支撐板構型提升燃氣輪機排氣擴壓器氣動性能的研究分析

支撐板構型提升燃氣輪機排氣擴壓器氣動性能的研究

Summary：在燃氣輪機循環(huán)效率提升、透平前溫升高以及污染物排放指標日趨嚴格的發(fā)展背景下，煙氣再循環(huán)技術受到研究機構與廠商越來越多的關注。受限于當前低NOx燃燒器的有效工作溫度區(qū)間，J級燃氣輪機的NOx排放問題需要采用其他新型低NOx燃燒技術加以解決，EGR技術即其中一種。EGR通過將一部分透平或余熱鍋爐的煙氣與壓氣機進氣空氣混合，來稀釋空氣中的O2，使燃燒速度降低，減少局部火焰高溫現(xiàn)象，從而抑制熱力型NOx的生成。由于這一特性，EGR被視為下一代燃氣輪機的研發(fā)儲備技術。Keys：燃氣輪機；排氣擴壓器；支撐板；氣動性能引言隨著技術的創(chuàng)新與發(fā)展，燃氣輪機得到了更加廣泛的應用，在國內外發(fā)電行業(yè)中展現(xiàn)了良好的作用，為了保證燃氣輪機運行的穩(wěn)定，則需要做好定期維修，及時發(fā)現(xiàn)設備運行問題。當前，供電用電質量得到了越來越多人的關注，這也就對電廠運行與質量提出了更高要求。當前，燃氣輪機工作壓力大，設備負荷重，運行過程中溫度高，處理不當就會出現(xiàn)問題，影響到設備的穩(wěn)定性，只有全面解決好高速轉動機械的故障問題，才能保證供電用電質量。在此條件下除了日常的必要檢測，還需要科學的維護，以此，全面保證機組良好穩(wěn)定運行。1燃氣輪機概述對于燃氣輪機而言，其屬于旋轉式動力機械，主要是把連續(xù)性流動的氣體作為相應的工質，完成熱能至機械能的轉化。就空氣及燃氣的相應流程而言，只是存在燃氣透平、燃燒室及其壓機幾個相關部件組成的相應燃氣輪機循環(huán)，我們將其稱作簡單循環(huán)，很多的燃氣輪機都是采用這樣的工作模式。這主要是由于這種循環(huán)模式結構比較簡單，同時可以使燃氣輪機獨特的重量較小、啟動快速、體積較小、少用或是不用冷水等眾多方面的優(yōu)勢得以充分展現(xiàn)。2系統(tǒng)建模典型的EGR設計方案如圖1所示，從余熱鍋爐排煙引入再循環(huán)煙氣，與空氣混合送入壓氣機。本文采用IPSEpro平臺，按照該設計方案，建立聯(lián)合循環(huán)機組熱力模型進行計算和分析。在余熱鍋爐排煙出口添加循環(huán)回路，按設定比例使煙氣進入循環(huán)回路，與壓氣機進口空氣等壓混合后進入壓氣機。模型部分架構如圖2所示。燃氣輪機模型型號為AE94．3A，設計點參數(shù)如表1所示，冷卻抽氣采用ISO2314標準方法進行折算和簡化。汽水側為三壓再熱循環(huán)，高壓缸模塊按單級組處理，中低壓缸分別按兩級組處理，低壓缸末級排汽損失通過末級損失模型模擬。模型計算的相關設定及假設前提包括:1)大氣環(huán)境為ISO工況;2)天然氣組分為100%CH4，氣源壓力3MPa，溫度15℃，預熱至120℃;3)EGR率定義為煙氣循環(huán)回路流量與余熱鍋爐總流量之比;4)余熱鍋爐排煙壓力與環(huán)境壓力相等，且忽略煙氣循環(huán)回路壓損及風機耗功;5)以機組設計點負荷為基準計算負荷率，將其定義為機組負荷與設計點負荷之比;6)從基本負荷工況降低負荷的控制策略為，先關小IGV或增大EGR率，維持定TETC運行，IGV關至最小開度后，以等IGV開度運行;7)主蒸汽、再熱蒸汽溫度上限為565℃;8)汽輪機在主蒸汽壓力7．5MPa以上時采用滑壓運行，主蒸汽壓力降至7．5MPa后采用定壓運行。圖1典型EGR設計方案圖2計算模型表1AE94．3A燃氣輪機設計點參數(shù)2支撐板構型圖3給出了三種不同形狀的支撐板結構示意圖，其中結構A為原始結構，是一種常用的典型支撐板結構，結構B支撐板的葉型中線具有一定的彎度（m）。