1、第六章第六章 燃氣輪機變工況燃氣輪機變工況單軸燃氣輪機的變工況特性環(huán)境條件對燃氣輪機性能的影響6-1 概述概述n研究燃氣輪機變工況的目的研究燃氣輪機變工況的目的n基本要求及性能指標基本要求及性能指標n負荷特性負荷特性一、燃氣輪機的變工況一、燃氣輪機的變工況n整臺機組偏離設計狀態(tài)下工作的各種工況整臺機組偏離設計狀態(tài)下工作的各種工況n (1)(1)穩(wěn)定的非設計工況穩(wěn)定的非設計工況n如部分負荷或環(huán)境條件改變時引起的變工況；如部分負荷或環(huán)境條件改變時引起的變工況；n (2)(2)不穩(wěn)定的過渡工況不穩(wěn)定的過渡工況n如啟動、加速等引起的變工況如啟動、加速等引起的變工況。n 非常復雜非常復雜（三大件（三大件

2、+負荷）負荷）二、研究目的二、研究目的n分析燃氣輪機機組各部分相互聯(lián)系、相互制約的變化規(guī)律，從而掌握燃氣輪機的變工況過程及其特性。（1）為設計新機組提供選擇方案的依據(jù)（2）為用戶提供變工況性能曲線。基本要求及性能指標基本要求及性能指標基本要求基本要求: 保證在各種負荷下機組能夠經(jīng)濟地、可靠地運行，同時有較強的適應外界負荷變化的能力。性能指標性能指標: :n1 1經(jīng)濟性經(jīng)濟性n機組的效率或耗油率不因功率下降而極度惡化機組的效率或耗油率不因功率下降而極度惡化；n機組的負荷特性曲線變化得平坦些。機組的負荷特性曲線變化得平坦些。n2 2穩(wěn)定性穩(wěn)定性n在在各種負荷各種負荷下，壓氣機不喘振、渦輪不超溫、燃

3、燒下，壓氣機不喘振、渦輪不超溫、燃燒室不熄火室不熄火；機組能穩(wěn)定可靠地運行。機組能穩(wěn)定可靠地運行。n3 3加載性加載性 n機組功率能機組功率能及時適應外界負荷變化及時適應外界負荷變化的需要。的需要。滿負荷、部分負荷、滿負荷、部分負荷、低速、啟動等低速、啟動等三、負荷特性三、負荷特性n負荷功率PL隨負荷轉(zhuǎn)速nL變化的關(guān)系n PL = f (nL)1 1、恒速負荷特性、恒速負荷特性n負荷功率負荷功率P PL L變化與負荷轉(zhuǎn)速變化與負荷轉(zhuǎn)速n nL L無關(guān)無關(guān)n即 nL=const nLPL例子：例子：恒頻交流電機恒頻交流電機2 2、螺旋槳型負荷特性、螺旋槳型負荷特性n負荷功率負荷功率P PL L與

4、其轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)速n nL L的三次方呈正比的三次方呈正比n即 PL = c nL3 （c為比例系數(shù)） n變速負荷 nLPL例子：例子： 固定螺距螺旋槳固定螺距螺旋槳( (輪船輪船) ) 葉輪機械（泵、風機等）葉輪機械（泵、風機等） PL = c nL33 3、調(diào)速負荷特性、調(diào)速負荷特性n負荷功率負荷功率P PL L與其轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)速n nL L在一定范圍內(nèi)任意配合，在一定范圍內(nèi)任意配合，用來帶動變速負荷。用來帶動變速負荷。n變頻調(diào)速負荷 nLPL例子：例子：變螺距螺旋槳負荷或機車燃氣輪機變螺距螺旋槳負荷或機車燃氣輪機 4 4、機械牽引負荷特性、機械牽引負荷特性n用機械方式（如聯(lián)軸器、齒輪等）傳動各

5、用機械方式（如聯(lián)軸器、齒輪等）傳動各種車輛。種車輛。n啟動時有最大扭矩，即啟動時有最大扭矩，即 nL=0， M=Mmax n轉(zhuǎn)速升高時，扭矩減小；轉(zhuǎn)速升高時，扭矩減小；nnL=nmax， M=Mmin。 n負荷功率：負荷功率：PLMnLnPL隨隨nL增加而增大。增加而增大。 nLPLn平衡工況：平衡工況：穩(wěn)定運行工況，燃氣輪機輸出功穩(wěn)定運行工況，燃氣輪機輸出功率等于負載所消耗的功率，即率等于負載所消耗的功率，即Pe= PL， 兩者處兩者處于平衡狀態(tài)。于平衡狀態(tài)。n不平衡工況：不平衡工況：是從一個平衡工況變化到另一是從一個平衡工況變化到另一個平衡工況的過渡過程，這時燃氣輪機的輸出個平衡工況的過渡

