F級燃氣輪機裝置特點及效能比較
第一部分 小F級燃氣輪機裝置特點及效能比較
小F級燃氣輪機一般是指燃氣輪機初溫達到了F級燃機的溫度（1300℃以上），燃機單迴圈容量在50-80MW，聯合迴圈容量70-110MW左右的機組。6F機組是GE公司燃氣輪機編號，因其相對於F級機組較小，一般也稱作小F機組。安薩爾多、西門子和三菱公司也有對應的燃機產品。東方電氣研製的G50燃氣輪機透平入口溫度達到了1300℃，也屬小F燃機機型。
小F機組發電容量較小，在小型的城市或工業園區適應能力更強，能夠滿足一定的電能和熱能的需求，在國內有一定數量的安裝和應用。集團江山公司安裝的即為GE公司6F。03機組，機組執行穩定，即將投產的南京熱電也為該型機組。
一、GE公司6F燃氣輪機
國內南汽與美國GE公司合作生產6F燃氣輪機。南汽進入燃氣輪機制造行業較早，在2013年、2014年分別從GE公司引進6F。03、6F。01重型燃氣輪機。
1.6F.03型燃氣輪機
6F。03燃氣輪機結構簡單，適應能力強，機組執行穩定，可為使用者提供高效、可用、靈活和可靠的解決方案。在離網執行時，6F。03機組具備孤島執行能力，可以根據需求供電，並及時響應電網需求。集團公司江山電廠採用該型燃機，該公司2臺機組採用一拖一分軸佈置方式，2013年投產發電，機組執行較為穩定。
6F。03燃機採用側向或軸向進氣、室內及室外的隔音罩殼等靈活的現場佈置克服了場地的限制，可適應惡劣及偏遠的環境。
該機型採用DLN2。6燃燒系統，排放能夠達到低於15ppm NOx和或9ppm CO，檢修間隔期32，000小時。
多噴嘴靜音燃燒室可以適應氫含量20-90%的合成氣，同時可以透過注入蒸汽或氮氣，獲得低於25ppm NOx排放。
6F。03燃機主要引數見下表：
專案
效能引數
6F。03
簡單迴圈效能
簡單迴圈淨出力（MW）
82
簡單迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
9，470
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
9，991
簡單迴圈淨效率（%， LHV）
36。0%
燃氣輪機引數
排煙溫度（°F）
1，135
排煙溫度（°C）
613
排煙能量（MM Btu/hr）
482
排煙能量（MM kJ/hr）
509
保證排放的最小燃機負荷（%）
52%
燃機升負荷率（MW/min）
7
基本負荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
15
最小執行負荷下的CO排放（ppm）
9
Wobbe指數允許變化範圍（%）
+10%， -15%
啟動時間（常規啟動/調峰啟動，分鐘）
29/-
1X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
124
聯合迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
6，155
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6，494
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
55。4%
保證排放的最小全廠負荷（%）
59%
全廠升負荷率（MW/min）
7
啟動時間（熱態快速啟動，分鐘）
45
2X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
250
聯合迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
6，120
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6，457
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
55。8%
保證排放的最小全廠負荷（%）
30%
全廠升負荷率（MW/min）
13
啟動時間（熱態快速啟動，分鐘）
45
2.6F.01型燃氣輪機
該機型單迴圈容量僅為50MW，為100MW以下聯合迴圈、熱電聯產應用效率最高的燃氣輪機。6F。01燃機在熱電聯產應用中可達到近57%的效率。6F。01有冷端驅動或熱端驅動兩種配置，可以為新建電廠或電廠改造提供定製方案。
6F。01燃機具有高可靠性及可用率，採用7F。05、9F。05及H級燃機成熟的熱通道和燃燒室材料可以承受更高的燃燒溫度。採成熟的DLN2。5燃燒系統， 32，000小時或900次啟停的燃燒室和熱通道檢修間隔期。
6F。01燃機主要引數見下表：
專案
效能引數
6F。01
簡單迴圈效能
簡單迴圈淨出力（MW）
52
簡單迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
8，880
