林友政
(深能安所固電力(加納)有限公司,廣東 深圳 518000)
加納某燃?xì)怆姀S的某臺型號為PG6541B的燃機(jī)是從國內(nèi)搬遷過來的舊機(jī)組,配17級軸流式壓氣機(jī),10個燃燒室的分管回流式燃燒室和3級透平,轉(zhuǎn)速為5 114 RPM,通過減速齒輪箱與發(fā)電機(jī)連接,搬遷過程中進(jìn)行過大修維護(hù),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 RPM。2018年該燃機(jī)大修后出現(xiàn)了出力明顯降低的現(xiàn)象,之后又進(jìn)行了一系列檢修工作,但是燃機(jī)出力并沒有提升。本文將對大修后燃機(jī)出力明顯降低的原因進(jìn)行分析。
與一般的燃機(jī)大修工作相比,本次大修除更換了透平第一、二、三級噴嘴,火焰筒和過渡段等主要燃燒部件外,還更換了整個燃機(jī)轉(zhuǎn)子,其中壓氣機(jī)動葉和透平動葉也隨燃機(jī)轉(zhuǎn)子更換上機(jī)。新更換上機(jī)的燃機(jī)轉(zhuǎn)子為該電廠另外一臺同型號燃機(jī)的備用轉(zhuǎn)子,并在歐洲進(jìn)行過大修維護(hù),2臺燃機(jī)設(shè)計狀態(tài)下?lián)碛邢嗤隽?,與舊轉(zhuǎn)子相比,新轉(zhuǎn)子不同的是其設(shè)計轉(zhuǎn)速為5 135 RPM。大修后,燃機(jī)出力明顯降低,隨后該燃機(jī)又于2019年更換了透平第三級噴嘴,于2020年2月更換了透平第二、三級噴嘴,但出力并沒有提升。
表1、表2為2018年大修前后壓氣機(jī)和透平通流間隙表,其中R1~R17表示壓氣機(jī)動葉與氣缸的葉頂間隙,因?yàn)楸砀襁^長,通流間隙沒有異常波動,所以只截取部分?jǐn)?shù)據(jù)。
表1 壓氣機(jī)通流間隙
表2 透平通流間隙
從表1和表2中可以看到,大修前后壓氣機(jī)和透平的通流間隙沒有明顯變化,所以壓氣機(jī)和透平通流間隙的變化并不是影響燃機(jī)出力的原因。該廠歷次6B燃機(jī)小修表明,更換火焰筒和過渡段也幾乎不會對燃機(jī)出力產(chǎn)生影響。
表3為大修前后該燃機(jī)主要運(yùn)行參數(shù),表4則記錄了在壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度相同的條件下,部分運(yùn)行參數(shù)大修前后的變化幅度。表3中的壓氣機(jī)排氣壓力CPD和透平排氣壓力都是表壓,表4中負(fù)號表示降低。
從表3和表4中可以看到,大修后,燃機(jī)出力、燃料沖程基準(zhǔn)FSR、壓氣機(jī)排氣壓力CPD都降低了,其中出力和燃料沖程基準(zhǔn)FSR降低幅度比較大,出力最明顯。壓氣機(jī)排氣溫度和透平排氣溫度都升高了,且壓氣機(jī)排氣溫度升高幅度較明顯。而進(jìn)氣濾壓差增大,也對燃機(jī)出力有一定的影響。
表3 大修前后主要運(yùn)行參數(shù)表
表4 大修前后部分運(yùn)行參數(shù)變化幅度表
圖1為軸流式壓氣機(jī)動、靜葉葉柵及基元級速度三角形,c1和c2分別表示動葉進(jìn)、出口處的絕對速度,w1和w2分別表示動葉進(jìn)、出口處氣流相對于動葉的相對速度,u表示動葉的圓周速度。
圖1 軸流式壓氣機(jī)動、靜葉葉柵及速度三角形
根據(jù)動量原理,當(dāng)q kg/s的空氣流過動葉柵時,動葉柵對氣流的作用力的切向分量應(yīng)為
當(dāng)工作葉輪平均直徑上的圓周速度為u時,動葉柵施加給流量為q的空氣的功率應(yīng)為
所以壓氣機(jī)工作葉柵施加給每千克氣體的功Δh為
其中
所以
忽略壓氣機(jī)壓縮過程中的損失,假設(shè)壓縮過程為等熵壓縮,根據(jù)熱力學(xué)第一定律開口系統(tǒng)能量方程,可以求得壓氣機(jī)工作葉柵施加給每千克氣體的功為
