9F級燃氣輪機初溫的多變指數算法初探

董宸禹　石奇光　徐銀文　王　瑤　孫浩祖

（上海電力學院能源與機械工程學院上海200090）

9F級燃氣輪機初溫的多變指數算法初探

董宸禹石奇光*徐銀文王瑤孫浩祖

（上海電力學院能源與機械工程學院上海200090）

重型燃氣輪機進氣溫度是表征機組性能的關鍵參數，可達1400℃等級，目前無可靠儀表能長時間直接測量。本文選擇9F級燃氣輪機為研究對象，根據熱力學原理，結合燃氣輪機機組的運行數據，采用一種基于燃機透平排氣溫度的多變指數算法，通過實例計算9F級燃氣輪機進氣初溫，并用熱平衡法對計算結果進行對比。

燃氣輪機，透平，初溫，多變指數

燃氣－蒸氣聯合循環是目前世界上供電效率最高的發電方式之一，其效率可達55%～60%。近些年來，燃氣輪機及其聯合循環發電技術得到了迅猛發展。

燃機透平初溫的升高,燃氣輪機的效率會大幅度提高。然而透平初溫過高會降低熱通道的壽命，對材料是一個嚴峻的考驗，過低又會影響機組運行經濟性。在實際運行中燃機初溫的監測對機組效率及安全至關重要。9F級聯合循環機組,透平初溫可達1400℃等級,無法實現長期直接測量,國內外均采用間接的測量計算方法進行監控。

本文采用一種基于燃氣透平排氣溫度的多變指數算法，通過實例計算9F級燃氣輪機初溫，并用熱平衡法對計算結果進行對比，結果表明，在額定工況下，兩種方法測算透平進氣溫度絕對誤差為10℃。

1　燃機單循環原理

燃氣輪機的熱力循環在熱力學上稱為“布雷頓”循環，在理想的條件下由四個過程組成：絕熱壓縮、等壓燃燒、絕熱膨脹、等壓放熱。“布雷頓”循環在溫熵圖（T-S）上的表示如圖1所示,該循環的裝置圖如圖2所示。在理想過程下，1-2’稱為絕熱壓縮過程，2’-3稱為等壓燃燒過程，3-4’稱為絕熱膨脹過程，4’-1稱為等壓放熱過程。

在實際過程中，由于壓氣機和透平都存在損失，故不能等同于絕熱過程，1-2和3-4實際為熵增過程。同時，由于壓力變化很小，2-3和4-1仍可看作等壓過程，故實際過程為1-2-3-4。

圖1　燃氣輪機熱力循環T-S圖

圖2　燃氣輪機熱力循環裝置圖

2　燃機透平多變膨脹過程

2.1多變過程分析

在熱力學中,系統在熱力過程進行中的每一時刻均處于平衡狀態,即準靜態過程。一定質量理想的氣體從一個平衡態經過一個準靜態過程轉變為另一個平衡態,如果對發生這一準靜態過程的條件不作任何限制,則該準靜態過程稱之為多變過程[1]。

燃機透平膨脹過程為圖1中3-4過程，若不考慮系統與外界的熱量交換，即，則該過程為絕熱過程。透平實際的做功過程中往往是所有的參數都在變化，并且也不完全絕熱，其狀態變化往往遵循一定的規律，所以燃機透平膨脹過程實際為近似于絕熱的一個多變過程。

2.2燃氣透平初溫定義

燃氣輪機制造廠對燃氣透平進氣溫度有不同的定義，比如：西門子和ABB公司給出的燃氣透平進氣溫度是將全部冷卻空氣等效到燃氣透平第1級靜葉前的進氣溫度(稱為燃氣透平進氣ISO參考溫度)；GE公司給出的燃氣透平進氣溫度是指透平第1級動葉前的滯止溫度；三菱公司給出的燃氣透平進氣溫度是指透平第1級靜葉前滯止溫度。難獲得。

本文求得的與燃氣透平（第1級動葉）進氣溫度較為接近。選定3-4過程為研究過程進行分析，忽略燃燒室出口天然氣與空氣混合的氣體溫度進入透平過程的溫度變化，為透平進口溫度，為透平出口溫度，對于3-4多變過程有:

m為該過程的多變指數，對于理想氣體，熱力過程中每一平衡態氣體均滿足:

為透平進口的壓力(Mpa)和比容(m3/kg)，為透平出口的壓力(Mpa)和比容(m3/kg)，m為多變指數，為氣體常數(J/(kg·k))。

將（2）帶入（1）中整理得：

2.3透平膨脹做功工質

理想氣體是一種實際上不存在的假想氣體，工程中常用的氧氣、氫氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳等及其混合氣體在溫度不太低，壓力不高時均遠離液態，接近理想氣體假設條件。都可以視作理想氣體。

透平內膨脹做功的氣體為天然氣和壓縮空氣在燃燒室燃燒后生成的混合氣體或成為煙氣。其成分主要有氮氣、二氧化碳、氧氣、水蒸氣以及極少量的氮氧化物、一氧化碳。燃燒后產物溫度高達1300℃以上，壓力近似為壓氣機出口壓力，基本符合上述對理想氣體的特征。

