F级燃气轮机设备特点及性能比较
第一部分 小F级燃气轮机设备特点及性能比较
小F级燃气轮机一般是指燃气轮机初温达到了F级燃机的温度（1300℃以上），燃机单循环容量在50-80MW，联合循环容量70-110MW左右的机组。6F机组是GE公司燃气轮机编号，因其相对于F级机组较小，一般也称作小F机组。安萨尔多、西门子和三菱公司也有对应的燃机产品。东方电气研制的G50燃气轮机透平入口温度达到了1300℃，也属小F燃机机型。
小F机组发电容量较小，在小型的城市或工业园区适应能力更强，能够满足一定的电能和热能的需求，在国内有一定数量的安装和应用。集团江山公司安装的即为GE公司6F.03机组，机组运行稳定，即将投产的南京热电也为该型机组。
一、GE公司6F燃气轮机
国内南汽与美国GE公司合作生产6F燃气轮机。南汽进入燃气轮机制造行业较早，在2013年、2014年分别从GE公司引进6F.03、6F.01重型燃气轮机。
1.6F.03型燃气轮机
6F.03燃气轮机结构简单，适应能力强，机组运行稳定，可为用户提供高效、可用、灵活和可靠的解决方案。在离网运行时，6F.03机组具备孤岛运行能力，可以根据需求供电，并及时响应电网需求。集团公司江山电厂采用该型燃机，该公司2台机组采用一拖一分轴布置方式，2013年投产发电，机组运行较为稳定。
6F.03燃机采用侧向或轴向进气、室内及室外的隔音罩壳等灵活的现场布置克服了场地的限制，可适应恶劣及偏远的环境。
该机型采用DLN2.6燃烧系统，排放能够达到低于15ppm NOx和或9ppm CO，检修间隔期32,000小时。
多喷嘴静音燃烧室可以适应氢含量20-90%的合成气，同时可以通过注入蒸汽或氮气，获得低于25ppm NOx排放。
6F.03燃机主要参数见下表：
项目
性能参数
6F.03
简单循环性能
简单循环净出力（MW）
82
简单循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
9,470
简单循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
9,991
简单循环净效率（%, LHV）
36.0%
燃气轮机参数
排烟温度（°F）
1,135
排烟温度（°C）
613
排烟能量（MM Btu/hr）
482
排烟能量（MM kJ/hr）
509
保证排放的最小燃机负荷（%）
52%
燃机升负荷率（MW/min）
7
基本负荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
15
最小运行负荷下的CO排放（ppm）
9
Wobbe指数允许变化范围（%）
+10%, -15%
启动时间（常规启动/调峰启动，分钟）
29/-
1X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
124
联合循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
6,155
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6,494
联合循环净效率（%, LHV）
55.4%
保证排放的最小全厂负荷（%）
59%
全厂升负荷率（MW/min）
7
启动时间（热态快速启动，分钟）
45
2X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
250
联合循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
6,120
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6,457
联合循环净效率（%, LHV）
55.8%
保证排放的最小全厂负荷（%）
30%
全厂升负荷率（MW/min）
13
启动时间（热态快速启动，分钟）
45
2.6F.01型燃气轮机
该机型单循环容量仅为50MW，为100MW以下联合循环、热电联产应用效率最高的燃气轮机。6F.01燃机在热电联产应用中可达到近57%的效率。6F.01有冷端驱动或热端驱动两种配置，可以为新建电厂或电厂改造提供定制方案。
6F.01燃机具有高可靠性及可用率，采用7F.05、9F.05及H级燃机成熟的热通道和燃烧室材料可以承受更高的燃烧温度。采成熟的DLN2.5燃烧系统， 32,000小时或900次启停的燃烧室和热通道检修间隔期。
6F.01燃机主要参数见下表：
项目
性能参数
6F.01
简单循环性能
简单循环净出力（MW）
52
简单循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
8,880
