于9FA燃机还没有经历过检修，因此这部分费用还需要摸索和研究，实际上这部分费用主要由热通道轮换部件和其它备件费用、部件返厂修理费用、计划检修费用、日常维护费用等组成，根据国外同类机组的运行经验，同时根据9FA燃机目前的运行模式，以及GE公司关于9FA燃机运行维护方面的指导文件，经过初步测算，一台9FA燃机平摊到每年的备件费、修理费、检修费、日常维护费等在3000--3500万左右（不包括汽轮机、发电机、余热锅炉和其它BOP设备的检修费用）。而其中燃机热通道轮换部件占的比例最大，按照初步测算，约占维修和材料费用的70-80%。
因此，在影响燃机运行成本的其它因素相对确定的前提下，如果能优化燃机备件特别是热通道主要部件的库存结构，就可以降低燃机的维修费用，从而达到降低运行成本的目的。
2：9FA燃机备件使用情况分析预测
国内燃机经历了从B级、E级到F级的发展过程，通过B级、E级燃机多年的运行积累，已总结出了一套运行维护方面的可行经验，也了解燃机热通道部件在运行成本中占的比例很大，相比之下，F级燃机的热通道部件价格更高。GE公司关于9FA燃机热通道部件修理和更换周期有专门的技术规范文件GER3620K[1]。通常情况下，经过一定时间的运行后必须将热通道部件送制造厂进行返修或进行更换，以保证燃机的安全经济运行。
按照目前已投产的半山、张家港、望亭、戚墅堰等燃机电厂的实际情况分析，同时参照GER3620K
文件，燃用天然气的9FA机组的检修间隔为：每经过450次等效启动或8000小时等效运行时间进行一次燃烧室检查（小修），每经过900次等效起停或24000小时等效运行时间进行一次热通道检查（中修），每经过2400次等效启动或48000小时等效运行时间进行一次大修，判断标准是哪个先到以哪个为准，比如等效启动次数已到450次，而等效运行时间还未到8000小时，也要进行燃烧室检查（小修），反之也然。
表1是根据GE公司关于9FA燃机热通道部件修理和更换周期的技术规范文件GER3620K翻译的表格：
表1：PG9351(FA)热通道主要部件修理和更换周期
PG9351(FA)部件修理周期更换周期(按运行小时)更换周期（按启动次数）火焰筒CI5(CI)5(CI)盖帽CI5(CI)5(CI)过渡段CI5(CI)5(CI)燃料喷嘴CI3(CI)3(CI)联焰管CI1(CI)1(CI)端盖6(CI)3(CI)1级静叶HGPI2(HGPI)2(HGPI)2级静叶HGPI2(HGPI)2(HGPI)3级静叶HGPI3(HGPI)3(HGPI)
1级护环HGPI2(HGPI)2(HGPI)2级护环HGPI2(HGPI)2(HGPI)3级护环HGPI3(HGPI)3(HGPI)排气扩散段HGPI1级动叶HGPI2(HGPI)(1)2(HGPI)(3)2级动叶HGPI1(HGPI)3(HGPI)(2)3级动叶HGPI3(HGPI)(4)3(HGPI)注：修理/更换周期是指现有产品而言，除非另有说明则按制造商技术规范执行。
CI=燃烧器检修间隔（通常我们称为小修）HGPI=热通道检查间隔（通常我们称为中修）
(1)对于现有设计，GE确认在第一个HGPI时进行修理，更换周期为2个（HGPI）,对于叶片平台和冷却改进设计的动叶其更换周期可能达到3个（HPGI）。
(2)在第一个（HPGI）时进行更新涂层则更换周期可能达到3个（HGPI）。(3)GE确认第一个（HGPI）时进行修理以满足2个（HGPI）的更换周期寿命。(4)GE确认第二个（HGPI）时进行修理以满足3个（HGPI）的更换周期寿命。
如果按照半山、张家港、望亭、戚墅堰燃机电厂目前的运行模式，年运行利用时间在3000到3500小时之间，主要以调峰为主，预计年等效启动次数在300次左右，因此估计等效启动次数将会比等效运行时间先到，以下以一台9FA燃机为例，按照等效启动次数对一个大修周期内主要轮换部件和部件修理情况进行分析。分析前提条件：燃用天然气、年等效启动次数300次、起始时间从201*年1月开始计算。
表2：按照等效启动次数计算检修间隔
