电站燃气轮机的变工况培训教材

电站燃气轮机的变工况培训教材燃气轮机的变工况及其实用意义由于外界负荷或是外界大气条件的变化，甚至由于透平通流部分结垢的影响，燃气轮机是经常会处于偏离设计工况的条件下工作的。凡是由于各种原因而迫使机组在非设计条件下工作的一切运行工况，统称为机组的变工况。当燃气轮机被用来携带输气管线上的天然气压缩机工作时，也会发生类似的变工况现象。例如随着天然气管线输气量的改变(它相当于外界负荷的变化)，机组的Gy、、ε*、t3、B、ηe，乃至机组的功率Pe和转速n，都会发生相应的变化，而且当机组转速降低到某一程度时，燃气轮机还有可能出现喘振现象，以致被迫停止工作。但是，对于同一台机组来说，当它所携带的外界负荷特性不同时(例如在携带恒速运行的交流发电机负荷，或是携带转速可以变化的压缩机负荷)，在变工况条件下，机组的运行参数和特性的变化规律就各不相同。研究表明，这些变化规律主要于透平、压气机和燃烧室的性能，以及由机组携带的外界负荷所固有的特性有关。这正是本章所要讨论的中心内容。至于机组是如何实现具体变工况特性要求的问题，则是燃气轮机调节系统的任务。那么为什么要研究机组的变工况呢？如前所述，在设计一台燃气轮机时，我们总是需要根据机组的使用条件和技术要求，合理地选择热力循环方案及其在设计工况下的各项特性参数，然后按这些特性参数的要求，分别来设计透平，压气机和燃烧室的具体结构，以保证整台燃气轮机能够达到设计所规定的技术特性指标。但是，任何一台机组总是会在偏离设计工况的条件下工作的，因而，衡量一台机组的工作性能的优劣，不仅要看它在设计工况下的工作性能是好还是坏，而且还必须研究它在变工况条件下的工作性能究竟如何？这样才能对机组的总体功能作出全面评价，并由此确定出机组的合理运行方式。因而，在设计燃气轮机时，必须研究机组的变工况特性问题。在研究燃气轮机变工况性能的好坏时，下面介绍的几项指标可以作为分析比较的出发点。(1)在变工况条件下机组的经济性问题：所谓变工况条件下机组的经济性好，就是希望机组在任何工况下都具有比较高的热效率。例如一台额定功率为20000千瓦的单轴燃气轮机，在标准工况下的热效率为28%，这就是说当这台机组在满负荷工况下运行时，每小时要燃烧柴油5.96吨。那么当机组的负荷降低到10000千瓦时，要烧多少柴油呢？如果在变工况条件下，这台机组的热效率能够维持不变，显然，只需烧2.98吨柴油就够了。实际上，这些油量是远远不够的，通常需要燃烧3.5~4.0吨柴油才行。因为当机组在低于设计工况的情况下运行时，透平前的燃气初温t*3要比额定设计值低，而且透平，压气机、燃烧室等部件都不能在自身效率较高的设计点上工作，因而在低负荷工况下，机组的热效率必然会有所下降。一般来说，燃气轮机在低负荷工况下的热效率总是要比设计工况下的热效率低。只有在采取适当措施后，才有可能使机组的热效率ηe随负荷功率Pe的下降而降低得尽量平缓一些而已。在本章中，我们将对各种燃气轮机方案的变工况性能进行分析和比较。那时将发现：为了使机组在变工况条件下，能够具有比较平坦的热效率随功率而变化的关系曲线ηe=f(Pe)，往往需要使燃气轮机在热力循环方案上；在单轴、分轴、双轴或三轴等轴式布置关系上，趋于复杂化。因此，对于机组在变工况条件下的经济性要求问题，必须根据机组的使用特点进行具体分析。(2)在变工况条件下机组的稳定性问题：我们知道，当压气机的运行条件远离设计工况时，由于气流的流动方向偏离叶片的几何进气角，而有可能产生过大的正冲角，以致会使压气机进入喘振工况。