1、燃氣輪機溫度控制與性能試驗張文輝,李穎(華東電力試驗研究院,上海200437摘要:我國近期引進的F 級燃氣輪機,有的已進入性能試驗考核驗收階段。確保機組在設計的燃機透平進口溫度下運行,是進行性能試驗時測定機組輸出功率和效率的基準條件。介紹了燃機溫度控制方式及其與機組性能試驗出力和熱耗率的關系。指出溫控修正參數的準確性將影響燃機透平進口溫度,從而影響燃機性能試驗的基準。還介紹了通過軸功率平衡和能量平衡,推算燃機透平進口溫度的方法,以供試驗時參考。關鍵詞:燃氣輪機;性能試驗;溫度控制;透平進口溫度中圖分類號:T K477文獻標識碼:A1引言我國近期引進一批F 級燃氣輪機(以下簡稱燃機,經過緊張的安

2、裝和調試,有的已進入性能試驗考核驗收階段,如何確保性能考核試驗的準確性,是試驗中最為關注的問題。就現有資料看,燃機制造廠提供的熱平衡圖等性能保證參數,均為基本負荷工況下的,即機組在該性能保證值下的運行方式是基本負荷(BASE LOAD 模式。所謂基本負荷模式即機組按照溫度控制曲線進行最佳化運行,在該方式下運行,不論環境參數如何變化,機組都將保證燃機透平進口溫度等于設計值,并使機組在設計效率下運行。機組在設計的燃機透平進口溫度下運行,是進行性能試驗時測定機組的輸出功率和效率的基準條件,在該條件下進行試驗和進行相關修正才具有比較意義。因此,如何確保機組運行在基本負荷模式,且能確保機組燃機透平進口溫

3、度為設計值,亦是試驗過程中值得關注的問題。2燃機基本負荷模式機組按基本負荷運行,即控制機組透平進口溫度為設計值,由于燃機的發展,目前燃機透平進口溫度已超過1200°C ,直接對透平進口溫度進行測量并實施控制還無法實現。現在普遍采用在一些較低溫度區域,安裝若干熱電偶,測量該處的溫度,并通過該測量溫度與燃機透平進口溫度的關系,間接地控制燃機透平進口溫度。目前,普遍采用的是通過建立透平排氣溫度與透平進口溫度的關系,在實際運行時通過測量燃機透平排氣溫度等參數,對透平進口溫度進行控制。實際機組運行時,通過測量相關參數,計算出修正后的燃機排氣溫度,然后通過控制系統對燃機排氣溫度進行控制,使其等于

4、修正后的燃機排氣溫度。2.1燃機透平排氣溫度控制理論排氣溫度控制的理論基礎,即透平排氣溫度T 43與透平進口溫度T 33的關系,可參見下期注水運行對燃氣輪機排氣溫度控制的影響一文中的第三節:溫度控制基準原理。為保持進口溫度T 33不變,可以通過維持相應的排氣溫度T 43,而在不考慮其他微小變化的情況下,排氣溫度T 43可以通過壓氣機排氣壓力來確定。2.2GE 公司F 級燃機溫度控制參考F 級燃機是用燃機排氣溫度間接控制燃機透平進口溫度,由于環境參數是不斷變化的,為得到合理的溫度控制基準,在理論溫控基準上引入了相關修正。GE 公司提供的溫度控制參考(T TRXV5的控制框簡圖如圖1所示。從圖1可

5、以看出,溫度控制基準主要引入的修正參數有TCD (壓氣機排氣溫度、CPD (壓氣機排氣壓力、WQJ (注水流量、LOAD (燃機負荷、T TRXP (CPD 與TCD 修正參考等。3相關參數對溫控及性能試驗的影響燃機的透平進口溫度對機組的性能影響較大,提高進口溫度,可提高機組的效率。溫度控制基準的準確性,將影響到機組進口溫度的控制,從而影響到機組的性能,因此,對溫度控制基準進行分析,有利于保證性能試驗的準確性。63大型燃氣輪機發電技術上海電力2006年第1期 圖1溫度控制參考(T TRXV5框圖3.1燃機排氣溫度排氣溫度的精確測量是準確控制透平進口溫度的關鍵,如排氣溫度測量不準,將影響到透平進

6、口溫度的控制。例如:由于透平排氣溫度測量偏低,此時,機組因在基本負荷控制模式,將要增加燃料量,以提高機組的透平排氣溫度;而此時由于實際燃機透平排氣溫度升高,反算回燃機透平進口溫度可知,此時燃機透平進口實際溫度將升高。因此,使用高精度的燃機排氣溫度測量熱電偶,以及在試驗前對燃機排氣溫度測量系統進行準確校驗尤為重要。GE 公司9F 級燃機排氣溫度熱電偶測點布置圖如圖2所示。共有31個溫度測點對排氣溫度進行測量。現場調整試驗時對排氣溫度測量系統需進行系統校驗。3.2壓氣機排氣壓力根據溫度控制修正可知,壓氣機排氣壓力應用到燃機透平排氣溫度控制基準的修正計算中,壓氣機排氣壓力的測量偏差也將影響到燃機排氣

