一文了解百年动力GE燃气轮机的技术发展史

摘要：对于全球燃气发电行业来说，有两个重要的里程碑事件值得纪念。这两个里程碑事件标志着燃气发电技术从实验室走向商用，并由此成长成为全球最主要的发电形式之一：1939 年，世界上第一台工业燃气轮机在瑞士纳沙泰尔投入商业运营；1949 年，世界上第一台用于发电的燃气轮机

导语

美国著名电力行业媒体 POWER Magazine 曾编撰发布了“GE 燃气轮机技术发展简史”，对过去 GE 燃气发电产品和解决方案的演进进行回顾。

对于全球燃气发电行业来说，有两个重要的里程碑事件值得纪念。这两个里程碑事件标志着燃气发电技术从实验室走向商用，并由此成长成为全球最主要的发电形式之一：1939 年，世界上第一台工业燃气轮机在瑞士纳沙泰尔投入商业运营；1949 年，世界上第一台用于发电的燃气轮机在位于美国俄克拉荷马州贝尔岛的电站投入商业运营，这台燃机由 GE 设计制造，出力为 3.5 MW。

从此，GE 开发并推出了一系列燃气轮机、蒸汽轮机、发电机、余热锅炉、凝汽器以及电站辅助设备，并成为当今燃气发电领域首屈一指的原始设备制造商。

1939 年世界上第一台工业燃气轮机投入商业运行

1939 年 7 月 7 日，世界上第一台工业燃气轮机（简单循环出力 4 MW）在瑞士纳沙泰尔市一座市政发电站投入商业运行。这台燃气轮机由 Brown Boveri & Cie（BBC）公司设计研发，该公司于 1891 年在瑞士巴登成立，于 1988 年与 ASEA AB 合并成为 ABB（ASEA Brown Boveri）公司，2000 年，作为 ABB 发电业务的一部分出售给阿尔斯通。GE 于 2015 年收购了阿尔斯通的电力和电网业务。

这台燃气轮机效率为 17.4%，转速为 3,000 转每分钟，压气机进气温度为 20℃（68F），透平初温 550℃（1,022华氏度），透平输出功率 15,400 kW , 其中 11,400 kW为压气机耗功，燃机输出功率为 4000 kW。仅作为备用发电和调峰，这台燃机运行了近 70 年。

1949 年世界上第一台用于发电的燃气轮机在美国投入商业运行

1949 年，世界上第一台用于发电的燃气轮机在位于美国俄克拉荷马州贝尔岛的电站投入商业运营，这台燃机由 GE 设计制造，出力为 3.5 MW。燃机采用水平轴向布置，燃机厂房与一台 51 MW的蒸汽轮机机组厂房毗连。正如美国机械工程师协会 (ASME) 指出的：“虽然该燃机的额定出力为 3,500 kW，但在实际运行中，它的出力远远大于额定出力，达到约 5,000 kW。在 1949 年 7 月到 1952 年 7 月之间，经实际测算，它的出力均值为 4,200 kW。”这台 GE Frame 3 燃机的效率约为 17%。除了发电，燃机排气还用于为传统蒸汽轮机发电机组加热给水。这样的“联合循环” 配置模式也是首次应用。

1951 年双轴中间冷却回热式燃气轮机诞生

这一年，GE 在美国佛蒙特州拉特兰县安装了三台 5MW 燃气轮机。这三台燃机的设计基于 GE Frame 3 燃机，采用双轴配置，包括两台空压机中间冷却器和余热回收器。

1953 年第一台带再热的中间冷却回热式燃气轮机投入商用

得益于在压比、材料和涂层方面的技术突破，BBC 公司在瑞士纳沙泰尔燃机的基础上，进一步将燃机透平初温提高到 1,200 华氏度（649 摄氏度）。1953 年，该公司参与建造的 27 MW 瑞士贝兹诺二电站采用了两台 40 MW燃机，燃机效率达到 30%。S. Can Gülen 在 2019 年 2 月出版的《燃气轮机发电》一书对此这样描述：“BBC 的工程师通过提升压力比和燃烧温度，不断在布雷顿循环中挖掘更高的效率。最终的结果是整个发电厂成就了更高的效率。”

