燃氣輪機變工況性能
正文
在變工況下,燃氣輪機應能:不超溫,即從燃氣輪機燃燒室到燃氣透平的燃氣初溫t3應低於透平所允許的最大溫度值t3
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不同軸系方案的影響 燃氣輪機的變工況性能,除與壓氣機、燃燒室和透平等部件的性能以及循環方式有關外,還與軸系方案密切有關。圖1的3種軸系方案中,以單軸和分軸方案用得最多。不同軸系方案中壓氣機和透平的排列組合各不相同,它們在變工況下相互匹配關係的變化也必然不同。負荷變化對燃氣輪機的影響與壓氣機是否聯軸有關。單軸的聯軸,負荷的轉速變化直接影響壓氣機,對壓氣機工況影響較大;分軸和三軸的都不聯軸,負荷的轉速變化對壓氣機工況影響較小。因此,不同軸系方案燃氣輪機的變工況性能是不相同的。
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分軸燃氣輪機 它的透平分為兩個,一個帶動壓氣機,一個作為動力透平帶動負荷,因而能避免單軸燃氣輪機中壓氣機與負荷聯軸的現象。在圖1的分軸方案中,壓氣機、燃燒室和高壓透平這3個部件組成燃氣發生器,供給動力透平(即低壓透平)以一定壓力的高溫燃氣。圖3表示分軸燃氣輪機的性能。在圖3a中的陰影區內,一般能滿足t3≤t3
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但在分軸燃氣輪機中,由於動力透平不與壓氣機聯軸,在負荷功率變化時轉速易波動,突甩負荷時易超速。因此,在電站帶動發電機(恆速負荷)時,分軸燃氣輪機不如單軸的好。而且在低工況下,分軸燃氣輪機的n1下降較多,會出現壓氣機喘振問題,須採用放氣等防喘振措施。隨著燃氣輪機設計壓縮比的提高,喘振問題變得更為嚴重,必須用更有效的措施來避免喘振。
三軸燃氣輪機 圖1為三軸燃氣輪機,是把分軸燃氣輪機中單轉子的燃氣發生器變為雙轉子而得到的。它在P降低時,n1比n2下降得快,能協調高、低壓壓氣機的工作,使壓氣機在低工況下不易喘振,因而能選用比分軸燃氣輪機更高的設計壓縮比,以達到更高的效率。三軸燃氣輪機的變工況性能與分軸的相似,但隨著P的降低,η的下降會比分軸的緩慢一些。
大氣參數變化的影響 大氣溫度ta和大氣壓力pa的變化對燃氣輪機的性能影響很大。例如單軸燃氣輪機,當ta由15℃降至-20℃時,P 和η分別增加25~30%和5~8%左右;當ta由15℃升高至40℃時,P和η分別降低17~22%和5~8%左右。ta的變化還影響安全運行區,ta>tao時安全運行區縮小,ta<tao時則擴大。η基本不受pa變化的影響,而P 則大體上正比於pa的變化。對於分軸和多軸的燃氣輪機來說,ta和pa的變化對其性能的影響與單軸的相似。
因此,在夏季或熱帶地區,燃氣輪機的P 和 η都會降低,在冬季或寒帶地區則提高。在高海拔地區,pa和ta均低,前者使P下降,後者則使P下降的程度變小,且使η提高。而活塞式內燃機在高海拔地區P下降嚴重。因此,燃氣輪機適用於高海拔地區。
載入過程的影響 載入屬於過渡過程。單軸燃氣輪機帶動恆速負荷時,載入過程的轉速基本不變,燃氣溫度變化引起的熱應力限制了載入的速度。單軸燃氣輪機帶動變速負荷時,載入即加速,會多消耗一些功來使轉子加速,故t3 較高,有可能超溫和引起喘振。對於分軸燃氣輪機,由於n1 是變的,載入過程與單軸變轉速的相似。
起動過程的影響 起動過程是指燃氣輪機由靜止狀況起動、加速至空載工況的過程。開始時由起動機帶動燃氣輪機冷加速,到點火轉速(單軸燃氣輪機是15~20%n0 )時,燃燒室中開始噴入燃料並點火燃燒,進入熱加速階段。到脫扣轉速(單軸燃氣輪機是45~60%n0 )後,起動機脫開,燃氣輪機自己加速至空載工況。在起動過程中,燃氣輪機由冷態變為熱態,熱應力問題嚴重,形成熱衝擊,對壽命影響很大。此外還有喘振問題,壓氣機需要採取放氣等防喘振措施。
變幾何的影響 燃氣輪機的變工況性能,還可通過控制部件性能在變工況下的變化來改善。採用通流部分的幾何形狀能夠變化(簡稱變幾何)的壓氣機和透平能達到這個目的。常用的變幾何是在壓氣機和透平中採用可轉動的靜葉片(簡稱可調靜葉),使葉片的安裝角隨燃氣輪機工況的需要而變化。通常,把這種用可調靜葉的燃氣輪機叫做變幾何燃氣輪機。
壓氣機的可調靜葉用於進氣端,主要是為了避免喘振,有利於燃氣輪機的起動和擴大安全運行區。不少高壓縮比的壓氣機採用多列可調靜葉,以求更有效地改善壓氣機的性能。
透平可調靜葉,一般用於分軸燃氣輪機的動力透平中。它能改善分軸燃氣輪機的加速性能和實現動力制動,在同時用回熱循環時,還能使η在寬廣的P 變化範圍內下降得不多。因此,車輛燃氣輪機一般都是有回熱的變幾何分軸燃氣輪機。
參考書目
И.В.柯特略爾著,樊介生、高椿譯:《燃氣輪機裝置的變動工況》,上海科學技術出版社,上海,1965。