燃氣輪機的聯(lián)合運行線族

燃氣輪機的聯(lián)合運行線族燃氣輪機的聯(lián)合運行線族在第3、第4和第5章中，我們已經(jīng)分別討論過壓氣機、燃燒室和燃氣透平的變工況特性以及這些部件變工性能的表示方法。而燃氣輪機的工作點以及它所表示的性能，則是壓氣機、燃燒室和燃氣透平這三大部件協(xié)同工作時聯(lián)合運行結果的具體反映。那么，這三大部件的聯(lián)合運行點究竟怎樣表示呢？目前用于發(fā)電目的燃氣輪機大都是如圖2-3所示那樣的單軸簡單循環(huán)方式的燃氣輪機，我們就擬以此為例。圖6-1是某臺12000hp的單軸簡單循環(huán)燃氣輪機的通用聯(lián)合運行線族圖，平衡運行點的參數(shù)應該滿足以下三個條件，即：(1)在任何一個工況下，透平的轉(zhuǎn)速nt必須與壓氣機的轉(zhuǎn)速ny彼此相等，并維持恒定不變；(2)在任何一個工況下，壓氣機的壓縮比ε*與透平的膨脹比δ*之間，必須滿足δ*=ξyξrξyε的關系；(3)在任何一個工況下，由壓氣機和燃燒室供給燃氣透平的折合流量，必須與透平所能允許通過的折合流量彼此相等，式中是透平的冷卻和泄漏的空氣量，Mf是噴入燃燒室的燃燒量。圖6-1某臺12000hp的當軸簡單循環(huán)燃氣輪機的通用聯(lián)合運行線族圖(1hp=745.7W)在圖6-2中給出了這臺12000hp燃氣輪機的壓氣機和燃氣透平的通用特性曲線。a)壓氣機的通用特性曲線b)燃氣透平的通用特性曲線圖6-2已知的壓氣機和燃氣透平的通用特性曲由于機組用來拖動恒速發(fā)電負荷，因而在變工況條件下，壓氣機的運行點必定只能沿著常數(shù)的那條等折合轉(zhuǎn)速線移動。假如在某個負荷工況下，壓氣機是在圖6-2a中的運行點1上工作，那么，在運行點1上必定會有一個完全確定的燃氣初溫比與之相對應，當然，在這個運行點上壓氣機的工作參數(shù)：壓縮比ε*1、折合流量和效率η*y1，必定也是一個完全確定的數(shù)值。顯然，為了保證壓氣機能夠穩(wěn)定地在運行點1工作，燃氣的初溫比τ1必須從壓氣機和燃氣透平的特性曲線上，根據(jù)以上三個必須滿足的參數(shù)條件來加以確定，即：我們可以先假定一個初溫T*3，根據(jù)δ*1=ξyξrξyε*1和兩值，在圖6-2b上確定出相應的值，由此可以求得。進而在壓氣機特性曲線上求得。隨后根據(jù)和燃燒室的變工況曲線求得噴入燃燒室的燃燒量。只有當時，那么，計算起始時所假定的T*3值(也就是τ1)才是正確的，通過反復試算，我們總是可以正確地確定出保證壓氣機能夠穩(wěn)定地在運行點1上工作的T*3或τ1值。這樣，我們就求得了壓氣機穩(wěn)定在工作點1上運行時，燃氣輪機的平衡工況參數(shù)ε*1、η*y1、δ*1、η*t1、ηr、ξ、、，以及機組的功率Pgtl和凈效率ηNc。當然，隨著機組負荷的改變，透平、壓氣機和燃燒室的聯(lián)合運行點必然要發(fā)生相應地變化。由于機組用來拖動恒速發(fā)電負荷。因而隨著負荷的變化，機組的聯(lián)合運行點在壓氣機的通用特性曲線上，將沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線位移。那時，燃氣的初溫比τ就要發(fā)生變化，也就是說，機組的所有運行參數(shù)和特性參數(shù)都會相應地發(fā)生變化。至于這些新的平衡運行工況點的位置，及其運行參數(shù)和特性參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，則可以重復上述步驟求解之。不難理解，重復以上各步驟，我們就能進一步求得：在不同的壓氣機等折合轉(zhuǎn)速線上，使透平、壓氣機和燃燒室達到一系列平衡運行工況時所對應的各個τ值。