燃气轮机的联合运行线族

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