西門子H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣推測及建模

譚 超，趙節(jié)堅(jiān)，柳治民，梁其鋒，方迅舟，加異卓

(華電福新廣州能源有限公司，廣州 511300)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高效、清潔的熱功轉(zhuǎn)換裝置。強(qiáng)化葉片冷卻效果，可提升透平初溫，提高燃?xì)廨啓C(jī)效率及功率。由于冷卻技術(shù)開發(fā)難度大，國外對(duì)冷卻空氣分配及計(jì)算方法嚴(yán)格保密。目前，國內(nèi)外對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)整體性能模型、冷卻空氣估算做了很多研究。Young、Wilcock和于海等[1-3]考慮空氣冷卻建立燃?xì)廨啓C(jī)理想簡單循環(huán)熱力性能模型，但模型中燃料和空氣按理想配比考慮，偏離實(shí)際情況；Carcasci等[4]使用流體網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算冷卻空氣量，但因技術(shù)涉密未公開部件的相關(guān)特性方程；李政等[5]建立透平熱力計(jì)算模型，該模型根據(jù)同類機(jī)型數(shù)據(jù)來修正模型的參考數(shù)值，相對(duì)誤差較小，但燃?xì)廨啓C(jī)廠家通常不提供抽氣流量與透平排氣流量比值；王文華等[6]和鄭露霞等[7]研究了考慮實(shí)際空氣冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)熱力學(xué)模型，但模型僅涉及各部分的總冷卻空氣比例。針對(duì)上述情況，本文依托已建成投產(chǎn)的國內(nèi)首個(gè)H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目[8]，以SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)為對(duì)象，采用半經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)公式推測透平冷卻空氣，建立考慮實(shí)際冷卻空氣影響的壓氣機(jī)、透平的逐級(jí)熱力計(jì)算模型，并模擬在不同負(fù)荷、不同壓氣機(jī)入口溫度下冷卻空氣的變化情況，為探究H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)提供參考。

1 西門子SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)

2011年7月由西門子公司研發(fā)的、世界首臺(tái)H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)SGT5-8000H進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。截止到2019年2月18日，西門子共銷售近100臺(tái)SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)，其中70臺(tái)已在商業(yè)運(yùn)行[9]。SGT5-8000H透平所需冷卻空氣由壓氣機(jī)第五、八、十一、十三級(jí)靜葉后抽取，具體為：壓氣機(jī)第十三級(jí)后抽氣用于冷卻第一級(jí)靜葉和動(dòng)葉，壓氣機(jī)第十一級(jí)后抽氣用于冷卻第二級(jí)靜葉和動(dòng)葉，壓氣機(jī)第八級(jí)后抽氣用于冷卻第三級(jí)靜葉和動(dòng)葉，壓氣機(jī)第五級(jí)后抽氣用于冷卻第四級(jí)靜葉，第四級(jí)動(dòng)葉不冷卻。透平各級(jí)葉片的冷卻方式見表1。

表1 SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻方式

2 冷卻空氣量計(jì)算模型

2.1 Jordal半經(jīng)驗(yàn)公式冷卻模型

參考Jordal提出的半經(jīng)驗(yàn)公式冷卻模型計(jì)算透平第一級(jí)靜葉冷卻空氣量[10]。冷卻空氣進(jìn)入冷卻通道與葉片換熱后與主燃?xì)鈸交?，冷卻透平燃?xì)鈧?cè)和冷卻空氣側(cè)能量平衡，即燃?xì)庀蛉~片傳遞的熱量等于冷卻空氣吸收的熱量，有：

αgAb(Tg-Tb)=Gccρc(Tco-Tci)

(1)

式中：αg為燃?xì)鈧?cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ab為燃?xì)鈧?cè)葉片換熱面積，m2；Tg為燃?xì)鈧?cè)溫度，℃；Tb為葉片表面溫度，取值范圍800～900 ℃，本文取800 ℃；Gc為冷卻空氣流量，kg/s；cρc為冷卻空氣比熱，J/(kg·℃)；Tco為冷卻空氣出口溫度，℃；Tci為冷卻空氣入口溫度，℃。