这时，压气机的压力和流量都会发生较大幅度的波动，甚至会使机组产生强烈振动而遭破坏。因而，使压气机在喘振工况下运行是绝对不能允许的。通常，燃气轮机是能够在设计工况下，或是在某些工况下不发生喘振而稳定地工作的。但是当机组转速下降到某一程度后，或是在机组的启动过程中，由于压气机级内气流工作的不协调性，却会使压气机进入喘振工况，从而导致整台机组失去稳定工作的能力。因而，在研究燃气轮机的变工况性能时，我们必须通过分析和试验，弄清楚机组稳定工作的范围，以便确定正确的运行方式，并采取必要的措施，以求扩大机组的稳定工作范围。当然，一台设计良好的机组应该力争在整个运行范围内，都能避免进入喘振工况而使启动失败，此即所谓热挂现象。那时，机组的转速已不能随喷油量的增加而继续上升，最后将导致机组发生超温故障而被迫中断启动。因而研究机组在变工况条件下的工作稳定性问题，对于探讨机组的启动工况也是有很大作用的。(3)在变工况条件下机组的加载性问题：对于负荷工况经常发生迅速变动的机组来说(例如机车燃气轮机)，我们还必须通过变工况分析，来考虑和比较机组的加载性问题。所谓加载性好，就是指机组发出的功率能够及时地适应外界负荷迅速变化的需要。这个特性对于运输式机组来说，是十分重要的。例如一台燃气轮机机车，原先在没有坡度的线路上运行，后来遇到了长大坡道，是否可以尽快地多加燃料，力图使机组能够迅速地发出最大功率，以适应外界阻力矩突然增大的需要呢？实际上，这一点并不是所有燃气轮机方案都能做到的。这是为什么呢？我们可以设想，在某些变转速的燃气轮机中，当它在低负荷工况下运行时，压气机的转速比较低，从压气机的特性曲线上可以看出，那时，被压气机吸入、压缩和输送到燃烧室中去的空气流量就很少，当急需加大功率，需要向燃烧室多喷燃料时，由于燃气轮机转子的惯性影响，转子的转速却不可能迅速地立即增加上去，也就是说，空气流量不能立即增加上去，这样就不能允许在燃烧室中喷入更多的燃料，否则就会使机组发生超温事故，而把透平叶片烧坏，或是使压气机进入喘振工况。所以，对于这种机组来说，我们只能按照压气机转速的增升程度，逐渐地增加喷油量。很明显，这种机组对于外界负荷的适应性就比较差，或者说这种机组的加载性能比较坏。当然，影响加载性能的因素是很复杂的。除了上述气动原因之外，还有热应力影响的问题。对于重型结构的燃器轮机来说，加载性能主要取决于热应力这个因素。在这种机组中，即使在突然增加负荷时，还不至于发生超温和喘振现象，但也不能猛增喷油量使燃气温度骤然增高，否则就会在机组的受热部件中产生很大的热应力，以致影响到整台机组的工作寿命。因而，机组的加载性能也是研究燃气轮机变工况特性的一项重要的技术指标。(4)在大气参数变化时，机组功率和热效率的变化程度：在燃气轮机热力循环的计算中我们已经知道，机组的功率和热效率都是在某个预先选定的大气温度和大气压力的条件下计算求得的。当机组被迁移到高温地区或是高海拔地区工作时，机组的功率就会发生相当程度的变化。不同的燃气轮机，对于感受外界大气条件变化的敏感程度是不同的。显然，这个特性也是反映燃气轮机变工况特性好坏的一个技术指标。综合起来说，通过对上述四个指标的分析和比较，我们能够对一台燃气轮机的性能作出比较全面的评价。燃气轮机的联合运行线族燃气轮机的联合运行线族在第3、第4和第5章中，我们已经分别讨论过压气机、燃烧室和燃气透平的变工况特性以及这些部件变工性能的表示方法。而燃气轮机的工作点以及它所表示的性能，则是压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件协同工作时联合运行结果的具体反映。