简单循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
9,369
简单循环净效率（%, LHV）
38.4%
燃气轮机参数
排烟温度（°F）
1,117
排烟温度（°C）
603
排烟能量（MM Btu/hr）
280
排烟能量（MM kJ/hr）
295
保证排放的最小燃机负荷（%）
40%
燃机升负荷率（MW/min）
12
基本负荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
25
最小运行负荷下的CO排放（ppm）
9
Wobbe指数允许变化范围（%）
+/-10%
启动时间（常规启动/调峰启动，分钟）
12/10
1X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
76
联合循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
6,030
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6,362
联合循环净效率（%, LHV）
56.6%
保证排放的最小全厂负荷（%）
53%
全厂升负荷率（MW/min）
12
启动时间（热态快速启动，分钟）
30
2X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
154
联合循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
6,000
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6,330
联合循环净效率（%, LHV）
56.9%
保证排放的最小全厂负荷（%）
27%
全厂升负荷率（MW/min）
24
启动时间（热态快速启动，分钟）
30
二、安萨尔多AE64.3A燃气轮机
安萨尔多AE64.3A燃机结构紧凑，具有较高的可靠性。该型燃机采用环形燃烧室，转子结构采用内部空冷通道，温度分布均匀，保证了热流量的最佳平衡。该机型运行操作简单、启动快速。
AE64.3A燃机能够在整个负荷范围内实现预混燃烧，能够满足天然气和液体燃料的要求。AE64.3A燃机快速启动时间时间短，调峰能力强，具有较高的可靠性。
AE64.3A燃机主要参数见下表：
项目
性能参数
AE64.3A
简单循环性能
简单循环净出力（MW）
80
简单循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
9863
简单循环净效率（%, LHV）
36.5%
燃气轮机参数
排烟温度（°C）
580
排气流量（ kg/s）
215
压比
18.2
燃机升负荷率（MW/min）
7
基本负荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
50
最小运行负荷下的CO排放（ppm）
30
1X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
120
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6581
联合循环净效率（%, LHV）
55.7%
保证排放的最小全厂负荷（%）
45
2X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
243
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6581
联合循环净效率（%, LHV）
56.4%
三、西门子SGT-800燃气轮机
西门子SGT-800燃气轮机启停灵活，操作维护简便，满足低排放要求。该机型有着稳定的长期运行记录，在工业、石油和天然气行业有着广泛的应用。目前已售出370多台，超过700万等效工作小时数。
西门子SGT-800共有50 MW、54 MW、57 MW 、62 MW等四种单循环容量定制机型。
燃机主要参数见下表：
单循环容量
49.9 MW(e)
54.0 MW(e)
57.0 MW(e)
62.5 MW(e)
燃料
天然气或石油
天然气或石油
天然气或石油
天然气或石油
频率
50/60 Hz
50/60 Hz
50/60 Hz
50/60 Hz
单循环效率
39.4%
39.1%
40.1%
41.1%
热耗率
9,147 kJ/kWh
9,206 kJ/kWh
8,970 kJ/kWh
8,759 kJ/kWh
转速
6,600 rpm
6,600 rpm
6,600 rpm
6,600 rpm
压比
19.8:1
21.6:1
22.0:1
