GE燃氣輪機技術發展簡史—

本文譯自2019年7月8日POWER Magazine發表的“GE燃氣輪機技術發展簡史”。作者Sonal Patel 系POWER Magazine副主編

為紀念世界上第一臺工業燃氣輪機投入商業執行80週年，以及世界上第一臺用於發電的燃氣輪機投入商業執行70週年，美國著名電力行業媒體POWER Magazine於2019年7月8日編撰釋出了“GE燃氣輪機技術發展簡史”，對過去80年間，GE燃氣發電產品和解決方案的演進進行回顧。

2019年7月，對於全球燃氣發電行業來說，有兩個重要的里程碑事件值得紀念。這兩個里程碑事件標誌著燃氣發電技術從實驗室走向商用，並由此成長成為全球最主要的發電形式之一：1939年，世界上第一臺工業燃氣輪機在瑞士納沙泰爾投入商業運營；1949年，世界上第一臺用於發電的燃氣輪機在位於美國俄克拉荷馬州貝爾島的電站投入商業運營，這臺燃機由GE設計製造，出力為3。5MW。

從此，GE開發並推出了一系列燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機、餘熱鍋爐、凝汽器以及電站輔助裝置，併成為當今燃氣發電領域首屈一指的原始裝置製造商。

1939年，世界上第一臺工業燃氣輪機投入商業執行

1939 年 7 月 7 日，世界上第一臺工業燃氣輪機（簡單迴圈出力4MW）在瑞士納沙泰爾市一座市政發電站投入商業執行。這臺燃氣輪機由Brown Boveri & Cie（BBC）公司設計研發，該公司於1891年在瑞士巴登成立，於1988年與ASEA AB合併成為ABB（ASEA Brown Boveri）公司，2000年，作為ABB發電業務的一部分出售給阿爾斯通。GE於2015年收購了阿爾斯通的電力和電網業務。

這臺燃氣輪機效率為17。4%，轉速為 3，000 轉每分鐘，壓氣機進氣溫度為 20℃（68F），透平初溫550℃（1，022華氏度），透平輸出功率15，400kW ，其中 11，400 kW為壓氣機耗功，燃機輸出功率為4000kW。僅作為備用發電和調峰，這臺燃機運行了近 70 年。

1949年，世界上第一臺用於發電的燃氣輪機在美國投入商業執行

1949年，世界上第一臺用於發電的燃氣輪機在位於美國俄克拉荷馬州貝爾島的電站投入商業運營，這臺燃機由GE設計製造，出力為3。5MW。燃機採用水平軸向佈置，燃機廠房與一臺51MW的蒸汽輪機機組廠房毗連。正如美國機械工程師協會（ASME）指出的：“雖然該燃機的額定出力為 3，500 kW，但在實際執行中，它的出力遠遠大於額定出力，達到約5，000 kW。在 1949年7月到1952年7月之間，經實際測算，它的出力均值為4，200 kW。”這臺GE Frame 3燃機的效率約為17%。除了發電，燃機排氣還用於為傳統蒸汽輪機發電機組加熱給水。這樣的“聯合迴圈” 配置模式也是首次應用。

1951年，雙軸中間冷卻回熱式燃氣輪機誕生

這一年，GE在美國佛蒙特州拉特蘭縣安裝了三臺5MW燃氣輪機。這三臺燃機的設計基於GE Frame 3燃機，採用雙軸配置，包括兩臺空壓機中間冷卻器和餘熱回收器。

1953年，第一臺再熱的中間冷卻回熱式燃氣輪機投入商用

得益於在壓比、材料和塗層方面的技術突破，BBC公司在瑞士納沙泰爾燃機的基礎上，進一步將燃機透平初溫提高到1，200華氏度（649攝氏度）。1953 年，該公司參與建造的 27 MW 瑞士貝茲諾二電站採用了兩臺40 MW燃機，燃機效率達到30%。S。 Can Gülen在 2019 年 2 月出版的《燃氣輪機發電》一書對此這樣描述：“BBC的工程師透過提升壓力比和燃燒溫度，不斷在布雷頓迴圈中挖掘更高的效率。最終的結果是整個發電廠成就了更高的效率。”

