燃气轮机的变工况及其实用意义.docx

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1、燃气轮机的变工况及其实用意义由于外界负荷或是外界大气条件的变化，甚至由于透平通流部分结垢的影响，燃气轮机是经常会处于偏离设计工况的条件下工作的。凡是由于各种原因而迫使机组在非设计条件下工作的一切运行工况，统称为机组的变工况。当燃气轮机被用来携带输气管线上的天然气压缩机工作时，也会发生类似的变工况现象。例如随着天然气管线输气量的改变（它相当于外界负荷的变化），机组的Gy、白、B、M乃至机组的功率Pe和转速，都会发生相应的变化,而且当机组转速降低到某一程度时，燃气轮机还有可能出现喘振现象，以致被迫停止工作。但是，对于同一台机组来说，当它所携带的外界负荷特性不同时（例如在携带恒速运行的交流发电机负荷

2、，或是携带转速可以变化的压缩机负荷），在变工况条件下，机组的运行参数和特性的变化规律就各不相同。研究表明，这些变化规律主要于透平、压气机和燃烧室的性能，以及由机组携带的外界负荷所固有的特性有关。这正是本章所要讨论的中心内容。至于机组是如何实现具体变工况特性要求的问题，则是燃气轮机调节系统的任务。那么为什么要研究机组的变工况呢？如前所述，在设计一台燃气轮机时，我们总是需要根据机组的使用条件和技术要求，合理地选择热力循环方案及其在设计工况下的各项特性参数，然后按这些特性参数的要求，分别来设计透平，压气机和燃烧室的具体结构，以保证整台燃气轮机能够达到设计所规定的技术特性指标。但是，任何一台机组总是会

3、在偏离设计工况的条件下工作的，因而，衡量一台机组的工作性能的优劣，不仅要看它在设计工况下的工作性能是好还是坏，而且还必须研究它在变工况条件下的工作性能究竟如何？这样才能对机组的总体功能作出全面评价，并由此确定出机组的合理运行方式。因而，在设计燃气轮机时，必须研究机组的变工况特性问题。在研究燃气轮机变工况性能的好坏时，下面介绍的几项指标可以作为分析比较的出发点。(1)在变工况条件下机组的经济性问题：所谓变工况条件下机组的经济性好，就是希望机组在任何工况下都具有比较高的热效率。例如一台额定功率为20000千瓦的单轴燃气轮机，在标准工况下的热效率为28%,这就是说当这台机组在满负荷工况下运行时，每小

4、时要燃烧柴油5.96吨。那么当机组的负荷降低到IOoOO千瓦时，要烧多少柴油呢？如果在变工况条件下，这台机组的热效率能够维持不变，显然，只需烧2.98吨柴油就够了。实际上，这些油量是远远不够的，通常需要燃烧354.0吨柴油才行。因为当机组在低于设计工况的情况下运行时，透平前的燃气初温七要比额定设计值低，而且透平，压气机、燃烧室等部件都不能在自身效率较高的设计点上工作，因而在低负荷工况下，机组的热效率必然会有所下降。一般来说，燃气轮机在低负荷工况下的热效率总是要比设计工况下的热效率低。只有在采取适当措施后，才有可能使机组的热效率小随负荷功率Pe的下降而降低得尽量平缓一些而已。在本章中，我们将对各

5、种燃气轮机方案的变工况性能进行分析和比较。那时将发现：为了使机组在变工况条件下，能够具有比较平坦的热效率随功率而变化的关系曲线e=f(Pe),往往需要使燃气轮机在热力循环方案上；在单轴、分轴、双轴或三轴等轴式布置关系上，趋于复杂化。因此，对于机组在变工况条件下的经济性要求问题，必须根据机组的使用特点进行具体分析。(2)在变工况条件下机组的稳定性问题：我们知道，当压气机的运行条件远离设计工况时，由于气流的流动方向偏离叶片的几何进气角，而有可能产生过大的正冲角，以致会使压气机进入喘振工况。这时，压气机的压力和流量都会发生较大幅度的波动，甚至会使机组产生强烈振动而遭破坏。因而，使压气机在喘振工况下运

6、行是绝对不能允许的。通常，燃气轮机是能够在设计工况下，或是在某些工况下不发生喘振而稳定地工作的。但是当机组转速下降到某一程度后，或是在机组的启动过程中，由于压气机级内气流工作的不协调性，却会使压气机进入喘振工况，从而导致整台机组失去稳定工作的能力。因而，在研究燃气轮机的变工况性能时，我们必须通过分析和试验，弄清楚机组稳定工作的范围，以便确定正确的运行方式，并采取必要的措施，以求扩大机组的稳定工作范围。当然，一台设计良好的机组应该力争在整个运行范围内，都能避免进入喘振工况而使启动失败，此即所谓热挂现象。那时，机组的转速已不能随喷油量的增加而继续上升，最后将导致机组发生超温故障而被迫中断启动。因而

7、研究机组在变工况条件下的工作稳定性问题，对于探讨机组的启动工况也是有很大作用的。(3)在变工况条件下机组的加载性问题：对于负荷工况经常发生迅速变动的机组来说(例如机车燃气轮机)，我们还必须通过变工况分析，来考虑和比较机组的加载性问题。所谓加载性好，就是指机组发出的功率能够及时地适应外界负荷迅速变化的需要。这个特性对于运输式机组来说，是十分重要的。例如一台燃气轮机机车，原先在没有坡度的线路上运行，后来遇到了长大坡道，是否可以尽快地多加燃料，力图使机组能够迅速地发出最大功率，以适应外界阻力矩突然增大的需要呢？实际上，这一点并不是所有燃气轮机方案都能做到的。这是为什么呢？我们可以设想，在某些变转速的

8、燃气轮机中，当它在低负荷工况下运行时，压气机的转速比较低，从压气机的特性曲线上可以看出，那时，被压气机吸入、压缩和输送到燃烧室中去的空气流量就很少，当急需加大功率，需要向燃烧室多喷燃料时，由于燃气轮机转子的惯性影响，转子的转速却不可能迅速地立即增加上去，也就是说，空气流量不能立即增加上去，这样就不能允许在燃烧室中喷入更多的燃料，否则就会使机组发生超温事故，而把透平叶片烧坏，或是使压气机进入喘振工况。所以，对于这种机组来说，我们只能按照压气机转速的增升程度，逐渐地增加喷油量。很明显，这种机组对于外界负荷的适应性就比较差，或者说这种机组的加载性能比较坏。当然，影响加载性能的因素是很复杂的。除了上述

9、气动原因之外，还有热应力影响的问题。对于重型结构的燃器轮机来说，加载性能主要取决于热应力这个因素。在这种机组中，即使在突然增加负荷时，还不至于发生超温和喘振现象,但也不能猛增喷油量使燃气温度骤然增高，否则就会在机组的受热部件中产生很大的热应力，以致影响到整台机组的工作寿命。因而，机组的加载性能也是研究燃气轮机变工况特性的一项重要的技术指标。(4)在大气参数变化时，机组功率和热效率的变化程度：在燃气轮机热力循环的计算中我们已经知道，机组的功率和热效率都是在某个预先选定的大气温度和大气压力的条件下计算求得的。当机组被迁移到高温地区或是高海拔地区工作时，机组的功率就会发生相当程度的变化。不同的燃气轮机，对于感受外界大气条件变化的敏感程度是不同的。显然,这个特性也是反映燃气轮机变工况特性好坏的一个技术指标。综合起来说，通过对上述四个指标的分析和比较，我们能够对一台燃气轮机的性能作出比较全面的评价。