3　計算實例

3.1過程分析

以西門子公司某9F級燃機輪機機組為研究對象，型號為V94.3A，額定功率400MW，設計壓比17。該機組壓氣機進出口均有壓力測點，有透平排氣溫度測點，無透平進氣溫度測點，透平出口無絕對壓力測點。在燃機循環中，2-3、4-1過程為近似等壓過程，即，為壓氣機壓比。

cpi——煙氣中每一組份的平均定壓比熱容，KJ/(KG·K)

cvi——煙氣中每一組份的平均定容比熱容，KJ/(KG·K)

yi——煙氣中各成分含量

cpi和cvi可查理想氣體的平均定壓比熱容表得，cpi、cvi均為狀態參數，其數值隨溫度變化而變化。根據機組天然氣各成分含量以及煙氣中含氧量的測定，按天然氣完全燃燒，運用式（4）、（5）計算，可得煙氣中各成分的含量。由于天然氣組分變化很小可忽略不計，煙氣中各成分含量和煙氣中含氧量有關，表1為測得含氧量為14.2%時煙氣中各成分的含量計算結果。

表1　天然氣和煙氣各成分含量表（yi）

3-4過程為近似絕熱的多變過程，一般k略大于m，做和的關系曲線于同一坐標系中，如圖3所示。根據以上所得及氣體平均定壓比熱容表可得出關系，如圖2中曲線2所示。根據方程（3），對于每一個確定的均可以確定一個關系，如圖3中曲線1所示。兩曲線有唯一交點，對于一個確定的即有一個和m的值與之對應（不同所對應的曲線均平行于曲線1）。圖3中=590℃，聯立兩曲線方程求解，可得=1377℃。由（3）式可知，壓比及一定時，為m的單調函數,絕熱過程不計熱量與外界交換，故絕熱過程＞多變過程，k＞m,兩曲線交點所得實則為大于真實值的近似值。

圖3　T3-k、T3-m關系曲線

3.2數值求解

對于9F機組而言，溫度變化在一定范圍之內(一般在550℃-610℃)，和m的范圍可通過的范圍求得。取變化范圍內k的變化為上限、變化范圍內最小對應m的變化為下限,取上下限內m的平均變化求得m值為1.26-1.34。

根據能量平衡原理，燃燒室的熱平衡方程為[2,3]：

式中分別為空氣流量、天然氣流量、透平進氣量（kg/s），hc、h3分別為壓縮空氣比焓、透平進口煙氣比焓（KJ/KG），Qr為天燃氣熱值（KJ/KG）Qs為燃燒室的輻射和對流散熱損失，kW。

由于占燃料燃料總放熱的比例很小，計算時可忽略不計，采用燃燒室熱平衡法進行比較計算,通過式（6）、（7）可確定透平進口煙氣比焓，進而確定燃氣輪機進氣初溫[4,5]。依據燃氣透平時運行數據，選取三個實時工況的數據進行計算，實時數據及計算結果如表2所示。

表2　燃氣透平進氣溫度計算實時數據及計算結果

由計算結果可知，兩種方法計算所得m均為1.30左右，在多變指數法數值計算范圍之內，多變指數算法所得略高于熱平衡算法所得，為1310℃～1336℃，最高值為1374℃；絕對誤差在20℃以內。

與某9F級單軸燃氣蒸氣聯合循環發電機組試驗數據進行比較（型號為V94.3A，額定功率400MW，設計壓比17。試驗工況為基本負荷：403.3MW、=586.7℃，=1316℃[5]），本文計算工況為基本負荷：348MW、=584℃，多變指數法所得=1336℃，與試驗數據較為接近。

4　結語

4.1燃機透平實際的做功過程中往往是所有的參數都在變化，其狀態變化往往遵循一定的規律，膨脹過程實際可近似于絕熱的一個多變過程。

4.2以單軸布置的9F級燃氣輪機機組為對象，初步探索了對于同類型燃氣透平機組，依據大量試驗數據分析計算確定m值，通過測量透平排氣溫度，可以采用多變指數算法簡便計算透平進氣溫度，作為工程上監控透平超溫的參考依據，所得結論與熱平衡方法相比誤差在1%左右。

4.3燃氣透平進氣溫度對多變指數m的敏感性較高，熱平衡算法與多變指數算法所得m值較為接近，為1.30左右。某9F燃氣透平機組的實例計算表明，透平膨脹過程的溫降、焓降隨m減小而減小，其熱力學規律有待于進一步研究。

[1]張偉剛.多變指數n與理想氣體準靜態過程[J].廣西工學院學報,1995,4):26-31.

[2]王銘忠.聯合循環發電機組性能驗收試驗方法[M].中國電力出版社,2006.

[3]本社.火力發電廠技術經濟指標計算方法/中華人民共和國電力行業標準[M].北京交通大學出版社,2005.

[4]鄭莆燕,姚秀平,齊進,et al.確定運行中的燃氣輪機初溫的方法探討[J].燃氣輪機技術,2005,18(1):57-9.

[5]施延洲,楊國榮,姚嘯林,et al.聯合循環機組燃氣透平進氣溫度的計算[J].熱力發電,2009,38(2):17-20.

石奇光教授。