1960年，第一臺聯合迴圈燃氣發電站投入商用

這一時期，荷蘭發現了新的天然氣儲備，受此利好訊息影響，奧地利公用事業公司NEWAG建設了一座75兆瓦聯合迴圈電廠Korneuburg-A。這在歐洲尚屬首例。該工廠採用兩臺 25 MW BBC 12型燃機，一臺 25 MW 蒸汽輪機，以及一臺帶補燃的餘熱鍋爐。儘管該機組效率低（約32。5%），但在1960年至1975年間，該機組以基本負荷執行，平均每年執行6000小時。然而，很快，電廠運營的經濟性下降。這一方面是因為燃料成本高，另一方面是因為燃煤電廠的效率更高。燃煤電廠在1965年之後在歐洲得到廣泛應用，主要用於滿足高峰時段用電需求。

1967年，第一家專用的 GE 聯合迴圈電廠

在 1965 年 11 月美國東北大停電之後，監管部門要求公用事業公司透過安裝一定比例的具有黑啟動功能的小型、本地化、快速啟動發電機組來增加電力系統備用容量。為此，GE 在安大略省渥太華市分別安裝了 11 MW 的FS3燃機和21 MW的FS5燃機。羅納德·亨特（Ronald Hunt）是美國柴油機和燃氣輪機工程師學會的一位諮詢工程師，他在2019年4月出版的《發電、工業和艦船用途的燃機發展史》一書中提到過，FS3燃機已經在美國海事船舶和機車中進行了測試。

1968年，第一臺 LM 輕型燃機誕生

GE的工程師將1955年首飛的J79航空發動機改裝為LM1500輕型燃機。這種燃機主要作工業驅動和艦船動力。第一臺LM1500安裝在美國康涅狄格州米爾斯通核電站，出力為13。3MW。

1969 年，更先進的航改型燃機誕生

1969年，第一臺LM2500燃機被美國海軍卡拉漢號貨船採用，為其提供動力。該燃機源自GE CF6-6航空發動機，採用16 級壓氣機，進氣導葉和 6 級可調靜葉，2級高壓透平串聯6級動力透平。原設計採用雙軸高壓渦輪葉片，ISO工況下的額定出力為17。9 MW，簡單迴圈效率為35。8%。LM2500 燃機至今仍被廣泛使用。GE表示：“直到今天，美國海軍仍採用 LM2500 為其最新的水面作戰船艦提供動力。”

1970 年，Frame 5級燃機得到廣泛應用

從1970年上市以來，Frame 5燃機的單軸、雙軸、簡單迴圈、軸流透平配置都得到了廣大客戶的青睞，銷量一直很好。第一臺Frame 5燃機於1970 年安裝在位於巴林王國的一家鋁冶煉廠，額定功率為 24 MW。Frame 5燃機以其高可靠性著稱，在燃氣輪機領域已經獲得廣泛認可。在1965年11月9日美國東北大停電之後，紐約南安普敦地區的Frame 5燃機實施黑啟動，使長島地區的電力系統恢復正常，隨後又幫助紐約市恢復電力供應。正如GE現場服務工程師團隊負責人戴夫·盧西爾（Dave Lucier）指出的：“成就永遠只是下一座豐碑的基石”。Frame 5燃機的經驗為後續的燃機提供了很好的基礎。

1970年，Frame 7系燃機問世

MS7000是一款60赫茲的Frame 7系燃機，其出力為47。2 MW，透平初溫1，650華氏度（899攝氏度）。在Frame 7系燃機問世後不久，GE開始與阿爾斯通公司開發50赫茲的單軸Frame 9系燃機。

1970年，BBC公司推出了GT系列燃機

在美國東北大停電之後，為了爭奪市場份額，同時也為抗衡GE研發出力更大的燃氣輪機的戰略，BBC研發了GT11燃機（60赫茲）和GT13燃機（50赫茲）系列。1970年，BBC公司的第一臺GT11燃氣輪機在加拿大彩虹湖點火。這臺燃機的轉速為3，600 轉每分鐘，額定功率為 32 MW。