6、過程，這時燃氣輪機的輸出功率與負載所消耗的功率不相同，即功率與負載所消耗的功率不相同，即PePL，兩者不平衡。兩者不平衡。 四、燃氣輪機的平衡運行條件四、燃氣輪機的平衡運行條件n機組在不同負荷下穩(wěn)定運行時，各部件的參數(shù)（流量、轉(zhuǎn)速、壓比、功率）應滿足的相互配合的條件。n分析討論燃氣輪機變工況的基礎(chǔ)：分析討論燃氣輪機變工況的基礎(chǔ)：n 各部件的特性和平衡運行條件各部件的特性和平衡運行條件 1、轉(zhuǎn)速平衡、轉(zhuǎn)速平衡n每根軸上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同。每根軸上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同。n 單軸機組：單軸機組：n nC C= =n nT T= =n nL Ln 分軸機組：分軸機組：n nC C= =n nHTHT n nLT

7、LT= =n nL Ln 2、壓比平衡、壓比平衡n T= 壓氣機壓比壓氣機壓比透平膨脹比透平膨脹比總壓保持系數(shù)總壓保持系數(shù) = 1 2 4平行雙軸機組平行雙軸機組 3、功率平衡、功率平衡n機械聯(lián)系的各部件的驅(qū)動力矩，應等機械聯(lián)系的各部件的驅(qū)動力矩，應等于總的阻力矩（包括壓氣機耗功），于總的阻力矩（包括壓氣機耗功），即每根軸上的功率應平衡。即每根軸上的功率應平衡。n 單軸機組：單軸機組：n PT=PC+Pm+PLn或或 PT=PC/ m+PL壓氣機內(nèi)功率壓氣機內(nèi)功率機組附件消耗和機組附件消耗和機械損失功率機械損失功率渦輪內(nèi)功率渦輪內(nèi)功率分軸機組分軸機組： 機械效率機械效率PLT=PLC/ m1+

8、PLPHT=PHC/ m2平行雙軸機組平行雙軸機組PHT=PC/ m1PLT=PL/ m2 4、流量平衡、流量平衡qT= q+qf - qcln變工況時，可近似認為：變工況時，可近似認為： qcl /qconstn粗算時，可取粗算時，可取 qT q冷卻用和泄冷卻用和泄露的空氣量露的空氣量燃氣流量燃氣流量 燃料消耗量進氣量五、平衡運行工況點的確定五、平衡運行工況點的確定平衡運行工況點：平衡運行工況點： 平衡運行線的確定：平衡運行線的確定：是從各個部件的性能出發(fā)，用平衡關(guān)系式是從各個部件的性能出發(fā)，用平衡關(guān)系式把它們聯(lián)系起來而求得。把它們聯(lián)系起來而求得。 求解方法（1 1）聯(lián)合求解法：）聯(lián)合求解法

9、：n利用已獲得的壓氣機、燃燒室和透平的特性線，利用已獲得的壓氣機、燃燒室和透平的特性線，根據(jù)平衡運行條件來聯(lián)合求得。根據(jù)平衡運行條件來聯(lián)合求得。（2 2）近似計算法：）近似計算法：n若沒有透平特性線，可利用透平的橢圓方程來近若沒有透平特性線，可利用透平的橢圓方程來近似計算獲得。似計算獲得。（3 3）測試法：）測試法：利用壓氣機特性實驗裝置來測得。利用壓氣機特性實驗裝置來測得。測試方法測試方法 在壓氣機后面加裝一個燃燒室；將燃燒室后面在壓氣機后面加裝一個燃燒室；將燃燒室后面的排氣閥固定在某一開度來代替透平。的排氣閥固定在某一開度來代替透平。 測試時，改變?nèi)細獬鯗睾蛪簹鈾C轉(zhuǎn)速，測得不測試時，改變?nèi)?/p>