假如把每條等折合轉(zhuǎn)速線上τ值彼此相同的點聯(lián)成軌跡，那么，就可以在壓氣機的通用特性曲線上，作出如圖6-1那樣的一組τ=常數(shù)的等燃氣初溫曲線族。很明顯，這組τ=常數(shù)的等燃氣初溫曲線族的形狀和位置，與透平通流部分的尺寸有密切關系(透平通流部分尺寸的改變，正意味著透平通用特性曲線的變化)。當透平的通流面積越小時，同一數(shù)值的等τ線就會更加趨近于壓氣機的喘振邊界線。由此可見，我們可以用圖6-1那樣的通用聯(lián)合運行線族，來描寫燃氣輪機的平衡運行工況。在這張曲線族上只要，τ這兩個參數(shù)確定了，那么，該燃氣輪機的運行工況參數(shù)和特性參數(shù)和都完全確定了。此外，我們還可以把圖6-1上各運行工況點所對應的運行工況參數(shù)和特性參數(shù)，改畫成圖6-3那樣的燃氣輪機的變工況特性線網(wǎng)。該圖的橫坐標是機組的轉(zhuǎn)速n；縱坐標是機組的有效輸出功率Pgt；實線t*3=常數(shù)的等溫線；虛線是B=常數(shù)的等燃料消耗量線。由此，利用這張圖我們就可以確定出機組的運行參數(shù)、功率和效率。同時可以獲得這樣一個基本概念，即單軸燃氣輪機的運行工況及其特性參數(shù)(Pgt和ηNc)，應該是機組的轉(zhuǎn)速n和燃氣初溫T*3(或燃料消耗量B)這兩個獨立參變量的函數(shù)。當這兩個參數(shù)確定后，機組的工況點及其一切特性和運行參數(shù)也就完全確定了。下面，讓我們利用圖6-1和圖6-3所示的聯(lián)合運行線族和特性線網(wǎng)，來討論一下單軸簡單循環(huán)的燃氣輪機在拖動恒速發(fā)電機負荷時的變工況特性。圖6-3當大氣參數(shù)恒定時，單軸簡單循環(huán)燃氣輪機的變工況特性線網(wǎng)例如：在圖6-1上我們?nèi)」r點“0”為設計工況點，它的τ=3.66，=292(或=1.0)。那時，能發(fā)出額定功率Pgt0=12000hp，噴入的燃料流量B0=3600=3.5t/h。此后，在大氣壓力和溫度均不變化的前提下，假如由于外界用電情況的變化，致使發(fā)電機的負荷減小了。那么，在噴到燃燒室中去的燃料流量B0尚未發(fā)生變化的時候，燃氣輪機的轉(zhuǎn)速就會逐漸增高。為了確保發(fā)電機的頻率恒定不變，機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)就要起作用，以求減少燃料的噴入量B0。其結果將會導致透平前的燃氣初溫t*30降低，并使機組發(fā)出的凈功率恰好能與新要求的負荷功率相平衡；同時，使機組的轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定到ny=ny0=常數(shù)的水平上去工作。顯然，經(jīng)過這番變動后，機組的運行工況參數(shù)將會發(fā)生如下一些變化：(1)機組對外界發(fā)出的凈功率Pgt0減少了，但是由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用，機組的轉(zhuǎn)速將基本上維持不變；(2)既然機組轉(zhuǎn)速保持不變，鑒于軸流式壓氣機的特性曲線一般都很陡，因而當外界負荷降低時，流經(jīng)機組的空氣流量變化得少，實際上稍有增大的趨勢；(3)既然空氣流量變化很少，而噴到燃燒室中去的燃料流量去減少了，那么，必然會導致透平前的燃氣初溫t*30有相當幅度的降低；(4)既然變化很少，而t*30卻降低了，也就是說，需要流過透平流道的燃氣的體積流量減小了。這對于氣流所施加的阻力減小了。由此可見，這將使壓氣機的壓縮比ε*0相應地有所降低；(5)由于ε*0和t*30的降低，必然將使機組的效率ηNc0有所下降。