21.1:1
排气流量
124.7 kg/s
135.5 kg/s
136.6 kg/s
135.5 kg/s
排气温度
560 °C
563 °C
565 °C
596 °C
NOx
≤ 15* ppmvd
≤ 15* ppmvd
≤ 15* ppmvd
15 - 20 ppmvd
1X1联合循环性能
净出力
71.2 MW(e)
77.3 MW(e)
80.7 MW(e)
88 MW(e)
效率
57.2%
56.9%
57.9%
59%
热耗率
6,298 kJ/kWh
6,323 kJ/kWh
6,221 kJ/kWh
6,100 kJ/kWh
2X1联合循环性能
净出力
143.9 MW(e)
156.3 MW(e)
163.1 MW(e)
180 MW(e)
效率
57.8%
57.5%
58.5%
60%
热耗率
6,233 kJ/kWh
6,257 kJ/kWh
6,158 kJ/kWh
6,000 kJ/kWh
四、东方电气小F燃气轮机
1.三菱公司H100燃气轮机
三菱H100重型燃机采用双轴设计，模块化安装，便于机组检修。燃机单循环效率达到38.3%，容量110MW，可靠性超过99%。
采用干式低氮(预混) 燃烧器，排放NOx:9ppm CO:9ppm。
H100是三菱日立合作研发的燃气轮机，采用了三菱燃机先进的燃烧系统，透平采用双轴设计，高压透平转速4580rpm，低压透平转速3000rpm，能够达到更高的运行效率。三菱H100运行灵活，标准起动时间为22分钟，快速起动时间仅为10分钟，负荷升降速率 : 25%/分钟。
H100燃机主要参数见下表：
项目
性能参数
H100
简单循环性能
简单循环净出力（MW）
116
简单循环净热耗率（Btu/kWh, LHV）
8909
简单循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
9400
简单循环净效率（%, LHV）
38.3%
基本负荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
9
燃气轮机参数
排烟温度（°C）
586
排气流量（ kg/s）
296
高压透平转速（rpm）
4580
低压透平转速（rpm）
3000
1X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
171
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6372
联合循环净效率（%, LHV）
56.5
2X1联合循环性能
联合循环净出力（MW）
346
联合循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
6372
联合循环净效率（%, LHV）
56.5
2.东方电气G50燃气轮机
G50燃气轮机是东方电气集团研制的F级燃气轮机，透平入口温度超过1300℃。采用 17级轴流压气机，多级静叶可调，3级抽气可调，多种手段保证部分负荷运行时的稳定裕度。燃烧系统采用DLN燃烧器，8个环管型逆流式结构；采用4级轴流透平，高效叶片型线设计和先进的透平冷却技术。
因该型燃气轮机2020年11月刚通过满负荷试验见证和验收，各项运行参数表现良好，该机型联合循环配套尚未开始，下一步将投入长期运行进行验证考核。
G50燃机主要参数见下表：
项目
性能参数
G50
简单循环性能
简单循环净出力（MW）
50
简单循环净热耗率（kJ/kWh, LHV）
9863
简单循环净效率（%, LHV）
36.5%
NOx(@15%O2)
≤25
燃气轮机参数
转速（rpm）
6000
排烟温度（°C）
536
排气流量（ kg/s）
150
压比
18
基本负荷（@15%O2）下NOx排放（ppmvd）
25
五、东方电气G50与其他燃气轮机的比较
东方电气集团研制的燃气轮机是国产F级燃机的一项重大突破，燃机燃烧器、透平叶片等热通道核心部件均有东方自主设计和生产。从燃机设备参数来看，G50燃机的热耗率高于GE公司 6F.01和西门子SGT-800燃机，效率也略低于上述机型。但随着研发进程的加快，东方电气的燃机本体制造工艺将会得到优化，性能也会较试验阶段得到大幅度提升，效率也会得到提高，逐步缩小与世界先进6F燃机的差距。
G50燃气轮机本体核心部件能够实现本土化生产，热通道部件制造和维护成本能够得到大幅降低，进而形成一定的市场竞争力。G50燃机通过放大和缩小设计，能够形成不同容量的燃机机型，满足发电和工业的需求。
项目
GE 6F.01
GE 6F.03
AE64.3A
SGT-800
H100
东汽 G50
功率(MW)
50
82
80
50.5
116
50
热耗率(kJ/kWh，LHV)
9498