1971年，第一臺E級燃機問世

1971年，首款E級（7E）燃機在英國國家電網的肖勒姆燃氣發電站首次亮相。

1972年，第一臺 7B燃機問世

1972年，GE 推出 MS7001B燃機，這是首臺Frame 7B燃機，額定出力為 51。8 MW。

1975 年，第一臺Frame 9燃機問世

這一年，首臺80。7MW Frame 9B燃機安裝在了巴黎市郊法國電力公司的一家電廠。主要用於調峰。

1978年，第一臺6B級燃機問世

1978年，第一臺6B級燃機安裝在美國蒙大拿州達科他公用事業公司燃氣發電站。40年後的2018年9月，這臺燃機依然在役。GE在全球交付的6B機組已經超過1，150臺。6B燃機廣泛應用於石化、石油、天然氣勘探和水泥生產等領域，為能源生產設施和工業應用提供動力。多年來，GE持續為現役機組投入技術創新。1981年，透過對燃燒溫度的提升，機組的出力提高了15%。1991 年，6B燃機引入乾式低氮燃燒技術。2009年，6B效能提升方案（PIP）正式推出。該方案綜合了F級燃機在材料、塗層、密封、空氣動力學上的先進設計，提升6B燃機的出力與效率。在紀念6B燃機上市40週年之際，GE於2018年推出6B升級6F。01燃機解決方案。這再次印證了GE為現役成熟機組持續投資，幫助發電企業與工業使用者在快速變化的市場環境中保持競爭力的堅定承諾。

1984年，乾式低氮燃燒室取得技術突破

首次投入商用的“貧燃”乾式低氮燃燒預混技術是由BBC公司研發的，它最初用在一臺經過改裝的GT13D燃機上，這臺燃機位於德國杜塞爾多夫勞斯沃德電廠，電廠聯合迴圈出力420MW。正如迪特里希·埃卡德特在2014年出版的《燃氣輪機動力》一書中所指出的那樣，BBC在1978年提出了這一概念，其理論依據是：透過將燃料和空氣在進入燃燒區之前進行充分混合，可以改變空燃比，參與燃燒的空氣比燃料多，火焰溫度較低，即可取得低氮氧化物排放。該技術將燃機的氮氧化物排放量降至32 ppm。埃卡德特說，雖然這一技術後來被應用於7臺燃機上，但它“過於複雜，且過一段時間之後，就會出現老化和效能下降的問題”。這也就是為什麼BBC公司隨後開始開發第二代預混燃燒器。

1985年，熱電聯產里程碑

1985年，兩臺GE LM2500 航改型燃氣輪機、一臺汽輪機，以及一臺發電機，以一拖一單軸配置的方式被安裝在荷蘭IJsselcentrale電廠，用於區域供暖。該配置旨在實現更好的經濟性，使LM2500 燃氣輪機相對較高的投資獲得相對更高的收益。GE指出，這也是第一個應用蒸汽回注技術的專案。經現場實測，在額定負荷下，該機組的聯合迴圈效率達到50%。

1987年，首臺GT13E 燃機推出

ABB生產的首臺GT13E燃氣輪機（後被阿爾斯通收購，現被GE收購）額定出力為147。9MW。這臺燃機被安裝在荷蘭公用事業公司的一座電站。在這之後，ABB又售出了27臺GT13E燃機。之後，為了滿足客戶對更高效率、更低氮氧化物排放（低於25ppm）的需求， 1991年，ABB又推出了GT13E2型燃機。這一款燃機使用了安裝在頂部的筒倉式燃燒器。

1988 年，LM6000 燃機問世

1988年，GE LM級燃機家族增添了新成員——LM6000。這款燃機源自 GE 的 CF6-80C2航空發動機——一款高涵道比渦輪風扇發動機。在ISO工況下，採用簡單迴圈、雙軸配置的LM6000出力36。6MW，效率可達41。9%。

1990 年，F 級燃機黃金時代到來

1990 年 6 月 6 日，第一臺F 級燃機在弗吉尼亞電力公司（VEPCO）切斯特菲爾德發電站投入執行。這臺7F燃機的出力可達147 MW，透平初溫2，300華氏度（1260攝氏度）。在1992年用於聯合迴圈之前，該款燃機是按照簡單迴圈的配置進行研發和測試的，其簡單迴圈燃機出力150MW，簡單迴圈效率34。5%。在聯合迴圈執行模式下，聯合迴圈效率達到45。2%，出力達到214MW。有行業觀察家指出，切斯特菲爾德發電站7F燃機的商用開啟了F級燃氣輪機的黃金時代，這一時代一直延續到2015年。伴隨著F級燃機成長的行業主旋律是日益苛刻的環境法規，對更高效率、可用性和可靠性的追逐。F級燃機也在為滿足這些需求而不斷演進。