201*/1201*/7201*/1201*/7201*/1201*/7201*/1投产发电第一次燃烧第一次热通第二次燃烧第二次热通第三次燃烧室检查道检查室检查道检查室检查大修按照表2分析，一个大修周期内有3次燃烧室检查（小修）、2次热通道检查（中修）、1次大修。表3：根据表1、2的检修间隔估计所需修理和更换的主要轮换部件PG9351(FA)部件201*/7201*/1201*/7201*/1201*/7201*/1火焰筒修理修理修理盖帽修理修理修理过渡段修理修理修理燃料喷嘴修理修理更换1级静叶修理更换修理2级静叶修理更换修理3级静叶修理修理更换1级护环修理更换修理2级护环修理更换修理3级护环修理修理更换1级动叶修理更换修理2级动叶修理修理更换3级动叶修理修理更换表3中的部件均指一套，比如一套燃烧喷嘴包括18个喷嘴组件，每套动叶包括92个叶片。进口部件的采购周期一般为6个月左右，因此需要提前半年以上的时间采购，据目前了解的情况，除一级动叶、一级静叶、护环需要进口外，其它部件已实现国内生产。
通过对表1中热通道主要部件修理和更换周期进行分析，可以看出GE公司对燃机检修间隔的规定非常严格，这也是GE公司根据多年燃机运行情况得出的规范性指导建议，因此这也是各个燃机电厂进行
检修的依据性文件。
表2的检修间隔就是根据表1和目前的运行模式分析得出的时间表，这是根据年等效启动次数为300次进行计算的，可能各燃机电厂实际运行情况不尽相同，有的机组启动次数多一些，有的机组连续运行时间多一些，而且如果机组非正常停机次数比较多，那折算出来的等效启动次数会更多，因此表2仅仅是一个分析样例，不同的运行模式要进行不同的计算。
表3实际上是按照表1、2进行计算得出的需要进行修理或更换的主要轮换部件，比如燃烧室部件在每次燃烧室检查（小修）时都需要拆下来进行检查，一般情况下燃料喷嘴组件需要送制造厂进行修理，而其它部件可以在现场进行检查，如果有问题，也需要送制造厂进行修理。而动叶、静叶、护环一般在每次热通道检查（中修）时，需要进行检查，如有问题要送制造厂进行修理。根据表3可以计算出相应需要配备的热通道主要轮换部件，一般情况下，在第一次燃烧室检查（小修）
前要配备好一套完整的燃烧室部件，包括火焰筒、帽盖、过渡段、燃料喷嘴、端盖等，尽管按照GER3620K的说明大部分燃烧室部件可以使用5个小修周期，但实际上由于燃烧工况不好等原因引起燃烧室部件损坏的情况很多，建议要多备一些。在第一次热通道检查（中修）前，一般要配备一套完整的动叶、静叶、护环等热通道主要部件，以备中修使用，考虑到这些主要部件的使用寿命为2个或3个中修周期，因此，最好根据运行情况考虑再备一些寿命相对较短的部件。另外一些日常维护所需要的备件和消耗性材料也要准备，特别是影响机组安全运行的一些设备和材
料，如轴承、油泵、重要阀门、MARK控制系统、励磁控制系统、LCI、清洗剂等。
（未完待续，其余部分刊登在17期第2页）
刊头题字：贺恭
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9FA燃机介绍
9FA燃机的研发历程
美国GE公司于二十世纪八十年代中期投入了大量资金，进行F型燃气轮机的开发研制，主要是将飞机发动机的先进技术和部件移植到工业和发电用燃气轮机上，从而使其性能大幅度提高。GE公司于1987年制成了首台60Hz的MS7001F型燃气轮机发电机组，输出功率135.7MW，发电效率32.8%。接着，GE公司与GECAlsthom公司联合开发，通过MS7001F型燃气轮机的模化放大，模化系数1.2，制成了50Hz的MS9001F型燃气轮机发电机组，输出功率212.2MW，发电效率34.1%。其燃气轮机的所有部件，除轴承和燃烧室以外，都是按1.2的比例进行模化放大。第一台MS9001F型燃气轮机发电机组于1991年8月在美国南卡罗莱纳州的格林维尔（Greenville）厂制造成功并满意地运行。
接着，GE公司又将其MS7001FA型燃气轮机模化缩小，模化比2/3，于1995年末研制成70MW等级的MS6001FA型燃气轮机，通过齿轮箱减速，用于50Hz/60Hz发电。GE公司还与其意大利的伙伴新庇隆公司联合开发了50Hz的9EC型燃气轮机发电机组，该机组结合了9E燃气轮机的设计和9F型燃气轮机的透平段技术，使9E型燃气轮机发电机组的性能有了较大幅度的提高。烧天然气时，9EC型机组的额定功率达169MW，发电效率35%，首台9EC型发电机组于1996年秋天制成。9F型燃气轮机的结构和性能1．9FA型燃气轮机的结构