9,991
9863
9399
9400
9863
效率(%)
37.9
36.0%
36.5
38.3
38.3
36.5
压比(/)
21(12级压气机)
/
21.1(15级)
21.1(15级)
/
18(17级)
质量流量(kg/s)
125.5
/
215
134.2
296
150
转速(rpm)
7250
6000
/
6600
4580/3000
6000
排气温度(℃)
597
613
580
553
586
536
NOx(@15%O2)
≤25
≤25
≤50
≤15
≤15
≤25
五、小F级燃气轮机的比较
小F级燃气轮机单循环功率较小大，透平进气温度较高，因而相对于E级燃机而言，热效率较高，但由于机组发电容量较小，燃机的单位造价较高，盈利能力受到一定的限制。小F燃机具有启动运行灵活，调峰能力强的特点，适合在电量需求不大，峰谷电量差异较大的区域选用。该机型与余热锅炉、汽轮机组成联合循环后效率得到改善，并具备一定的抽汽供热能力，满足工业或采暖用热需求。
以联合循环容量100MW为界，小F燃机按联合循环容量可以分为100MW以下燃机和100MW以上燃机。由上表可以看出，100MW以下主要有GE 6F.01、SGT-800、东汽 G50三种，其中西门子SGT-800效率最高，GE 6F.01次之，东汽 G50是东方电气自主研制的F型燃气轮机，于2020年11月份研制成功，尚在长期运行试验过程中，效率相对较低。100MW以上主要有GE 6F.03、AE64.3A、H100三种，其中三菱公司的H100效率最高，安萨尔多AE64.3A次之，GE 6F.03效率较低。
第二部分 大F级燃气轮机设备特点及性能比较
大F燃气轮机是当前主流机型，在国内装机数量最多，燃气机组技术先进，容量适中，机组运行指标和性能较好，能够较好的满足电网调峰需求，在国内京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区有着较为广泛的应用。
国内投产的F级燃机主要有GE、安萨尔多、西门子、三菱等几家公司的产品，GE公司最多，三菱次之，西门子近几年安装投产的燃机较少，相反，安萨尔多在与上海电气合作后，燃机安装投产逐渐增多。集团高井、金坛公司分别安装3台和2台GE机组，绍兴公司安装2台三菱机组，肇庆公司安装2台安萨尔多机组，从投产的F级燃气轮机运行情况看，各制造厂燃气轮机运行均较为稳定，经济指标较好。
一、GE公司F级燃气轮机
1.9F.06型燃气轮机
作为GE 50Hz产品序列的最新成员，9F.06燃气轮机相对于GE其他F级燃气轮机将实现更高的出力以及效率，它综合了燃气轮机的性能和灵活性，单循环出力达到342MW，效率超过41%，快速升负荷率每分钟65MW。因此，9F.06燃气轮机在灵活性方面能力很大，包括对可再生能源产业的支持。在联合循环工况下，9F.06燃气轮机的效率超过61%，提供了50Hz F级技术的最低电力成本。
主要性能参数表如下：
简单循环净出力（MW）
342
简单循环净热耗率（kJ/kWh，LHV）
8768
简单循环净效率（%，LHV）
41.10%
排烟温度（°C）
618
一拖一
联合循环净出力（MW）
508
联合循环净热耗率（kJ/kWh，LHV）
5887
联合循环净效率（%，LHV）
61.10%
二拖一
联合循环净出力（MW）
1020
联合循环净热耗率（kJ/kWh，LHV）
5866
联合循环净效率（%，LHV）
61.40%
2.9F.05型燃气轮机
发电量限制是电力开发项目的一个重要部分。9F.05燃气轮机满足简单循环299MW的需求。9F.05燃气轮机已被广泛证实联合循环效率超过60%，运行可靠性超过99%。这些机组具备维护间隔期长、燃料适应性强、NOx排放低、最低运行负荷下CO排放达标、以及可快速启动等优良特性。
主要性能参数表如下：
简单循环净出力（MW）
299
简单循环净热耗率（kJ/kWh，LHV）
9295
简单循环净效率（%，LHV）
38.70%
排烟温度（°C）
642
一拖一
联合循环净出力（MW）
462
联合循环净热耗率（kJ/kWh，LHV）
5951
联合循环净效率（%，LHV）
60.50%
二拖一
联合循环净出力（MW）
929
联合循环净热耗率（kJ/kWh，LHV）
5919
联合循环净效率（%，LHV）
60.80%
二、安萨尔多F级燃气轮机
安萨尔多在国内主推F级燃机为AE94.3A型燃气轮机，集团公司肇庆即为该型机组，总体来说，该燃气轮机运行灵活、安全可靠、维修方便。安萨尔多AE94.3A燃机与西门子SGT5-4000F类似，采用环形燃烧室结构。其最大的特点就是灵活多样，联合循环配置形式丰富，可满足包括一拖一、二拖一、单轴、分轴在内的各类配置。结构上采用中心拉杆式转子，压气机两级静叶可调。该机型设计了简洁高效的内部二次空气冷却系统，兼顾了冷却效果和机组热效率；转子位移优化系统，可增加出力。