GE表示，F級燃機技術的研發始於 20 世紀 80 年代。當時，它代表了“重型燃氣輪機在執行溫度、冷卻技術和空氣動力學方面的最高水平”。1987年，GE推出的MS7001F燃機是應客戶對“高效率，低排放，低單位千瓦造價”的需求而設計的。GE在7F燃機技術的基礎上進行了一系列的模化設計，使F燃機家族擴充套件到了6F和9F系列，從而使燃機電廠的容量規模有了很大的擴充套件，可以涵蓋從單臺6F。01的51MW出力到3臺7F。05聯合迴圈超過1000MW出力的範圍。 F 級燃機全球總裝機量已經超過1，500 臺，應用於發電、熱電聯產和機械驅動，為鋁冶煉、煉油和食品加工業廣泛採用。

1991 年，乾式低氮（DLN）燃燒解決方案開始商用

GE早在20 世紀 70 年代就開始研發和測試乾式低氮燃燒系統，直到1991 年，GE才正式將這一技術應用在重型燃氣輪機上。GE研發了用於E級燃機的DLN 1乾式低氮燃燒解決方案，以及用於F級燃機的DLN 2乾式低氮燃燒解決方案。後者還應用於EC級和H級燃機。2015 年，GE為下一代7F級燃機，以及現有的7F級燃機推出了DLN2。6+燃燒系統。2018 年 5 月，GE 宣佈推出將 DLN 2。6+燃燒技術與軸向燃料分級技術相結合的DLN2。6+ Flex升級解決方案。2019年初，GE表示，DLN2。6+ Flex技術已經應用於燃氣電廠，採用這一技術後，機組的氮氧化物排放可降低至5ppm。2019年4月，深圳五家發電企業（深圳南山熱電，深圳新電力，深圳大唐寶昌燃氣發電，深圳鈺湖電力，中海油深圳電力）九臺9E燃機的DLN1。0+超低氮氧化物燃燒室改造工作順利完成。這是此技術在全球的首次應用。改造完成後，五家發電企業的氮氧化物排放水平將從原有50mg/m3（約25ppm）降低到15mg/m3（約7。5ppm）。

1992年，第一臺9F燃機問世

1992年，一臺出力159MW，透平初溫2，350華氏度（1288攝氏度）的7F燃機在弗吉尼亞電力公司切斯特菲爾德發電站投入執行。第一臺9F燃機也在位於法國巴黎北部的法國電力公司的一個電廠投入商業執行，這臺9F燃機採用的是簡單迴圈模式。這臺燃機的出力為212MW，是由GE和阿爾斯通聯合研發的。

1992年，第一臺GT13E2重型燃機問世

這一年，ABB公司的GT13E2燃機上市，這臺燃機的出力為166MW。與GT13E相比，GT13E2的透平初溫更高，為2012華氏度（1100攝氏度）。壓氣機壓比從13。9：1提升至15。0：1。這款燃機現在依然在售。2012版GE13E2簡單迴圈效率為38%，聯合迴圈效率為55%。

1996年，移動式發電站問世

1996年，GE推出了被譽為“車輪上的發電站”的TM2500機型。這是一款移動式航改型燃氣輪機。

1997年，F級燃機的激烈競爭催生了GT24/26燃機

GE 1987年推出出力為150MW的Frame 7（也就是第一臺F級燃機）之後，西屋公司（與三菱合作）也迅速於1989年推出了501F燃機，隨後，西門子又於1991年推出了V94。3燃機。ABB公司因此決定採取彎道超車的策略，並於1991年底推出了GT24（60赫茲）/GT26（50赫茲）燃機。1993年，首臺GT24安裝在新澤西州的Gilbert電廠，出力165MW。這在當時是一個具有革命性的解決方案，這款燃機在構造上也是最緊湊的。此外，順序燃燒技術和高壓比也是GT24的特色，是它成就更高效率的關鍵。

2003年，H級燃機時代開啟

GE釋出了第一臺H級燃機——9H，這是一臺50赫茲的燃機，出力480MW，透平初溫2，600華氏度（1427攝氏度）。採用這臺燃機的是威爾士Baglan海灣電站。這座9H聯合迴圈電廠採用單軸配置。