10、氣初溫和壓氣機轉(zhuǎn)速，測得不同工況下的流量和壓比。同工況下的流量和壓比。 在壓氣機特性線上，把各種轉(zhuǎn)速下的燃氣初溫在壓氣機特性線上，把各種轉(zhuǎn)速下的燃氣初溫相同的點連起來，得到一組相同的點連起來，得到一組等溫比線等溫比線。燃燒室的性能，燃燒室的性能， 一般可近似地認為效率一般可近似地認為效率 B和壓力保持系數(shù)和壓力保持系數(shù) 2不變，不變，即和設計工況時一樣，故未畫性能曲線。即和設計工況時一樣，故未畫性能曲線。n平衡運行點主要是在壓氣機和透平性能的基平衡運行點主要是在壓氣機和透平性能的基礎(chǔ)上求得的。礎(chǔ)上求得的。 實質(zhì)：實質(zhì)：是壓氣機和透平平衡運是壓氣機和透平平衡運行點的連線，是透平性能在壓行點的連線

11、，是透平性能在壓氣機性能曲線圖上的描述。氣機性能曲線圖上的描述。 *332pnTv不變，（）燃氣比體積流動阻力增大*31*1e/fenTTTqP已知壓氣機轉(zhuǎn)速和透平燃氣溫比整個機組的聯(lián)合運行工況點確定性能參數(shù)（、 ）可算出=常數(shù) TeLP 不變，轉(zhuǎn)速n時eefuPq H燃氣輪機變工況性能的表示燃氣輪機變工況性能的表示n通常，用通常，用Pen為坐標來作圖，全面反映為坐標來作圖，全面反映單軸燃氣輪機的變工況性能。單軸燃氣輪機的變工況性能。n在具體的運行中，燃氣輪機還必須與負載平衡運在具體的運行中，燃氣輪機還必須與負載平衡運行，要滿足行，要滿足PL=Pe=f(n) 。n當把當把Pe=f(n)畫到燃氣

12、輪機變工況計算得到畫到燃氣輪機變工況計算得到的的Pen圖上后，位于該規(guī)律曲線上的諸圖上后，位于該規(guī)律曲線上的諸參數(shù)變化情況，就是燃氣輪機在該負載規(guī)參數(shù)變化情況，就是燃氣輪機在該負載規(guī)律下的變工況解。律下的變工況解。6-2 單軸燃氣輪機的變工況性能單軸燃氣輪機的變工況性能n最簡單的、目前實際應用最多；最簡單的、目前實際應用最多；n功率范圍由功率范圍由10kW左右至左右至334MW。n特點是壓氣機與負載共軸特點是壓氣機與負載共軸n負載的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律直接影響壓氣機轉(zhuǎn)速，即直接影負載的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律直接影響壓氣機轉(zhuǎn)速，即直接影響壓氣機工況，進而影響燃氣輪機的工況。響壓氣機工況，進而影響燃氣輪機的工況。n

13、負載規(guī)律對單軸燃氣輪機變工況性能的影響很大。負載規(guī)律對單軸燃氣輪機變工況性能的影響很大。 一、性能曲線網(wǎng)一、性能曲線網(wǎng)性能曲線網(wǎng)性能曲線網(wǎng) 平衡運行線平衡運行線 Pe=0零功率線零功率線（空載工況）（空載工況） min0.65 0.70n 運行區(qū)（運行區(qū)（范圍較小范圍較小） 機組的設計點機組的設計點位于最佳工況線位于最佳工況線左側(cè)，為什么？左側(cè)，為什么？ P195中中二、帶動具體負載時的性能二、帶動具體負載時的性能n1、恒速負載、恒速負載n特點是轉(zhuǎn)速不隨輸出功率的大小而變，始終在設計轉(zhuǎn)速下運行，即沿壓氣機的no線運行。 n2、變速負載、變速負載n螺旋槳負載是一種典型的變速負載。n它的一個主要特

14、點是在部分負荷下n下降，空氣流量q下降，下降且較快。 1、恒速負載、恒速負載單軸單軸 nc = nT = nL= n0=n變工況運行線變工況運行線 設計工況點設計工況點“O”負荷負荷Pe 時，時，保持保持p1*、T1*不變不變： 調(diào)節(jié)使調(diào)節(jié)使no不變；不變； 同時關(guān)小油門，使耗油量同時關(guān)小油門，使耗油量qf ； T3* ，即即 新的平衡點新的平衡點“b” 運行線運行線ob負荷負荷Pe至零，點至零，點c所示，所示， bc “c”空載工況空載工況 壓氣機：壓氣機： 、流量、流量q (或不變或不變） 透平：透平： T 、流量、流量qT 整個機組：整個機組： PebPeo qfbqfo eb n nP

