提高燃氣輪機出力和效率的穩(wěn)妥設計方法

付玥， 張懷翼（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引言

通過更換燃氣輪機配置中的某些硬件實現(xiàn)升級改造，并由此進一步改進了機組的出力和熱耗。該電站正在繼續(xù)對升級改造后的最新燃燒室技術進行驗證試驗，該技術可使燃氣輪機的NOx排放量分別降低到15×10-6和9×10-6。

在原有的燃氣輪機上進行了下列硬件的改進。

1）采用了蒸汽冷卻葉片持環(huán)，用于啟動和穩(wěn)態(tài)運行時控制葉頂間隙。通過簡單地調(diào)整燃燒室火焰筒現(xiàn)有的冷卻蒸汽供給路線，使其通過透平第1級葉片持環(huán)來實現(xiàn)這一改進，設計該間隙控制方法是為了在運行期間更好地控制第一級葉頂間隙。對燃氣輪機進行的驗證試驗確認了這一方法的有效性。

2）薄葉氣封代替了刷子氣封，從而減少了轉(zhuǎn)子的漏氣。

3）在笫l級動葉，第1、2級靜葉上換用了經(jīng)過葉型改進并帶有內(nèi)部冷卻通道的葉片，但未改變其材料和涂層。

4）為了減少壓損，在排氣口支柱上安裝了翼形外套。

5）用最新的NOx燃燒室技術更換了燃燒室的燃料噴嘴和旋流器。并未更換蒸汽冷卻的過渡段，但增加了一個消聲器，以提高環(huán)境和燃料狀態(tài)變化時的穩(wěn)定性。

1 升級部套

1）壓氣機。對原有的壓氣機沒有做任何更改，仍保留了17級的結構和20∶l的壓比,機組的運行業(yè)績已經(jīng)累計超過了125000 h，它們在不同的環(huán)境條件下運行。

2）燃燒室。最新的低NOx排放燃燒室技術已經(jīng)應用于燃氣輪機的驗證試驗中。對過渡段、蒸汽冷卻系統(tǒng)和材料未做更改，均與燃氣輪機的相同，并且在燃氣輪機上均運行可靠。但是在過渡段上增加了一個消聲器，以適應燃料熱值的大范圍變化。利用這種燃燒室技術，使燃氣輪機的NOx排放量分別降低到15×10-6和9×10-6以下。

這一最新的設計還改進了燃料和空氣混合的均勻度。重新設計了燃料噴嘴和旋流器使局部火焰熱點減少，同時改進了燃燒室的氣動性能。重新設計的燃料混合旋流器以及火焰保持擋板改進了火焰的保持性和穩(wěn)定性，并且擴大了降負荷能力，減少了低負荷運行時的CO和未燃碳氫化合物（UHC）的排放量。

3）透平。第1級靜葉和動葉以及第2級靜葉的葉型和內(nèi)部冷卻通道采用先進的和最新的熱交換技術進行了升級改造。其他的各級都采用相同的葉型。

4）材料。材料上沒有更改，即燃燒室、高溫燃氣通道和轉(zhuǎn)子都采用原有的材料。

透平的所有四級動葉均為鎳基超合金。第1級和第2級動葉采用定向凝固（DS）鑄件，第3級和第4級動葉采用常規(guī)的鑄件（cc）。靜葉為常規(guī)的鑄件，其材料是鎳基超合金，具有優(yōu)越的抗熱疲勞、抗蠕變、抗氧化。耐腐蝕和良好的可焊性等優(yōu)點。耐高溫涂層相同。轉(zhuǎn)子葉輪材料為低合金鋼。

5）排氣擴壓管。在排氣口切向支柱上安裝丁翼形外套以提高排氣擴壓管的效率。

6）冷卻系統(tǒng)。除透平第1級葉片持環(huán)外，冷卻系統(tǒng)沒有改變：用壓氣機的出口空氣冷卻透平第1級靜葉，而用其抽氣冷卻第2、3、4級靜葉、轉(zhuǎn)子葉輪、級間氣封段以及第2級和第3級的葉片持環(huán)弧段。

用于冷卻透平葉片持環(huán)、燃燒室過渡段的冷卻蒸汽由余熱鍋爐提供，從燃燒室吸收熱量后，以較高的溫度再返回到余熱鍋爐。

7）氣封。為了減少漏氣，在燃氣輪機的壓氣機和透平之間安裝了薄葉氣封。薄葉氣封為安裝在周向的多片式結構。薄葉氣封的設計是為了在各薄葉之間形成最小的間隙，以防止相互制約。燃氣輪機停機時，薄葉的頂部與轉(zhuǎn)子相接觸，但在運行的過程中被流體提升力抬起，與轉(zhuǎn)子保持非接觸狀態(tài)。

2 驗證結果

燃氣輪機已經(jīng)在電廠累計運行了15416 h，啟停了911次。在升級改造后（即：第1級靜葉和動葉、第2級靜葉、薄葉氣封、葉型形狀的排氣口支柱，葉片持環(huán)的蒸汽冷卻和燃燒室），安裝了這些新硬件(包括早期安裝、業(yè)已運行更長時間的某些硬件）的燃氣輪機又累計運行了3883 h、起停了258次。

為了進行設計驗證，還進行了一些專門的測量。對燃燒室的燃燒動態(tài)測量結果表明，即使在低負荷運行工況下也具有良好的燃燒穩(wěn)定性。

3 改進效果

在保留原有的燃燒溫度和材料的情況下，燃氣輪機的出力提高了3%，熱效率增加了1%。保留了燃氣輪機的許多原始硬件配置，包括壓氣機，燃燒室蒸汽冷卻系統(tǒng)等，這些硬件已經(jīng)在燃氣輪機上累計運行超過了200000 h。