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略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径蒋峰，孙文涛，李兆明（中国石油工程建设公司，北京 100120）摘 要：本文以 ge ms6001 燃气轮机为例，通过对比不同设计条件下的燃气轮机性能指标，分析了几个重要现场参数：环境温度、大气压力、空气湿度以及燃气热值对燃气轮机性能的影响，指出现场环境温度对 燃气轮机性能影响最大，可利用压气机进气冷却技术提高燃气轮机性能，燃气轮机制造商应根据现场实际 参数选择合适的机组。关键词：燃气轮机性能；环境温度；大气压力；空气湿度；燃料热值前 言由于燃气轮机具有启动快、独立性强、可靠性高等优点， 它在石油天然气工业中有着广泛的应用，主要用作天然气压 缩机、发电机的驱动机。影响燃气轮机性能的参数主要分为 四类，第一类是机组本身的设计参数，如燃烧温度、压气机 压比、工质的质量流量等，这一类的参数通常只能由燃气轮 机制造商在技术发展过程中逐步改进；第二类则是燃气轮机 投运后的运行参数，如投运时间、起动次数、清洗方式、润 滑油质量等，主要取决于用户维护和运行质量；第三类是燃 气轮机安装现场的环境参数，如环境温度、大气压力以及空 气湿度等，因项目不同而差别极大，需要用户在设计选型时 就要给出准确的参数；第四类是燃气轮机安装现场的燃料系 统参数，如燃料组分、热值、压力、温度、杂质含量等，燃 料压力、温度和杂质含量可以通过增加调压、调温以及过滤 装置等满足燃气轮机要求，但燃料组分以及热值却基本依赖 于现场实际条件，需要用户在设计选型时给出准确的数值。由于石油天然气项目大都地处偏僻，环境温度高，空气 湿度变化大，而且油田伴生气或者未经处理的天然气大都气 质不纯、热值低，燃气轮机设计选型时如果不根据现场实际 情况给出准确的现场参数，就会容易导致燃气轮机现场投用 后实际性能达不到设计要求。本文以 ge ms6001 燃气轮机为 例，对影响燃气轮机性能的几个重要现场参数逐一做了分 析，并概括论述了几种压气机进气冷却技术，以备燃气轮机 设计选型时参考。1 燃气轮机的主要性能指标从热力循环的角度看，热效率和输出功率是衡量燃气轮机设计性能优劣的两个主要性能指标。热效率即燃气轮机的 净能量输出与按燃料的低位热值计算的燃料输入能量之比， 是表征燃气轮机经济性，衡量能量利用率的热力性能指标， 目前单台燃气轮机的热效率已达 36%以上，而联合循环的热 效率则已超过 55%甚至达到 58%；燃气轮机的热耗率与热效 率本质上为同一指标，相互之间可以换算（热耗率与热效率 的乘积为 3600），热效率越高，则热耗率越低。燃气轮机 输出功率是减去轮机辅助系统所耗功率之后的净功率，是表 征燃气轮机工作能力的动力性能指标，目前燃气轮机的单机 功率最大已经超过 250mw，而联合循环的单机功率已达甚至 超过 350mw1。ge ms6001 型燃气轮机采用压比为 12：1 的 17 级轴流 压气机，并使用干式低氮氧化物（dln）燃烧器，在 iso 工 况下（环境温度 15，1 个标准大气压，相对湿度 60%，海 拔 0 米）使用纯甲烷作为燃料气时，输出功率是 41.4mw， 热效率是 32.3%，热耗率是 11146kj/kwhr2。2 影响燃气轮机性能的几个重要现场参数 由于燃气轮机工作时要吸入周围环境的空气，安装在不同的现场条件下，环境温度、大气压力和空气湿度差别很大， 会显著影响进入压气机的空气质量流量，而且燃料组分和热 值也不相同，导致同一型号的燃气轮机在不同现场条件下实 际输出功率和热效率均存在一定程度的差别。2.1 环境温度对燃气轮机性能的影响燃气轮机的性能对环境温度特别敏感，空气温度对机组图 1 环境温度对燃气轮机输出功率和热耗率的影响蒋 峰：略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径151输出功率和热耗率影响非常大。这是因为环境温度越低，空气的比容就越小，压气机吸入相同体积流量空气时，空气质 量流量就越大，燃气轮机的输出功率会有一定程度的提高， 同时环境温度降低还会使压气机的压缩比升高，致使燃气透 平的作工量增加，而且压气机的耗功也在降低，从而导致燃 气轮机的输出功率进一步提高3；而且随着环境温度的降 低，燃气轮机的温比（燃气初温/大气温度）逐渐增大，燃 气轮机热力循环效率必将提高4，因此其热耗率也会相应的 降低；也就是说，环境温度越低，燃气轮机的输出功率越大， 热耗率越低。而环境温度升高时，空气的比容增加，空气质 量流量和温比都会降低，燃气轮机的输出功率和热效率都会 降低，而且入口空气温度升高，压气机和燃气轮机的排气温度都会升高，有可能导致燃气轮机停机5。