燃气轮机教学课件16-变工况

1、1,第六章 燃气轮机变工况,燃气轮机的变工况特性 环境条件对燃气轮机性能的影响,2,3,6-1 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,4,一、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）,5,二、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。,6,基本要求及性能指标,基本要求: 保证在各种负荷

2、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。,7,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、透平不超温、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,8,9,三、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,10,2、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

3、 即 PL = c nL3 （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 = c nL3,11,3、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,12,4、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：PLMnL PL随nL增加而增大。,nL,PL,13,14,平衡工况：稳定运行工况，燃气轮机输出功率等于负载

4、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PePL，两者不平衡。,15,四、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。 分析燃气轮机变工况的基础： 各部件的特性和平衡运行条件,16,1、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=nHT nLT=nL 2、压比平衡 T= ,压气机压比,透平膨胀比,总压保持系数 单轴 = 1 2 4,平行双轴机组,17,3、功率平衡,机械

5、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=PC/m+PL,压气机内功率,机组附件消耗和机械损失功率,透平内功率,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/m2,18,4、流量平衡,qT= q+qf - qcl 变工况时，近似认为： qcl /qconst 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,19,20,五、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

6、行线的确定： 从各部件的性能出发，利用平衡关系联系起来而求得。,21,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。,22,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，把各转速下燃气初温相同的点连起来，得到一组等温比线。,23,平衡运行点主要是在压气机和透平性能的基础上求得的。,压气机,透平,大气参

7、数一定 q，n 、C T2* p2*， p3*，p4* T,假设一个T3*： T3*、T2*和B f qT,压气机性能曲线图上各点都有相应的T3*值， 把图上各个T3*相同的点连接起来，得到等T3*线。,燃烧室的性能一般可近似认为B和B不变。,试算法,24,等线的物理实质： 压气机和透平的平衡运行点的连线，是透平性能在压气机性能曲线图上的描述。,=常数,每个T3*时燃气轮机的平衡运行线。,燃气轮机诸部件的平衡运行 可看成主要是压气机和透平的平衡运行。,温比增加时，等线向着左上方移动。,25,（=常数）,26,Pe n,27,燃气轮机变工况性能的表示,通常用Pen为坐标来作图，可通过燃气轮机变工

8、况计算得到。 具体运行时，燃气轮机还必须与负载平衡运行，需满足PL= Pe= f (n) 。 将Pe= f (n)画到燃气轮机变工况Pen图上，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。,28,Pe n 图,29,6-2 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：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。,30,一、性能曲线网,图6-4 性能曲线网Pe - n,机组设计点位于最佳工况线左侧。为什么？,单

9、轴燃气轮机的变工况性能,等T3*线,喘振边界,有一个最高点，输出功率最大效率最高的工况点。,等qf线 (虚线),将诸等qf线上的最高点连接起来，得到变负荷下最经济的运行线。,最佳工况,设计时所选择的压比，由于受压气机设计和运行等的限制，一般都比最高效率处压比 max低很多。,带动负载规律时的性能 把负载规律画到图6-4上得到。 在图中示例了三种典型负载。,压气机的喘振边界,31,一、性能曲线网,图6-5 平衡运行线,仅画出零功率线 Pe=0 空载工况,虚线,单轴燃气轮机的变工况性能,把图6-4所绘制的诸参数的等值线画到压气机性能曲线上，得到单轴燃气轮机的平衡运行线。,等T3*线,等Pe线,位于

10、零功率线的下面，以确保燃气轮机在空载工况时能可靠地连续运行。,燃烧室的熄火极限,带动负载规律时的平衡运行线 表示在压气机性能曲线中的负载规律线。 在图中示例了两种典型负载。,32,一、性能曲线网,图6-6 运行区,单轴燃气轮机的变工况性能,通常，燃气轮机受到压气机喘振的限制外，还受高温零件材料耐温的限制以及转动部件离心应力的限制，即,不能超速,不能超温,不能在零功率线以下平衡运行,由此形成单轴燃气轮机的平衡运行区，简称运行区。,单轴燃气轮机 转速的变化范围是较小的,允许超过量较小,33,二、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n

