GE重型燃气轮机的性能及参数

GE重型燃气轮机的性能及参数Frank J.BrooksGE动力系统集团Schenectady,纽约引言GE既可为发电部问及工业用户提供重型燃气轮机，亦可生产和提供航空衍生型即所谓轻型燃气轮机。

重型燃机包括5个不同的型号系列：MS3002，MS5000，MS6001，MS7001及MS9001。

MS5001属容量较小的机组，其按单轴和双轴的布置设计用于机械驱动及发电。

MS6001之类中等容量的机组或更大的机组，则仅为单轴的。

用于发电的燃机，出力范围小至199,997马力（20,000千瓦）大及378,162马力（282,000干瓦）。

GE重型的燃气轮机通用的出力及热耗参数洋见表1。

机械驱动用机组的额定值，在14,520马力到108,200马力门（10,828千瓦到80，685千瓦）之间，如表2之所示。

表1GE燃气轮机的性能参数发电用燃气轮机的额定值G=天然气， D=轻柴油表2机械驱动燃气轮机的额定值在表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°F／15°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。