式中:R為空氣的氣體常數(shù);Ta為工作葉柵進(jìn)口溫度;π為壓氣機(jī)級的壓比;γ為空氣絕熱指數(shù),約等于1.4;u為基元級動葉柵圓周速度;w為基元級氣流相對于動葉柵的相對速度;Δcu為氣流在基元級動葉柵進(jìn)出口絕對速度的變化;Δwu為氣流在基元級動葉柵進(jìn)出口相對速度的變化,Δwu=Δcu
本文中的壓氣機(jī)效率為等熵效率,有效功取理想狀態(tài)下的靜參數(shù)等熵壓縮功,實(shí)際耗功取實(shí)際狀態(tài)下靜參數(shù)多變壓縮功與各種損失功之和。設(shè)η為壓氣機(jī)效率,π為壓氣機(jī)壓比,γ為空氣絕熱指數(shù),γ=1.4,Δhp為多變壓縮功,Δhr為各種損失功的和,ΔhS為理想狀態(tài)下的等熵壓縮功,T1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度,T2為壓氣機(jī)排氣溫度,T2S為理想狀態(tài)下壓氣機(jī)等熵壓縮過程的排氣溫度,P1為壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力,P2為壓氣機(jī)排氣壓力,表3中的壓氣機(jī)排氣壓力CPD為表壓,計算時需要加上當(dāng)?shù)卮髿鈮?,Pd為進(jìn)氣濾壓差,當(dāng)?shù)卮髿鈮篜0=100.008 kPa,且認(rèn)為其保持不變。則
式(7)中的cp為空氣的定壓比熱容。將表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式(7)、式(8)和式(9)中,可以計算出壓氣機(jī)的等熵效率η,具體見表5。
從表5中可以看到,大修后壓氣機(jī)效率η降低了1.05%~1.38%。
表5 大修前后壓氣機(jī)效率
由于燃機(jī)轉(zhuǎn)速不同,要保證有相同的燃機(jī)出力和壓氣機(jī)效率,壓氣機(jī)基元級的速度三角形必然不同,將設(shè)計轉(zhuǎn)速為5 135 RPM的轉(zhuǎn)子安裝到設(shè)計轉(zhuǎn)速為5 114 RPM的燃機(jī)上,必然導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動、靜葉級間配合發(fā)生比較復(fù)雜的改變,速度三角形也發(fā)生改變,壓氣機(jī)的葉型損失、環(huán)端面損失和二次流損失將增大,導(dǎo)致壓比減小,壓氣機(jī)效率降低。
由式(6)可知,壓氣機(jī)的壓比π、壓縮功Δh都和工作葉輪的圓周速度u及動葉柵進(jìn)出口相對速度的變化Δwu這2者有關(guān),在速度三角形相似的情況下,降低燃機(jī)轉(zhuǎn)速會降低壓氣機(jī)的壓比,且壓比與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系并不呈線性關(guān)系。在壓氣機(jī)基元級速度三角形相似的情況下,可將計算從壓氣機(jī)的基元級擴(kuò)展到整個壓氣機(jī),當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由u1降低為u2,則壓氣機(jī)施加給每千克氣體的壓縮功從Δh1變化為Δh2,關(guān)系如下
壓氣機(jī)壓比從π1變?yōu)棣?,關(guān)系如下
假設(shè)燃機(jī)轉(zhuǎn)速為5 135 RPM的時候壓比π1為11,進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力都相同,當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速從5 135 RPM降低到5 114 RPM后,Δh2降低至0.991 8Δh1,π2降低至10.84。由此可知,當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由5 135 RPM降低至5 114 RPM后,理論上壓氣機(jī)的壓比和壓縮功都會降低,壓比降低1.45%,壓縮功降低0.82%。
壓氣機(jī)出口流量Q計算公式為