11、o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。,单轴燃气轮机的变工况性能,34,1、恒速负载 单轴 nc = nT = nL= n0=n 变工况运行线 设计工况点“O” 保持p1*、T1*不变，当负荷Pe时： 调节使no不变； 同时关小油门，使耗油量qf； T3*（ ）新的平衡点“b” 运行线ob 负荷Pe至零，点c所示， bc “c”空载工况,压气机： 、流量q(或不变） 透平： T、流量qT,整个机组： PebPeo qfbqfo ebeo,obc,O,C,b,O,b,C,恒速,35,单轴恒速机组,变工况性能分

12、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q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,单轴燃气轮机的变工况性能,b,36,2、单轴变速机组 如螺旋桨型负荷 Pe= n3 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,

13、obc,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q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,37,n=no 恒速 o-b-c,Pe=n3 变速o-b-c,单轴燃气轮机,单轴燃气轮机的变工况性能,38,图6-7 单轴燃气轮机带动负载时的性能 n=n0 -,喘振,空载工况时， =0.30.45很大。 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。,最适宜于带动恒速负载。,单轴燃气轮机只

14、适用于带动转速变化范围较小（ ）的变速负载：,单轴燃气轮机的变工况性能,带动具体负载后，可把参数的变化表达为输出功率的函数关系。,T3*随着Pe的降低下降较快，且大体呈一条直线。,部分负荷下,e下降比较快。,n=n0时，,螺旋桨负载时,由于q下降，在qf变化相近时，其T3*必然下降得要慢些。,但部分负荷下，e下降得更快。,单轴燃气轮机广泛用于电站发电。,机组不喘振，部分负荷下热经济性也好些。,39,40,6-3 分轴燃气轮机的变工况特点,一、优点 1 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 节省耐高温材料。 两轴转速不同，nC= nHT

15、nPT C和HT体积小。 4 在HT和PT之间可采用再热。,1-压气机C 2-高压透平HT 3-动力透平PT 4-发电机,燃气发生器,压气机不与负载共轴，负载的转速变化仅通过气流来影响压气机工况，因而影响很小。,41,二、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。 图例：机组的设计点位于最佳工况线上，动力透平设计点选在最佳速比，PT 最高。,分轴燃气轮机的变工况性能,等nc线,等T3*线,等e线,42,二、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

16、运行区是一条狭长的窄带。 这是动力透平转速变化对流量的影响所致。（影响不是很大） 上限即动力透平通流能力最小点连线；下限即动力透平通流能力最大点连线。,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一条平衡运行线。,分轴燃气轮机的变工况性能,图6-9上，等nc线上T3*、qf等保持不变。 等nc线即等T3*线、等qf线。,图6-9,43,二、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。,MMmax 强度限制,运行区宽广得多，nPT = 0nPTmax。 很适宜于带动转速变化范围很大的负载， 这是分

17、轴燃气轮机的一个显著优点。,分轴燃气轮机的变工况性能,未画出！,允许少量 超温和超速,若允许超速多，而允许超温少或不允许时超温时, 图中ncmax改为T*3max,44,三、带动具体负载时的性能,在部分负荷下，以带动螺旋桨负载时e更高一些。,带动各种不同负载时， 平衡运行线都是很靠近的； T3* 参数变化相近。,带动恒速负载，分轴的加载性能不如单轴的； 甩负荷时，分轴动力透平超速问题较严重。,分轴燃气轮机的变工况性能,T3*高的e未必一定高。,压气机不与负载共轴。,45,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

18、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。 目前发电用燃气轮机主要是单轴方案。,46,分轴燃气轮机的扭矩性能,无论nC高或低，机组转速降低时输出扭矩总是增加的。 分轴燃气轮机的扭矩性能良好，适宜用做车辆行驶直接驱动的动力。 由此可见，分轴机组适用于带动多种变速负载。,b 把等nC时不同的扭矩线画在一张图上形成。,与单个透平的扭矩性能完全相似,47,空载工况,不少的负载往往要求机组能在空载工况或接近于空载的工况下稳定运行。 例如带动发电机，不仅要求机组能在空载时稳定运行，且能对输出转速进行微调，否则发电机将无法并网发电。