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以上是9FA型燃气轮机的纵剖面图。该机组为典型的单轴结构，与传统的9E型燃气轮机相比较，省去了一个中间轴承，三支承变成了双支承。动力输出由透平排气端（热端）改变为压气机进气端（冷端）。透平改变为轴向排气，有利于与余热锅炉的连接。其控制系统应用GE公司的SpeedtronicMKV，有三冗余度，由3台计算机分担燃气轮机的控制职能，三冗余的计算机或传感器之一发生故障时，内部的表决逻辑将透平控制重新定向于两台能工作的计算机和传感器，因而有较高的可靠性。其辅机安装在分开的底盘上，也有一定的冗余度。
9FA型燃气轮机主要部件的结构、性能和材料的情况如下：
压气机：18级轴流式，压比15.4∶1，空气质量流量645kg/s。头两级为跨音速级，带可调进口导叶，用于调节透平的排气温度，提高运行效率。第9级和第13级开有排气口，以配合起动过程。其转子是由单个叶轮用多根IN738合金钢轴向拉杆连接成的刚性转子，末级叶轮上附有一向心式透平槽道，将压缩空气引入中心孔，用于透平段的冷却。转子的一阶临界转速高于同步转速20%。
燃烧室：有18个逆流管环形燃烧室，直径350mm，每个燃烧室有6个燃料喷嘴，共108个燃料喷嘴。可烧天然气、蒸馏油和中热值气体燃料。两只高能点火器分装在两个燃烧室上点火，各燃烧室之间用联馅管联馅。可以注蒸汽或注水抑NOx的形成，或应用干式低NOx（DLN）燃烧室。
9FA采用的DLN-2.6燃烧室主要由火焰筒、过滤段、导流衬套、帽罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件构成。其中，端盖、喷嘴、前外壳和帽罩又形成了一个可以单独拆卸的头部组件。压缩空气由压气机的排气缸流出，首先对过滤段形成冲击冷却，再逆流向前，流过火焰筒与导流衬套之间的环形空间，流向燃烧室头部。其中，有少量空气用于冷却帽罩，其余空气经喷嘴上的旋流器进入头部的预混区，与由燃料喷管喷出的燃料气进行预混合，燃料/空气混合物由预混区经帽罩流入火焰筒，被置于2个上部燃烧室上的高能点火器点燃，火焰附着在喷嘴尖端与帽罩形成的平面上，并被火焰筒包容，燃烧产物经过渡段进入透平第一级喷嘴环。各燃烧室之间用联焰管连接，未安装点火器的燃烧室靠联焰管联焰而着火。每个燃烧室外的头部均布置了6个预混喷嘴，其中5个喷嘴均布于四周，称为外围喷嘴。但在其中央增加了一个喷嘴。这样，当周围的5个燃烧器的燃料/空气比维持高于其贫着火极限时，可以使中央燃烧器的燃料/空气比低于周围的贫着火极限，同样可以保持火焰的稳定。由于增加了中央燃烧器，使总燃料/空气比可以比均匀地供燃料的燃烧器减到更低的数值，从而使总预混空气量增加了6%，因而，降低了燃烧区的火焰温度，减少了热NOx的产生量。
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透平：为3级轴流式，应用压气机的排气冷却。第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。第1级动叶无围带，第2、3级动叶应用整体的乙形围带。3级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护。三级动叶图片
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轴承：由拉杆组装的整体转子支承在两个可倾瓦支持轴承上，轴向推力由双销轴推力瓦轴承自行平衡。排气：排气缸应用加长的轴向扩压器，减小了排气速度。降低了排气损失。材料和涂层：压气机的1～9级动叶和静叶以及进口导叶的材料为C-450（Custom450），这是一种抗腐蚀的不锈钢，可以不加保护涂层安装在受化学侵蚀的环境中。其它级的叶片应用加铌的AISI403不锈钢，同样不加保护涂层。气缸用球墨铸铁铸造。叶轮用CrMoV钢和NiCrMoV钢制造。
