燃气轮机特性

第六章燃气轮机变工况 单轴燃气轮机的变工况特性环境条件对燃气轮机性能的影响 6 1概述 研究燃气轮机变工况的目的基本要求及性能指标负荷特性 一 燃气轮机的变工况 整台机组偏离设计状态下工作的各种工况 1 稳定的非设计工况如部分负荷或环境条件改变时引起的变工况 2 不稳定的过渡工况如启动 加速等引起的变工况 非常复杂 三大件 负荷 二 研究目的 分析燃气轮机机组各部分相互联系 相互制约的变化规律 从而掌握燃气轮机的变工况过程及其特性 1 为设计新机组提供选择方案的依据 2 为用户提供变工况性能曲线 基本要求及性能指标 基本要求 保证在各种负荷下机组能够经济地 可靠地运行 同时有较强的适应外界负荷变化的能力 性能指标 1 经济性机组的效率或耗油率不因功率下降而极度恶化 机组的负荷特性曲线变化得平坦些 2 稳定性在各种负荷下 压气机不喘振 涡轮不超温 燃烧室不熄火 机组能稳定可靠地运行 3 加载性机组功率能及时适应外界负荷变化的需要 满负荷 部分负荷 低速 启动等 三 负荷特性 负荷功率PL随负荷转速nL变化的关系PL f nL 1 恒速负荷特性负荷功率PL变化与负荷转速nL无关即nL const nL PL 例子 恒频交流电机 2 螺旋桨型负荷特性 负荷功率PL与其转速nL的三次方呈正比即PL cnL3 c为比例系数 变速负荷 nL PL 例子 固定螺距螺旋桨 轮船 叶轮机械 泵 风机等 PL cnL3 3 调速负荷特性 负荷功率PL与其转速nL在一定范围内任意配合 用来带动变速负荷 变频调速负荷 nL PL 例子 变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机 4 机械牵引负荷特性 用机械方式 如联轴器 齿轮等 传动各种车辆 启动时有最大扭矩 即nL 0 M Mmax转速升高时 扭矩减小 nL nmax M Mmin 负荷功率 PL M nLPL随nL增加而增大 nL PL 平衡工况 稳定运行工况 燃气轮机输出功率等于负载所消耗的功率 即Pe PL 两者处于平衡状态 不平衡工况 是从一个平衡工况变化到另一个平衡工况的过渡过程 这时燃气轮机的输出功率与负载所消耗的功率不相同 即Pe PL 两者不平衡 四 燃气轮机的平衡运行条件 机组在不同负荷下稳定运行时 各部件的参数 流量 转速 压比 功率 应满足的相互配合的条件 分析讨论燃气轮机变工况的基础 各部件的特性和平衡运行条件 1 转速平衡 每根轴上的转子转速相同 单轴机组 nC nT nL分轴机组 nC nHTnLT nL2 压比平衡 T 压气机压比 透平膨胀比 总压保持系数 1 2 4 平行双轴机组 3 功率平衡 机械联系的各部件的驱动力矩 应等于总的阻力矩 包括压气机耗功 即每根轴上的功率应平衡 单轴机组 PT PC Pm PL或PT PC m PL 压气机内功率 机组附件消耗和机械损失功率 涡轮内功率 分轴机组 机械效率 PLT PLC m1 PL PHT PHC m2 平行双轴机组 PHT PC m1 PLT PL m2 4 流量平衡 qT q qf qcl变工况时 可近似认为 qcl q const粗算时 可取qT q 冷却用和泄露的空气量 燃气流量 燃料消耗量 进气量 五 平衡运行工况点的确定 平衡运行工况点 压气机 燃烧室和透平协调工作时的平衡运行工况点平衡运行线的确定 是从各个部件的性能出发 用平衡关系式把它们联系起来而求得 求解方法 1 联合求解法 利用已获得的压气机 燃烧室和透平的特性线 根据平衡运行条件来联合求得 2 近似计算法 若没有透平特性线 可利用透平的椭圆方程来近似计算获得 3 测试法 利用压气机特性实验装置来测得 测试方法 在压气机后面加装一个燃烧室 将燃烧室后面的排气阀固定在某一开度来代替透平 