(2)

式中：Stg為燃?xì)鈧?cè)斯坦頓數(shù)；ρg為燃?xì)饷芏?，kg/m3；νg為燃?xì)饬魉?，m/s；cρg為燃?xì)舛▔罕葻?，J/(kg·℃)。

Gg=ρgvgAg

(3)

式中：Gg為燃?xì)赓|(zhì)量流量，kg/s；Ag為燃?xì)饬鞯罊M截面積，m2。

(4)

式中：ηc為葉片冷卻效率。

聯(lián)立式(1)至式(4)得：

(5)

給定StgAb/Ag、cρg/cρc時(shí)，已知中間量燃燒室出口溫度、冷卻空氣入口溫度Tci、透平第一級(jí)靜葉溫度和冷卻效率ηc，可計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)靜葉冷卻空氣量。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式冷卻模型

對(duì)于不同的冷卻方式，每一個(gè)葉柵中冷卻空氣在設(shè)計(jì)工況下的質(zhì)量流量，按如下冷卻空氣模型進(jìn)行計(jì)算[11]：

(6)

氣膜冷卻模型：

(7)

蒸發(fā)冷卻模型：

(8)

同樣地，對(duì)流冷卻模型：

(9)

根據(jù)主燃?xì)夂屠鋮s空氣狀態(tài)，通過半經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)公式冷卻模型計(jì)算，獲得燃?xì)廨啓C(jī)ISO溫度[14](即把所有冷卻空氣等效到透平入口，以進(jìn)入透平的所有空氣量與燃料混合燃燒，所計(jì)算出的燃?xì)馄骄鶞囟?、各級(jí)冷卻空氣量等。

計(jì)算模型中，假定靜葉中僅導(dǎo)向不膨脹，在靜葉后與冷卻空氣摻混后的參數(shù)作為動(dòng)葉膨脹做功的初始參數(shù)，動(dòng)葉做功后的煙氣再與動(dòng)葉冷卻空氣摻混后再作為下一級(jí)靜葉的入口參數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模型驗(yàn)證

本模型以燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷為核算工況，計(jì)算得SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)工況下的性能參數(shù)，如表2所示。

表2 模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)測、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

西門子智慧電廠系統(tǒng)顯示發(fā)電效率為38.31%、排氣流量為2 206 km3/h，考慮測量偏差，模型獲得的這2個(gè)參數(shù)精確度滿足需要。與文獻(xiàn)[7]計(jì)算的GE 9HA.02燃?xì)廨啓C(jī)相比，本模型計(jì)算的SGT5-8000H燃燒室出口溫度低16 ℃，ISO溫度高129 ℃，總冷卻空氣占比低1.9%，透平第一級(jí)靜葉冷卻空氣占比高7.7%，冷卻效率高4.4%。鑒于冷卻空氣比例少，故ISO溫度有較大升高，符合邏輯。GE 公司 H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)采用空氣冷卻,其第一級(jí)靜葉溫降為 155 ℃[16]，本模型第一級(jí)靜葉溫降為161.5 ℃。通常壓氣機(jī)絕熱效率在80.0～90.0%之間[15]，本模型反推的壓氣機(jī)內(nèi)效率略高，為91.7%?？紤]技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，本模型的正確性得到驗(yàn)證。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

本模型維持燃料熱值、壓氣機(jī)壓損系數(shù)、燃燒室壓損系數(shù)、燃燒室效率等參數(shù)不變，分別針對(duì)不同燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷、不同壓氣機(jī)入口溫度研究冷卻空氣及燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的變化趨勢(shì)。

