大型燃气轮机透平冷却空气量估算

　　燃气轮机透平叶片冷却是提高透平进口温度,从而提高循环效率的重要手段之一。现代大型燃气轮机一般都采用大量的压缩空气来冷却透平,如1993年投产的西门子V94·3燃气轮机,冷却空气量就已达到压气机进口总流量的约18%[1]。掌握燃气轮机透平冷却空气量及其分配信息对了解燃气轮机的特性非常重要,但透平冷却信息是燃气轮机厂家严格保密的信息之一,难以直接获得[1]。目前,国内外对燃气轮机的整体性能模拟和透平冷却空气的

　　估算及其对燃机性能的影响做了很多的研究[2-5]。本文从中总结出一种估算冷却空气量的方法,并结合文献资料对GE公司各级别燃气轮机和西门子公司V94·3燃气轮机进行了计算和校核。结果表明,本文的方法能够简便地估算燃气轮机总冷却空气量和透平一级静叶冷却空气量,从而为全面掌握燃气轮机特性提供参考。

　　1　燃气轮机初温

　　目前定义燃气透平初温主要有三种方法[6],即:燃烧室的出口温度tA;燃气透平第一级喷嘴环(静叶)后的燃气温度tB;以进入燃气透平的所有空气量计算的平均温度tC。不同的燃气轮机厂家给出的燃气轮机初温代表的意义也可能不同,如GE公司的燃气透平初温就是指tB,而国际上习惯把tC称作tISO[6]。

　　图1为三种燃气透平初温的关系示意图。tB与tA之间的差与透平一级静叶的冷却空气量有关。如燃烧室出口状态和冷却空气的状态已知,则可根据冷却空气量得到tB值,反之根据tA和tB值也能计算出一级静叶的冷却空气量。同样,tB和tC之差与透平除一级静叶以外其他部分的冷却空气量有关。如果tA,tB和tC已知,则可以估算出透平一级静叶以及透平其他部分的冷却空气量。但是,到目前为止,燃气轮机的初温还难以直接测量[7],而一般燃气轮机厂家也不会提供所有三种定义的透平前温,如GE公司燃气轮机仅给出透平一级动叶前温tB。

　　2　通过燃气轮机整体性能估算tC

　　燃气轮机厂家发布的燃机性能数据一般包括燃机的功率、效率、排气温度、排气流量和压比等,部分燃机厂家提供不同的透平前温。根据燃气轮机的整机性能,可以通过燃机的物质与能量平衡计算得到燃气轮机的初温tC。文献[2]给出的当量透平前温法,以及文献[7]给出的燃气轮机发电系统功率平衡法计算的燃气轮机初温,均为tC温度。

　　本文计算tC的方法参考文献[2],在通过整机性能计算tC时,除了需要给定燃机进排气压损、燃烧室效率以及总压恢复系数外,还需要知道燃气轮机压气机或者透平效率。压气机效率可以通过实际运行数据计算。以GE公司燃机为例,可以通过燃机的测量系统读取压气机出口温度及压力,结合环境状态即可计算出压气机效率。有一点需要指出的是,采用当量透平前温法计算燃机性能时,其压气机和透平效率以及燃气轮机初温均为当量值。文献[8]指出燃气轮机压气机效率在90%时,即代表了较高水平的压气机,即使对现代大型压气机来讲,多变效率一般也不会超过92%,对具有强冷却的透平,多变效率一般不会超过87%。而对不带冷却的透平,多变效率能够达到91%;当压气机和透平效率在合理范围内时,计算得到的燃气轮机初温(tC)变化范围一般不超过10℃[8]。