燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)途徑分析

1、燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)途徑分析張三多 張培健摘 要： 在已有成熟軍用發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)基礎(chǔ)上派生出新型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，成本低，可靠性高，周期短，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)公司現(xiàn)有產(chǎn)品的分析論證，制定出不同功率等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)方案，進(jìn)行技術(shù)分析和市場(chǎng)分析，提出燃機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展思路。關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)，開(kāi)發(fā)中國(guó)分類(lèi)號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 0. 引言燃?xì)廨啓C(jī)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，從60年代開(kāi)始應(yīng)用軍用水面艦船和城市發(fā)電，70代年末期開(kāi)始應(yīng)用于美國(guó)主戰(zhàn)坦克；80年代以來(lái)開(kāi)始應(yīng)用于高速客輪、高速船、石油、石化、化工等領(lǐng)域。美、英、俄、德、法、日等國(guó)家掌握了燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)核心技術(shù)，開(kāi)發(fā)了從幾十

2、千瓦到幾十萬(wàn)千瓦的不同功率檔次的燃?xì)廨啓C(jī)。20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)從測(cè)繪仿制燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組起步，已自行設(shè)計(jì)制造了多種機(jī)型。以國(guó)產(chǎn)航空動(dòng)力（如WP6G、WJ5G、WJ6G、X14、等）為基礎(chǔ)，派生研制了多型燃?xì)廨啓C(jī)。與外商合作生產(chǎn)了一些型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)（如FT-8輕型燃?xì)廨啓C(jī)、MS6001重型燃?xì)廨啓C(jī)）。在上世紀(jì)80年代，我公司曾以斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)過(guò)兩型燃機(jī)， 6000馬力燃?xì)廨啓C(jī)（WS9G1A燃機(jī)），和WS9G2燃?xì)廨啓C(jī)（13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)），該兩型燃機(jī)都曾經(jīng)成功運(yùn)行。這兩型燃機(jī)都曾經(jīng)成功運(yùn)行，6000馬力燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組通過(guò)了145小時(shí)并網(wǎng)試運(yùn)行，WS9G2燃?xì)獍l(fā)生器在廠(chǎng)內(nèi)完成

3、了150小時(shí)考核試車(chē)，又參加了帶動(dòng)力渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組150小時(shí)考核試車(chē)。因此我公司在斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)改型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行方面均有一定的經(jīng)驗(yàn)。目前燃?xì)廨啓C(jī)的民用市場(chǎng)，主要集中在發(fā)電行業(yè)和拖動(dòng)領(lǐng)域，燃料以天然氣為主，少量為雙燃料。在發(fā)電行業(yè)，基本負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行發(fā)電以大功率重型燃?xì)廨啓C(jī)為主，調(diào)峰發(fā)電以中型燃?xì)廨啓C(jī)（25-60MW）為主，分布式能源、移動(dòng)電站和應(yīng)急電源以輕型燃?xì)廨啓C(jī)（12MW以下）為主。在拖動(dòng)領(lǐng)域（管道輸送、民用船舶、泵組），一般采用高速動(dòng)力渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)。利用公司現(xiàn)有的機(jī)型，可以派生出4MW級(jí)、10MW級(jí)和30MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)。1. 4MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)1.1 4MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)分析

4、4MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)尚無(wú)同等功率的產(chǎn)品，國(guó)際市場(chǎng)上同等功率的產(chǎn)品主要有日本川崎重工的M1T系列燃?xì)廨啓C(jī)(功率2-4.8MW)，美國(guó)索拉渦輪公司的Centaur 40/50（功率3.5-4.6MW）。上述各型燃?xì)廨啓C(jī)的比較如表1：表1 4MW級(jí)燃機(jī)比較型號(hào)熱耗率KJ/KW·h增壓比功率（KW）效率（%）空氣流量用途W(wǎng)S9G1A143927.9444002524.27發(fā)電M1T-231467411.4405024.519.6發(fā)電Centaur 40PGCentaur40GS12910351527.918.21發(fā)電Centaur 50PGCentaur 50GS122704600

5、29.319.07發(fā)電Centaur 40CSCentaur40MD12905350027.918.94機(jī)械驅(qū)動(dòng)Centaur 50CSCentaur 50MD12030457029.918.82機(jī)械驅(qū)動(dòng)1.2 技術(shù)思路和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析6000馬力燃?xì)廨啓C(jī)組（WS9G1A），是實(shí)現(xiàn)“蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)”的節(jié)能裝置。該燃?xì)廨啓C(jī)以煉油廠(chǎng)催化裂化裝置的剩余干氣為燃料，為煉油廠(chǎng)的電熱系統(tǒng)增加自備電力。1.2.1 原有WS9G1A燃?xì)廨啓C(jī)因故障損壞，可以對(duì)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行檢查，重新加工損壞的零件，缺件補(bǔ)齊，修理后復(fù)裝。燃?xì)廨啓C(jī)恢復(fù)需要解決的問(wèn)題： （1） 原動(dòng)力渦輪漏滑油，需對(duì)動(dòng)力渦輪封嚴(yán)系統(tǒng)進(jìn)行改