15、TPT C C和和HTHT體積小，節(jié)省耐高溫材料體積小，節(jié)省耐高溫材料 4 4 在在HTHT和和PTPT之間可采用再熱之間可采用再熱 1-壓氣機C 2-高壓透平HT 3-動力透平PT 4-發(fā)電機燃氣發(fā)生器燃氣發(fā)生器二、分軸燃氣輪機的性能曲線網(wǎng)二、分軸燃氣輪機的性能曲線網(wǎng) 和平衡運行帶和平衡運行帶 1、性能曲線網(wǎng)、性能曲線網(wǎng) 近似拋物線近似拋物線 虛線虛線等弧線等弧線 機組的設計點是否位于機組的設計點是否位于最佳工況線上，取決于動最佳工況線上，取決于動力透平設計點的選擇。力透平設計點的選擇。 當動力透平設計點選在當動力透平設計點選在最佳速比時，最佳速比時， PT 最高，最高，使使機組的設計點位于

16、最佳機組的設計點位于最佳工況線上工況線上。二、分軸燃氣輪機的性能曲線網(wǎng)二、分軸燃氣輪機的性能曲線網(wǎng) 和平衡運行帶和平衡運行帶 2、平衡運行帶平衡運行帶n在壓氣機的性能曲線上，分軸的在壓氣機的性能曲線上，分軸的平衡運行區(qū)是平衡運行區(qū)是一條狹長的窄帶一條狹長的窄帶。n它是它是動力透平轉(zhuǎn)速變化對流量的動力透平轉(zhuǎn)速變化對流量的影響所致影響所致。（。（影響不是很大影響不是很大）n該運行帶的上限即動力透平通流該運行帶的上限即動力透平通流能力最小點的連線，下限即動力能力最小點的連線，下限即動力透平通流能力最大點的連線。透平通流能力最大點的連線。當不計及動力透平轉(zhuǎn)速變不計及動力透平轉(zhuǎn)速變化對通流能力的影響化對

17、通流能力的影響，等nc線上只有一個運行點，把諸等nc線上的運行點連起來得到了一條運行線一條運行線。 二、分軸燃氣輪機的性能曲線網(wǎng)二、分軸燃氣輪機的性能曲線網(wǎng) 和平衡運行帶和平衡運行帶3、機組的運行區(qū)機組的運行區(qū) *33maxTTccmaxnnPTPTmaxnn、但不受壓氣機喘振的限制。但不受壓氣機喘振的限制。 MMmax 運行區(qū)：寬廣運行區(qū)：寬廣，nPT = 0nPTmax。因而很適宜于帶動轉(zhuǎn)速變化范圍很大的負載，克服了單軸機因而很適宜于帶動轉(zhuǎn)速變化范圍很大的負載，克服了單軸機組的不足，這是分軸燃氣輪機的組的不足，這是分軸燃氣輪機的一個顯著優(yōu)點一個顯著優(yōu)點。三、帶動具體負載時的性能三、帶動具體

18、負載時的性能PTPT0nn3ePTPn - 在部分負荷下在部分負荷下 T3*高的高的 e未必一定高未必一定高. 在帶動各種不同負載在帶動各種不同負載時的平衡運行線都是時的平衡運行線都是很靠近的很靠近的。 帶動恒速負荷，分軸的加載性能不如單軸的；帶動恒速負荷，分軸的加載性能不如單軸的；其次是分軸甩負荷時動力透平超速問題較嚴重。其次是分軸甩負荷時動力透平超速問題較嚴重。 分軸的變工況性能分軸的變工況性能n與單軸比較與單軸比較 恒速負載恒速負載n經(jīng)濟性經(jīng)濟性 好些好些n穩(wěn)定性穩(wěn)定性 差些差些n加載性加載性 差些差些 負荷負荷Pe 時，時，T3*、nc均會下降。均會下降。單軸單軸恒速恒速單軸單軸變速變

19、速分軸分軸*1*1 q Tp*1cnT 變速負載變速負載差些差些好些好些差不多（緩和）差不多（緩和）n分軸燃氣輪機宜用于機械傳動變速負載，如螺旋槳、車輛等。分軸燃氣輪機宜用于機械傳動變速負載，如螺旋槳、車輛等。n目前發(fā)電用的燃氣輪機主要是單軸方案。目前發(fā)電用的燃氣輪機主要是單軸方案。 6-4 環(huán)境條件對燃氣輪機性能的影響環(huán)境條件對燃氣輪機性能的影響1、大氣溫度對機組功率和效率的影響、大氣溫度對機組功率和效率的影響明顯明顯大氣溫度大氣溫度Ta升高時，功率和效率都降低；升高時，功率和效率都降低；大氣溫度大氣溫度Ta降低時，功率和效率都增加。降低時，功率和效率都增加。*3aa*1 aCpTvqTLT