式中:ρ,A,c,T2分別為壓氣機(jī)出口的壓縮空氣密度,通流面積,氣流速度,壓氣機(jī)排氣溫度。忽略壓氣機(jī)壓縮過程中的損失,即該過程為理想過程,在基元級速度三角形相似,進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力都相同的情況下,當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速從5 135 RPM降低到5 114 RPM后,壓氣機(jī)流量由Q1變?yōu)镼2,Q2=0.981 4Q1。由此可知,當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由5 135 RPM降低至5 114 RPM后,理論上,壓氣機(jī)的流量將降低約1.86%。
而壓氣機(jī)對氣體的壓縮就是透平做功的反過程,所以高溫燃?xì)鈱ν钙絼尤~做功的公式基本相似,可以用Δh=uΔwu來表示。同樣,燃機(jī)轉(zhuǎn)速降低,理論上高溫燃?xì)鈱ν钙絼尤~所做的膨脹功及透平的膨脹比都會降低,更換轉(zhuǎn)子前后變換關(guān)系與壓氣機(jī)相同。
轉(zhuǎn)速為5 135 RPM時,當(dāng)Q1kg/s的空氣流過壓氣機(jī),壓氣機(jī)對壓縮空氣做的等熵壓縮功為Q1Δh1,轉(zhuǎn)速降低至5 114 RPM后,當(dāng)Q2kg/s的空氣流過壓氣機(jī)時,壓氣機(jī)對壓縮空氣做的等熵壓縮功為Q2Δh2,則
該燃機(jī)壓氣機(jī)消耗的功約占透平輸出軸功的2/3,設(shè)更換轉(zhuǎn)子前,透平輸出的軸功為WT1,壓氣機(jī)消耗的壓縮功為WC1,空氣在被壓縮過程中消耗的有效功為WCe1,燃機(jī)輸出功為W1,壓氣機(jī)效率為η1,更換轉(zhuǎn)子后,透平輸出的軸功為WT2,壓氣機(jī)消耗的壓縮功為WC2,空氣在被壓縮過程中消耗的有效功為WCe2,燃機(jī)輸出功為W2,壓氣機(jī)效率為η2。忽略傳動機(jī)械造成的損失,則
假設(shè)更換轉(zhuǎn)子后壓氣機(jī)效率不變,則滿足
在這種情況下,燃機(jī)輸出功W2=0.973 4W1,但是從表5中可以看到,更換轉(zhuǎn)子后,壓氣機(jī)效率變低了,這意味著與大修前相比壓氣機(jī)將消耗更大比例的透平輸出功,令
結(jié)合式(14)~(21)可得到
分別計算出當(dāng)進(jìn)氣溫度為27℃、28℃、29℃和30℃時,的值,得到表6。
表6 大修前后出力之比
從表6中可以看出,同時考慮轉(zhuǎn)速降低和壓氣機(jī)的效率變化的影響后,理論上,燃機(jī)出力將降低至原來的94.29%~95.02%,也就是降低4.98%~5.71%。因?yàn)閷⒃O(shè)計轉(zhuǎn)速為5 135 RPM的轉(zhuǎn)子安裝到設(shè)計轉(zhuǎn)速為5 114 RPM的燃機(jī)上,實(shí)際上變化將會更加復(fù)雜,所以燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷降低5.46%~7.40%也就顯得很正常了。
綜上所述,該燃機(jī)大修后出力降低的主要原因如下:①更換轉(zhuǎn)子后,該燃機(jī)的設(shè)計轉(zhuǎn)速與新更換轉(zhuǎn)子的設(shè)計轉(zhuǎn)速不同,壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動、靜葉級間配合發(fā)生比較復(fù)雜的改變,葉型損失、二次流損失和環(huán)端面損失大增,壓氣機(jī)效率降低。②新轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于設(shè)計轉(zhuǎn)速,導(dǎo)致燃機(jī)流量降低,壓氣機(jī)和透平做功能力都降低。③大修后進(jìn)氣濾壓差增大。另外,由于更換了設(shè)計轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)子,且壓氣機(jī)效率降低,燃機(jī)整體效率也必然降低,這與實(shí)際狀況相符。