机组主要性能参数如下：
简单循环净出力（MW）
340
简单循环净效率（%，LHV）
40.3
排烟温度（°C）
593
一拖一联合循环净出力（MW）
495
一拖一联合循环净效率（%，LHV）
60
二拖一联合循环净出力（MW）
992
二拖一联合循环净效率（%，LHV）
60.3
三、西门子F级燃气轮机
在中国燃气轮机市场，西门子机型也是主流机型之一。西门子机型相对于GE机型比较优点和缺点均较为明显。其优点在于运行稳定，检修难度小，维护简单，缺点是安装工作量大，安装难度大。西门子F级燃机为SGT5-4000F机型，该机型运维简便，停机时间短。采用内部冷却技术，可实现可靠的长期运行和快速启动。采用液压间隙优化 (HCO) 技术，可显著减少间隙损失，提高燃气轮机效率，最大程度避免启动和停机时的性能损失。发电成本低，检修间隔长，维护简便。优化的流量和冷却系统显著提高了燃气轮机的效率和联合循环应用中的发电经济性。
主要性能参数如下：
发电效率
41.00%
热耗
8780kJ/kwh
透平转速
3000rpm
压比
20.1
排气温度
599℃
电功率
329MW
联合循环总功率
475MW（单台）；950（双台）
联合循环净效率
59.7 %（单台），59.7%（双台）
联合循环热耗
6030kJ/kwh（单台）；6030kJ/kwh（双台）
四、三菱F级燃气轮机
目前国内在役和在建数量最多的为三菱M701F型机组，其运行性能较为稳定，经济指标较好。 M701F共有M701F3、M701F4、M701F5三种机型，国内早起安装的为M701F3机型，机组容量较小；目前安装最多的为M701F4机型，集团公司绍兴、宝昌二期均为该型机组；M701F5容量较大，在华能北京热电厂安装两台该型机组。
1.M701F4型燃气轮机
三菱M701F4燃气轮机压气机有17级，压比18，透平4级，采用先进的DLN燃烧器，机组性能稳定。集团绍兴公司安装该型机组，机组经济指标较好。
机组主要技术参数如下：
频率
50 Hz
ISO额定出力
312MW
发电效率
58.36 %LHV
热耗（低热值）
9160 kJ/kWh
排气温度
594°C
NOx排放量
25 ppm
CO排放量
10 ppm
一拖一联合循环净出力
465MW
一拖一联合循环净效率
59.5 %LHV
二拖一联合循环净出力
930MW
二拖一联合循环净效率
59.5 % %LHV
2.M701F5型燃气轮机
三菱M701F5燃气轮机压气机有17级，而透平则有4级，该型燃机采用了三菱G、J型燃机热通道先进技术，并对各系统进行了优化，经济指标较好。
机组主要技术参数如下：
频率
50 Hz
ISO额定出力
385 MW
发电效率
41.9 %LHV
热耗（低热值）
8,592 kJ/kWh
排气温度
630 °C
NOx排放量
25 ppm
CO排放量
10 ppm
一拖一联合循环净出力
566 MW
一拖一联合循环净效率
62.0 %LHV
二拖一联合循环净出力
1,135 MW
二拖一联合循环净效率
62.2 %LHV
五、F级燃气轮机的比较
F级燃气轮机单循环功率较大，热效率高，启动运行灵活，适合电网调峰需求，在国内装机最多，其中三菱、西门子、GE占了F级燃机绝大部分份额，安萨尔多在2014年与上海电气合作以来，在国内得到了快速发展，该型燃机性能较为稳定，经济指标较好。
当前燃气轮机技术发展迅速，几乎每年各厂家都会有改进机型推出，对燃机压气机、燃烧器和透平部件进行优化，经济性能均有一定提升。各制造厂家的燃机热耗、效率等重要指标呈互相追赶的趋势，因此在燃机机型选择中应将最新机型参数作为参考，并关注燃机核心部件的优化升级。
以国内应用较多的F级升级机型为例，对比三菱、西门子、GE、安萨尔多机组主要性能参数如下：
燃气轮机厂家
三菱
M701F
GE
9F.06
西门子
SGT5-4000F
安萨尔多
AE94.3A
燃气轮机出力（MW）
385
342
329
340
燃气轮机热耗率（kJ/kWh）
8592
8,768
8780
9045
燃气轮机效率
41.9%
41.1%
41%
40.3%
燃气轮机排气温度
630
618
599
593
压气机压比
/
18.5
21.1
/
联合循环出力（1拖1）MW
566
508
475
495
联合循环效率（1拖1）
62%
61.1%
59.7%
60.3%
燃烧室NOx排放（ppm）
25
25
15
50
注：表格内容来自于厂家官方网站最新数据（2020.12.17）
从上表可以看出，三菱最新M701F型燃气轮机容量最大，联合循环效率最高，达到了62%，GE9F.06次之，西门子安萨尔多AE94.3A、西门子SGT5-4000F效率相对较差。