GE推出的H級燃機加劇了行業競爭。各主機廠商之間展開了新一輪對燃機效率的追逐。在2011年，西門子推出的8000H在德國Irsching電站突破了60%的效率。這臺燃機的透平初溫與GE推出的H級燃機相同，都在2，732華氏度（1500攝氏度），但是燃燒溫度較GE的H級燃機略低。同時，西屋公司也與三菱合作推出了一款過渡機型——G級燃機。該燃機的燃燒溫度比H級燃機低。三菱則放棄了對H級燃機技術的研發，轉而投入J級燃機的研發。J級燃機的燃燒室冷卻技術則是基於G級燃機的蒸汽冷卻技術。

2005 年，6C燃機問世

2005年，兩臺出力為130MW，採用聯合迴圈配置的Frame 6C（6F。01燃機的前身）在土耳其首次亮相。6C燃機在2003年推出時的設計出力為42MW，後根據現場實際驗證，又將出力提升到46MW。GE表示，這款燃機是100MW等級燃機中熱電聯產和聯合迴圈表現最佳的機型。“這款燃機排氣溫度高，有助於產生高品質的蒸汽，無論是發電還是熱電聯產，它的效能表現都俱佳”。採用二拖一聯合迴圈配置，這款燃機的聯合迴圈效率可達58%。在熱電聯產執行中，這款燃機的綜合燃料利用效率可超80%。

2014年，GE 推出HA級燃機

2014年，GE推出了具有劃時代意義的新型空冷H級燃機——50赫茲的9HA燃機和60赫茲的7HA燃機。HA級燃機集全球最尖端的材料、冷卻、空氣動力學、先進製造和數字能力於一身。具有分析能力的數字化平臺可以幫助機組實現更好的效能，突破更高的效率。

2016年，首臺HA級燃機在法國電力公司（EDF）布尚電廠投運

2016年，首臺HA級燃機在法國電力公司（EDF）布尚電廠投運。2016年6月，布尚電廠以62。22%的實測聯合迴圈淨效率被吉尼斯世界紀錄認定為全球最高效的50赫茲電廠。這一專案被POWER Magazine評為2017年全球最佳電廠。

2017年，LM9000 釋出

這一年，GE推出了LM9000燃機。這款燃機的雙燃料和快速啟動功能使其成為應對可再生能源間歇性發電的理想之選。這款燃機源自 GE-90航空發動機。波音777就是採用的這款發動機。LM9000系列燃機從67MW到75 MW出力版本可供使用者選擇。

2017年，6F.01燃機應用在分散式能源專案上

2017年，GE結合華能桂林能源專案實際需求，利用全球設計與製造資源為該專案量身打造了6F。01燃機。2017年12月，專案三臺機組正式投入商業執行。6F。01燃機採用了GE在H級和F級機組上使用的先進材料技術，燃機單迴圈出力50MW，機組聯合迴圈效率57%，燃料利用效率81。15%，非常適合應用於分散式能源。

2017年，7HA.02投入商業執行

2017年，Exelon訂購了4臺GE 7HA。02燃氣輪機，這4臺燃機分別配置在美國德克薩斯州的沃爾夫霍洛和科羅拉多本德專案上。這兩個專案都採用二拖一多軸佈置，出力都均超1，000 MW。

2017年，7HA.01投入商業執行

GE向東芝提供了六臺7HA。01燃氣輪機和兩臺蒸汽輪機。這些裝置安裝在位於日本愛知縣的日本中部電力株式會社西名古屋電廠。專案一期三臺機組於2017年9月投入商業運營。2018年3月，GE宣佈，配置GE 7HA。01燃氣輪機的日本中部電力株式會社西名古屋電廠一期實測聯合迴圈效率達63。08%，被吉尼斯世界紀錄認定為全球最高效的聯合迴圈電廠。專案二期三臺機組也於2018年3月底投入商業運營。該專案被POWER Magazine評為2018年全球最佳電廠。

2018 年，雙燃料 HA級燃機問世

2018年6月，位於美國新澤西州的PSEG Sewaren 7聯合迴圈發電專案投入商業執行。這臺7HA。02燃機出力為540MW，是世界上第一臺雙燃料 H 級燃機。Sewaren 7專案可以天然氣和超低硫餾分油這兩種燃料間自由切換。在天然氣供應短缺時，專案可採用超低硫餾分油，從而提高電廠的可靠性。

2019年，中國內地首臺9HA燃機順利抵達天津臨港