6、進(jìn)設(shè)計(jì)。（2） 目前采用的燃料是煉化氣，如使用其它的燃料，需對(duì)燃燒室、噴嘴等進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。（3） 原系統(tǒng)主要附件除溫控放大器、防喘調(diào)節(jié)器和噴口滑油泵沿用原斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)附件外，其余大附件（7項(xiàng)）為改進(jìn)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)附件實(shí)物缺失較多，少量保留件狀態(tài)較差，需要重新制造。建議直接改為電調(diào)控制。1.2.2 新設(shè)計(jì)4MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)原設(shè)計(jì)的WS9G1A型燃?xì)廨啓C(jī)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且在調(diào)試和使用中出現(xiàn)的問(wèn)題較多，許多問(wèn)題還遺留未解決。經(jīng)過(guò)與國(guó)外成熟機(jī)組對(duì)比分析，認(rèn)為可以采用前輸出的方案，將低壓渦輪改裝為動(dòng)力渦輪。這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，且可靠性更高，與航機(jī)通用零件更多，成本更低。但新設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)，需要進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)，

7、調(diào)試等，花費(fèi)較大，周期較長(zhǎng)。2. 10MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)2.1 10MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)分析13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)是采用70年代引進(jìn)的斯貝MK202發(fā)動(dòng)機(jī)改造而成，可用于艦船動(dòng)力。13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)在通過(guò)鑒定評(píng)審后下馬，燃?xì)獍l(fā)生器停止生產(chǎn)。13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)輸出功率為9.5MW，實(shí)測(cè)功率為9.2MW，燃?xì)獍l(fā)生器的設(shè)計(jì)翻修壽命為3000小時(shí)。目前，國(guó)內(nèi)同等功率級(jí)別的燃?xì)廨啓C(jī)主要有QD128和QD100。QD128為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)改型生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)，機(jī)組的輸出功率12800KW，熱效率30%。2003年7月28日建成中原油田采油一廠(chǎng)熱電聯(lián)產(chǎn)示范電站，2006年第二臺(tái)發(fā)電機(jī)組于大慶油田投入使用。

8、QD100燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為引進(jìn)GE10-1燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)。天然氣機(jī)組輸出功率10820KW，機(jī)組熱效率30.31%；焦?fàn)t煤氣發(fā)電機(jī)組輸出功率11192KW，機(jī)組熱效率31.01%。已交付中石油4臺(tái)套。目前國(guó)際市場(chǎng)上10MW級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)主要有日本的MF-111、德國(guó)的THM1300、烏克蘭的UGT1000、俄羅斯的-12、-14及美國(guó)的Mars90/100、GE10。上述各型燃?xì)廨啓C(jī)的比較如下表2：表2 10MW級(jí)燃機(jī)比較型號(hào)制造商功率熱效率產(chǎn)量現(xiàn)狀MF-111日本三菱重工1215MW31%65臺(tái)MF-111于98年停產(chǎn)，MF-111B在產(chǎn)。THM1300系列德國(guó)MAN Turbo公司912MW

9、28%30%188臺(tái)生產(chǎn)UGT1000烏克蘭曙光聯(lián)合體1016MW36%生產(chǎn)-12俄羅斯彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司12MW34.5%70臺(tái)生產(chǎn)-14俄羅斯薩馬拉機(jī)械設(shè)計(jì)局8.610MW33%95臺(tái)生產(chǎn)Mars90/100美國(guó)索拉渦輪公司911MW1000多臺(tái)生產(chǎn)GE10美國(guó)通用電氣1012MW31%/33%86臺(tái)生產(chǎn)考慮到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有QD128和QD100兩種10MW級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)，13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，可供開(kāi)拓的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?1) 發(fā)電市場(chǎng)，用于工業(yè)發(fā)電、城市調(diào)峰發(fā)電、分布式能源及公用事業(yè)用電的中小型電廠(chǎng)或油田、海上平臺(tái)、氣田的發(fā)電，焦化行業(yè)、鋼鐵行業(yè)中低熱值燃料發(fā)電。(

10、2) 用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)。目前市場(chǎng)上10MW級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)在機(jī)械驅(qū)動(dòng)方面主要用于天然氣壓縮和泵組。2.2 技術(shù)路線(xiàn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析2.2.1 恢復(fù)現(xiàn)有13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)按照燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)大綱要求，完成了規(guī)定的全部試驗(yàn)內(nèi)容。有全套燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪圖紙，燃?xì)獍l(fā)生器實(shí)物存在廠(chǎng)庫(kù)房。13000馬力燃?xì)廨啓C(jī)恢復(fù)存在以下問(wèn)題需要解決：（1）13000燃?xì)獍l(fā)生器實(shí)物（假裝配狀態(tài)）存放時(shí)間久，外部零件有銹蝕和缺失，內(nèi)部零件能否正常使用需分解檢查后才能判斷。（2）燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。起動(dòng)可靠性較差，能點(diǎn)燃而不能聯(lián)焰，尾噴口處大量冒煙；試車(chē)時(shí)尾噴口冒煙問(wèn)題嚴(yán)重。（3）試車(chē)時(shí)滑油消耗量過(guò)大、渦