那么，这三大部件的联合运行点究竟怎样表示呢？目前用于发电目的燃气轮机大都是如图2-3所示那样的单轴简单循环方式的燃气轮机，我们就拟以此为例。图6-1是某台12000hp的单轴简单循环燃气轮机的通用联合运行线族图，平衡运行点的参数应该满足以下三个条件，即：(1)在任何一个工况下，透平的转速nt必须与压气机的转速ny彼此相等，并维持恒定不变；(2)在任何一个工况下，压气机的压缩比ε*与透平的膨胀比δ*之间，必须满足δ*=ξyξrξyε的关系；(3)在任何一个工况下，由压气机和燃烧室供给燃气透平的折合流量，必须与透平所能允许通过的折合流量彼此相等，式中是透平的冷却和泄漏的空气量，Mf是喷入燃烧室的燃烧量。图6-1某台12000hp的当轴简单循环燃气轮机的通用联合运行线族图(1hp=745.7W)在图6-2中给出了这台12000hp燃气轮机的压气机和燃气透平的通用特性曲线。a)压气机的通用特性曲线b)燃气透平的通用特性曲线图6-2已知的压气机和燃气透平的通用特性曲由于机组用来拖动恒速发电负荷，因而在变工况条件下，压气机的运行点必定只能沿着常数的那条等折合转速线移动。假如在某个负荷工况下，压气机是在图6-2a中的运行点1上工作，那么，在运行点1上必定会有一个完全确定的燃气初温比与之相对应，当然，在这个运行点上压气机的工作参数：压缩比ε*1、折合流量和效率η*y1，必定也是一个完全确定的数值。显然，为了保证压气机能够稳定地在运行点1工作，燃气的初温比τ1必须从压气机和燃气透平的特性曲线上，根据以上三个必须满足的参数条件来加以确定，即：我们可以先假定一个初温T*3，根据δ*1=ξyξrξyε*1和两值，在图6-2b上确定出相应的值，由此可以求得。进而在压气机特性曲线上求得。随后根据和燃烧室的变工况曲线求得喷入燃烧室的燃烧量。只有当时，那么，计算起始时所假定的T*3值(也就是τ1)才是正确的，通过反复试算，我们总是可以正确地确定出保证压气机能够稳定地在运行点1上工作的T*3或τ1值。这样，我们就求得了压气机稳定在工作点1上运行时，燃气轮机的平衡工况参数ε*1、η*y1、δ*1、η*t1、ηr、ξ、、，以及机组的功率Pgtl和净效率ηNc。当然，随着机组负荷的改变，透平、压气机和燃烧室的联合运行点必然要发生相应地变化。由于机组用来拖动恒速发电负荷。因而随着负荷的变化，机组的联合运行点在压气机的通用特性曲线上，将沿着=常数的等折合转速线位移。那时，燃气的初温比τ就要发生变化，也就是说，机组的所有运行参数和特性参数都会相应地发生变化。至于这些新的平衡运行工况点的位置，及其运行参数和特性参数的具体数据，则可以重复上述步骤求解之。不难理解，重复以上各步骤，我们就能进一步求得：在不同的压气机等折合转速线上，使透平、压气机和燃烧室达到一系列平衡运行工况时所对应的各个τ值。假如把每条等折合转速线上τ值彼此相同的点联成轨迹，那么，就可以在压气机的通用特性曲线上，作出如图6-1那样的一组τ=常数的等燃气初温曲线族。很明显，这组τ=常数的等燃气初温曲线族的形状和位置，与透平通流部分的尺寸有密切关系(透平通流部分尺寸的改变，正意味着透平通用特性曲线的变化)。当透平的通流面积越小时，同一数值的等τ线就会更加趋近于压气机的喘振边界线。由此可见，我们可以用图6-1那样的通用联合运行线族，来描写燃气轮机的平衡运行工况。在这张曲线族上只要，τ这两个参数确定了，那么，该燃气轮机的运行工况参数和特性参数和都完全确定了。