测试时 改变燃气初温和压气机转速 测得不同工况下的流量和压比 在压气机特性线上 把各种转速下的燃气初温相同的点连起来 得到一组等温比线 燃烧室的性能 一般可近似地认为效率 B和压力保持系数 2不变 即和设计工况时一样 故未画性能曲线 平衡运行点主要是在压气机和透平性能的基础上求得的 实质 是压气机和透平平衡运行点的连线 是透平性能在压气机性能曲线图上的描述 温比增加时 等 线向着左上方移动 常数 燃气轮机变工况性能的表示 通常 用Pe n为坐标来作图 全面反映单轴燃气轮机的变工况性能 在具体的运行中 燃气轮机还必须与负载平衡运行 要满足PL Pe f n 当把Pe f n 画到燃气轮机变工况计算得到的Pe n图上后 位于该规律曲线上的诸参数变化情况 就是燃气轮机在该负载规律下的变工况解 6 2单轴燃气轮机的变工况性能 最简单的 目前实际应用最多 功率范围由10kW左右至334MW 特点是压气机与负载共轴负载的转速变化规律直接影响压气机转速 即直接影响压气机工况 进而影响燃气轮机的工况 负载规律对单轴燃气轮机变工况性能的影响很大 一 性能曲线网 性能曲线网 平衡运行线 Pe 0零功率线 空载工况 运行区 范围较小 机组的设计点位于最佳工况线左侧 为什么 P195中 二 带动具体负载时的性能 1 恒速负载特点是转速不随输出功率的大小而变 始终在设计转速下运行 即沿压气机的no线运行 2 变速负载螺旋桨负载是一种典型的变速负载 它的一个主要特点是在部分负荷下n下降 空气流量q下降 下降且较快 1 恒速负载单轴nc nT nL n0 n 变工况运行线设计工况点 O 负荷Pe 时 保持p1 T1 不变 调节使no不变 同时关小油门 使耗油量qf T3 即 新的平衡点 b 运行线o b负荷Pe 至零 点c所示 b c c 空载工况 压气机 流量q 或不变 透平 T 流量qT 整个机组 Peb Peoqfb qfo eb eo o b c O C b O b C 恒速 单轴 恒速机组 变工况性能分析 经济性较差 稳定性好 压气机远离喘振边界 透平不超温 加载性好变工况时 空气流量比设计值大 或不变 n不变 增加负荷Pe qf 到设计量而不会引起T3 超温 PC变化不大 而PT增加 Pe立即增加 部分负荷下 c 机组效率 e 空载工况下q 压气机耗功 燃料耗量qf 喘振边界 适用 高速下长期运行 O C空载工况 恒速 2 单轴变速机组如螺旋桨型负荷Pe cn3 变工况运行线负荷Pe 时 nL n q 较慢 新的平衡点b 负荷Pe 时 n q 首先在第一级发生喘振点c 变工况性能分析 经济性较好 慢 较高 处于 c较高区域 o b c 稳定性变坏 逐渐靠近喘振边界 低负荷时可能进入喘振工况 加载性较差空气流量减小较多 增加负荷Pe时 不能急速增加燃料 否则T3 易超过允许值 超温 甚至会使压气机进入喘振工况 缓慢加载 适应能力差 不宜用于 车辆等机械牵引负荷 O b c 喘振点 恒速n noo b c Pe n3变速o b c 单轴燃气轮机 单轴燃气轮机带动负载时的性能 n n0 喘振 空载时 0 3 0 45 可见机组在低负荷时的经济性很差 归纳起来 单轴燃气轮机的变工况性能与所带动的负载类型密切有关 单轴燃气轮机最适宜于带动恒速负载 单轴燃气轮机只适用于带动转速变化范围较小 的变速负载 6 3分轴燃气轮机的变工况特点 一 优点1变工况外界负荷的变化对压气机的工作影响较小2可带动各种负荷 应用广泛恒速 变速 牵引等3两轴转速不同nC nHT nPTC和HT体积小 节省耐高温材料4在HT和PT之间可采用再热 1 压气机C2 高压透平HT3 动力透平PT4 发电机 燃气发生器 二 分轴燃气轮机的性能曲线网和平衡运行带 1 性能曲线网 近似抛物线 虚线 等弧线 