6FA燃气轮机试车台排气系统研究

赵 鲤

(南京汽轮电机(集团)有限责任公司，南京 210037)

根据国家分布式能源联产产业技术政策[1]，随着燃气轮机动力的发展，高效率的6FA燃气轮机越来越成为燃气轮机电站的主流机型。6FA燃气轮机试车台的搭建对6FA燃气轮机的市场拓展有着重要推动作用。

6FA燃气轮机试车台的排气系统是将在燃气轮机中燃烧产生的高温燃气通过排气系统管道扩散冷却减温后释放到大气中。燃气轮机排气必须满足当地限定的清洁度和噪声级环境标准。在燃气轮机运行期间所产生的噪声通过吸收性消声材料和安装在排气部分的消音器件把声能耗散或减小而达到可接受的水平。

1 6FA燃气轮机试车台排气系统简介

6FA燃气轮机试车台在试车时会产生大量排气，实现将这些排气在排入大气之前改变方向的系统称之为排气系统。它把燃气轮机排气室的高温燃气引导至排气管道，通过吸收性消音材料消音后排入大气。

6FA燃气轮机试车台排气系统布置如图1所示，系统包括膨胀节、消音器、弯道、烟囱、支撑结构和外壳密封，以及必要的保温层。

图1 6FA燃气轮机试车台排气系统布置图

根据6FA燃气轮机排气流速可计算烟囱的最大出口截面为28.5 m2，而直径可根据所需的声学性能具体设计。超出试验台厂房外的烟囱部分，则由一个矩形截面的外壳包裹，烟囱和厂房之间采用金属密封。

膨胀节的作用是吸收燃气轮机排气扩散段出口法兰的热膨胀位移。膨胀节安装时不应在扩散段法兰上施加任何方向和大小的作用力。

所有外部的保温材料采用金属包覆层覆盖的形式，使得保温层表面形成整面，以防止内部纤维扩散到周围环境中。 内部的保温材料和消音器的填充材料的设计寿命与排气系统的使用寿命相一致，因此消音器的设计保证了纤维材料不受气流的磨蚀和抽吸作用影响。

2 6FA燃气轮机试车台排气系统的性能研究

2.1 设计条件

国内某6FA燃气轮机试车台的设计条件如下：海拔高度23 m；环境温度最高+42 ℃，最低-10 ℃；相对湿度80%；寿命20 a(按照试车台每年20台燃气轮机，每台燃气轮机试车时运行3个24 h的周期计算)；排气管道系统必须设计为运行50 000 h的连续使用设计寿命，以及6 000个启动/停机周期的总循环寿命；最低排气压力5 000 Pa。

2.2 排气系统的保温

排气系统的风道和烟囱的热力学设计要能够承受燃气轮机启停时瞬态下的热梯度造成的热负荷。瞬态条件对应于启动和停机阶段。正常启动和停机程序的气体温度、流量见图2、图3。

图2 6FA燃气轮机转速达到同步的启动曲线

图3 6FA燃气轮机停机曲线

在对6FA燃气轮机试车台用排气系统进行热力学计算时，将有效的排气温度和流量分别提高了20 ℃和20 kg/s代入计算，这样做的目的是为将来燃气轮机的升级发展留有余地。6FA燃气轮机排气流量、温度见表1。

表1 试车台6FA燃气轮机全速空载下排气流量、温度

可见，在稳态下6FA燃气轮机试车台排气温度最低约为400 ℃，而瞬态下排气温度可达550 ℃。

根据平壁保温层传导的热量Q：

(1)

保温层外壁散热量QS：

QS=aΣFwb(twb-t0)

(2)

由于稳定导热，Q=QS，即

(3)

可得：

(4)

式中：Q为保温层传导热量，W；QS为保温层外壁散热量，W；λ为保温材料导热系数，W/(m·K)；δ为保温层厚度，m；F为垂直于热流方向的表面积，m2；Fwb为保温层外壁面积，m2；twa为保温层内壁温度，℃；twb为保温层外壁温度，℃；t0为环境温度，℃；aΣ为保温层外壁向外界传热的综合换热系数，W/(m2·K)。

