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1、第六章第六章 燃气轮机变工况燃气轮机变工况单轴燃气轮机的变工况特性环境条件对燃气轮机性能的影响6-1 概述概述n研究燃气轮机变工况的目的研究燃气轮机变工况的目的n基本要求及性能指标基本要求及性能指标n负荷特性负荷特性一、燃气轮机的变工况一、燃气轮机的变工况n整台机组偏离设计状态下工作的各种工况整台机组偏离设计状态下工作的各种工况n (1)(1)稳定的非设计工况稳定的非设计工况n如部分负荷或环境条件改变时引起的变工况；如部分负荷或环境条件改变时引起的变工况；n (2)(2)不稳定的过渡工况不稳定的过渡工况n如启动、加速等引起的变工况如启动、加速等引起的变工况。n 非常复杂非常复杂（三大件（三大件
2、+负荷）负荷）二、研究目的二、研究目的n分析燃气轮机机组各部分相互联系、相互制约的变化规律，从而掌握燃气轮机的变工况过程及其特性。（1）为设计新机组提供选择方案的依据（2）为用户提供变工况性能曲线。基本要求及性能指标基本要求及性能指标基本要求基本要求:保证在各种负荷下机组能够经济地、可靠地运行，同时有较强的适应外界负荷变化的能力。性能指标性能指标:n1 1经济性经济性n机组的效率或耗油率不因功率下降而极度恶化机组的效率或耗油率不因功率下降而极度恶化；n机组的负荷特性曲线变化得平坦些。机组的负荷特性曲线变化得平坦些。n2 2稳定性稳定性n在在各种负荷各种负荷下，压气机不喘振、涡轮不超温、燃烧下，
3、压气机不喘振、涡轮不超温、燃烧室不熄火室不熄火；机组能稳定可靠地运行。机组能稳定可靠地运行。n3 3加载性加载性 n机组功率能机组功率能及时适应外界负荷变化及时适应外界负荷变化的需要。的需要。满负荷、部分负荷、满负荷、部分负荷、低速、启动等低速、启动等三、负荷特性三、负荷特性n负荷功率PL随负荷转速nL变化的关系n PL=f(nL)1 1、恒速负荷特性、恒速负荷特性n负荷功率负荷功率P PL L变化与负荷转速变化与负荷转速n nL L无关无关n即 nL=const nLPL例子：例子：恒频交流电机恒频交流电机2 2、螺旋桨型负荷特性、螺旋桨型负荷特性n负荷功率负荷功率P PL L与其转速与其转
4、速n nL L的三次方呈正比的三次方呈正比n即 PL=c nL3 （c为比例系数）n变速负荷 nLPL例子：例子：固定螺距螺旋桨固定螺距螺旋桨(轮船轮船)叶轮机械（泵、风机等）叶轮机械（泵、风机等）PL=c nL33 3、调速负荷特性、调速负荷特性n负荷功率负荷功率P PL L与其转速与其转速n nL L在一定范围内任意配合，在一定范围内任意配合，用来带动变速负荷。用来带动变速负荷。n变频调速负荷 nLPL例子：例子：变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机变螺距螺旋桨负荷或机车燃气轮机 4 4、机械牵引负荷特性、机械牵引负荷特性n用机械方式（如联轴器、齿轮等）传动各用机械方式（如联轴器、齿轮等）传动各
5、种车辆。种车辆。n启动时有最大扭矩，即启动时有最大扭矩，即 nL=0，M=Mmax n转速升高时，扭矩减小；转速升高时，扭矩减小；nnL=nmax，M=Mmin。n负荷功率：负荷功率：PLMnLnPL随随nL增加而增大。增加而增大。nLPLn平衡工况：平衡工况：稳定运行工况，燃气轮机输出功稳定运行工况，燃气轮机输出功率等于负载所消耗的功率，即率等于负载所消耗的功率，即Pe=PL，两者处两者处于平衡状态。于平衡状态。n不平衡工况：不平衡工况：是从一个平衡工况变化到另一是从一个平衡工况变化到另一个平衡工况的过渡过程，这时燃气轮机的输出个平衡工况的过渡过程，这时燃气轮机的输出功率与负载所消耗的功率不