机组的设计点是否位于最佳工况线上 取决于动力透平设计点的选择 当动力透平设计点选在最佳速比时 PT最高 使机组的设计点位于最佳工况线上 二 分轴燃气轮机的性能曲线网和平衡运行带 2 平衡运行带在压气机的性能曲线上 分轴的平衡运行区是一条狭长的窄带 它是动力透平转速变化对流量的影响所致 影响不是很大 该运行带的上限即动力透平通流能力最小点的连线 下限即动力透平通流能力最大点的连线 当不计及动力透平转速变化对通流能力的影响 等nc线上只有一个运行点 把诸等nc线上的运行点连起来得到了一条运行线 二 分轴燃气轮机的性能曲线网和平衡运行带 3 机组的运行区 但不受压气机喘振的限制 M Mmax 运行区 宽广 nPT 0 nPTmax 因而很适宜于带动转速变化范围很大的负载 克服了单轴机组的不足 这是分轴燃气轮机的一个显著优点 三 带动具体负载时的性能 在部分负荷下T3 高的 e未必一定高 在带动各种不同负载时的平衡运行线都是很靠近的 带动恒速负荷 分轴的加载性能不如单轴的 其次是分轴甩负荷时动力透平超速问题较严重 分轴的变工况性能 与单轴比较恒速负载经济性好些稳定性差些加载性差些 负荷Pe 时 T3 nc均会下降 单轴恒速 单轴变速 分轴 变速负载 差些 好些 差不多 缓和 分轴燃气轮机宜用于机械传动变速负载 如螺旋桨 车辆等 目前发电用的燃气轮机主要是单轴方案 6 4环境条件对燃气轮机性能的影响 1 大气温度对机组功率和效率的影响 明显 大气温度Ta升高时 功率和效率都降低 大气温度Ta降低时 功率和效率都增加 2 大气压力对机组功率和效率的影响 pa升高时 功率Pe增加 效率 e基本不变 pa降低时 功率Pe降低 效率 e基本不变 3 海拔的影响 对燃气轮机的性能有很大影响 随着海拔的升高 大气Ta和pa都在下降 比体积增加 流量q和功率Pe下降 当燃气轮机保持T3 T30 运行时 温比 随着海拔的升高而增加 故 e提高 减少了Pe下降的幅度 二 大气参数变化时常用的修正曲线 ab大气参数对电站单轴燃气轮机最大出力和效率的影响 制造厂给出机组的最大出力和效率 或热耗率 随大气参数变化的修正曲线 供用户备查 设计值 最大值 高海拔地区使用虚线 1 单个变化直接读出 2 同时改变Pe Pe Pe0 p Pe t 修正系数的形式 Pe Kp1Kp2Pe0 e K e0 ab电站单轴燃气轮机最大出力和效率修正系数随大气参数的变化 电站分轴燃气轮机最大出力和效率随大气参数的变化 三 燃气轮机的通用性能曲线 与压气机 透平一样 燃气轮机用相似参数来绘制性能曲线 单轴燃气轮机分轴燃气轮机 燃气轮机运行区随大气温度的变化 单轴燃气轮机分轴燃气轮机 ta15 大气温度变化时机组运行线的变化 ta15 各种燃气轮机通用性能曲线上的负载规律线随大气温度的变化都相同 图b所示 单轴燃气轮机 分轴燃气轮机 由于平衡运行带不随大气温度变化 运行带又很窄 使大气温度变化后的平衡运行线变化很微小 可视为不变 6 5燃气轮机的过渡工况 不平衡工况 一般Pe PL 从一个平衡工况向另一个平衡工况的过渡过程 不稳定工况 如起动 加载与减载 停机等 其好坏对运输式燃气轮机很重要 一 燃气轮机的起动 特点1需要起动机2起动过程大致经过三个阶段 1 冷态加速 0 n1 2 热态暖机 n1 n2 n3 3 热态加速 n3 n4 要求1起动时间越短越好2起动机功率尽量小些3起动过程要安全稳定4加热速度尽量快慢一致 起动过程任一转速下 同一根轴上的透平和起动机发出的扭矩 功率 应大于压气机和摩擦等消耗的扭矩 功率 机组才能加速 n1 点火转速10 15 n2 自持转速MT Mcn3 脱扣转速30 60 n4 空载转速 二 起动过程中的防喘 若燃料控制不好 可导致压气机进入喘振工况 转速较低 多级压气机容易发生喘