走进全世界最大的重型燃气轮机满速满载测试台

导读：早在2008年，F级重型燃气轮机正卖得如火如荼，作为横跨航空发动机和燃气轮机两机产业的美国通用电气GE公司更是赚得盆满钵满，但当时GE公司已经将眼光瞄向了H级重型燃气轮机，耗资2亿美元在美国的南卡罗来纳州格林维尔建立了全世界最大的全速空载试验台，并且可以模拟燃气轮机满负荷运行。

自上世纪40年代以来，美国GE公司就一直在开发和测试航空发动机和燃气轮机，不断发展这两个行业，并搭建了新平台来同时提高旗下产品性能和可靠性。

GE于2008年在美国南卡罗来纳州格林维尔建立了世界上最大的、满转速、满负荷的燃气轮机测试试验台，这一重大成就的目标是就是能够支持验证该公司设计的H级重型燃气轮机技术参数的准确性。

这个耗资2亿美元的设施可以对50Hz和60Hz的燃气轮机系统进行全面验证，为了模拟各种电网工况，GE公司采取了离网设计，通过对该试验台构造出色的负载响应能力，不仅可以模拟典型的并网过程，还可以具备过频/欠频测试功能。从而使得在该试验台上测的燃气轮机运行条件和数据范围能够超出已有安装机组的运行数据带宽。

该试验台还配备了非常完整的测量仪器，在测试过程中，将有超过6,000种传感器和仪器收集燃气轮机所有组件的数据，它将在测试期间捕获超过8,000组数据流，包括：不同负载下的性能曲线；各个环境条件下的性能曲线；电网频率过高/过低的性能曲线；气体和液体燃料的负载瞬态变化性能等。从而识别出GE燃气轮机产品在应对全球电网规范响应和可操作性功能的真实表现。

GE公司认为，它在试验台的设计上与其它OEM厂商的验证理念和试验设施有所不同，它们的设计多少都存在一定的局限性：

第一类：完全采用水力测功机。由于H级重型燃气轮机功率巨大，这种试车台通常无法模拟满负荷，只能用水力测功机模拟燃机的部分负荷，而且水力测功机在精确控制负载方面也面临挑战，当所施加的负载存在不确定性，燃气轮机性能也将存在不确定性。而GE公司采用了“水力测功机+压气机”的方案，压气机不仅可以作为负荷吸收装置，同时也可以作为被测试产品，在该试验台上得到验证。

第二类：就是与电网直接相连的试验设施，这类试验台受电网影响，通常难以长时间在满负荷条件下运行，同时也受电网频率的限制，一个针对50Hz设计的燃气轮机难以在60Hz的燃机测试台上进行广泛的并网测试。同时，也难以对一些极端工况进行测试验证。

2012年，GE的7F.05燃气轮机通过该试验台进行了满负荷验证，并且向客户和行业合作伙伴进行了展示，在首台7F.05燃气轮机商业投运之前，就已经出售了超过65台。随后，更是成功在全球多个地点对天然气和轻质原油进行了商业运营，这证明了GE全面测试方法的强大功能：不光是技术上的强大，在市场推广方面也取得了强大的宣传效果，7F.05成为当时十年中增长最快的燃气轮机机队。

随着下一代先进燃气轮机平台的发展，GE公司也在该试验台上验证了多个燃气轮机产品：

•2014年10月至2015年3月进行了9HA燃气轮机验证；

•2015年10月至2016年2月进行了7HA.01燃气轮机验证；

•2016年9月至2017年5月进行了7HA.02燃气轮机验证。

对这些燃机所有运行工况进行了广泛的测试：90~110%的燃机速度，点火至155%额定负载，等效环境温度为-37ºC至85ºC。许多客户和行业合作伙伴（例如保险公司、投资者和EPC的公司代表）都对这些测试进行了观察。

下表显示了9HA的选定功能及其经过验证的结果：

广泛的压气机操纵性验证能力

7F.05的压气机（于2011年验证）是7/9HA压气机的基础，并更新了第三级涡轮的冷却流量提取，压气机空气力学特性已通过以下方面证明：

•应变片和光探头；

•不同转速、负荷、环境温度和电网频率响应下的高周疲劳；

•负荷/转速、负荷/IGV波动+/-10%下的性能数据；

•多次启动，停机和跳闸下的性能评估；

•根据实际控制的强制喘振操作定义喘振线；

一项关键的测试是定义压气机的运行极限线（OLL，Operation Limit Line），以保持喘振裕度。在GE测试台上对HA燃气轮机压气机的极限测试范围，远超过其正常运行的工作范围。