1960 年首个商业化的燃气-蒸汽联合循环电厂

这一时期，荷兰发现了新的天然气储备，受此利好消息影响，奥地利公用事业公司 NEWAG 建设了一座 75 兆瓦联合循环电厂 Korneuburg-A。这在欧洲尚属首例。该工厂采用两台 25 MW BBC 12 型燃机，一台 25 MW 蒸汽轮机，以及一台带补燃的余热锅炉。尽管该机组效率低（约 32.5%），但在 1960 年至 1975 年间，该机组以基本负荷运行，平均每年运行 6000 小时。然而，很快，电厂运营的经济性下降。这一方面是因为燃料成本高，另一方面是因为燃煤电厂的效率更高。燃煤电厂在 1965 年之后在欧洲得到广泛应用，主要用于满足高峰时段用电需求。

1967 年首个 GE 燃机联合循环电厂

在 1965 年 11 月美国东北大停电之后，监管部门要求公用事业公司通过安装一定比例的具有黑启动功能的小型、本地化、快速启动发电机组来增加电力系统备用容量。为此，GE 在安大略省渥太华市分别安装了 11 MW 的 FS3 燃机和 21 MW 的 FS5 燃机。罗纳德·亨特（Ronald Hunt）是美国柴油机和燃气轮机工程师学会的一位咨询工程师，他在 2019 年 4 月出版的《发电、工业和舰船用途的燃机发展史》一书中提到过，FS3 燃机已经在美国海事船舶和机车中进行了测试。

1968 年第一台 LM 轻型燃机诞生

GE 的工程师将 1955 年首飞的 J79 航空发动机改装为 LM1500 轻型燃机。这种燃机主要作工业驱动和舰船动力。第一台 LM1500 安装在美国康涅狄格州米尔斯通核电站，出力为 13.3 MW。

1969 年更先进的航改型燃机诞生

1969 年，第一台 LM2500 燃机被美国海军卡拉汉号货船采用，为其提供动力。该燃机源自 GE CF6-6 航空发动机，采用 16 级压气机，进气导叶和 6 级可调静叶，2 级高压透平串联 6 级动力透平。原设计采用双轴高压涡轮叶片，ISO 工况下的额定出力为 17.9 MW，简单循环效率为 35.8%。LM2500 燃机至今仍被广泛使用。GE 表示：“直到今天，美国海军仍采用 LM2500 为其最新的水面作战船舰提供动力。”

1970 年 Frame 5 级燃机得到广泛应用

从 1970 年上市以来，Frame 5 燃机的单轴、双轴、简单循环、轴流透平配置都得到了广大客户的青睐，销量一直很好。第一台 Frame 5 燃机于1970 年安装在位于巴林王国的一家铝冶炼厂，额定功率为 24 MW。Frame 5 燃机以其高可靠性著称，在燃气轮机领域已经获得广泛认可。在 1965 年 11 月 9 日美国东北大停电之后，纽约南安普敦地区的 Frame 5 燃机实施黑启动，使长岛地区的电力系统恢复正常，随后又帮助纽约市恢复电力供应。正如 GE 现场服务工程师团队负责人戴夫·卢西尔（Dave Lucier）指出的：“成就永远只是下一座丰碑的基石”。Frame 5 燃机的经验为后续的燃机提供了很好的基础。

1970 年 Frame 7 系燃机问世

MS7000 是一款 60 赫兹的 Frame 7 系燃机，其出力为 47.2 MW，透平初温 1,650 华氏度（899 摄氏度）。在 Frame 7 系燃机问世后不久，GE 开始与阿尔斯通公司开发 50 赫兹的单轴 Frame 9 系燃机。

1971 年第一台 E 级燃机问世

1971 年，首款 E 级（7E）燃机在英国国家电网的肖勒姆燃气发电站首次亮相。

1972 年第一台 7B 燃机问世

1972年，GE 推出 MS7001B 燃机，这是首台 Frame 7B 燃机，额定出力为 51.8 MW。

1975 年第一台 Frame 9 燃机问世

这一年，首台 80.7 MW Frame 9B 燃机安装在了巴黎市郊法国电力公司的一家电厂。主要用于调峰。

1978 年第一台 6B 级燃机问世

1978 年，第一台 6B 级燃机安装在美国蒙大拿州达科他公用事业公司燃气发电站。40 年后的 2018 年 9 月，这台燃机依然在役。GE 在全球交付的 6B 机组已经超过 1,150 台。6B 燃机广泛应用于石化、石油、天然气勘探和水泥生产等领域，为能源生产设施和工业应用提供动力。多年来，GE 持续为现役机组投入技术创新。1981 年，通过对燃烧温度的提升，机组的出力提高了 15%。1991 年，6B 燃机引入干式低氮燃烧技术。2009 年，6B 性能提升方案（PIP）正式推出。该方案综合了F级燃机在材料、涂层、密封、空气动力学上的先进设计，提升 6B 燃机的出力与效率。在纪念 6B 燃机上市 40 周年之际，GE 于 2018 年推出 6B 升级 6F.01 燃机解决方案。这再次印证了 GE 为现役成熟机组持续投资，帮助发电企业与工业用户在快速变化的市场环境中保持竞争力的坚定承诺。