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
9，369
簡單迴圈淨效率（%， LHV）
38。4%
燃氣輪機引數
排煙溫度（°F）
1，117
排煙溫度（°C）
603
排煙能量（MM Btu/hr）
280
排煙能量（MM kJ/hr）
295
保證排放的最小燃機負荷（%）
40%
燃機升負荷率（MW/min）
12
基本負荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
25
最小執行負荷下的CO排放（ppm）
9
Wobbe指數允許變化範圍（%）
+/-10%
啟動時間（常規啟動/調峰啟動，分鐘）
12/10
1X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
76
聯合迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
6，030
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6，362
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
56。6%
保證排放的最小全廠負荷（%）
53%
全廠升負荷率（MW/min）
12
啟動時間（熱態快速啟動，分鐘）
30
2X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
154
聯合迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
6，000
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6，330
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
56。9%
保證排放的最小全廠負荷（%）
27%
全廠升負荷率（MW/min）
24
啟動時間（熱態快速啟動，分鐘）
30
二、安薩爾多AE64。3A燃氣輪機
安薩爾多AE64。3A燃機結構緊湊，具有較高的可靠性。該型燃機採用環形燃燒室，轉子結構採用內部空冷通道，溫度分佈均勻，保證了熱流量的最佳平衡。該機型執行操作簡單、啟動快速。
AE64。3A燃機能夠在整個負荷範圍內實現預混燃燒，能夠滿足天然氣和液體燃料的要求。AE64。3A燃機快速啟動時間時間短，調峰能力強，具有較高的可靠性。
AE64。3A燃機主要引數見下表：
專案
效能引數
AE64。3A
簡單迴圈效能
簡單迴圈淨出力（MW）
80
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
9863
簡單迴圈淨效率（%， LHV）
36。5%
燃氣輪機引數
排煙溫度（°C）
580
排氣流量（ kg/s）
215
壓比
18。2
燃機升負荷率（MW/min）
7
基本負荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
50
最小執行負荷下的CO排放（ppm）
30
1X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
120
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6581
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
55。7%
保證排放的最小全廠負荷（%）
45
2X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
243
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6581
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
56。4%
三、西門子SGT-800燃氣輪機
西門子SGT-800燃氣輪機啟停靈活，操作維護簡便，滿足低排放要求。該機型有著穩定的長期執行記錄，在工業、石油和天然氣行業有著廣泛的應用。目前已售出370多臺，超過700萬等效工作小時數。
西門子SGT-800共有50 MW、54 MW、57 MW 、62 MW等四種單迴圈容量定製機型。
燃機主要引數見下表：
單迴圈容量
49。9 MW（e）
54。0 MW（e）
57。0 MW（e）
62。5 MW（e）
燃料
天然氣或石油
天然氣或石油
天然氣或石油
天然氣或石油
頻率
50/60 Hz
50/60 Hz
50/60 Hz
50/60 Hz
單迴圈效率
39。4%
39。1%
40。1%
41。1%
熱耗率
9，147 kJ/kWh
9，206 kJ/kWh
8，970 kJ/kWh
8，759 kJ/kWh
轉速
6，600 rpm
6，600 rpm