20、與不變，()eTCPq LLCT, e,e1.4 1520.4%22.9C-25 C %aePT倍；由增至由降至2、大氣壓力對機組功率和效率的影響、大氣壓力對機組功率和效率的影響pa升高時，功率升高時，功率Pe增加增加，效率，效率 e基本基本不變；不變；pa降低時，功率降低時，功率Pe降低、效率降低、效率 e基本基本不變。不變。*3aa*1 aCTTvqpLT與不變，()eTCPq LLCT e基本不變,3、海拔的影響、海拔的影響n對燃氣輪機的性能有很大影響。對燃氣輪機的性能有很大影響。n隨著海拔的升高，大氣Ta和pa都在下降:n 比體積增加，流量q和功率Pe下降;n 當燃氣輪機保持T3*=T

21、30* 運行時，溫比隨著海拔的升高而增加，故e提高，減少了Pe下降的幅度。二、大氣參數(shù)變化時常用的修正曲線二、大氣參數(shù)變化時常用的修正曲線 a b大氣參數(shù)對大氣參數(shù)對電站電站單軸單軸燃氣輪機燃氣輪機最大出力和效率的影響最大出力和效率的影響制造廠給出機組的最大出力和效率（或熱耗率）隨大氣參數(shù)變制造廠給出機組的最大出力和效率（或熱耗率）隨大氣參數(shù)變化的修正曲線，供用戶備查。化的修正曲線，供用戶備查。 設計值設計值最大值最大值高海拔地區(qū)使用虛線高海拔地區(qū)使用虛線 (1)單個變化單個變化 直接讀出直接讀出 修正系數(shù)的形式修正系數(shù)的形式 a b電站電站單軸單軸燃氣輪機燃氣輪機最大出力和效率修正系數(shù)隨大氣

22、參數(shù)的變化最大出力和效率修正系數(shù)隨大氣參數(shù)的變化電站電站分軸分軸燃氣輪機燃氣輪機最大出力和效率隨大氣參數(shù)的變化最大出力和效率隨大氣參數(shù)的變化三、燃氣輪機的通用性能曲線三、燃氣輪機的通用性能曲線 n與壓氣機、透平一樣，燃氣輪機用相似參數(shù)來與壓氣機、透平一樣，燃氣輪機用相似參數(shù)來繪制性能曲線。繪制性能曲線。單軸燃氣輪機單軸燃氣輪機 分軸燃氣輪機分軸燃氣輪機燃氣輪機運行區(qū)隨大氣溫度的變化燃氣輪機運行區(qū)隨大氣溫度的變化單軸燃氣輪機單軸燃氣輪機 分軸燃氣輪機分軸燃氣輪機-ta15大氣溫度變化時機組運行線的變化大氣溫度變化時機組運行線的變化 -ta15 各種燃氣輪機通用性能曲線上的負載規(guī)律各種燃氣輪機通用

23、性能曲線上的負載規(guī)律線隨大氣溫度的變化都相同。線隨大氣溫度的變化都相同。（圖（圖b所示）所示） 0aaT T0aapp單軸燃氣輪機 分軸燃氣輪機：分軸燃氣輪機： 由于平衡運行帶不隨大氣溫度變化，運行帶又很窄，使大氣由于平衡運行帶不隨大氣溫度變化，運行帶又很窄，使大氣溫度變化后的平衡運行線變化很微小，溫度變化后的平衡運行線變化很微小，可視為不變可視為不變。 6-5 燃氣輪機的過渡工況燃氣輪機的過渡工況 不平衡工況：不平衡工況：一般一般PePL 從一個平衡工況向另一個平衡工況的過渡過程從一個平衡工況向另一個平衡工況的過渡過程不穩(wěn)定工況，如起動、加載與減載、停機等不穩(wěn)定工況，如起動、加載與減載、停機等其好壞對運輸式燃氣輪機很重要其好壞對運輸式燃氣輪機很重要一、燃氣輪機的起動一、燃氣輪機的起動特點特點 1 需要起動機需要起動機 2 起動過程大致經(jīng)過三個階段起動過程大致經(jīng)過三個階段 （1）冷態(tài)加速）冷態(tài)加速(0- n1) （2）熱態(tài)暖機）熱態(tài)暖機(n1 - n2 - n3) （3）熱態(tài)加速）熱態(tài)加速(n3 - n4)要求要求 1 起動時間越短越好起動時間越短越好 2 起動機功率盡量小些起動機功率盡量小些 3 起動過程要安全穩(wěn)定起動過程要安全穩(wěn)定 4 加熱速度盡量快慢一致加熱速度盡量快慢一致起動過程起動過