7、溫度控制基準的修正。而修正后的燃機透平排氣溫度一旦發生偏離,機組在該溫度控制模式下運行,其燃機透平進口溫度將同樣偏離設計值。在這種情況下進行的性能試驗值將是虛假的。因此,提高壓氣機排氣壓力、溫度變送器的精度和對壓氣機壓力、溫度測 量系統進行現場校驗同樣對提高機組性能試驗有圖2燃機排氣溫度測點布置重要意義。4現場試驗工作為使性能試驗時機組能按試驗標準要求的負荷控制模式下運行,試驗前應進行壓氣機排氣壓力傳感器的校驗;排氣溫度熱電偶的校驗;試驗前應進行基本負荷控制曲線的相關參數打印。5透平進口溫度的間接求取性能試驗時保證機組運行在燃機透平進口溫度為設計值,這是性能試驗進行的基準前提。在性能試驗時,可

8、以通過選擇基本負荷模式(溫度控制運行,保證機組運行在設計的燃機透平進口溫度。但在實際運行中,可能由于測量上或系統傳遞上的偏差,導致機組偏離設計燃機透平進口溫度運行。如何通過系統已知熱力參數,進行燃機透平進口溫度的間接求取值得關注。5.1由功率平衡關系求取進口溫度根據燃機循環系統中各部分的功率平衡關系,可以間接求取進口溫度。燃機單循環系統簡圖如圖3所示 。圖3燃機單循環系統機組軸上各功率分為:壓氣機軸功率P c 、燃氣輪機軸功率P t 、發電機軸功率P g 、機械損失P M ,其平衡式:P t =P c +P g +P M燃氣輪機軸功率,可以通過煙氣流量和燃機732006年第1期上海電力大型燃氣

9、輪機發電技術透平的焓降求取:P t =m t (h t33-h t43式中m t 燃機透平進口流量;h t33燃機透平進口焓;h t43燃機透平排氣焓。壓氣機軸功率,可以通過壓氣機空氣流量和空氣壓縮后的焓增求取:P c =m c (h t2-h t1式中m c 壓氣機空氣流量;h t1壓氣機進口焓;h t2壓氣機排氣焓。發電機軸功率,可以通過發電機輸出功率P go 和發電機效率go 求取:P g =P go /go 機械損失P M ,可以通過查閱制造廠相關資料獲得。將以上關系代入功率平衡式得:m t (h t33-h t43=m c (h t2-h t1+P go /go +P M ,即燃氣輪

10、機進口焓可通過式(6求取:h t33=m c (h t2-h t1+P go /go +P M /m t +h t43各氣體的焓值,可以通過測量其溫度而方便地求出;壓氣機空氣流量和燃機透平進氣流量在熱平衡圖上均有給出,實際運行時也裝有測點;發電機功率可以從發電機功率表讀取。計算出燃機透平進口焓值后,可以通過其方便地求出燃機進口溫度T 33。5.2根據能量平衡關系求取燃機進口溫度根據能量平衡關系得出燃機的能量平衡關系式:m t h t33=m c h t2+m f cb (L HV +h f 變換后得:h t33=m c h t2+m f cb (L HV +h f /m t式中m f 燃機燃料

11、進口質量流量;cb 燃燒室效率;L HV 燃料的低位熱值;h f 燃料進燃燒室的焓值。同樣,燃料流量、低位熱值和燃料進口焓均可通過現場測量或通過計算得到;燃燒室效率可以查制造廠相關資料獲取,其變化值很小。通過上式計算出燃機透平進口焓值后,即可通過該焓值求取燃機透平進口溫度T 33。5.3流量的修正(1由于壓氣機有抽氣至透平靜葉冷卻用,因此,在計算時對空氣流量應進行相應修正。(2由于壓氣機抽氣冷卻燃機透平后均回到燃機透平中,因此,燃機透平流量可以不受影響。6結語通過以上分析與計算可知,在進行機組性能試驗時,應在燃機透平進口設計溫度下運行,即運行方式為基本負荷,而要確保燃機在基本負荷運行時的溫度控

12、制準確,應確保相關參與溫度控制的參數的準確,即排氣溫度和壓氣機排氣壓力準確。在無法直接測量燃氣輪機透平機進口溫度的情況下,可以查取制造廠的相關參數,通過軸功率平衡或能量平衡來求取燃機透平進口溫度,以作為參考。收稿日期:2005212202作者簡介:張文輝(19722男,湖北人,本科,工程師,從事燃氣輪機及熱能動力等方面的研究,021*×7404;李穎(19672,女,碩士研究生,高級工程師,從事研究透平機械和熱能動力工程,021*×7510。(責任編輯:杜建軍T emperature control and performance test of gas turbineZ

13、H A N G W en 2hui ,L I Yi n g(East China Elect ric power Test &Research Instit ute ,Shanghai 200437,China Abstract :A method for gas turbine inlet temperature control is presented ,and the effect of this method upon the power output and heat consumption rate of a unit during the performance test

14、 is also discussed.The results of the research indi 2cate that the accuracy of temperature control correction parameter will affect gas turbine inlet temperature ,and hence af 2fect the basis of gas turbine performance test.A calculation method for gas turbine inlet temperature through shift power balance