注：圖中的、、均以設計工況下的B0、ηc0N、Pe0的相對值來表示圖6-4單軸恒速燃氣輪機變工況參數(shù)的變化關系根據(jù)上述變化關系，我們不難從圖6-1上看清：當機組的負荷下降時，壓氣機、透平和燃燒室的聯(lián)合工作點將從“0”點開始，沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線，逐漸朝著空氣的流略有增大，而壓縮比ε*0略有下降的方向移動，最后將穩(wěn)定到一個新的工況點“b”上去工作。那時，整臺燃氣輪機應該在一個完全確定的新的工況參數(shù)——注：圖中的、、均以設計工況下的B0、ηc0N、Pe0的相對值來表示圖6-4單軸恒速燃氣輪機變工況參數(shù)的變化關系當我們重復上述過程而把機組的功率降低到Pgtc=0時，不難推論，整臺燃氣輪機的工況將會沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線，位移到一個新的工況點c上去工作。對于拖動恒速發(fā)電負荷的單軸燃氣輪機來說，燃氣輪機變工況點的軌跡線(人們通稱為“變工況運行線”)就是燃氣輪機通過用聯(lián)合運行線族中的從“0”到“c”的那段等折合轉(zhuǎn)速線。這種燃氣輪機的變工況參數(shù)的變化關系，大體上可以用圖6-4所示的曲線來表示。下面，讓我們進一步分析一下這種機組變工況特性的某些優(yōu)缺點，即：(1)機組的工作穩(wěn)定性是很好的。顯然，只要使設計工況下的運行點位置“0”選得恰當，即：使“0”點離壓氣機的喘振邊界有一定的防喘安全裕度，那么，除了起動工況外，機組在任何負荷工況下，是絕無發(fā)生喘振現(xiàn)象的危險的。(2)由于在整個變負荷范圍內(nèi)空氣流量的變化幅度較小，因而當燃料快速增大到B0設計值時，透平前的機組的加載性是比較可靠的。(3)隨著負荷的下降，機組的效率ηNc有較大幅度的惡化。這是由于在整個負荷變化范圍內(nèi)，空氣流量變化不大，致使透平前燃氣初溫度t*30降低很多，而且壓縮比ε*也有相當幅度下降的緣故。(4)當機組的輸出功率Pgt下降到零時(這個工況一般稱為怠速工況或空載工況)，這種機組所需消耗的空載燃料量Bc必然是很高的，這是由于在怠速工況下空氣流量甚至要比設計工況時的還要大一些的緣故。最后應該指出：圖6-1和圖6-3所示的曲線族還能用來分析單軸燃氣輪機在攜帶其他類型負荷(如Pgt=cn3的不變節(jié)距的螺旋槳負荷)時的變工況特性，讀者可自行分析之。單軸恒速燃氣輪機變工況的實例分析為了加深對于機組變工況性能的了解，下面對機組運行中可能出現(xiàn)的一個變工況實例進行分析。圖6-5單軸恒速燃氣輪機的變工況運行線圖6-5中給出了一臺在使用的6000千瓦單軸恒速燃氣輪機的變工況運行線(當T1*恒定不變時，它就是=常數(shù)的那條等折合轉(zhuǎn)速線)，其中A點表示機組在滿負荷工況下的運行點。當這臺機組在燃燒重油時，由于未對重油中所含的大量鈉鹽進行處理，因而在運行一階段后，在透平葉片的表面上發(fā)生了結垢現(xiàn)象，致使透平的通流面積減小了。假如使這臺機組仍然在額定轉(zhuǎn)速ny0和額定燃氣初溫t30*的情況下運行，機組的工作情況將發(fā)生什么變化？圖6-5單軸恒速燃氣輪機的變工況運行線我們知道，當透平通流部分的面積由于葉片表面的結垢而減小時，必然會引起壓氣機排氣側流動阻力增高，換句話說，在t30*=常數(shù)的情況下，為了使透平的通流部分能夠流過同樣的容積流量，就需要提高壓氣機的出口壓力(也就是使壓比ε*增高)。由此可見，當T1*恒定不變時，壓氣機和透平的平衡運行點A，將沿著=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線，朝著壓比增高的方向發(fā)展，最后會移到B點上去工作。顯然，這將引起流經(jīng)機