6，600 rpm
6，600 rpm
壓比
19。8：1
21。6：1
22。0：1
21。1：1
排氣流量
124。7 kg/s
135。5 kg/s
136。6 kg/s
135。5 kg/s
排氣溫度
560 °C
563 °C
565 °C
596 °C
NOx
≤ 15* ppmvd
≤ 15* ppmvd
≤ 15* ppmvd
15 - 20 ppmvd
1X1聯合迴圈效能
淨出力
71。2 MW（e）
77。3 MW（e）
80。7 MW（e）
88 MW（e）
效率
57。2%
56。9%
57。9%
59%
熱耗率
6，298 kJ/kWh
6，323 kJ/kWh
6，221 kJ/kWh
6，100 kJ/kWh
2X1聯合迴圈效能
淨出力
143。9 MW（e）
156。3 MW（e）
163。1 MW（e）
180 MW（e）
效率
57。8%
57。5%
58。5%
60%
熱耗率
6，233 kJ/kWh
6，257 kJ/kWh
6，158 kJ/kWh
6，000 kJ/kWh
四、東方電氣小F燃氣輪機
1.三菱公司H100燃氣輪機
三菱H100重型燃機採用雙軸設計，模組化安裝，便於機組檢修。燃機單迴圈效率達到38。3%，容量110MW，可靠性超過99%。
採用乾式低氮（預混） 燃燒器，排放NOx：9ppm CO：9ppm。
H100是三菱日立合作研發的燃氣輪機，採用了三菱燃機先進的燃燒系統，透平採用雙軸設計，高壓透平轉速4580rpm，低壓透平轉速3000rpm，能夠達到更高的執行效率。三菱H100執行靈活，標準起動時間為22分鐘，快速起動時間僅為10分鐘，負荷升降速率 ： 25%/分鐘。
H100燃機主要引數見下表：
專案
效能引數
H100
簡單迴圈效能
簡單迴圈淨出力（MW）
116
簡單迴圈淨熱耗率（Btu/kWh， LHV）
8909
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
9400
簡單迴圈淨效率（%， LHV）
38。3%
基本負荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
9
燃氣輪機引數
排煙溫度（°C）
586
排氣流量（ kg/s）
296
高壓透平轉速（rpm）
4580
低壓透平轉速（rpm）
3000
1X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
171
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6372
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
56。5
2X1聯合迴圈效能
聯合迴圈淨出力（MW）
346
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
6372
聯合迴圈淨效率（%， LHV）
56。5
2.東方電氣G50燃氣輪機
G50燃氣輪機是東方電氣集團研製的F級燃氣輪機，透平入口溫度超過1300℃。採用 17級軸流壓氣機，多級靜葉可調，3級抽氣可調，多種手段保證部分負荷執行時的穩定裕度。燃燒系統採用DLN燃燒器，8個環管型逆流式結構；採用4級軸流透平，高效葉片型線設計和先進的透平冷卻技術。
因該型燃氣輪機2020年11月剛透過滿負荷試驗見證和驗收，各項執行引數表現良好，該機型聯合迴圈配套尚未開始，下一步將投入長期執行進行驗證考核。
G50燃機主要引數見下表：
專案
效能引數
G50
簡單迴圈效能
簡單迴圈淨出力（MW）
50
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh， LHV）
9863
簡單迴圈淨效率（%， LHV）
36。5%
NOx（@15%O2）
≤25
燃氣輪機引數
轉速（rpm）
6000
排煙溫度（°C）
536
排氣流量（ kg/s）
150
壓比
18
基本負荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
25
五、東方電氣G50與其他燃氣輪機的比較
東方電氣集團研製的燃氣輪機是國產F級燃機的一項重大突破，燃機燃燒器、透平葉片等熱通道核心部件均有東方自主設計和生產。從燃機裝置引數來看，G50燃機的熱耗率高於GE公司 6F。01和西門子SGT-800燃機，效率也略低於上述機型。但隨著研發程序的加快，東方電氣的燃機本體制造工藝將會得到最佳化，效能也會較試驗階段得到大幅度提升，效率也會得到提高，逐步縮小與世界先進6F燃機的差距。
G50燃氣輪機本體核心部件能夠實現本土化生產，熱通道部件製造和維護成本能夠得到大幅降低，進而形成一定的市場競爭力。G50燃機透過放大和縮小設計，能夠形成不同容量的燃機機型，滿足發電和工業的需求。
專案
GE 6F.01
GE 6F.03
AE64.3A
SGT-800
H100
東汽 G50