此外，我们还可以把图6-1上各运行工况点所对应的运行工况参数和特性参数，改画成图6-3那样的燃气轮机的变工况特性线网。该图的横坐标是机组的转速n；纵坐标是机组的有效输出功率Pgt；实线t*3=常数的等温线；虚线是B=常数的等燃料消耗量线。由此，利用这张图我们就可以确定出机组的运行参数、功率和效率。同时可以获得这样一个基本概念，即单轴燃气轮机的运行工况及其特性参数(Pgt和ηNc)，应该是机组的转速n和燃气初温T*3(或燃料消耗量B)这两个独立参变量的函数。当这两个参数确定后，机组的工况点及其一切特性和运行参数也就完全确定了。下面，让我们利用图6-1和图6-3所示的联合运行线族和特性线网，来讨论一下单轴简单循环的燃气轮机在拖动恒速发电机负荷时的变工况特性。图6-3当大气参数恒定时，单轴简单循环燃气轮机的变工况特性线网例如：在图6-1上我们取工况点“0”为设计工况点，它的τ=3.66，=292(或=1.0)。那时，能发出额定功率Pgt0=12000hp，喷入的燃料流量B0=3600=3.5t/h。此后，在大气压力和温度均不变化的前提下，假如由于外界用电情况的变化，致使发电机的负荷减小了。那么，在喷到燃烧室中去的燃料流量B0尚未发生变化的时候，燃气轮机的转速就会逐渐增高。为了确保发电机的频率恒定不变，机组的调节系统就要起作用，以求减少燃料的喷入量B0。其结果将会导致透平前的燃气初温t*30降低，并使机组发出的净功率恰好能与新要求的负荷功率相平衡；同时，使机组的转速重新稳定到ny=ny0=常数的水平上去工作。显然，经过这番变动后，机组的运行工况参数将会发生如下一些变化：(1)机组对外界发出的净功率Pgt0减少了，但是由于调节系统的作用，机组的转速将基本上维持不变；(2)既然机组转速保持不变，鉴于轴流式压气机的特性曲线一般都很陡，因而当外界负荷降低时，流经机组的空气流量变化得少，实际上稍有增大的趋势；(3)既然空气流量变化很少，而喷到燃烧室中去的燃料流量去减少了，那么，必然会导致透平前的燃气初温t*30有相当幅度的降低；(4)既然变化很少，而t*30却降低了，也就是说，需要流过透平流道的燃气的体积流量减小了。这对于气流所施加的阻力减小了。由此可见，这将使压气机的压缩比ε*0相应地有所降低；(5)由于ε*0和t*30的降低，必然将使机组的效率ηNc0有所下降。注：图中的、、均以设计工况下的B0、ηc0N、Pe0的相对值来表示图6-4单轴恒速燃气轮机变工况参数的变化关系根据上述变化关系，我们不难从图6-1上看清：当机组的负荷下降时，压气机、透平和燃烧室的联合工作点将从“0”点开始，沿着=常数的等折合转速线，逐渐朝着空气的流略有增大，而压缩比ε*0略有下降的方向移动，最后将稳定到一个新的工况点“b”上去工作。那时，整台燃气轮机应该在一个完全确定的新的工况参数——注：图中的、、均以设计工况下的B0、ηc0N、Pe0的相对值来表示图6-4单轴恒速燃气轮机变工况参数的变化关系当我们重复上述过程而把机组的功率降低到Pgtc=0时，不难推论，整台燃气轮机的工况将会沿着=常数的等折合转速线，位移到一个新的工况点c上去工作。对于拖动恒速发电负荷的单轴燃气轮机来说，燃气轮机变工况点的轨迹线(人们通称为“变工况运行线”)就是燃气轮机通过用联合运行线族中的从“0”到“c”的那段等折合转速线。这种燃气轮机的变工况参数的变化关系，大体上可以用图6-4所示的曲线来表示。下面，让我们进一步分析一下这种机组变工况特性的某些优缺点，即：(1)机组的工作稳定性是很好的。