6、相同，即功率与负载所消耗的功率不相同，即PePL，两，两者不平衡。者不平衡。四、燃气轮机的平衡运行条件四、燃气轮机的平衡运行条件n机组在不同负荷下稳定运行时，各部件的参数（流量、转速、压比、功率）应满足的相互配合的条件。n分析讨论燃气轮机变工况的基础：分析讨论燃气轮机变工况的基础：n 各部件的特性和平衡运行条件各部件的特性和平衡运行条件 1、转速平衡、转速平衡n每根轴上的转子转速相同。每根轴上的转子转速相同。n 单轴机组：单轴机组：n nC C=n=nT T=n=nL Ln 分轴机组：分轴机组：n nC C=n=nHT HT n nLTLT=n=nL Ln 2、压比平衡、压比平衡n T=压气机
7、压比压气机压比透平膨胀比透平膨胀比总压保持系数总压保持系数 =1 2 4平行双轴机组平行双轴机组 3、功率平衡、功率平衡n机械联系的各部件的驱动力矩，应等机械联系的各部件的驱动力矩，应等于总的阻力矩（包括压气机耗功），于总的阻力矩（包括压气机耗功），即每根轴上的功率应平衡。即每根轴上的功率应平衡。n 单轴机组：单轴机组：n PT=PC+Pm+PLn或或 PT=PC/m+PL压气机内功率压气机内功率机组附件消耗和机组附件消耗和机械损失功率机械损失功率涡轮内功率涡轮内功率分轴机组分轴机组：机械效率机械效率PLT=PLC/m1+PLPHT=PHC/m2平行双轴机组平行双轴机组PHT=PC/m1PLT
8、=PL/m2 4、流量平衡、流量平衡qT=q+qf-qcln变工况时，可近似认为：变工况时，可近似认为：qcl/qconstn粗算时，可取粗算时，可取 qT q冷却用和泄冷却用和泄露的空气量露的空气量燃气流量燃气流量 燃料消耗量进气量五、平衡运行工况点的确定五、平衡运行工况点的确定平衡运行工况点：平衡运行工况点：压气机、燃烧室和透平协调工作时的平衡压气机、燃烧室和透平协调工作时的平衡压气机、燃烧室和透平协调工作时的平衡压气机、燃烧室和透平协调工作时的平衡运行工况点运行工况点运行工况点运行工况点平衡运行线的确定：平衡运行线的确定：是从各个部件的性能出发，用平衡关系式把是从各个部件的性能出发，用平
9、衡关系式把它们联系起来而求得。它们联系起来而求得。求解方法（1 1）联合求解法：）联合求解法：n利用已获得的压气机、燃烧室和透平的特性线，利用已获得的压气机、燃烧室和透平的特性线，根据平衡运行条件来联合求得。根据平衡运行条件来联合求得。（2 2）近似计算法：）近似计算法：n若没有透平特性线，可利用透平的椭圆方程来近若没有透平特性线，可利用透平的椭圆方程来近似计算获得。似计算获得。（3 3）测试法：）测试法：利用压气机特性实验装置来测得。利用压气机特性实验装置来测得。测试方法测试方法 在压气机后面加装一个燃烧室；将燃烧室后面在压气机后面加装一个燃烧室；将燃烧室后面的排气阀固定在某一开度来代替透平
10、。的排气阀固定在某一开度来代替透平。测试时，改变燃气初温和压气机转速，测得不测试时，改变燃气初温和压气机转速，测得不同工况下的流量和压比。同工况下的流量和压比。在压气机特性线上，把各种转速下的燃气初温在压气机特性线上，把各种转速下的燃气初温相同的点连起来，得到一组相同的点连起来，得到一组等温比线等温比线。燃烧室的性能，燃烧室的性能，一般可近似地认为效率一般可近似地认为效率 B和压力保持系数和压力保持系数 2不变，不变，即和设计工况时一样，故未画性能曲线。即和设计工况时一样，故未画性能曲线。n平衡运行点主要是在压气机和透平性能的基平衡运行点主要是在压气机和透平性能的基础上求得的。础上求得的。实质
