燃气轮机基本热力计算方法分析

1、燃气轮机基本热力计算方法分析 摘 要：本文着重论述了单燃气轮机各特征截面热力计算采用的基本计算方法，对燃气轮机位于设计点工作时，各部件共同工作特性进行了简要的分析，提出了基本热力计算时需选定的一些特定参数，并给出了各截面参数的基本计算方法。 关键词：燃气轮机；总压；总温；性能；计算。 中图分类号：o414.1 文献标识码：a 1 概述 燃气轮机自出现以来，凭借其清洁、高效、故障率低及寿命长等优势，迅速占领了地面发电及船舶等方面的市场。至今，燃气轮机单机效率已能达到42以上，如采用联合循环，效率更可超过60。本文根据燃气轮机的部件特性及运行过程中各截面的主要监测参数，给出了燃气轮机各部件主要热力

2、参数的计算方法，采用这些计算方法，可以在短时间得到燃气轮机各部件运行时达到的性能指标，甚至可以纳入到控制系统中，使相关参数指标实时显示在人机界面中，同时可以采用本文计算方法，在燃气轮机初始设计时，进行各截面设计点性能参数的初步估算。 2 计算过程 2.1 燃气轮机进、出口边界条件设定 通常情况下，在对燃气轮机性能进行估算时，为简化计算，采取忽略对计算结果影响较低的因素。如大气湿度通常采用标准值，机组对外的散热在计算时不予考虑。 2.2 燃气轮机共同工作特性分析 燃气轮机各部件在工作过程中存在着相互制约的关系，某些确定部件的理论特性并不代表燃气轮机整机工作时所能达到的最终热力性能指标，并且，在实

3、际燃气轮机工程应用时，通常无法获得燃气轮机详细的部件特性曲线。但根据确定部件的理论特性曲线、部件通用特性曲线或燃气轮机长期积累的运行参数，试取一些能够决定发动机及其部件状态的参数，可以保证燃气轮机各截面热力参数计算顺利进行，同时，通过燃气轮机的运行，也可验证试取参数的合适与否。本文对单轴燃气轮机各截面参数进行计算时，燃气轮机各部件共同工作原则主要考虑如下几个方面1： 转子功率平衡：pt?浊m-pf-w=0 式中：pt-涡轮提供功率； m-轴系传动效率； w-机组输出功率； pf-压气机转子消耗功率。 涡轮进口换算燃气流量： 2.3燃气轮机部件特性分析 本文中，在对部件进行分析计算时，下脚标1代

4、表压气机进口，下脚标2代表压气机出口，下脚标3代表涡轮进口（燃烧室出口），下脚标4代表涡轮出口。 2.3.1 压气机 压气机为燃气轮机进气端转子部件，其工作特性决定了燃气轮机总的进气流量。在压气机进、出口参数计算过程中，主要涉及到压气机进口总温及总压、压气机出口总温及总压、压气机效率、压气机流量、压气机压比，不同温度下空气的k值等参数。 在获取到压气机特性曲线时，可通过特性曲线查取压气机效率、空气流量及压比等参数，再通过计算，得出压气机进、出口截面全部参数。在没有压气机特性曲线的情况下，计算过程中，其过程参数及系数需根据机组长期运行数据分析、统计或相关技术文件中的相应数据来给定。通过上述参数选

5、取原则，能够对压气机效率、流量及压比等参数选取的较为精确，以此作为参考，可获得令人满意的估算或验算结果。 压气机出口总压：p2*= p1*c* 式中： c*-压气机压比。 压气机出口总焓： 式中：h(t*2ad,0)-压气机等熵变化时，出口理论焓值；?浊*c-压气机效率。 焓值，可根据相关资料查焓值表获取，也可通过等压比热容由式5求得。 压气机耗功： pc=qma1 h(t2*,0)- h(t1*,0) 2.3.2 燃烧室 燃烧室是燃气轮机能量加入的部件，在燃烧室内燃料进行充分混合燃烧，将燃料化学能转换为高温、高压、高速燃气，从而推动涡轮做功。 对燃气轮机燃烧室进行基本热力计算方法分析时，需按