功率（MW）
50
82
80
50。5
116
50
熱耗率（kJ/kWh，LHV）
9498
9，991
9863
9399
9400
9863
效率（%）
37。9
36。0%
36。5
38。3
38。3
36。5
壓比（/）
21（12級壓氣機）
/
21。1（15級）
21。1（15級）
/
18（17級）
質量流量（kg/s）
125。5
/
215
134。2
296
150
轉速（rpm）
7250
6000
/
6600
4580/3000
6000
排氣溫度（℃）
597
613
580
553
586
536
NOx（@15%O2）
≤25
≤25
≤50
≤15
≤15
≤25
五、小F級燃氣輪機的比較
小F級燃氣輪機單迴圈功率較小大，透平進氣溫度較高，因而相對於E級燃機而言，熱效率較高，但由於機組發電容量較小，燃機的單位造價較高，盈利能力受到一定的限制。小F燃機具有啟動執行靈活，調峰能力強的特點，適合在電量需求不大，峰谷電量差異較大的區域選用。該機型與餘熱鍋爐、汽輪機組成聯合迴圈後效率得到改善，並具備一定的抽汽供熱能力，滿足工業或採暖用熱需求。
以聯合迴圈容量100MW為界，小F燃機按聯合迴圈容量可以分為100MW以下燃機和100MW以上燃機。由上表可以看出，100MW以下主要有GE 6F。01、SGT-800、東汽 G50三種，其中西門子SGT-800效率最高，GE 6F。01次之，東汽 G50是東方電氣自主研製的F型燃氣輪機，於2020年11月份研製成功，尚在長期執行試驗過程中，效率相對較低。100MW以上主要有GE 6F。03、AE64。3A、H100三種，其中三菱公司的H100效率最高，安薩爾多AE64。3A次之，GE 6F。03效率較低。
第二部分 大F級燃氣輪機裝置特點及效能比較
大F燃氣輪機是當前主流機型，在國內裝機數量最多，燃氣機組技術先進，容量適中，機組執行指標和效能較好，能夠較好的滿足電網調峰需求，在國內京津冀、長三角、珠三角等經濟發達地區有著較為廣泛的應用。
國內投產的F級燃機主要有GE、安薩爾多、西門子、三菱等幾家公司的產品，GE公司最多，三菱次之，西門子近幾年安裝投產的燃機較少，相反，安薩爾多在與上海電氣合作後，燃機安裝投產逐漸增多。集團高井、金壇公司分別安裝3臺和2臺GE機組，紹興公司安裝2臺三菱機組，肇慶公司安裝2臺安薩爾多機組，從投產的F級燃氣輪機執行情況看，各製造廠燃氣輪機執行均較為穩定，經濟指標較好。
一、GE公司F級燃氣輪機
1.9F.06型燃氣輪機
作為GE 50Hz產品序列的最新成員，9F。06燃氣輪機相對於GE其他F級燃氣輪機將實現更高的出力以及效率，它綜合了燃氣輪機的效能和靈活性，單迴圈出力達到342MW，效率超過41%，快速升負荷率每分鐘65MW。因此，9F。06燃氣輪機在靈活性方面能力很大，包括對可再生能源產業的支援。在聯合迴圈工況下，9F。06燃氣輪機的效率超過61%，提供了50Hz F級技術的最低電力成本。
主要效能引數表如下：
簡單迴圈淨出力（MW）
342
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh，LHV）
8768
簡單迴圈淨效率（%，LHV）
41。10%
排煙溫度（°C）
618
一拖一
聯合迴圈淨出力（MW）
508
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh，LHV）
5887
聯合迴圈淨效率（%，LHV）
61。10%
二拖一
聯合迴圈淨出力（MW）
1020
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh，LHV）
5866
聯合迴圈淨效率（%，LHV）
61。40%
2.9F.05型燃氣輪機
發電量限制是電力開發專案的一個重要部分。9F。05燃氣輪機滿足簡單迴圈299MW的需求。9F。05燃氣輪機已被廣泛證實聯合迴圈效率超過60%，執行可靠性超過99%。這些機組具備維護間隔期長、燃料適應性強、NOx排放低、最低執行負荷下CO排放達標、以及可快速啟動等優良特性。
主要效能引數表如下：
簡單迴圈淨出力（MW）
299
簡單迴圈淨熱耗率（kJ/kWh，LHV）
9295
簡單迴圈淨效率（%，LHV）
38。70%
排煙溫度（°C）
642
一拖一
聯合迴圈淨出力（MW）
462
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh，LHV）
5951
聯合迴圈淨效率（%，LHV）
60。50%
二拖一
聯合迴圈淨出力（MW）
929
聯合迴圈淨熱耗率（kJ/kWh，LHV）
5919
聯合迴圈淨效率（%，LHV）
60。80%
二、安薩爾多F級燃氣輪機