19、简单措施： 在压气机出口或中间级放气 采用可调静叶 相当多的分轴燃气轮机，压气机同时采用。,在低负荷下避免喘振和降低功率所需。,采用逐渐开关的放气阀,目前应用很广泛,48,49,6-4 三轴燃气轮机的变工况性能,3/L燃气轮机的性能曲线网,与分轴的性能曲线网十分相似，只是用等qf线代替分轴机组中等nc线。 把带动的负载规律画到曲线网上后，也得到了带动该负载规律时的性能。,虚线,等弧线,近似抛物线,50,3/L燃气轮机的平衡运行区 把性能曲线网转换到压气机性能曲线上后得到的。 平衡运行带： 在高、低压压气机性能曲线图上都是一条狭长的窄带。 原因：动力透平转速变化对通流能力的影响所致。,51,3/

20、L燃气轮机的运行区,3/L燃气轮机的运行范围也受超温和超速的限制。此外，一般还受最大的输出扭矩限制。 图6-15b是按上述限制得到的三轴机组运行区。,适宜于带动转速变化范围很大的负载，这一优点与分轴的相同。,52,3/L燃气轮机带动负载时的性能,图6-17 3/L型燃气轮机的转差变化,图6-16,若表达在压气机性能曲线上的平衡运行线，都应在平衡运行带之内。 由于带很窄，这些平衡运行线相互很靠近，以致可认为基本一致。,把诸参数表达为输出功率的函数关系。,随着负荷的降低而增加， 故能协调压气机的工作。,虚线,等弧线,53,3/L型燃气轮机的应用,3/L燃气轮机带动恒速负载时，亦存在转速易波动等缺陷

21、，原则上来说不如单轴的好。 航机改装发展迅速，使其不足得到较多的克服。 总起来说，3/L型燃气轮机是一种变工况性能较好的燃气轮机。 发展很快，已广泛用于机械驱动、舰船和发电，并已成功地用作坦克动力。,54,55,6-5 大气参数变化的影响,大气参数即周围环境的温度Ta和压力pa。 前面所述燃气轮机变工况性能，都是Ta和pa不变的情况。 实际上大气参数是经常变化的，特别是大气温度Ta，白天和晚上相差可达十余摄氏度，夏季与冬季之差可达5060。 而燃气轮机是一种比功较小、空气流量较大的热机，大气温度Ta的显著变化将对燃气轮机的性能产生很大的影响。 此外，燃气轮机安装地区海拔高度不同时，大气参数的不

22、同对机组性能影响也很大。,56,一、概况,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。,6-5 大气参数变化的影响,1、大气温度的影响,57,2、大气压力的影响,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。,6-5 大气参数变化的影响,58,3、海拔的影响,影响很大。 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。,6-5 大气参数变化的影响,59,二、大气参数变化时常用的修正曲线,

23、a b 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,6-5 大气参数变化的影响,60,修正系数的形式,Pe =Kp1 Kp2 Pe0 e =K e0,a b 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,61,电站分轴燃气轮机最大出力和效率随大气参数的变化,62,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 - ta15,63,大气温度变化时机组运行线的变化,- ta

24、15,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。,64,三、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,虚线,等弧线,近似抛物线,65,66,6-7 燃气轮机的过渡工况,不平衡工况：一般PePL 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,67,一、燃气轮机的起动,特点 1 需要起动机 2 起动过程大致经

25、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 1015% n2-自持转速 MT=Mc n3-脱扣转速 3060% n4-空载转速,68,二、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振(首先第一级)。 防喘方法： （1）在压气机第一级加装可转导叶 通过减小叶片的安装角来减小通流面积 ，使喘振边界向小流量方向移动。 （2）在压气机中间级放气 在压气机低压级后安装放气阀；起动时打开，减少压气机高压级和涡轮的流量 ，而相应增加了低压级流量。,69,加速（逐步加速）,减速（逐步减速）,可转导叶安装角减小后，喘振边界线。,燃料突然加入过多，易导致喘振。,燃料突然减少过多，易导致熄火。,平衡运行线,单轴变速机组 （或分轴的燃气发生器）,还可能超温。,暂时热应力。,70,单轴变速燃气轮机 加速和减速过程,加速快,减速快,图6-38,图6-3