燃烧室外的火焰筒由HastelloyX制造，后段应用HS-188材料，内表面加隔热涂层。过渡段材料为Nimonic263，带冷却。后座为铸造的FSX-414。外壳为SA/516-55钢。
透平的三级动叶都应用GTD-111材料，它是由Rene80改进了抗热腐蚀性能而形成的，与常用的U-500材料比较，其强度提高了50%，低周疲劳性能改进了20%。动叶为精密铸造，第一级动叶为定向结晶，头两级动叶应用了CoCrAly涂层，外面再复以氧化物表层。第3级动叶采用堆积工艺的高铬涂层，并进行了扩散热处理。气缸由CrMo钢制造。轴和叶轮都是Inconel706合金。第1级喷嘴是熔模烧铸的FSX-414钴基超级合金。第2、3级静叶为熔模烧铸的GTD-222镍基合金。第1级喷嘴加真空等离子喷涂涂层，第2级静叶加堆积工艺涂层。气缸由SA/516-55钢制造，再加347不锈钢内衬。
燃气轮机、辅机组件和内部连接组件都有完全配套的罩壳，其中装有照明系统、插座、CO2灭火保护系统、出入门、通风系统和隔音层，隔音层和消音设施根据需要使用，可以满足1m处噪声等级85dBA的要求。9F燃气轮机发电机组还备有一电气设备控制室，该外箱中装有MarkVSpeedtronic透平控制盘、发电机控制盘、马达控制中心、带双充电器的机组蓄电池和励磁系统。所有电气设备都是在工厂内组装，并加PEECCTM（快装电气设备控制室）标签。
9F燃气轮机发电机组应用GE公司的324S型发电机，用刚性联轴器连接到燃气轮机的压气机进气端。这是一种氢冷发电机。有一套低速盘车设备连接到发电机的集流环端。
进口空气过滤器一般布置在发电机上面，其滤芯水平安装。该过滤器为“自洁型”，脉冲反吹下来的灰尘依靠重力排出。整个进气系统的额定压降为89mmH2O。此外，还有一套压气机水洗设备，能够离线或在线清洗压气机，以清除积垢，减少堵塞，保持压气机的效率接近新机状态。9F型燃气轮机连同底盘的净重约299吨，连同罩壳的体积约870m3。9FA燃机的性能单循环的性能
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S109FA和S209FA联合循环机组的性能
型号净功率净效率MWS109FAS209FA
9FA燃机的启动和运行（S209FA）
联合循环电厂的起动是从燃气轮机开始，燃气轮机是将发电机用作电动机起动的，电网的供电经变频器转变成变频电源，用来驱动发电机。在起动程序开始之前，循环水系统、冷却塔、闭路冷却水系统和压缩空气系统等辅机系统先投入运行。
当燃气轮机达到10%额定转速时，供入燃料气并开始点火，使燃气轮机加速直到自持转速。这时，关断供向发电机的变频电源，燃气轮机继续加速。
燃气轮机起动后不久，透平的排气便开始加热余热锅炉。余热锅炉没有燃气轮机的排气旁通烟囱，也不供应辅助蒸汽，所以，整个系统必须同时起动。最初，余热锅炉产生的蒸汽通过排汽管和疏水管泄放。当主蒸汽压力达到某一数值时，汽轮机的密封可以起作用，凝汽器的抽气机起动，在凝汽器中建立真空。一旦凝汽器中建立了真空，从余热锅炉向凝汽器的排汽阀便可打开，汽轮机可以开始暖机。根据余热锅炉和汽轮机允许的暖机速率，燃气轮机可以同步和带到选择的负荷。汽轮机的工况跟随余热锅炉的输出而变，节流以维持一不变的蒸汽压力，带到80%负荷以后，再滑压力升至100%负荷。
每一台发电机配一台升压变压器，所发电力通过升压变压器，连接到附近的一变电所，并入电网。正常运行时，电力负荷通过调节燃气轮机的燃烧速率来调整，汽轮机跟随燃气轮机变负荷。当汽轮机跳闸时，余热锅炉产生的蒸汽通过一系列减温减压站排向凝汽器，允许燃气轮机继续运行。如果事故的情况允许汽轮机再起动，一台燃气轮机将回调负荷，并完成汽轮机的再起动。如果汽轮机不能再起动，燃气轮机可以继续按需要发电，余热锅炉所产生蒸汽的能量通过凝汽器排向循环水系统。
热耗率燃机功率MW汽机功率MWkJ/kWh63506305254.1508.2141.8289.2燃气轮机%56.757.1390.8786.91×MS9001FA2×MS9001FA
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《9FA燃机》
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