3.2.1 不同燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷

燃?xì)廨啓C(jī)最低穩(wěn)定負(fù)荷為250 MW，最高負(fù)荷425 MW，因此取負(fù)荷間隔為30 MW，從250 MW至430 MW進(jìn)行計(jì)算,取相同的壓氣機(jī)進(jìn)氣條件(22 ℃, 101.325 kPa)。圖1表明燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷從250 MW增加至430 MW時(shí)，燃燒室出口溫度增加195 ℃，ISO溫度增加150 ℃，壓氣機(jī)出口溫度增加43 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)效率從32.9%增加至38.6%。

圖1 不同負(fù)荷下燃?xì)廨啓C(jī)溫度及效率變化

由圖2可知，隨著負(fù)荷增加，總冷卻空氣量、第一級(jí)靜葉冷卻空氣量均增加。對(duì)模型進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，這是由于透平入口煙氣溫度增加、冷卻空氣溫度增加、燃燒室出口煙氣流量增加這三個(gè)因素同向促成的?？偫鋮s空氣量占比約為20%，其中第一級(jí)靜葉冷卻空氣占比隨負(fù)荷增加而增加，到430 MW時(shí)占比71.8%。

圖2 不同負(fù)荷下冷卻空氣變化

3.2.2 不同壓氣機(jī)入口溫度

維持其他輸入?yún)?shù)不變，壓氣機(jī)入口空氣溫度分別取10 ℃、14 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃、26 ℃、30 ℃、34 ℃(據(jù)該機(jī)組所處地理位置選擇的典型氣溫)。

圖3 不同壓氣機(jī)入口溫度下燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)

由圖4可知，隨著壓氣機(jī)入口溫度增加，總冷卻空氣量、第一級(jí)靜葉冷卻空氣量均增加。對(duì)模型進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，冷卻空氣量與透平入口溫度、冷卻空氣溫度均正相關(guān)，模型計(jì)算得透平入口溫降與冷卻空氣溫升相差不大，由于冷卻空氣溫度更接近于葉片溫度，因此影響更大。所以當(dāng)冷卻空氣溫度升高，冷卻空氣量有上升趨勢(shì)?？偫鋮s空氣量占比約為19%，其中第一級(jí)靜葉冷卻空氣量占比隨壓氣機(jī)入口溫度增加而增加，當(dāng)入口溫度34 ℃時(shí)占比68.5%。

圖4 不同壓氣機(jī)入口溫度下冷卻空氣變化

4 結(jié)論

本文根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式冷卻模型推測透平冷卻空氣量，在此基礎(chǔ)上建立西門子SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)模型并進(jìn)行驗(yàn)證，并利用模型計(jì)算不同燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷、不同壓氣機(jī)入口溫度下的冷卻空氣變化，結(jié)論如下：

1) 模型對(duì)壓氣機(jī)和透平均采用逐級(jí)計(jì)算，考慮冷卻過程中燃?xì)夂屠鋮s空氣的溫度及成分的變化，更符合實(shí)際。通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)效率、發(fā)電效率、燃燒室出口溫度、ISO溫度、冷卻空氣比例、冷卻效率、煙氣流量和第一級(jí)靜葉溫降的校對(duì), 表明本燃?xì)廨啓C(jī)模型及冷卻空氣分配方法可靠。

2) 采用半經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)公式，估算燃?xì)廨啓C(jī)透平各級(jí)葉片的冷卻空氣量。結(jié)果表明隨負(fù)荷或壓氣機(jī)入口溫度增加，總冷卻空氣量和第一級(jí)靜葉冷卻空氣量均增加?？偫鋮s空氣占比穩(wěn)定在20%左右，其中第一級(jí)靜葉冷卻空氣占比在54%～71.8%之間，并隨負(fù)荷或壓氣機(jī)入口溫度增加而增加。

3) 負(fù)荷升至430 MW時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率增至38.6%；壓氣機(jī)入口溫度升高時(shí)，壓氣機(jī)等熵效率增加；燃?xì)廨啓C(jī)在高負(fù)荷或低環(huán)境溫度下，燃燒室燃燒溫度提高，燃燒室部件可能過熱。