11、：实质：是压气机和透平平衡运是压气机和透平平衡运行点的连线，是透平性能在压行点的连线，是透平性能在压气机性能曲线图上的描述。气机性能曲线图上的描述。温比增加时，等温比增加时，等温比增加时，等温比增加时，等 线向着左上方移动。线向着左上方移动。线向着左上方移动。线向着左上方移动。=常数燃气轮机变工况性能的表示燃气轮机变工况性能的表示n通常，用通常，用Pen为坐标来作图，全面反映为坐标来作图，全面反映单轴燃气轮机的变工况性能。单轴燃气轮机的变工况性能。n在具体的运行中，燃气轮机还必须与负载平衡运在具体的运行中，燃气轮机还必须与负载平衡运行，要满足行，要满足PL=Pe=f(n)。n当把当把Pe=f(
12、n)画到燃气轮机变工况计算得到画到燃气轮机变工况计算得到的的Pen图上后，位于该规律曲线上的诸图上后，位于该规律曲线上的诸参数变化情况，就是燃气轮机在该负载规参数变化情况，就是燃气轮机在该负载规律下的变工况解。律下的变工况解。6-2 单轴燃气轮机的变工况性能单轴燃气轮机的变工况性能n最简单的、目前实际应用最多；最简单的、目前实际应用最多；n功率范围由功率范围由10kW左右至左右至334MW。n特点是压气机与负载共轴特点是压气机与负载共轴n负载的转速变化规律直接影响压气机转速，即直接影负载的转速变化规律直接影响压气机转速，即直接影响压气机工况，进而影响燃气轮机的工况。响压气机工况，进而影响燃气轮
13、机的工况。n负载规律对单轴燃气轮机变工况性能的影响很大。负载规律对单轴燃气轮机变工况性能的影响很大。一、性能曲线网一、性能曲线网性能曲性能曲线线网网 平衡运行线平衡运行线 Pe=0零功率线零功率线（空载工况）（空载工况）运行区（运行区（范围较小范围较小）机组的设计点机组的设计点位于最佳工况线位于最佳工况线左侧，为什么？左侧，为什么？P195中中二、带动具体负载时的性能二、带动具体负载时的性能n1、恒速负载、恒速负载n特点是转速不随输出功率的大小而变，始终在设计转速下运行，即沿压气机的no线运行。n2、变速负载、变速负载n螺旋桨负载是一种典型的变速负载。n它的一个主要特点是在部分负荷下n下降，空
14、气流量q下降，下降且较快。1、恒速负载、恒速负载单轴单轴 nc=nT=nL=n0=n变工况运行线变工况运行线 设计工况点设计工况点“O”负荷负荷Pe 时，时，保持保持p1*、T1*不变不变：调节使调节使no不变；不变；同时关小油门，使耗油量同时关小油门，使耗油量qf；T3*，即即 新的平衡点新的平衡点“b”运行线运行线ob负荷负荷Pe至零，点至零，点c所示，所示，bc “c”空载工况空载工况 压气机：压气机：、流量、流量q(或不或不变变）透平：透平：T、流量、流量qT 整个机组：整个机组：PebPeo qfbqfo eb n nPTPT C C和和HTHT体积小，节省耐高温材料体积小，节省耐高
15、温材料 4 4 在在HTHT和和PTPT之间可采用再热之间可采用再热 1-压气机C 2-高压透平HT 3-动力透平PT 4-发电机燃气发生器燃气发生器二、分轴燃气轮机的性能曲线网二、分轴燃气轮机的性能曲线网 和平衡运行带和平衡运行带 1、性能曲线网、性能曲线网 近似抛物线近似抛物线 虚线虚线等弧线等弧线 机组的设计点是否位于机组的设计点是否位于最佳工况线上，取决于动最佳工况线上，取决于动力透平设计点的选择。力透平设计点的选择。当动力透平设计点选在当动力透平设计点选在最佳速比时，最佳速比时，PT 最高，最高，使使机组的设计点位于最佳机组的设计点位于最佳工况线上工况线上。二、分轴燃气轮机的性能曲线