11、輪軸承滑油回油溫度過(guò)高。（4）調(diào)試時(shí)振動(dòng)超限比較突出。（5）燃燒室、噴嘴、車(chē)臺(tái)設(shè)備等需重新設(shè)計(jì)或改造。原13000馬力燃機(jī)的設(shè)計(jì)燃料為柴油，若將燃料改為市場(chǎng)需求的天然氣，需對(duì)燃燒室、噴嘴、調(diào)節(jié)系統(tǒng)等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或改造。對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行分解檢查，壞件更換，缺件補(bǔ)齊，并按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行恢復(fù)性裝配。（4）現(xiàn)有機(jī)組的改進(jìn)和完善針對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器試車(chē)中遇到的問(wèn)題，利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善。2.3 10MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)全涵道方案保留X9發(fā)動(dòng)機(jī)的主機(jī)，去掉加力部分，配裝動(dòng)力渦輪。改裝后的燃?xì)廨啓C(jī)，功率可達(dá)到10MW，循環(huán)熱效率不低于30%，新設(shè)計(jì)制造件較少，改裝成本較低。2.3.1 技術(shù)路線(xiàn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析按全涵道方案

12、對(duì)X9發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，需要從原型發(fā)動(dòng)機(jī)上取消加力控制系統(tǒng)附件、管路和加力排氣收集器，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)的附件、管路及高速齒輪箱等需進(jìn)行適應(yīng)性改裝，燃燒系統(tǒng)根據(jù)燃料需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，還需研制動(dòng)力渦輪。該方案的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要有以下幾方面：(1) 需重新設(shè)計(jì)、制造動(dòng)力渦輪。(2) 附件故障率較高，需改用電子控制。(3) 根據(jù)市場(chǎng)需要，燃燒室和噴嘴可能需改為燒天然氣燃料。表3 斯貝改型燃機(jī)性能比較型號(hào)6000馬力13000馬力10MW級(jí)全涵道輸出功率/kw4400957511168熱效率/%2527.8530.11增壓比7.9417.017.11熱耗率/(kJ/(kW·h)1439212928119

13、58排氣流量/(kg/s)24.2747.3685.52排氣溫度/574468.32299.51注：ISO條件，簡(jiǎn)單循環(huán)3. 30MW級(jí)工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)3.1 30MW級(jí)工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)分析30MW級(jí)工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)（輸出轉(zhuǎn)速6100rpm），與目前我國(guó)廣泛使用的天然氣管道干線(xiàn)輸送PGT25+、RB211-6562燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的輸出功率和熱效率基本相當(dāng)。從前期論證結(jié)果看，該型機(jī)可以用于天然氣管道干線(xiàn)輸送領(lǐng)域，替代進(jìn)口的燃?xì)廨啓C(jī)。此功率等級(jí)用于發(fā)電機(jī)組的國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)有GT8、SGT600/700，其效率在3442.5%范圍內(nèi)。電站常建于距城市較近的地方，對(duì)尾氣排放要求嚴(yán)格。工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)如用于發(fā)電

14、機(jī)組，可采用3270rpm的動(dòng)力渦輪，燃燒系統(tǒng)（火焰筒、噴嘴）需進(jìn)行較大的改進(jìn)設(shè)計(jì)，另外連續(xù)發(fā)電對(duì)機(jī)組的可靠性要求較高。3.2 技術(shù)路線(xiàn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)化改型設(shè)計(jì)包括：燃燒系統(tǒng)零、部件（包括：噴嘴、燃料總管）改造，將燃油噴嘴改換成燒天然氣噴嘴；將現(xiàn)有的控制系統(tǒng)改為數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，去除現(xiàn)有的燃油附件，增加氣體燃料控制系統(tǒng)；重新設(shè)計(jì)和改造現(xiàn)有的燃油管路系統(tǒng)為燃?xì)庥霉苈废到y(tǒng)；動(dòng)力渦輪研制。3.2.1用于天然氣管道輸送（輸出轉(zhuǎn)速6100rpm）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析1）由于該動(dòng)力渦輪為首次設(shè)計(jì)制造，可能存在缺陷，目前安排了渦輪盤(pán)的超轉(zhuǎn)試驗(yàn)和動(dòng)力渦輪組裝后的拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)。2）動(dòng)力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)使用工藝軸承。3）控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未進(jìn)行半物理模擬試驗(yàn)，有可能將問(wèn)題帶入整機(jī)試驗(yàn)中。4）燃?xì)廨啓C(jī)參與燃?jí)簷C(jī)組試驗(yàn)。3.2.2用于發(fā)電機(jī)組（輸出轉(zhuǎn)速3270rpm）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析1）30MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)用于發(fā)電，解決運(yùn)行成本和可靠性問(wèn)題技術(shù)上有一定難度。2）調(diào)峰和連續(xù)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組對(duì)NOx指標(biāo)要求較燃?jí)簷C(jī)組更為嚴(yán)格，需要對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。4.結(jié)論燃機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，投入大，但一旦打入市場(chǎng)，既可增加收入，又能消化退役