SGT5-4000F燃气轮机改进升级措施分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24111

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 847-855.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24111

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SGT5-4000F燃气轮机改进升级措施分析

史玉恒¹^,², 刘润泽¹^,³, 李士龙¹, 蒋东翔²

^1.中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京市朝阳区 100015
^2.清华大学能源与动力工程系，北京市海淀区 100084
^3.上海交通大学机械与动力工程学院，上海市闵行区 200240

收稿日期:2024-06-18 修回日期:2024-08-28 出版日期:2024-10-31 发布日期:2024-10-29
作者简介:史玉恒(1981)，男，博士，高级工程师，主要从事燃气轮机总体性能仿真技术开发、整机性能分析和整机试验研究等工作，shiyuheng1981@126.com；
刘润泽(1984)，男，博士，高级工程师，研究方向为燃气轮机空气系统与整机热分析，liurunze@spic.com.cn；
李士龙(1978)，男，硕士，高级工程师，研究方向为燃气轮机及联合循环总体性能仿真，lishilong@spic.com.cn；
蒋东翔(1963)，男，博士，教授，研究方向为转子动力学与故障诊断，jiangdx@tsinghua.edu.cn。
基金资助:
国家科技重大专项(J2019-I-0009-0009)

SGT5-4000F Gas Turbine Improvement and Upgrade Measures Analysis

Yuheng SHI¹^,², Runze LIU¹^,³, Shilong LI¹, Dongxiang JIANG²

^1.China United Gas Turbine Technology Co. , Ltd. , Chaoyang District, Beijing 100015, China
^2.Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China
^3.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China

Received:2024-06-18 Revised:2024-08-28 Published:2024-10-31 Online:2024-10-29
Supported by:
National Science and Technology Major Project(J2019-I-0009-0009)

摘要/Abstract

摘要：

目的为了给我国自主重型燃机研发及后续改进升级提供技术参考和设计依据，分析了SGT5-4000F燃气轮机改进升级措施。方法通过对SGT5-4000F燃机相关文献和资料的收集整理、性能分析，总结出了该燃机自1996年引入市场以来，西门子为提高该燃机性能采取的一系列改进升级措施。结果通过提升压气机进气量、降低冷却空气量、采用液压间隙优化 (hydraulic clearance optimization，HCO)等技术提升燃机功率和热效率；通过采用预混值班级、优化燃烧器主旋流器叶型等措施提高燃烧室热声稳定性、降低NO _x 排放；通过采用经过验证的新材料、新铸造技术等提高部件的耐用性、使用寿命和燃机运行灵活性。结论上述改进升级措施可作为我国自主重型燃机及其衍生型号未来进行改进升级的技术参考和设计依据。

关键词: 重型燃气轮机, SGT5-4000F, 改进, 升级, 技术验证

Abstract:

Objectives In order to provide technical reference and design basis for the research and subsequent upgrade of China’s independent heavy-duty gas turbine, a series of upgrade measures of SGT5-4000F gas turbine were analyzed. Methods Through the collection, organization and performance analysis of relevant literature and data on the SGT5-4000F gas turbine, a series of upgrade measures taken by Siemens to improve the performance of the gas turbine have been summarized since it was introduced to the market in 1996. Results Through the analysis, it can be concluded that Siemens’ upgrade measures include: increasing compressor mass flow, reducing the cooling air and adopting HCO to improve the power and thermal efficiency. The use of premixed pilot and optimization of the main swirler helps to improve the thermo-acoustic stability and reduce NO _x emission. The validated new materials and new casting technologies can be used to improve the durability, life and operational flexibility. Conclusions The above technical upgrade measures can be used as technical reference and design basis for future improvement and upgrade of China’s independent heavy-duty gas turbine and its derivative models.

Key words: heavy-duty gas turbine, SGT5-4000F, improvement, upgrade, technical validation

中图分类号:

TK 14

史玉恒, 刘润泽, 李士龙, 蒋东翔. SGT5-4000F燃气轮机改进升级措施分析[J]. 发电技术, 2024, 45(5): 847-855.

Yuheng SHI, Runze LIU, Shilong LI, Dongxiang JIANG. SGT5-4000F Gas Turbine Improvement and Upgrade Measures Analysis[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(5): 847-855.

图/表 14

图1 压气机的改进和升级

Fig. 1 Improvement and upgrade of compressor

图2 4000F燃机环形燃烧室

Fig. 2 Ring combustor of 4000F gas turbine

图3 HR3型燃烧器

Fig. 3 HR3 burner

图4 燃烧系统技术验证流程

Fig. 4 Combustion system technology validation process

图5 燃机燃烧系统改进步骤

Fig. 5 Improvement steps of gas turbine combustion system

图6 燃烧系统降低NO x 的主要改进步骤

Fig. 6 Main improvement steps for reducing NO x in combustion system

图7 燃烧室陶瓷块固定弹簧片的冲击冷却

Fig. 7 Impact cooling of ceramic fixed springs in combustion chamber

图8 环形燃烧室的温度分布图

Fig. 8 Temperature pattern in annular middle plane of combustor

图9 扩散值班喷嘴和预混值班喷嘴出口燃料浓度分布对比图

Fig. 9 Comparison of fuel concentration profiles at pilot swirler exit of diffusion pilot and premixed pilot

图10 2种改进结构形式的主旋流器CFD模拟和试验测试对比图

Fig. 10 Comparison of CFD simulation and experimental test of two improved structural forms of main cyclones

图11 SGT5-4000F燃机升级过程中的测试项目

Fig. 11 Testing program for SGT5-4000F upgrade

图12 透平后面级密封系统改进

Fig.12 Modification of the sealing system of the rear turbine stages

图13 运行25 000 h后的一级静叶

Fig.13 Vane 1 after 25 000 h of operation

图14 一级静叶平台前缘冷却设计对比

Fig. 14 Cooling design comparison for leading edge of vane 1

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SGT5-4000F Gas Turbine Improvement and Upgrade Measures Analysis

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图/表 14

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