GE重型燃气轮机的性能及参数 Frank JBrooks GE动力系统集团Word文件下载.docx
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PG5371（RA）
26300
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909
487
25800
12730
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910
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PG9351（FA）
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250200
9823
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1129
609
G=天然气，D=轻柴油
表2
机械驱动燃气轮机的额定值
hp
kw
btu/hph
kj/kWh
lb/h
degF
degC
M3142（J）
15140
11290
9500
13440
421600
191230
1008
M3142R（J）
14520
10830
7390
10450
698
370
M5261（RA）
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19690
9380
13270
740400
335840
988
531
M5382（C）
38000
28340
8700
12310
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516
M5352R（C）
35600
26550
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693
367
M6551（B）
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37750
7870
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1052000
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1017
547
M7121（EA）
109260
81480
7790
11020
2226000
1009690
1016
在表1和表2中，对于每种重型燃机，标有相应的型号标记。
其含义见图1。
本文将讨论有关燃气轮机运行的一些热力学基本原理，并且对影响其运行性能的一些因素予以解析。
热力学原理
图2所示为单轴、简单循环的燃气轮机原理图。
在周围环境条件下，空气于点1处进入轴流式压缩机。
因为这些条件因时因地而异，为了便于比较，特假定一些标准的条件。
燃机业界所采用的假定标准工况况通常为：
59°
F／15°
C，14.7psia／1．013巴及60％的相对湿度，它是国际标准协会（ISO）所规定的，常被表述为ISO条件。
空气在点1处进入压缩机后以恒温被加压至较高压力。
但压缩使空气温度升高。
故由压缩机排出的空气，其温度和压力都将被提高。
空气离开压缩机之后，在点2处进入燃烧系统。
在那里，燃料被喷入并燃烧。
燃烧过程基本处于恒压状态。
虽在一次燃烧内局部达到了高温（接近理想条件），但因燃烧室内所发生的混合、燃烧、稀释及冷却等过程使燃烧混合物在离开燃烧室后于点3处进入透平时，其温度为混合后的平均值。
在透平内，燃气的热能被转而作功。
其过程实际上依以下二个步骤进行：
在透平的喷嘴处，热气膨胀，一部分热能转化成为动能。
在后续的透平动叶上，一部分动力作用至转动的叶片并作功。
透平所作功的一部分，被用于驱动压缩机。
而其余部分则是燃气轮机通过法兰输出的有用功。
一般情况下，透平部分产出的功，50％以上用于驱动轴流压气机。