結構A和結構B均為直列支撐板，結構A采用了NACA0015葉型曲線，結構B采用了NACA9315葉型曲線，其葉型型線前緣的構造角約為30度。結構C支撐板在輪轂壁面的型線與結構B相同，在外殼體壁面的型線則與結構A相同，型線由內輪轂至外殼體平滑漸變，形成三維彎扭構型支撐板。支撐板前緣線垂直于內輪轂壁面，在輪轂壁面型線的前緣點和尾緣點分別和外殼體壁面型線的前緣點和尾緣點重合。三種支撐板具有相同的最大厚度和軸向弦長。圖3支撐板三維圖和型線3結論分析3.1聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷性能特性聯(lián)合循環(huán)機組的熱力循環(huán)系統(tǒng)是燃氣輪機的布雷頓循環(huán)和汽水系統(tǒng)的朗肯循環(huán)結合在一起的復雜循環(huán)系統(tǒng)。燃料在燃氣輪機內做功，輸出機械功，透平排出乏氣，透平排氣作為熱源帶動汽水系統(tǒng)做功，汽輪機輸出的機械功受透平排氣參數(shù)的影響。燃氣輪機的出力和熱耗率易受外界運行條件的影響，如氣象條件(氣溫、氣壓和相對濕度)、燃料成分、透平轉速等。隨著氣溫升高，出力和熱耗顯現(xiàn)相反的變化趨勢。3.2排氣蝸殼與軸流渦輪流動相互作用早期對于排氣蝸殼流動機理與氣動性能的研究都是在沒有考慮上游末級渦輪影響的情況下進行的。但是隨著相關研究逐漸深入，研究人員發(fā)現(xiàn)排氣蝸殼與末級渦輪之間存在流動的相互作用，而這種相互作用對于渦輪和排氣蝸殼的性能都有很大影響。對此進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)在有無上游渦輪出口條件的情況下，排汽蝸殼內部的流動狀態(tài)和性能有很大差別。末級渦輪的出口條件對排氣蝸殼的性能有很大影響。反之，排氣蝸殼的流場又會影響渦輪機的性能乃至渦輪葉片的運行安全。3.3燃氣輪機排氣熱電偶故障保護燃氣輪機溫度測量得準確性和完好性將直接影響燃氣輪機的效率和安全性能，一旦測量失靈，控制系統(tǒng)將保護停機。熱電偶傳感器測量值故障邏輯包括:1)掃描兩次輸入值間過高變化率;2)檢測超高限值并考慮臨近健康的溫度值;3)啟動前和點火前地限值檢查;4)處理器層面故障檢查。當燃氣輪機處于點火至升速到額度轉速的變工況過程中，考慮燃燒工況變化劇烈，為避免不必要的保護誤動，該保護處于退出狀態(tài)。3.4軸流渦輪與排氣蝸殼的非定常相互作用耦合以上關于排氣蝸殼與渦輪相互作用的研究大都是基于定常流動假設進行的，然而軸流渦輪及非軸對稱排氣蝸殼內的流動實質上都是非定常的。關于渦輪內部的非定常流動研究一直受到了高度重視，并且隨著計算機技術的不斷進步相關研究也一直在更深入地進行。但是目前針對排氣蝸殼與末級渦輪級之間相互作用的非定常研究只有極少數(shù)文獻涉及，而要設計高效的排氣擴壓器和動力渦輪，就必須考慮這種特殊的非定常相互作用。結束語綜上所述，燃氣輪機的穩(wěn)定性是十分關鍵的。燃氣輪機是一種具有較強應用性的設備，在眾多領域中都發(fā)揮著重要性作用，但燃氣輪機相關故障問題同樣是不容忽視的。實際工作中，應采取相關故障診斷技術，第一時間發(fā)現(xiàn)故障問題，探尋更加可靠的故障處理辦法，從而使燃汽輪機具有更長的使用年限。Reference[1]李浩冬,劉永葆,賀星,李洪松.微型燃氣輪機自動啟動控制策略設計[J].熱力透平,2019,48(04):308-314+318.[2]胡虎虎.SGT6-5000F燃氣輪機運行過程中葉片通道溫度偏差異常的分析與處理[J].科技資訊,2019,17(34):89-90.[3]邢通,宋江濤,張繼承,楊帥.天然氣管道壓縮機余熱利用設計淺析[J].石油規(guī)劃設計,2019,30(06):2