6、燃气轮机选用材料，冷却技术水平及燃烧室具体形式初步选定燃烧效率、燃烧室出口总温、燃烧室总压损失系数等数据。根据所选取的参数，按下述公式对燃烧室其它参数进行计算。 燃烧室出口总压： 式中：?驻pb-燃烧室总压损失系数； 油气比fb2： 式中： ?浊b-燃料燃烧效率；hv-燃料低热值。 燃料流量：qmfb=fb qma2 燃烧室出口燃气流量：qmg3=qma2+qmfb 2.3.3 涡轮 涡轮为燃气轮机燃烧室后的转子部件，燃烧室内的高温、高速燃气直接冲击涡轮部件，是燃气轮机承受热负荷最高的转子部件。燃烧室出口的高温、高压燃气通过涡轮导向器整流后，对涡轮转子做功，从而带动压气机转动。 对燃气轮机涡轮

7、进行基本热力计算方法分析时，需与压气机紧密联系，本节计算时攒不考虑引气冷却的影响。计算时，根据涡轮形式，初步选取涡轮效率、轴系传动效率及涡轮出口静压，对于地面燃气轮机，涡轮出口静压一般按理想状态大气压力选取。 根据初步选取的参数并结合压气机计算的内容，按下述公式对涡轮其它参数进行计算。 涡轮输出功： 涡轮出口总温可按式12求得。 高压涡轮落压比及出口总压： t=p3*/p4*=1+(t3*-t4*)*t*/t4*k/(k-1) 式中：t-涡轮落压比3； 2.3.4 冷却气与主气流混合 为表述简单起见，在涡轮部件计算中忽略了冷却气流与主气流的混合计算。 若冷却气流的参数为总温tcol*、总压pc

8、ol*；主气流的参数为总温tin*、总压pin，则按下述方法计算混合后气流的总温tout*、总压pout。混合后的气流总压按质量平均法求得，混合后的气流总温按气流在混合前后总焓不变求得。 2.3.5 燃气轮机总体性能 燃气轮机总体性能计算时，主要考虑如下参数： 燃气轮机热效率： t=pd/qmfb*hv 燃气轮机热耗率： qp=1/t=qmfb*hv/pd 3 计算过程校验与分析 利用国内某单轴重型燃气轮机理论数据，按上述方法确定燃气轮机边界条件及给定参数后，按本文计算方法对国内某重型燃气轮机各截面参数进行了计算，并与原设计参数进行了对比分析，结果表明：在燃气轮机燃烧室出口前段，二者之间数据偏

9、差不大，可控制在1以内；在燃气轮机涡轮计算时，二者之间数据偏差相对较大，约达5。分析认为存在的偏差主要由下述因素导致： a.压气机各部位引气量与原文件确定存在偏差（无理论数据），从而导致压气机耗功及出口总温等参数计算略有偏差； b.燃烧室二股气流的计算过程选取存在偏差； c.涡轮部件冷却气从不同部位回收影响； d.涡轮部件计算时采用平均比热系数。 计算数据和燃气轮机实测数据偏差5，能够满足燃气轮机性能估算的使用要求（精确的气动计算，偏差在2左右）。 4 应用实例 根据上述燃气轮机基本热力计算方法分析过程，对某航改型三轴（包括动力涡轮）燃气轮机进行了性能估算，取得的计算结果与专业气动计算软件得出的结果偏差约5。在某重型燃气轮机试车过程中，用上述计算方法对燃气轮机各部件进行了性能验算，计算所得结果与专业计算软件偏差约1。 5 应用前景 采用本文所述计算方法，能够实现燃气轮机发电机组各截面热力参数的计算，其计算精度可以满足航机改燃机或燃气轮机改进的方案时对其性能进行初步估算。 同时，可以将本文所述计算方法与燃气轮机发电机组控制系统设计相结合，达到在控制系统人机界面上实时验算并显示机组运行当前状态所达到的性