如图2中所示，单轴的燃气轮机是由一根整体轴贯通其首尾。
回此，前后各级均以相同的速度运转。
这类机组一般用于驱动发电机等速度变化不大的负荷。
简单循环的双轴燃气轮机的原理图，如图3所示。
其低压动力透平转子是同高压透平和压缩机转子机械地分开的。
这一结构具备极优的变速特点，使动力透平可以在一定范围的速度下运行。
因此双轴燃气轮机更适用于需要变速的负荷。
因为其高压透平所作的功用于供应压气机所需的全部能量，所以，动力透平的全部作功，便都可用于驱动负荷。
因为负荷设备是与高压透平机械地分开的，所以燃气轮机的负荷系统对起动的要求就降低了。
Brayton循环
燃气轮机运行所依循的热力循环，被称为Brayton循环。
这种循环的典型的压力一容积（PV）图和哈一熵（TS）图，见图4。
图中的标号与图2的一致。
1至2的路线，表示在压缩机中的压缩过程；
2至3，表示在燃烧系统中恒压加热；
3至4的路线，表示在透平中发生的膨胀过程。
在这个循环图中，从4回到1的路线，表示恒压冷却过程。
在燃气轮机中，这项冷却是在大气中实现的。
它在点1处提供新鲜的冷空气，在连续运行中，与点4处排到大气中的热气作交换。
实际的循环是“开放”而非“闭合”的。
每个Brayton循环的特性，都可用二个重要参数表达：
即压力比和燃烧温度。
循环的压力比，是用位于2点之处的压力（压气机出口压力）除以点1处的压力（压气机人口压力）。
在理想的循环中，这个压力比也等于点3处的压力除以点4的压力。
但是，在实际的循环中，燃烧系统中总有少量的压力损失。
回此，点3处的压力应当略低于点2处的压力。
燃烧温度是另一个重要的参数。
它是指循环中所达到的最高温吱。
GE将燃烧温度定义为：
在1级喷咀后缘平面处的流质流量的平均总温度。
在1级透平喷咀不带冷却的燃气轮机中（其中，空气在冷却喷咀之后，进入热气的气流），紧靠喷咀下游的总温度等于紧靠喷咀上游的总温度。
而进行透平喷咀冷却之后，这些冷空气同膨胀后通过喷咀的热气混合。
GE采用这个定义，是因为这个温度是图4中点3所表示的循环温度。
确定燃烧温度的另一个方法，是根据ISO文件2314“燃气轮机一验收试验”中所定义的。
这样的燃烧温度是一个参考性的透个人口温度，一般不是燃气轮机循环中存在的一个温度；
使用的是在现场试验中得到的参数，从燃烧系统的热平衡计算而得。
这个ISO参考性温度总是低于GE所定义的实际燃烧温度，对于使用压气机中间抽气进行内部冷却（将燃烧器旁路）的燃机，其温度常低于100°
F/38°
C或更多。
在图5说明了这些不同的温度是如何被定义的。
热力学分析
传统的热力学允许使用压力、温度、比热、效率因数和绝热压缩指数等参数来评价Brayton循环。
如果对Brayton循环运用这种分析，所得结果可以图示为循环效率相对应于循环的单位功率。
图6所示是在不同的燃烧温度及压力比条件下出力和效率的关系。
单位气流的相应出力是一重要的衡量指标。
因为这个数值越大，相同的功率输出所需要的燃气轮机越小。
热效率有很大的重要性，因为它直接影响运行的燃料费用。
图6指出了许多重要之处。
在简单循环的应用中（上部的曲线），提高压比意味着燃烧温度一定时，效率方向将有所提高。
压比引起随燃烧温度的最大效率变化和最大的出力。
且压比越大，从提高燃烧温度所得到的效益也越大。
此外，燃烧温度的提高，在给定的压力比下，可使功率增大，但同时，效率则受影响。
在联合循环应用当中（图6中底部的图），压比提高对效率的影响则没有那么显著。
还要指出的是，随压比的增大，单位功率反而降低。
燃烧温度的提高，使得热效率提高。
要注意这二条曲线的斜率差别颇大。
由此可见，简单循环和联合循环的最佳循环参数是不相同的。
简单循环的效率，是通过高压比来实现的。
而联合循环的效率，则是由较低的压比及较高的燃烧温度所取得。
例如，MS7001FA的设计参数是2400°
F/1316°
C燃烧温度和15：
1的压比；
虽其简单循环的效率非最优，但联合循环的效率则位于顶点。
后者正是设计所预期的用途。