16、网二、分轴燃气轮机的性能曲线网 和平衡运行带和平衡运行带 2、平衡运行带平衡运行带n在压气机的性能曲线上，分轴的在压气机的性能曲线上，分轴的平衡运行区是平衡运行区是一条狭长的窄带一条狭长的窄带。n它是它是动力透平转速变化对流量的动力透平转速变化对流量的影响所致影响所致。（。（影响不是很大影响不是很大）n该运行带的上限即动力透平通流该运行带的上限即动力透平通流能力最小点的连线，下限即动力能力最小点的连线，下限即动力透平通流能力最大点的连线。透平通流能力最大点的连线。当不计及动力透平转速变不计及动力透平转速变化对通流能力的影响化对通流能力的影响，等nc线上只有一个运行点，把诸等nc线上的运行点连起
17、来得到了一条运行线一条运行线。二、分轴燃气轮机的性能曲线网二、分轴燃气轮机的性能曲线网 和平衡运行带和平衡运行带3、机组的运行区机组的运行区、但不受但不受压压气机喘振的限制。气机喘振的限制。MMmax 运行区：宽广运行区：宽广，nPT=0nPTmax。因而很适宜于带动转速变化范围很大的负载，克服了单轴机因而很适宜于带动转速变化范围很大的负载，克服了单轴机组的不足，这是分轴燃气轮机的组的不足，这是分轴燃气轮机的一个显著优点一个显著优点。三、带动具体负载时的性能三、带动具体负载时的性能 -在部分负荷下在部分负荷下 T3*高的高的 e未必一定高未必一定高.在带动各种不同负载时在带动各种不同负载时的平
18、衡运行线都是的平衡运行线都是很靠很靠近的近的。带动恒速负荷，分轴的加载性能不如单轴的；带动恒速负荷，分轴的加载性能不如单轴的；其次是分轴甩负荷时动力透平超速问题较严重。其次是分轴甩负荷时动力透平超速问题较严重。分轴的变工况性能分轴的变工况性能n与单轴比较与单轴比较 恒速负载恒速负载n经济性经济性 好些好些n稳定性稳定性 差些差些n加载性加载性 差些差些 负荷负荷Pe 时，时，T3*、nc均会下降。均会下降。单轴单轴恒速恒速单轴单轴变速变速分轴分轴 变速负载变速负载差些差些好些好些差不多（缓和）差不多（缓和）n分轴燃气轮机宜用于机械传动变速负载，如螺旋桨、车辆等。分轴燃气轮机宜用于机械传动变速负
19、载，如螺旋桨、车辆等。n目前发电用的燃气轮机主要是单轴方案。目前发电用的燃气轮机主要是单轴方案。6-4 环境条件对燃气轮机性能的影响环境条件对燃气轮机性能的影响1、大气温度对机组功率和效率的影响、大气温度对机组功率和效率的影响明显明显大气温度大气温度Ta升高时，功率和效率都降低；升高时，功率和效率都降低；大气温度大气温度Ta降低时，功率和效率都增加。降低时，功率和效率都增加。2、大气压力对机组功率和效率的影响、大气压力对机组功率和效率的影响pa升高时，功率升高时，功率Pe增加增加，效率，效率 e基本基本不变；不变；pa降低时，功率降低时，功率Pe降低、效率降低、效率 e基本基本不变。不变。3、
20、海拔的影响、海拔的影响n对燃气轮机的性能有很大影响。对燃气轮机的性能有很大影响。n随着海拔的升高，大气Ta和pa都在下降:n 比体积增加，流量q和功率Pe下降;n 当燃气轮机保持T3*=T30*运行时，温比随着海拔的升高而增加，故e提高，减少了Pe下降的幅度。二、大气参数变化时常用的修正曲线二、大气参数变化时常用的修正曲线 a b大气参数大气参数对对电电站站单轴单轴燃气燃气轮轮机机最大出力和效率的影响最大出力和效率的影响制造厂给出机组的最大出力和效率（或热耗率）随大气参数变制造厂给出机组的最大出力和效率（或热耗率）随大气参数变化的修正曲线，供用户备查。化的修正曲线，供用户备查。设计值设计值最大
21、值最大值高海拔地区使用虚线高海拔地区使用虚线(1)单个变化单个变化 直接读出直接读出(2)(2)同时改变同时改变同时改变同时改变 P Pe e=(=(P Pe e/P Pe0e0)p p (P Pe e)t t 修正系数的形式修正系数的形式 n nPe=Kp1 Kp2 Pe0 e=K e0 a b电电站站单轴单轴燃气燃气轮轮机机最大出力和效率修正系数随大气参数的最大出力和效率修正系数随大气参数的变变化化电电站站分分轴轴燃气燃气轮轮机机最大出力和效率随大气参数的最大出力和效率随大气参数的变变化化三、燃气轮机的通用性能曲线三、燃气轮机的通用性能曲线 n与压气机、透平一样，燃气轮机用相似参数来与压气