由此，可以通过改变保温层材料以及改变保温层的厚度，从而达到排气系统所需的保温效果。根据6FA燃气轮机试车台所在地要求，所有可从地面层或通道接近的排气系统区域的温度，在最高环境气温条件下不得超过50 ℃。保温层的设计目的是保持厂房内部的供热低于100 kW和200 W/m2。

6FA燃气轮机试车台排气系统的保温材料采用玻璃纤维毡和高硅氧纤维毡，密度(130±13)kg/m3。通过设计计算，保温层厚度80 mm。

2.3 声学性能

6FA燃气轮机试车台排气系统的声功率级测定根据GB/T 14098—2020《燃气轮机和燃气轮机机组 气载噪声的测量 工程法/简易法》准确度等级2[2],以及GB/T 16404—1996《声学 声强法测定噪声源的声功率级 第1部分离散点上的测量》的“不确定性”工程标准[3]。烟囱主体的辐射声功率级见表2。

表2 烟囱主体的辐射声功率级

烟囱出口辐射的声功率级测量位置见图4。

图4 烟囱出口辐射的声功率级测量位置

(5)

式中：Lpi为测点处的测量表面声压等级。

90°方向性效应下的声功率级Lw：

(6)

式中：R为测量半径。在90°方向性效应下，烟囱出口辐射的声功率级见表3。

表3 90°方向性效应下烟囱出口辐射的声功率级

一般而言，在距离排气系统罩壳1 m处的噪声声级不超过85 dB。为了符合这一要求，并考虑到声压变化，保证在距离排气系统罩壳1 m处的噪声在82 dB以下。而由上述结论得出，6FA燃气轮机试车台排气噪声可达97 dB以上，由于试车台厂址靠近居民区，因此应进一步采用适当降噪措施来降低噪声。

因此，除了安装在排气系统管道内的消音器之外，通过对风管和烟囱增加外部保温层也可达到降噪效果。经过进一步降噪，6FA燃气轮机试车台排气系统噪声最终达到了78 dB。

3 6FA燃气轮机试车台排气系统的潜在问题分析

3.1 保温问题

燃气轮机试车台排气系统保温与燃气轮机电厂的主要区别是工作环境不同。试车台承担燃气轮机新机试车工作，由于机组启停频繁，排气系统的风道和烟囱更多是在瞬态热效应下工作，这就要求排气系统的保温层需要更好的隔热效果。同时，谨防保温层脱落问题。

目前，6FA燃气轮机试车台排气系统风管和烟囱的保温层采用不锈钢长压板压住保温棉，再用自锁垫片固定的形式。保温层脱落的原因多发生于机组启停频繁时，机组处于高振动的情况下，导致了不锈钢长压板松脱，保温棉松脱。

因此，排气系统的管道设计将以尽可能减少现场安装为目的，内部保温层应全部在制造车间完成。现场安装外部保温层时，适当用不锈钢铁丝交错固定的方式对保温层进行固定。对排气系统整体设计时，必须确定主要部件的自振频率，减少可能导致疲劳破坏的结构振动。

3.2 噪声问题

6FA燃气轮机的排气系统噪声污染以及对厂房运行人员和周围环境的影响是个值得关注的问题。尤其是该试车台厂址位于市区，考虑到城市发展的趋势，厂址周围将出现越来越多的居民区，因此，为了使居住或工作在试车台附近的人们有一个安宁的环境，必须控制机组的远扬噪声。

在排气系统中加入消音器是控制远扬噪声的重要措施。目前，6FA燃气轮机试车台排气系统安装的消音器性能良好，降噪效果明显。另一方面，为将来城市建设考虑，若居民区离试车台距离120 m以内，可适当考虑增加隔音墙。

4 结语

6FA燃气轮机试车台排气系统对整个试车台的安全经济运行十分重要。由于其与电站用燃气轮机排气系统有很大区别，对6FA燃气轮机试车台排气系统的性能分析，为同类型燃气轮机试车台的排气系统搭建提供借鉴和参考。