联合循环
典型的简单循环的燃气轮机可将输入燃料的30％至40％能量转化为轴出力。
其余。
除了1％到2％之外，则都成为排出的余热。
联合循环通常是定义为：
一台或多台燃气轮机在排气中配置回收余热的蒸汽发生器用于产生蒸汽供给汽轮发电机用，成提供工艺用热，或二者兼备。
图7所示的是最简单形式的联合循环。
对燃气轮机接受的热输入的高度利用，可以通过一些比较复杂的热回收循环而实现，包括多压力锅炉，抽气式或前置的透平，以及避免蒸汽流入凝气器，以保存潜热含量等等。
利用供电和供热的结合，实现高于80％的燃料利用率己不再罕见。
使用比较先进的燃气轮机，单纯用于发电的联合循环装置，其热效率是约在50％至60％的范围内。
在GE参考文献中，有关联合循环的应用的文章有GER一3574F，“GE联合循环产品及性能”；
GER一3767，“单轴联合循环发电系统”；
和GER一3430F，“热电联产应用的考虑”。
影响燃气轮机性能的国素
空气温度
由于燃气轮机吸入周围环境的空气。
因此影响进入压缩机空气的质量流量的任何因素都可以改变它的性能。
最明显的是从95°
C和14.7Psia/1.013巴的参考条件的改变。
从图8中可看出周围环境温度是如何影响出力、热耗率、耗热量及排气流量（以单轴MS7001型为例）的。
每种机型都有它自己的温度影响曲线。
它受循环流质的参数和部件的效率，以及空气的质量流量限制。
厂址海拔高度的影响
对于海拔或者说表压对于燃机出力的影响是显而易见的。
密度较小的空气，使空气流量及输出成比例地减小；
热耗率和其它循环参数不受影响。
图9为标准的海拔高度校正曲线。
湿度
类似地，比干空气密度小的湿空气，k会影响出力和热耗率，如图10中所示。
过去，这一影响被认为大小而忽略不计。
但是，随着燃气轮机功率的增大，并且在NOx控制中利用空气湿度取代部分注水或蒸汽的注入量，这个影响便较为显著了。
应当指出，这一湿度影响是对GE重型燃气轮机上使用的燃烧温度的控制系统近似计算所得。
对于单轴燃机而言，透平排气温度受其压气机出口压力影响。
而因湿度因素比压气机进口温度对空气密度的影响小，所以湿度增加将导致燃机出力下降。
因此控制系统是以进气温度作为函数进行整定的。
而航空衍生型燃机则正相反。
因其控制系统采用相对独上的压气机系统排放温度进行整定。
而该压气系统与动力透平可分别以不同速度旋转，为了将潮湿空气加热到允许温度必须增加燃料供应，从而提高出力。
增加燃料的结果，将增加压气机转速，亦补偿了空气密度损失。
进气及排烟损失
在燃机入口或余热回收装置中安装滤气、消音、蒸发式及其它形式的冷却器将会引起系统回路的压力损失。
这些压力损失的影响因设计不同而各异。
图11给出了其作用于MS7001EA的影响。
它对于按比例缩、放的同系列E技术燃机（MS6001B，7001EA，9001E）等亦具代表件。
燃料的种类k会对性能产生影响。
表1及表2表明：
燃用天然气要比燃用轻柴油增加将近2％的出力。
这是因为天然气的燃烧产物中有较高的比热。
其原因在于氢／炭比较高的甲烷可产生较多的水蒸汽含量。
燃用热值低十大然气的气体燃料，对出力有显著影响。
为了提供所需要的热量输入，燃料的热值较低时，就必须加大流量（图12）。
质量流量的这一增加，不经过压气机加压，却能提高透平和轴输出。
而压气机的功率基本上不变。
在燃用低热值的燃料时，必须考虑的几个副作用是：
∙透平流量增大，将使压气机的压比提高，从而影响压气机喘振限值。
∙较高的透平功率可能超过故障力矩限值。
在许多情况下，可能需要更大的发电机和其它附属设备。
∙燃料的体积大，要加大燃料管道及阀的尺寸（从而增加费用）。
低或中等BTU的煤气，经常以高温供应，因而其流量进一步增加。
∙较低BTU的气体，在供至燃机入口前。
常含有大量水份。
这增加了燃烧物质的导热系数，从而增加透平中的金属温度。
∙随着BTU值的降低，烧料所需要的空气增多。
燃烧温度较高的燃机，燃用低BTU的气体将有困难。
∙大多数吹气式气化器，使用燃气轮机压气机抽气进行工作。