显然，只要使设计工况下的运行点位置“0”选得恰当，即：使“0”点离压气机的喘振边界有一定的防喘安全裕度，那么，除了起动工况外，机组在任何负荷工况下，是绝无发生喘振现象的危险的。(2)由于在整个变负荷范围内空气流量的变化幅度较小，因而当燃料快速增大到B0设计值时，透平前的机组的加载性是比较可靠的。(3)随着负荷的下降，机组的效率ηNc有较大幅度的恶化。这是由于在整个负荷变化范围内，空气流量变化不大，致使透平前燃气初温度t*30降低很多，而且压缩比ε*也有相当幅度下降的缘故。(4)当机组的输出功率Pgt下降到零时(这个工况一般称为怠速工况或空载工况)，这种机组所需消耗的空载燃料量Bc必然是很高的，这是由于在怠速工况下空气流量甚至要比设计工况时的还要大一些的缘故。最后应该指出：图6-1和图6-3所示的曲线族还能用来分析单轴燃气轮机在携带其他类型负荷(如Pgt=cn3的不变节距的螺旋桨负荷)时的变工况特性，读者可自行分析之。单轴恒速燃气轮机变工况的实例分析为了加深对于机组变工况性能的了解，下面对机组运行中可能出现的一个变工况实例进行分析。图6-5单轴恒速燃气轮机的变工况运行线图6-5中给出了一台在使用的6000千瓦单轴恒速燃气轮机的变工况运行线(当T1*恒定不变时，它就是=常数的那条等折合转速线)，其中A点表示机组在满负荷工况下的运行点。当这台机组在燃烧重油时，由于未对重油中所含的大量钠盐进行处理，因而在运行一阶段后，在透平叶片的表面上发生了结垢现象，致使透平的通流面积减小了。假如使这台机组仍然在额定转速ny0和额定燃气初温t30*的情况下运行，机组的工作情况将发生什么变化？图6-5单轴恒速燃气轮机的变工况运行线我们知道，当透平通流部分的面积由于叶片表面的结垢而减小时，必然会引起压气机排气侧流动阻力增高，换句话说，在t30*=常数的情况下，为了使透平的通流部分能够流过同样的容积流量，就需要提高压气机的出口压力(也就是使压比ε*增高)。由此可见，当T1*恒定不变时，压气机和透平的平衡运行点A，将沿着=常数的等折合转速线，朝着压比增高的方向发展，最后会移到B点上去工作。显然，这将引起流经机组的空气流量My和机组的有效输出功率Pe逐渐减小，而机组的工作稳定性却逐渐恶化。从图6-5中还可以进一步看出：当同一台压气机配以通流面积不同的透平工作时，t30*=常数的等温线的位置必然也是不同的。透平的通流面积越小时，等温线的位置就越高，机组就越容易进入喘振区。由此可见，当透平叶片上的结垢越来越多时，为了保证机组不至于进入喘振工况，就应该不断地降低透平前的燃气初温。这样必然会引起机组的有效输出功率Pe进一步减小。大气参数的变化对整台燃气轮机性能的影响大气温度ta的影响大气温度对于简单循环燃气轮机及其联合循环的功率和有相当大的影响，这是由于以下三方面原因造成的，即：①随着大气温度的升高，空气的密度变小，致使吸入压气机的空气的质量流量减少，机组的作功能力随之变小；②压气机的耗功量是随吸入的空气的热力学温度成正比关系变化的，即大气温度升高时，燃气轮机的净出力减小；③当大气温度升高时，即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定，压气机的压缩比将有所下降，这将导致燃气透平作功量的减少，而燃气透平的排气温度却有所增高。这样就会使得燃气轮机及其联合循环的效率和净功率，如图6-6和图6-7所示的那样关系发生变化。