1984 年干式低氮燃烧室取得技术突破

首次投入商用的“贫燃”干式低氮燃烧预混技术是由 BBC 公司研发的，它最初用在一台经过改装的 GT13D 燃机上，这台燃机位于德国杜塞尔多夫劳斯沃德电厂，电厂联合循环出力 420 MW。正如迪特里希·埃卡德特在 2014 年出版的《燃气轮机动力》一书中所指出的那样，BBC 在 1978 年提出了这一概念，其理论依据是：通过将燃料和空气在进入燃烧区之前进行充分混合，可以改变空燃比，参与燃烧的空气比燃料多，火焰温度较低，即可取得低氮氧化物排放。该技术将燃机的氮氧化物排放量降至 32 ppm。埃卡德特说，虽然这一技术后来被应用于 7 台燃机上，但它“过于复杂，且过一段时间之后，就会出现老化和性能下降的问题”。这也就是为什么 BBC 公司随后开始开发第二代预混燃烧器。

1985 年热电联产里程碑

1985 年，两台 GE LM2500 航改型燃气轮机、一台汽轮机，以及一台发电机，以一拖一单轴配置的方式被安装在荷兰 IJsselcentrale 电厂，用于区域供暖。该配置旨在实现更好的经济性，使 LM2500 燃气轮机相对较高的投资获得相对更高的收益。GE 指出，这也是第一个应用蒸汽回注技术的项目。经现场实测，在额定负荷下，该机组的联合循环效率达到 50%。

1987 年首台 GT13E 燃机推出

ABB 生产的首台 GT13E 燃气轮机额定出力为 147.9 MW。这台燃机被安装在荷兰公用事业公司的一座电站。在这之后，ABB 又售出了 27 台 GT13E 燃机。之后，为了满足客户对更高效率、更低氮氧化物排放（低于25ppm）的需求， 1991 年，ABB 又推出了 GT13E2 型燃机。这一款燃机使用了安装在顶部的筒仓式燃烧器。

1988 年 LM6000 燃机问世

1988 年，GE LM 级燃机家族增添了新成员——LM6000。这款燃机源自 GE 的 CF6-80C2 航空发动机——一款高涵道比涡轮风扇发动机。在 ISO 工况下，采用简单循环、双轴配置的 LM6000 出力 36.6 MW，效率可达 41.9%。

1990 年 F 级燃机黄金时代到来

1990 年 6 月 6 日，第一台 F 级燃机在弗吉尼亚电力公司 (VEPCO) 切斯特菲尔德发电站投入运行。这台 7F 燃机的出力可达 147 MW，透平初温 2,300 华氏度（1260 摄氏度）。在 1992 年用于联合循环之前，该款燃机是按照简单循环的配置进行研发和测试的，其简单循环燃机出力 150 MW, 简单循环效率 34.5%。在联合循环运行模式下，联合循环效率达到 45.2%，出力达到 214 MW。有行业观察家指出，切斯特菲尔德发电站 7F 燃机的商用开启了 F 级燃气轮机的黄金时代，这一时代一直延续到 2015 年。伴随着 F 级燃机成长的行业主旋律是日益苛刻的环境法规，对更高效率、可用性和可靠性的追逐。F 级燃机也在为满足这些需求而不断演进。GE 表示，F 级燃机技术的研发始于 20 世纪 80 年代。当时，它代表了“重型燃气轮机在运行温度、冷却技术和空气动力学方面的最高水平”。1987 年，GE 推出的 MS7001F 燃机是应客户对“高效率，低排放，低单位千瓦造价”的需求而设计的。GE 在 7F 燃机技术的基础上进行了一系列的模化设计，使F燃机家族扩展到了 6F 和 9F 系列，从而使燃机电厂的容量规模有了很大的扩展，可以涵盖从单台 6F.01 的 51 MW 出力到 3 台 7F.05 联合循环超过 1000 MW 出力的范围。F 级燃机全球总装机量已经超过 1,500 台，应用于发电、热电联产和机械驱动，为铝冶炼、炼油和食品加工业广泛采用。