∙对抽气能力，需结合热力及材料平衡予以整体评价。
针对上述影响，每种机型需对其流量、温度及轴出力等方面作相应的应用规定，以保证其设计寿命。
在燃用低热值燃料时，大多数情况下可假设其出力及效率等于或高于使用天然气时的情况。
在使用石油精炼气之类发热量较高的燃料时，出力及效率则可能等于或低于使用天然气时得到之值。
稀释剂的注入
自70年代前期起，GE已开始使用注水或注蒸汽法控制NOx排放，以符合当地施行的州和联邦的规定。
这是通过在火焰筒套管前端或顶盖部位注入让水或蒸汽来实现的。
为了保护燃烧系统和透平部分，每种机型以及火焰简，对水或蒸汽的注入量都有所限制。
所需注入的水或蒸汽量取决于要求达到的N0x水平。
增加的流量亦将提高燃机出力。
蒸汽注入对MS7001EA型出力及热耗率的影响，如图13所示。
这些曲线是假设所注入的蒸汽不参予燃气轮机作功循环的基础上的，因此，热耗率有所改善。
因为将水提高到燃烧条件，所用燃料要比蒸汽提高到燃烧条件时多，故注水不能改善热耗率。
抽气
在有些燃机应用中，可能需要从压缩机中抽出空气。
一般而言，倘不对机壳及基座上管道进行改造，从压气机排汽缸抽取的气量可达5％。
压力和空气温度将取决于机器的种类和现场的条件。
在对机壳、管道及控制进行一定程度的改造后，则有可能做到6％至20％的抽气量，诚然，这取决于燃机及燃烧器本身的构造。
若要做到20％以上的抽气量，将需要对透平汽缸和机组的结构进行较大规模的改造。
空气抽出量对出力和热耗率的影响，如图14所示。
作为经验公式：
每l％的抽气量要导致2％的功率损失。
性能的提高
一般而言，人们无法对影响燃气轮机性能的某些因素进行控制，因其大多受规划中的厂址及电厂布置（如单循环或联合循环等）所决定。
在需要额外的出力的情况下，有以下几种提高性能的可能性可加以考虑：
入口冷却
环境温度影响曲线（图8）清楚地表明，降低压气机人口温度，可使透平的出力和热耗率有所改善。
降低入口温度的方法，可以是在入口过滤器下游侧的入口通道中安装蒸发冷却器或其它方式的冷却装置。
采用这些方法必须慎重，因为水份穿越或凝结可加重压气机的负荷并使其性能受到影响。
通常这类系统后面要有水分分离器或收集垫，以减少湿气穿越的可能性。
如图15所示，在炎热干燥气候地区，蒸发冷却可获益最大。
应当指出，由图15可知，因为要防止压气机结冰，蒸发冷却法仅限于在59°
C或更高的环境温度情况下使用。
图15中所给出的资料，是基于冷却效用为85％的蒸发冷却器进行假设的。
冷却效果是衡量冷却器出口温度接近周围环境湿球温度的程度的一个尺度。
在大多数情况下，冷却效果为85％或90％的冷却器能提供最大的经济效益。
和蒸发冷却器不同，独立致冷源不受环境的湿球温度的限制。
可以实现的温度只受冷源产生致冷剂的能力和换热盘管传热能力的限制。
冷却最初遵循一条恒定比湿度线（图16）。
随着趋近饱和，水份开始从空气中凝结，因而要使用除雾器。
随之进一步的热传导，使凝结水和空气冷却，又引起更大量的凝结。
由于水的蒸发热相当大，因此在这种方式下大部分冷却用的能量是消耗在凝结上，而用于降低温度的部分很少。
为加大功窜而注入蒸汽及水
为了消除N0x而在燃烧器的首端喷入蒸汽或水，使之总流量加大，从而加大出力。
为了尽量降低运行费用和其对检修间隔的影响，所加的水量一般仅限于满足降低N0x所需的水量。
在GE燃气轮机上喷人蒸汽以提高功率，作为一种可选方案，已有30年以上的运行实例。
当为加大功率而喷入蒸汽时，可以从燃气轮机的压缩机排气缸处喷入，或从火焰筒处送入。
它对出力和热耗率的影响，与图13中所示相同。
GE燃气轮机的设计，考虑到向燃烧器及压缩机排出气喷入蒸汽量可高达压缩机空气流量的5％。
蒸汽必须有50°
F／28°
C过热，并且其压力是同燃料气的压力可比的。
当为加大功率而使用蒸汽或水时，控制系统通常是设计为，在机器达到基本（满）负荷之前，只能送人消除NOx所需之量。
达到该点后，可以经过调节阀控制，而进入额外的蒸汽或水。
调峰出力
表1中所列的性能数值，是基本负荷额定值。