安薩爾多在國內主推F級燃機為AE94。3A型燃氣輪機，集團公司肇慶即為該型機組，總體來說，該燃氣輪機執行靈活、安全可靠、維修方便。安薩爾多AE94。3A燃機與西門子SGT5-4000F類似，採用環形燃燒室結構。其最大的特點就是靈活多樣，聯合迴圈配置形式豐富，可滿足包括一拖一、二拖一、單軸、分軸在內的各類配置。結構上採用中心拉桿式轉子，壓氣機兩級靜葉可調。該機型設計了簡潔高效的內部二次空氣冷卻系統，兼顧了冷卻效果和機組熱效率；轉子位移最佳化系統，可增加出力。
機組主要效能引數如下：
簡單迴圈淨出力（MW）
340
簡單迴圈淨效率（%，LHV）
40。3
排煙溫度（°C）
593
一拖一聯合迴圈淨出力（MW）
495
一拖一聯合迴圈淨效率（%，LHV）
60
二拖一聯合迴圈淨出力（MW）
992
二拖一聯合迴圈淨效率（%，LHV）
60。3
三、西門子F級燃氣輪機
在中國燃氣輪機市場，西門子機型也是主流機型之一。西門子機型相對於GE機型比較優點和缺點均較為明顯。其優點在於執行穩定，檢修難度小，維護簡單，缺點是安裝工作量大，安裝難度大。西門子F級燃機為SGT5-4000F機型，該機型運維簡便，停機時間短。採用內部冷卻技術，可實現可靠的長期執行和快速啟動。採用液壓間隙最佳化 （HCO） 技術，可顯著減少間隙損失，提高燃氣輪機效率，最大程度避免啟動和停機時的效能損失。發電成本低，檢修間隔長，維護簡便。最佳化的流量和冷卻系統顯著提高了燃氣輪機的效率和聯合迴圈應用中的發電經濟性。
主要效能引數如下：
發電效率
41。00%
熱耗
8780kJ/kwh
透平轉速
3000rpm
壓比
20。1
排氣溫度
599℃
電功率
329MW
聯合迴圈總功率
475MW（單臺）；950（雙臺）
聯合迴圈淨效率
59。7 %（單臺），59。7%（雙臺）
聯合迴圈熱耗
6030kJ/kwh（單臺）；6030kJ/kwh（雙臺）
四、三菱F級燃氣輪機
目前國內在役和在建數量最多的為三菱M701F型機組，其執行效能較為穩定，經濟指標較好。 M701F共有M701F3、M701F4、M701F5三種機型，國內早起安裝的為M701F3機型，機組容量較小；目前安裝最多的為M701F4機型，集團公司紹興、寶昌二期均為該型機組；M701F5容量較大，在華能北京熱電廠安裝兩臺該型機組。
1.M701F4型燃氣輪機
三菱M701F4燃氣輪機壓氣機有17級，壓比18，透平4級，採用先進的DLN燃燒器，機組效能穩定。集團紹興公司安裝該型機組，機組經濟指標較好。
機組主要技術引數如下：
頻率
50 Hz
ISO額定出力
312MW
發電效率
58。36 %LHV
熱耗（低熱值）
9160 kJ/kWh
排氣溫度
594°C
NOx排放量
25 ppm
CO排放量
10 ppm
一拖一聯合迴圈淨出力
465MW
一拖一聯合迴圈淨效率
59。5 %LHV
二拖一聯合迴圈淨出力
930MW
二拖一聯合迴圈淨效率
59。5 % %LHV
2.M701F5型燃氣輪機
三菱M701F5燃氣輪機壓氣機有17級，而透平則有4級，該型燃機採用了三菱G、J型燃機熱通道先進技術，並對各系統進行了最佳化，經濟指標較好。
機組主要技術引數如下：
頻率
50 Hz
ISO額定出力
385 MW
發電效率
41。9 %LHV
熱耗（低熱值）
8，592 kJ/kWh
排氣溫度
630 °C
NOx排放量
25 ppm
CO排放量
10 ppm
一拖一聯合迴圈淨出力
566 MW
一拖一聯合迴圈淨效率
62。0 %LHV
二拖一聯合迴圈淨出力
1，135 MW
二拖一聯合迴圈淨效率
62。2 %LHV
五、F級燃氣輪機的比較
F級燃氣輪機單迴圈功率較大，熱效率高，啟動執行靈活，適合電網調峰需求，在國內裝機最多，其中三菱、西門子、GE佔了F級燃機絕大部分份額，安薩爾多在2014年與上海電氣合作以來，在國內得到了快速發展，該型燃機效能較為穩定，經濟指標較好。
當前燃氣輪機技術發展迅速，幾乎每年各廠家都會有改進機型推出，對燃機壓氣機、燃燒器和透平部件進行最佳化，經濟效能均有一定提升。各製造廠家的燃機熱耗、效率等重要指標呈互相追趕的趨勢，因此在燃機機型選擇中應將最新機型引數作為參考，並關注燃機核心部件的最佳化升級。
以國內應用較多的F級升級機型為例，對比三菱、西門子、GE、安薩爾多機組主要效能引數如下：
燃氣輪機廠家
三菱
M701F
GE
9F。06
西門子
SGT5-4000F
安薩爾多
AE94。3A
燃氣輪機出力（MW）
385
342
329
340
燃氣輪機熱耗率（kJ/kWh）
8592
8，768
8780
9045
燃氣輪機效率
41。9%
41。1%
41%
40。3%
燃氣輪機排氣溫度
630
618
599
593
壓氣機壓比
/
18。5
21。1
/
聯合迴圈出力（1拖1）MW
566
508
475
495
聯合迴圈效率（1拖1）
62%
61。1%
59。7%
60。3%
燃燒室NOx排放（ppm）
25
25
15
50
注：表格內容來自於廠家官方網站最新資料（2020。12。17）
從上表可以看出，三菱最新M701F型燃氣輪機容量最大，聯合迴圈效率最高，達到了62%，GE9F。06次之，西門子安薩爾多AE94。3A、西門子SGT5-4000F效率相對較差。