1991 年干式低氮（DLN）燃烧解决方案开始商用

GE 早在 20 世纪 70 年代就开始研发和测试干式低氮燃烧系统，直到 1991 年，GE 才正式将这一技术应用在重型燃气轮机上。GE 研发了用于 E 级燃机的 DLN 1 干式低氮燃烧解决方案，以及用于 F 级燃机的 DLN 2 干式低氮燃烧解决方案。后者还应用于 EC 级和 H 级燃机。2015 年，GE 为下一代 7F 级燃机，以及现有的 7F 级燃机推出了 DLN2.6+ 燃烧系统。2018 年 5 月，GE 宣布推出将 DLN 2.6+ 燃烧技术与轴向燃料分级技术相结合的 DLN2.6+ Flex 升级解决方案。2019 年初，GE 表示，DLN2.6+ Flex技术已经应用于燃气电厂，采用这一技术后，机组的氮氧化物排放可降低至 5 ppm。2019 年 4 月，深圳五家发电企业（深圳南山热电，深圳新电力，深圳大唐宝昌燃气发电，深圳钰湖电力，中海油深圳电力）九台 9E 燃机的 DLN1.0+ 超低氮氧化物燃烧室改造工作顺利完成。这是此技术在全球的首次应用。改造完成后，五家发电企业的氮氧化物排放水平将从原有 50 mg/m³（约 25ppm）降低到 15 mg/m³（约 7.5ppm）。

1992 年第一台 9F 燃机问世

1992 年，一台出力159 MW，透平初温 2,350 华氏度（1288 摄氏度）的 7F 燃机在弗吉尼亚电力公司切斯特菲尔德发电站投入运行。第一台 9F 燃机也在位于法国巴黎北部的法国电力公司的一个电厂投入商业运行，这台 9F 燃机采用的是简单循环模式。这台燃机的出力为 212 MW，是由 GE 和阿尔斯通联合研发的。

1992 年第一台 GT13E2 重型燃机问世

这一年，ABB 公司的 GT13E2 燃机上市，这台燃机的出力为 166 MW。与 GT13E 相比，GT13E2 的透平初温更高，为 2012 华氏度（1100 摄氏度）。压气机压比从 13.9:1 提升至 15.0:1。2012 版 GE13E2 简单循环效率为 38%，联合循环效率为 55%。

1996 年移动式发电站问世

1996 年，GE 推出了被誉为“车轮上的发电站”的 TM2500 机型。这是一款移动式航改型燃气轮机。

1997 年 F 级燃机的激烈竞争催生了 GT24/26 燃机

GE 1987 年推出出力为 150 MW 的 Frame 7（也就是第一台 F 级燃机）之后，西屋公司（与三菱合作）也迅速于 1989 年推出了 501F 燃机，随后，西门子又于 1991 年推出了 V94.3 燃机。ABB 公司因此决定采取弯道超车的策略，并于 1991 年底推出了 GT24（60 赫兹）/GT26（50 赫兹）燃机。1993 年，首台 GT24 安装在新泽西州的 Gilbert 电厂，出力 165 MW。这在当时是一个具有革命性的解决方案，这款燃机在构造上也是最紧凑的。此外，顺序燃烧技术和高压比也是 GT24 的特色，是它成就更高效率的关键。

2003 年 H 级燃机时代开启

GE 发布了第一台 H 级燃机——9H，这是一台 50 赫兹的燃机，出力 480 MW，透平初温 2,600 华氏度（1427 摄氏度）。采用这台燃机的是威尔士 Baglan 海湾电站。这座 9H 联合循环电厂采用单轴配置。GE 推出的 H 级燃机加剧了行业竞争。各主机厂商之间展开了新一轮对燃机效率的追逐。在 2011 年，西门子推出的 8000H 在德国 Irsching 电站突破了 60% 的效率。这台燃机的透平初温与 GE 推出的 H 级燃机相同，都在 2,732 华氏度（1500 摄氏度），但是燃烧温度较 GE 的 H 级燃机略低。同时，西屋公司也与三菱合作推出了一款过渡机型——G 级燃机。该燃机的燃烧温度比 H 级燃机低。三菱则放弃了对 H 级燃机技术的研发，转而投入 J 级燃机的研发。J 级燃机的燃烧室冷却技术则是基于 G 级燃机的蒸汽冷却技术。