以 ge ms6001 型燃气轮机在 iso 工况下的输出功率和热耗率为基准，燃气轮机输出功率基本上随环境温度升高而线 性降低，当环境温度高于-10时，环境温度每升高 10， 轮机输出功率降低 6.6%左右；当环境温度为 50时，燃气 轮机输出功率仅为其 iso 工况下的 77%，而环境温度为-30时，燃气轮机输出功率则为其 iso 工况下的 115%。燃气 轮机热耗率则基本上随环境温度变化而曲线变化，当环境温 度高于-10时，热耗率随环境温度升高而增加，环境温度 越高，热耗率增加的越快，当环境温度低于-10时，热耗 率却又随温度降低而增加；当环境温度为 50时，燃气轮 机热耗率为其 iso 工况下的 108.5%，当环境温度为-10时， 燃气轮机热耗率为其 iso 工况下的 97.7%。详细见表 1 和图1。表 1 环境温度对燃气轮机输出功率和热耗率的影响环境温度（）-30-20-100101520304050输出功率（%）热耗率（%）114.9100.0114.798.7114.097.7108.898.3103.099.3100.0100.096.8100.890.4102.883.8105.277.0108.5以 ge ms6001 型燃气轮机在 iso 工况下的输出功率和热耗率为基准，燃气轮机输出功率随大气压力增加而直线提 高，大气压力每增加 50 mmh2o，轮机输出功率提高 5.1%左 右；当大气压力为 850 mmh2o 时，燃气轮机输出功率仅为其 iso 工况下的 83.2%，而当大气压力为 1050 mmh2o 时，燃气 轮机输出功率为其 iso 工况下的 103.7%。燃气轮机热耗率 则随大气压力增加而缓慢降低，当大气压力为 850 mmh2o 时， 燃气轮机热耗率为其 iso 工况下的 100.6%，而当大气压力为 1050 mmh2o 时，燃气轮机输出功率为其 iso 工况下的99.90%，差别很小。详细见表 2 和图 2。2.2 大气压力对燃气轮机性能的影响大气压力的变化直接影响空气的比容，进而影响进入压 气机的空气质量流量和燃气轮机输出功率。当大气压力降低 时，空气将变得稀薄，比容增大，在压气机吸入空气容积流 量不变的前提下，燃气轮机的进气质量流量将会相应减少， 因而导致燃气轮机输出功率下降；而当大气压力增加时，空 气的比容下降，进气质量流量增加，从而提高了燃气轮机的 输出功率。由于燃料量随着空气质量流量的变化而调整，只 要燃烧室内的温度保持不变，则燃气轮机的效率就会基本不变，从而其热耗率的变化可忽略不计。图 2 iso 工况下大气压力对燃气轮机输出功率和热耗率的影响表 2 iso 工况下大气压力对燃气轮机输出功率和热耗率的影响大气压力（mmh2o）85090095010001013.531020103010401050输出功率（%）83.288.493.598.6100100.7101.7102.7103.7燃气轮机输出功率和热耗率（%）空气相对湿度(%）图 3 iso 工况下空气相对湿度对燃气轮机输出功率和热耗 率的影响152蒋 峰：略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径热耗率（%）100.61100.42100.23100.04100.0099.9899.9599.9399.902.3 空气相对湿度对燃气轮机性能的影响由于水蒸气的比重较空气小，空气湿度增加，在压气机 吸入空气容积流量不变的前提下，燃气轮机的进气质量流量 将会相应减少，因而导致燃气轮机输出功率下降，热耗率升 高。但空气中水分含量少，30时饱和状态下的空气，水分 含量才 2.7%，作为设计工况条件的空气相对湿度为 60%，水 分含量为 0.64%，故空气湿度变化对工质热物性影响很小6。 因此，与环境温度及大气压力对燃气轮机性能的影响程度相 比，空气相对湿度的影响最小，通常情况下可略去不计。只 有在环境温度很高且湿度很大，或者为了增大燃气轮机功率并控制和消除氮氧化物，在燃烧器的首端或者压气机的排气缸注入蒸汽或者水时，才考虑空气相对湿度对燃气轮机性能的影响。以 ge ms6001 型燃气轮机在 iso 工况下的输出功率和热 耗率为基准，燃气轮机输出功率随空气相对湿度增加而略有 降低，当空气相对湿度为 0%时，燃气轮机输出功率为其 iso 工况下的 100.05%，而当空气相对湿度为 100%时，燃气轮机 输出功率为其 iso 工况下的 99.96%，相差无几。燃气轮机 热耗率则随空气相对湿度增加而略有提高，空气相对湿度为0%时，燃气轮机热耗率为其 iso 工况下的 99.78%，而当空 气相对湿度为 100%时，燃气轮机热耗率为其 iso 工况下的100.15%，同样相差无几。详细见表 3 和图 3。