部件性能退化对燃气轮机运行状态影响分析

俞哲锋

（浙江浙能金华燃机发电有限责任公司，浙江 金华 321000）

燃气轮机具有功率密度高、启动快、污染小、寿命长等优点，在许多方面得到了广泛的应用。目前，许多研究者使用热力学性能仿真模型模拟典型的燃气轮机燃气回路故障，并在相应的故障判据下获得可测量的参数变化。然而，对于具有不同气路结构的燃气轮机使用相同的故障标准，模拟的气路参数变化特性没有广泛的适用性。本文以燃气轮机结垢性能退化模型为例，通过数值模拟获得了性能退化后燃气轮机的动态响应特性，从而合理地分析了燃气轮机部件性能退化对燃气轮机性能的影响。

1 燃气轮机性能下降的原因及机理分析

使用燃气轮机时的环境条件是不同的。大气温度、大气压力、盐雾和空气质量对燃气轮机的可靠运行、使用寿命、经济效益和性能有着重要影响。大量的研究表明，燃气轮机性能下降的主要影响因素是空气的纯度。燃气轮机进气质量对燃气轮机的性能有很大的影响。空气中的灰尘、无机盐等杂质颗粒容易腐蚀和污染压气机叶片和涡轮叶片。实验表明，直径为20微米的颗粒会对叶片造成严重的腐蚀，从而降低燃气轮机的性能。另外，空气中的杂质、工业废气以及润滑油系统中的油气也会引起压缩机叶片结垢，从而导致燃气轮机转轮横截面积的变化。随着运行时间的增加，上述原因将减少压缩机的进气流量，从而导致燃气轮机机组效率降低。

2 某型燃气轮机热力学模型的构建

高精度热力模型的是研究燃气轮机固定和动态特性的基础。本文的燃气轮机热力仿真方案旨在建立一个特定的燃气轮机仿真模型（如图1）。

图1 GSP下建立的燃气轮机模型

该模型使用单元1和7来控制燃气轮机的运行能力，而单元3用于负载控制，此外，由于以下原因，模块11被添加到模型中 低压涡轮和电动涡轮之间的过渡期和压降，与此同时，该燃气涡轮的排气管也很复杂，高低压压缩机释放涡轮 冷却空气，从而在模型中指定模块2。该模型的一些参数是：总入口压力的恢复系数为0.98，低压缩机空气冷却系数为0.000562。低压压缩机的机械效率压力为0.9975，高压压缩机的冷却空气比为0.19748，涡轮机的机械效率为0.9975。重油的热值为12,700kJ/kg，相当于高压水轮机的回水系数为0.2，高压水轮机的机械效率为09975。电力涡轮机返回设备：0.3；涡轮在能量下的机械效率：0.095；排气装置的总压力恢复系数为0.97。

为了保证模型的准确性，GSP相应地处理了燃气轮机压缩机引气和涡轮冷却。表1显示了压缩机模块中引气的相关参数。引气识别号1和2对应于低压压缩机，引气识别号3至6对应于高压压缩机。对于三个涡轮的冷却状况，此处仅介绍高压增压涡轮的冷却参数设置(见表2)。为了确保模型的准确性，GSP分别处理燃气轮机排气和涡轮冷却，表1显示了压缩机单元的排气参数。所选的空气识别号1和2对应于低压压缩机，A的所选空气识别号为3-6，对应于高压压缩机。要冷却三个涡轮机时，每个涡轮机的情况类似，因此，此处只列出了高压涡轮机的冷却参数（请参见下表2）。

表1 压力机引气的参数设置

表2 高压增压涡轮的参数设置

高精度热力学模型的构建还需要知道燃气轮机不同部件的精确特性值，对于压缩机而言，特性曲线存在一个共同的问题，当燃气流量较高时，它的一般特性曲线会变得突然陡峭。低速气流的微小变化也会引起较大的压力变化，传统方法很容易引起较大的误差，因此，引入Beta辅助线可以有效地解决这些问题。换句话说，给定的工作点取决于压缩机的特性曲线，以速度相对较低，和辅助β曲线作为自变量，确定压缩机特性曲线上的工作点。然后压力系数的随之确定，随后是减少流量和等熵效率得以确定。压缩机特性图表示如下:

式中，θ=T0/288.14；δ=P0/101.326；

3 计算结果与讨论

3．1 几种不同的计算条件

燃气轮机元件的几何形状也会随着其性能的下降而变化，由于具有特定几何尺寸的零件决定了零件的相应特性，因此，几何变化也会改变零件的特性。在上述燃气轮机模型中，将性能恶化因素引入每个组件的特性中，安装了燃气轮机运行性能恶化的模型，本研究以燃气轮机为例航海（300k，10130Pa）在计算条件下（0.35～1.0）运行，分析并计算了两种情况：降低压力只会降低压缩机的效率。低压压缩机的流量同时减少。低压压气机降低了6%，直到熵效率降低了3%；只有涡轮机效率降低了；高压和低压涡轮机的流量却降低了4%。

3．2 计算结果

根据上述计算条件，计算元件性能的降低对圆盘转速和进气流量的影响。对于船用燃气轮机，用户更加关注其出口容量和燃料消耗，这直接影响了船舶的机动性和耐用性。当燃气轮机不同部件的运行性能下降时，低效的压缩机和涡轮机的运行方式会有所不同。燃气轮机和燃油消耗压缩机性能下降对燃气轮机功率的影响是显而易见的。将所有工况综合起来，燃气轮机的功率降低在5～7点。

3．3 仿真结果与实测数据的对比分析

燃气轮机性能的下降可分为三大类：回收性能下降，性能下降，清洗性能无法恢复并持续下降。长期以来，海洋气体一直在海洋环境中使用。恶劣的海洋环境，尤其是空气中的盐雾会对燃气轮机的运行产生严重影响。某类型的燃气轮机（主要是压缩机）的泄漏通道效率由于污染等原因而降低，这是性能下降的一种形式，通过清洗可以恢复。用水洗涤后，燃气轮机的性能基本上是正常的。

4 结语

影响燃气轮机有效使用的最重要因素之一是效率的下降，研究降低燃气轮机效率的机制对于确保其高效安全运行至关重要。本文使用模拟和模拟以及实验方法，研究重点是船用燃气轮机，并研究了在性能降低的情况下修改性能参数的规律。结果表明，在部件性能下降的情况下，压缩机性能的下降对燃气轮机的功率产生了重大影响。燃气轮机运行性能的下降大大增加了燃气轮机的燃油消耗，提高了燃气轮机的效率。此外，对于运行在海洋环境中的燃气轮机，水清洗是有效的。