广泛的燃气燃烧验证能力

GE公司的HA级燃气轮机采用DLN 2.6+技术，它具有超过290万小时的运行经验，并简化了燃料分级，增强了液体燃料系统的体系结构。验证结果表明，气体和液体燃料均具有可靠着火，联焰，加速和加载能力。下面是DLN 2.6+燃烧系统的试验侧面图，显示了贫预混火焰的结构和稳定性。

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在试验台上的测试表明，该燃烧系统可以适应广泛的燃气修正沃泊指数，既可以在贫油条件下也可以在富油条件下稳定燃烧，而且试验结果表明测得的NOx排放低于允许限值，并支持持续提高燃烧温度以提高热效率。

低负荷低排放（Turndown）验证能力

该试验台可以验证燃气轮机在满足排放要求（25ppm CO和NOx）情况下的最小排放合规负荷MECL，并具备存储相关数据以用于改善燃烧排放模型的保真度，并量化评估极端环境温度和以下条件下可保证的最小排放合规负荷MECL。

透平的耐热和寿命验证能力

HA燃气轮机的冷却气动设计基于F级和H级燃气轮机超过5000万小时的经验发展而来，采用的合金、热涂层和出色的冷却方案大多之前得到了充分的验证。

透平的热气路径、功能和耐用性可以通过对静态和旋转组件上的温度，压力，应变和振动计的广泛监控得到验证，即便无法直接用热电偶测量的温度也通过使用最新技术来了解。稳态和瞬态数据以及详细的热模型和结构模型用于验证透平部件的低周疲劳（引起应力/应变）、高周疲劳（引起振动）和蠕变能力（在时间和温度上的应变）、转子密封和间隙控制性能。验证测试后的透平转子如下所示。

燃机架构验证能力

在9HA和7HA燃气轮机上的广泛测试可以评估燃气轮机架构在短期和长期运行下的鲁棒性，该试车台可以模拟各种电网事件引起的高周疲劳，以及由于应力和温度变化引起的低周疲劳和蠕变，位于关键组件上的传感器确认了热梯度和应力分析及其相互作用。以9HA燃气轮机为例，其体系结构展示了预期的鲁棒性，并已从全寿命周期角度进行了验证。

全球电网响应能力验证

该试验台虽然是离网，但可以进行有效的全频/欠频功能验证，针对全球电网调频和调峰要求进行独特的测试。这包括频率控制、负载控制、甩负荷和部分甩负荷。

以下内容展示了9HA燃气轮机的频率响应：

•负载从-70 MW阶跃变为+65 MW；

•初始负载为50~90%；

•所有事件包含所需的裕度。

最后，通过进口导叶、燃烧温度和水洗功率的增加，可以确定燃机保持基本负荷的能力。

这样一来，经过验证的HA级重型燃机，可以满足全球最严格的电网法规要求。这在行业中意义重大，而且是前所未有的，只有GE的满负荷变速设备才能实现如此强大的离网运行验证。

快速加载能力验证

9HA燃气轮机要承受极高的加速度和负载率，其最高负载率超过每分钟60MW。

超越设计范围的验证能力

大量的测试时间专用于探索和确定HA燃气轮机技术的增长潜力，以用于将来的升级。除了收集压气机的可操作性数据外，还收集了在115%额定功率以及高于标称基本进口温度55℃下燃机的机械和热力性能数据。测试还包括改变对热气路径部件的冷却供应，以了解极端情况下对部件温度和全寿命周期能力的影响。

主要停机程序和工具验证

验证测试完成后，GE的发电服务部门对9HA级燃气轮机进行了一次大修，以验证现场工具和停机程序。燃气轮机内缸和外缸以及所有燃烧和热端部件均已拆除，以进行工程评估。

然后又重新安装了零件，并添加了其他评估技术，以支持未来的工程实施，维修也提供了现场经验，用于培训现场人员并证明HA燃气轮机的可维护性和大修间隔。

总结

总之，GE公司的重型燃气轮机测试台非常强大，完成支持电厂水平的性能和可操作性验证，其通过离网实现实际的超频和低频电网特性，更是业内首创。