图6-6燃气轮机及其联合循环的相对效率与大气温度ta的变化关系（冷却水温恒定为20℃)图6-7燃气轮机及其联合循环的相对输出功率与大气温度t+的变化关系（冷却水温恒定为20℃)由图6-7可知：随着大气温度ta的升高，燃气轮机及其联合循环的相对输出功率都是会下降的，但是，联合循环的相对输出功率减小得要比燃气轮机平缓。这是由于燃气透平的排气温度略有增高，可以在余热锅炉中获取更多的能量，到蒸汽轮机中去作出更大数量的机械功的缘故。当然反之，当大气温度下降时，联合循环的相对输出功率增大的程度则要比燃气轮机少。这是由于当机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定时，压气机的压缩比略有增高，致使燃气透平的排气温度有所下降，最后导致蒸汽透平的作功量有所减少的缘故。由图6-6中可以看出：随着大气温度ta的升高，燃气轮机的相对效率是下降的，但其联合循环的相对效率却反而略有增高的趋势。这是由于当大气温度升高时，随着燃气轮机排气温度的增高致使Cηst增大，足以补偿燃气轮机效率ηst的降低。从物理意义上讲，这是由于当大气温度升高时，压气机的出口温度相应地也会增高。为了保证燃气透平前的燃气初温恒定，喷入燃烧室的燃料消耗量就可以减少，其减少的程度将比联合循环总输出功率减小程度更加多一些，致使总的热效率反而略有增大的趋势。当然，随着大气温度的下降，联合循环的效率反而会有略微减小的趋势。但是必须指出：图6-6和图6-7所示的变化关系，是以供给直流冷却式凝汽器的冷却水温恒定(保持为20℃)，即凝汽器的背压恒定不变为前提的。显然，这并不符合实际情况。众所周知，随着大气温度的变化，河水的温度也是会相应变化的。一般来说，河水温度总是要比大气温度略低几度(ta≤0℃时不适用)。这就是说，随着大气温度的变化，即使是直流冷却式的凝汽器的背压也要发生变化的。大气温度较高时，凝汽器的背压就高，大气温度降低时，凝汽器的背压则较低。这种情况对于采用直接空气冷却式的凝汽器以及湿式冷却塔的凝汽器的机组来说更是如此。图6-8中给出了冷却介质(空气或冷却水)的温度对于凝汽器压力的变化关系，可以显示其影响程度。因而大气温度ta对于联合循环机组的相对功率(Pe/Pe0)和相对效率(PccN/Pcc0N)的影响关系应该用图6-9来表示，在该图中引入了对直流冷却水温tcw影响关系的修正。——效率，—·—·功率图6-8河水冷却、湿式冷却塔和空气直接冷却的凝气器压力的近似值（空气的相对湿度为60%)图6-9单压联合循环机组的相对功率（Pe/Pe0)以及相对效率（ηNcc/ηNcc0)与大气温度ta和冷却水温tcw的关系曲线总之，在考虑了冷却水温随大气温度的变化关系后，燃气轮机及其联合循环的相对效率和相对功率随大气温度的变化而相互偏离的程度，就会比图6-6和图6-7所示的减小一些。V94.2燃气轮机输出功率与环境温度的关系见图6-10。按θamb查得的PGT对大气压力可按下式修正：图6-10输出功率与环境温度的关系大气压力pa和海拔高度的影响图6-11相对大气压力与海拔高度的关系大气压力pa的较大幅度的变化，主要是由于机组所在地海拔高度的变迁造成的。图6-11中给出了相对大气压力与海拔高度的关系曲线。图6-11相对大气压力与海拔高度的关系通常，燃气轮机都是按大气压力pa=0.1013Mpa的标准状态进行设计的。如图6-11所示，不同的海拔高度将导致不同的平均大气压力。研究表明：如果大气的温度保持恒定不变，那么，大气压力的变化不会导致燃气轮机效率的增或减，即：大气压力对燃气轮机效率的影响为零。但是，燃气轮机的功率则与吸入的空气压力有密切关系，因为燃气轮机的功率与所吸入的空气的质量流量成