2005 年 6C 燃机问世

2005年，两台出力为 130 MW，采用联合循环配置的 Frame 6C（6F.01 燃机的前身）在土耳其首次亮相。6C 燃机在 2003 年推出时的设计出力为 42 MW，后根据现场实际验证，又将出力提升到 46MW。GE 表示，这款燃机是 100MW 等级燃机中热电联产和联合循环表现最佳的机型。“这款燃机排气温度高，有助于产生高品质的蒸汽，无论是发电还是热电联产，它的性能表现都俱佳”。采用二拖一联合循环配置，这款燃机的联合循环效率可达 58%。在热电联产运行中，这款燃机的综合燃料利用效率可超 80%。

2014 年 GE 推出 HA 级燃机

2014 年，GE 推出了具有划时代意义的新型空冷H级燃机—50 赫兹的 9HA 燃机和 60 赫兹的 7HA 燃机。HA 级燃机集全球最尖端的材料、冷却、空气动力学、先进制造和数字能力于一身。具有分析能力的数字化平台可以帮助机组实现更好的性能，突破更高的效率。

2016 年首台 HA 级燃机在法国电力公司（EDF）布尚电厂投运

2016 年，首台 HA 级燃机在法国电力公司（EDF）布尚电厂投运。2016 年 6 月，布尚电厂以 62.22% 的实测联合循环净效率被吉尼斯世界纪录认定为全球最高效的 50 赫兹电厂。这一项目被 POWER Magazine 评为 2017 年全球最佳电厂。

2017 年 LM9000 发布

这一年，GE 推出了 LM9000 燃机。这款燃机的双燃料和快速启动功能使其成为应对可再生能源间歇性发电的理想之选。这款燃机源自 GE-90 航空发动机。波音 777 就是采用的这款发动机。LM9000 系列燃机从 67 MW 到 75 MW 出力版本可供用户选择。

2017 年 6F.01 燃机应用在分布式能源项目上

2017 年，GE 结合华能桂林能源项目实际需求，利用全球设计与制造资源为该项目量身打造了 6F.01 燃机。2017 年 12 月，项目三台机组正式投入商业运行。6F.01 燃机采用了 GE 在 H 级和 F 级机组上使用的先进材料技术，燃机单循环出力 50 MW，机组联合循环效率 57%，燃料利用效率 81.15%，非常适合应用于分布式能源。2017 年 7HA.02 投入商业运行2017 年，Exelon 订购了 4 台 GE 7HA.02 燃气轮机，这 4 台燃机分别配置在美国德克萨斯州的沃尔夫霍洛和科罗拉多本德项目上。这两个项目都采用二拖一多轴布置，出力均超 1,000 MW。2017 年 7HA.01 投入商业运行

GE 向东芝提供了六台 7HA.01 燃气轮机和两台蒸汽轮机。这些设备安装在位于日本爱知县的日本中部电力株式会社西名古屋电厂。项目一期三台机组于 2017 年 9 月投入商业运营。2018 年 3 月，GE 宣布，配置 GE 7HA.01 燃气轮机的日本中部电力株式会社西名古屋电厂一期实测联合循环效率达 63.08%，被吉尼斯世界纪录认定为全球最高效的联合循环电厂。项目二期三台机组也于 2018 年 3 月底投入商业运营。该项目被 POWER Magazine 评为 2018 年全球最佳电厂。

2018 年双燃料 HA 级燃机问世

2018 年 6 月，位于美国新泽西州的 PSEG Sewaren 7 联合循环发电项目投入商业运行。这台 7HA.02 燃机出力为 540 MW，是世界上第一台双燃料 H 级燃机。Sewaren 7 项目可以天然气和超低硫馏分油这两种燃料间自由切换。在天然气供应短缺时，项目可采用超低硫馏分油，从而提高电厂的可靠性。

2019 年中国内地首台 9HA 燃机顺利抵达天津临港

2019 年 4 月，历经一百三十多天的海上运输，中国内地首台 9HA 燃机顺利抵达天津临港，并运抵华电天津军粮城项目现场。华电天津军粮城六期 1×65 万千瓦级燃气—蒸汽热电联产项目是中国内地第一个 H 级燃气-蒸汽机联合循环发电项目。2019 年首台 9HA.02 燃机发运

单机出力达 571 MW 的 9HA.02 燃机是 GE 目前最大的 HA 级燃机。2019 年，首台 9HA.02 燃机被运往位于马来西亚帕西尔古当的马来西亚南方电力公司 Track 4A 联合循环发电厂。该项目采取一拖一单轴布置模式，两台 9HA.02 燃机各带一台蒸汽轮机、发电机和余热锅炉。项目总装机 1,440 MW。POWER Magazine 评价该电厂为 2021 年度最佳发电厂”，并被 Diesel & Gas Turbine WORLDWIDE 评为“世界最佳发电厂”。