22、机、透平一样，燃气轮机用相似参数来绘制性能曲线。绘制性能曲线。单轴单轴燃气燃气轮轮机机 分分轴轴燃气燃气轮轮机机燃气轮机运行区随大气温度的变化燃气轮机运行区随大气温度的变化单轴单轴燃气燃气轮轮机机 分分轴轴燃气燃气轮轮机机-ta15大气温度变化时机组运行线的变化大气温度变化时机组运行线的变化 -ta15 各种燃气轮机通用性能曲线上的负载规律各种燃气轮机通用性能曲线上的负载规律线随大气温度的变化都相同。线随大气温度的变化都相同。（图（图b所示）所示）单轴燃气轮机 分轴燃气轮机：分轴燃气轮机：由于平衡运行带不随大气温度变化，运行带又很窄，使大气由于平衡运行带不随大气温度变化，运行带又很窄，使大气温
23、度变化后的平衡运行线变化很微小，温度变化后的平衡运行线变化很微小，可视为不变可视为不变。6-5 燃气轮机的过渡工况燃气轮机的过渡工况 不平衡工况：不平衡工况：一般一般PePL 从一个平衡工况向另一个平衡工况的过渡过程从一个平衡工况向另一个平衡工况的过渡过程不稳定工况，如起动、加载与减载、停机等不稳定工况，如起动、加载与减载、停机等其好坏对运输式燃气轮机很重要其好坏对运输式燃气轮机很重要一、燃气轮机的起动一、燃气轮机的起动特点特点 1 需要起需要起动动机机 2 起起动过动过程大致程大致经过经过三个三个阶阶段段 （1）冷）冷态态加速加速(0-n1)（2）热态热态暖机暖机(n1-n2-n3)（3）热
24、态热态加速加速(n3-n4)要求要求 1 起动时间越短越好起动时间越短越好 2 起动机功率尽量小些起动机功率尽量小些 3 起动过程要安全稳定起动过程要安全稳定 4 加热速度尽量快慢一致加热速度尽量快慢一致起动过程起动过程 任一转速下，同一根轴任一转速下，同一根轴上的透平和起动机发出的扭上的透平和起动机发出的扭矩、功率，应大于压气机和矩、功率，应大于压气机和摩擦等消耗的扭矩、功率，摩擦等消耗的扭矩、功率，机组才能加速。机组才能加速。n1-点火点火转转速速 1015%n2-自持自持转转速速 MT=Mcn3-脱扣脱扣转转速速 3060%n4-空空载转载转速速二、起动过程中的防喘二、起动过程中的防喘若
25、燃料控制不好，可导致压气机进入喘振工况；转速较低，多级压气机容易发生喘振(首先第一级)。防喘方法：防喘方法：（1 1）在压气机第一级加装可转导叶）在压气机第一级加装可转导叶 通过减小叶片的安装角来减小通流面积通过减小叶片的安装角来减小通流面积，使喘振边界向小，使喘振边界向小流量方向移动。流量方向移动。（2 2）在压气机中间级放气）在压气机中间级放气 在压气机低压级后安装放气阀；起动时打开，减少压气机高在压气机低压级后安装放气阀；起动时打开，减少压气机高压级和涡轮的流量压级和涡轮的流量，而相应增加了低压级流量。，而相应增加了低压级流量。加速（逐步加速过程）加速（逐步加速过程）减速（逐步减速过程）减速（逐步减速过程）可转导叶安装可转导叶安装角减小后，喘角减小后，喘振边界线。振边界线。燃料突然加燃料突然加入过多，易入过多，易导致喘振。导致喘振。燃料突然减燃料突然减少过多，易少过多，易导致熄火。导致熄火。平衡运行线平衡运行线单轴单轴变速变速机组机组（或分轴的燃气发生器）（或分轴的燃气发生器）单轴变速单轴变速燃气轮机燃气轮机 加速和减速过程加速和减速过程加速快加速快减速快减速快 分分轴轴燃气燃气轮轮机的机的动动力透平力透平加速和减速加速和减速过过程程