ANSIB1336“额定值及性能”将基本负荷定义为每年运行8,000小时和每次起动运行800小时。
它还将尖峰负荷定义为：
每年运行1,250小时，和每次起动运行5小时。
应当注意到，较短的运行小时数，有可能通过提高燃烧温度而产出更大的出力。
这种运行方式带来的不利影响是检修间隔缩短。
虽然如此，将MS5001，MS6001或MS7001在峰值出力时候运转，可能是不必增加外围设备就能得到更多出力的一个有经济效益的方法。
配用燃气轮机的发电机，同样地可通过运行于较高的功率因数或温升下而取得峰值出力。
峰值循环出力，是在考虑起动和运行小时数的情况下，对透平的工作专门规定的出力。
为了保持在透平的热通道的检修间隔限值内，尽量加大透平出力，基荷和峰荷之间的燃烧温度可以选择。
例如，按照定义。
7EA用气体燃料，在基本负荷条件下，可以运行24,000小时。
热通道检修间隔的起动限值是800次。
对于每次起动5小时的调峰循环，热通道检修间隔是4,000小时，相当于在峰值负荷燃烧温度下运行。
当透平的工作任务是每次起动5小时和每次起动800小时之间时，在不损失热部位检修的小时数的条件下，燃烧温度可以提高到超过基荷值，但要低于负荷值。
为了进一步加大出力，为提高功率而注入的水量，可以在计入峰值循环出力时，乘上因数。
性能的降低
一切透平类机器的性能，都会随使用年限的增加而有所降低。
燃气轮机的性能降低，可以分为可挽回的和不可挽回的两种。
可挽回的损失，常是和压缩机污染有关，可以通过水洗而部分的恢复，或者将机组拆开，对压缩机叶片进行机械清洗而更彻底地纠正。
不可挽回的损失，主要是由于透平的压缩间隙加大，以及表面精加工和叶片轮廓的改变。
因为这类性能损失是因部件效率降低所造成的，不能通过运行工作程序、外部维修或清洗压缩机而予以恢复，叫只能在所建议的检查期间，更换受影响的零件。
因为条件所限，而较难获取前后一致的、有效的现场数据，从而难以将性能的降低予以量化。
取自不同厂址的数据的相互关系则受很多变量的影响，例如，运行模式、空气中的污染物、湿度、燃料、以及用于NOx的稀释剂注入量。
另一个问题是，试验仪器和进行方法大不相同，常有大的差异。
典型情况是：
在第一个24,000小时运行期间（关于热气通道检查正常推荐的间隔），校正到保证条件时，按性能试验测量值得出的性能降低之值是2％至6％。
这是假设降质的零件没有更换时的情况。
如果进行了吏换，则预期的性能降低值是1％到1.5％。
近来的现场经验表明：
经常的离线水洗，不但对降低可挽回的损失有效，而且可以降低不可挽回的损失的速度。
从数据中可以得出的一个总概念是：
位于气候干热处的机器比位于气候潮湿处的机器的质量下降情况轻。
验证燃气轮机的性能
一旦将燃气轮机安装好，常需进行性能试验，以确定电厂的性能。
应当记录下功率、燃料、耗热量和足够的证实数据，以便能将试验得出的性能，校正于保证的条件。
这项试验，最好是在机组处于新而清洁的状态时，尽快地执行。
通常，点火运行不足100小时数的机器，被认为是处于新而清洁的状念。
试验程序和计算方法，是应用ASME性能试验标准PTC一22一1985，“燃气轮机电厂”中所述的原则。
在试验之前，对用于收集主要数据的全部仪表，必须加以检查和校正。
试验要有足够多的取样点，以确保试验方案的真实性。
每个试验点应当包括在运行于基荷的条件下，在30分种的时间内读取的最少4整套读数。
按照ASMEPTC一2一1995的规定，在试验之前，有关各方要就将试验结果校正到保证条件的方法和测量的不确定性，取得共识。
小结
本文简述了单轴和双轴的燃气轮机的热力学理论，并且讨论了GE提供的几种型式的燃气轮机的循环特性。
给出了各类产品的额定值，讨论了影响性能的因素以及提高燃气轮机出力的方法。
为工业、电业和热电联产用户服务的GE重型燃气轮饥，具有持久的性能。
其可靠性经过历史验证。
GE承诺为其用户提供最新的设备设计及产品，以满足对高效率的功率需求。
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