表 3 iso 工况下空气相对湿度对燃气轮机输出功率和热耗率的影响相对湿度（%）0204050607080100输出功率（%）热耗率（%）100.0599.78100.0399.85100.0299.93100.0199.9610010099.99100.0499.98100.0899.96100.15内6，具体的热值取决于天然气中所含碳氢化合物和惰性气体的百分比。当燃烧低热值的天然气时，为了向燃烧室提供 同样的燃料化学能，需要往燃烧室通入更多的天然气。由于 透平流量的增大，使得燃用低热值天然气时燃气轮机的输出 功率要高于燃用高热值天然气。但也会使得压气机与透平之 间的流量匹配关系发生变化，透平入口压力增大，压气机喘 振裕度减小，系统运行的安全性降低；并且轴系扭矩增大， 对转子、叶片等的机械强度也是个考验；同时，燃烧室出口 烟气量也会增高，增强了热烟气与透平叶片之间的传热，影 响透平高温叶片的使用寿命7。以 ge ms6001 型燃气轮机在 iso 工况下使用 100%纯甲 烷燃料气的输出功率和热耗率为基准，在燃料气氢碳原子比 不变的前提下，燃气轮机输出功率随燃料气热值降低而略有 增加，但相差无几；而燃气轮机热耗率则随燃料气热值降低 而略有降低，但也相差无几。而在燃料气热值相同的前提下， 氢碳原子比越高，则燃气轮机的输出功率越高、热耗率越低。详细见表 4 和图 4、图 5。2.4 燃料气热值对燃气轮机性能的影响石油天然气工业通常使用天然气作为燃气轮机的主燃 料，天然气组分大部分是甲烷，另外有些易挥发的碳氢化合 物和惰性气体。作为一种高热值气体燃料，天然气是燃气轮机最佳的清洁燃料，其热值主要处于 29.844.7mj/nm3 范围表 4 iso 工况下燃料气热值对燃气轮机输出功率和热耗率的影响燃料气热值（kj/kg）氢碳原子比=449048氢碳原子比=3.91氢碳原子比=3.825003548089497924885847943495764868447810输出功率（%）热耗率（%）100100100.0599.98100.1099.9799.93100.0399.98100.01100.0399.9999.87100.0599.91100.0499.96100.02燃气轮机输出功率（%）燃料气热值（kj/kg）图 4 iso 工况下燃料气热值对燃气轮机输出功率的影响燃气轮机热耗率（%）燃料气热值（kj/kg）图 5 iso 工况下燃料气热值对燃气轮机热耗率的影响蒋峰：略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径153热水制冷等。间接接触式冷却通过换热器来冷却燃气轮机的进气，在燃气轮机的进气道中安装鳍片管式换热器, 管内通 入 5 左右的冷水, 燃气轮机进气经过鳍片管外侧时被冷 却。间接接触式冷却最大的优点是不受环境空气相对湿度的 影响, 只要冷源有足够的制冷能力、换热器鳍片管有足够的 传热能力, 就可以将进气冷却到合适的最佳进气温度, 但 初投资和运行费用也较高，因此在资金比较宽裕、潮湿炎热 的地区采用这种冷却方式的较多。综上所述，燃气轮机在不改变本体结构的条件下可以通 过多种方式降低压气机入口温度，从而增加其输出功率并降 低热耗率。对于具体的项目而言，可以根据自身的条件、环 境、市场、资金等，来选择适合自己的方法。4 结论及建议 一般而言，人们无法对影响燃气轮机组性能的厂址和布置方案进行控制，因为大多数项目受前期投资规划的限制， 但了解影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高 途径后，可在设计和采购阶段就结合现场实际情况，在燃机 设计选型时就把现场实际影响因素考虑进来，从而制定和优 化设计方案。通过系统配置的改进，如要求厂商采用高循环 参数、采用先进的热力循环、改善部件结构和性能以及增加 燃气轮机入口冷却设施、提高燃料气进气温度等措施来确保燃气轮机的现场性能满足设计要求。3 提高燃气轮机性能的途径根据以上分析，对燃气轮机性能影响最大的主要现场参 数是环境温度和大气压力，大气压力通常由项目所在地海拔 高度决定，想从技术上改变压气机入口空气压力难度较大， 因此，提高燃气轮机性能的一个较为切实可行的措施就是压 气机进气冷却技术。采用进气冷却技术的作用是降低燃气轮 机的进气温度，提高进气总空气量，减少压气机的单位耗功， 使燃气轮机的输出功率与热效率得到提高。一般来说，对于 ge 公司 ms6001 型燃气轮机而言，压气机进气温度每下降 1，可以增加透平输出功率 273.2kw。按燃气轮机进气冷却 器的结构型式, 燃气轮机进气冷却技术分为直接接触式和 间接接触式。直接接触式主要有蒸发冷却、喷雾冷却和湿式压缩技 术，直接接触式制冷的原理是利用水在空气中蒸发时所吸收 的潜热来降低空气温度。当未饱和空气与水接触时, 两者之 间便会发生传热、传质过程，结果是空气的显热变为