支撑板构型提升燃气轮机排气扩压器气动性能的研究

支撑板构型提升燃气轮机排气扩压器气动性能的研究

王雨萧 生波

浙江杭嘉鑫清洁能源有限公司 浙江嘉兴 314000

摘要：在燃气轮机循环效率提升、透平前温升高以及污染物排放指标日趋严格的发展背景下，烟气再循环技术受到研究机构与厂商越来越多的关注。受限于当前低NOx燃烧器的有效工作温度区间，J级燃气轮机的NOx排放问题需要采用其他新型低NOx燃烧技术加以解决，EGR技术即其中一种。EGR通过将一部分透平或余热锅炉的烟气与压气机进气空气混合，来稀释空气中的O2，使燃烧速度降低，减少局部火焰高温现象，从而抑制热力型NOx的生成。由于这一特性，EGR被视为下一代燃气轮机的研发储备技术。

关键词：燃气轮机；排气扩压器；支撑板；气动性能

引言

随着技术的创新与发展，燃气轮机得到了更加广泛的应用，在国内外发电行业中展现了良好的作用，为了保证燃气轮机运行的稳定，则需要做好定期维修，及时发现设备运行问题。当前，供电用电质量得到了越来越多人的关注，这也就对电厂运行与质量提出了更高要求。当前，燃气轮机工作压力大，设备负荷重，运行过程中温度高，处理不当就会出现问题，影响到设备的稳定性，只有全面解决好高速转动机械的故障问题，才能保证供电用电质量。在此条件下除了日常的必要检测，还需要科学的维护，以此，全面保证机组良好稳定运行。

1燃气轮机概述

对于燃气轮机而言，其属于旋转式动力机械，主要是把连续性流动的气体作为相应的工质，完成热能至机械能的转化。就空气及燃气的相应流程而言，只是存在燃气透平、燃烧室及其压机几个相关部件组成的相应燃气轮机循环，我们将其称作简单循环，很多的燃气轮机都是采用这样的工作模式。这主要是由于这种循环模式结构比较简单，同时可以使燃气轮机独特的重量较小、启动快速、体积较小、少用或是不用冷水等众多方面的优势得以充分展现。

2系统建模

典型的EGR设计方案如图1所示，从余热锅炉排烟引入再循环烟气，与空气混合送入压气机。本文采用IPSEpro平台，按照该设计方案，建立联合循环机组热力模型进行计算和分析。在余热锅炉排烟出口添加循环回路，按设定比例使烟气进入循环回路，与压气机进口空气等压混合后进入压气机。模型部分架构如图2所示。燃气轮机模型型号为AE94．3A，设计点参数如表1所示，冷却抽气采用ISO2314标准方法进行折算和简化。汽水侧为三压再热循环，高压缸模块按单级组处理，中低压缸分别按两级组处理，低压缸末级排汽损失通过末级损失模型模拟。模型计算的相关设定及假设前提包括:1)大气环境为ISO工况;2)天然气组分为100%CH4，气源压力3MPa，温度15℃，预热至120℃;3)EGR率定义为烟气循环回路流量与余热锅炉总流量之比;4)余热锅炉排烟压力与环境压力相等，且忽略烟气循环回路压损及风机耗功;5)以机组设计点负荷为基准计算负荷率，将其定义为机组负荷与设计点负荷之比;6)从基本负荷工况降低负荷的控制策略为，先关小IGV或增大EGR率，维持定TETC运行，IGV关至最小开度后，以等IGV开度运行;7)主蒸汽、再热蒸汽温度上限为565℃;8)汽轮机在主蒸汽压力7．5MPa以上时采用滑压运行，主蒸汽压力降至7．5MPa后采用定压运行。

图1典型EGR设计方案

图2计算模型

表1AE94．3A燃气轮机设计点参数

2支撑板构型

图3给出了三种不同形状的支撑板结构示意图，其中结构A为原始结构，是一种常用的典型支撑板结构，结构B支撑板的叶型中线具有一定的弯度（m）。结构A和结构B均为直列支撑板，结构A采用了NACA0015叶型曲线，结构B采用了NACA9315叶型曲线，其叶型型线前缘的构造角约为30度。结构C支撑板在轮毂壁面的型线与结构B相同，在外壳体壁面的型线则与结构A相同，型线由内轮毂至外壳体平滑渐变，形成三维弯扭构型支撑板。支撑板前缘线垂直于内轮毂壁面，在轮毂壁面型线的前缘点和尾缘点分别和外壳体壁面型线的前缘点和尾缘点重合。三种支撑板具有相同的最大厚度和轴向弦长。

图3支撑板三维图和型线

3结论分析

3.1联合循环机组部分负荷性能特性

联合循环机组的热力循环系统是燃气轮机的布雷顿循环和汽水系统的朗肯循环结合在一起的复杂循环系统。燃料在燃气轮机内做功，输出机械功，透平排出乏气，透平排气作为热源带动汽水系统做功，汽轮机输出的机械功受透平排气参数的影响。燃气轮机的出力和热耗率易受外界运行条件的影响，如气象条件(气温、气压和相对湿度)、燃料成分、透平转速等。随着气温升高，出力和热耗显现相反的变化趋势。

3.2　排气蜗壳与轴流涡轮流动相互作用

早期对于排气蜗壳流动机理与气动性能的研究都是在没有考虑上游末级涡轮影响的情况下进行的。但是随着相关研究逐渐深入，研究人员发现排气蜗壳与末级涡轮之间存在流动的相互作用，而这种相互作用对于涡轮和排气蜗壳的性能都有很大影响。对此进行了大量的研究，发现在有无上游涡轮出口条件的情况下，排汽蜗壳内部的流动状态和性能有很大差别。末级涡轮的出口条件对排气蜗壳的性能有很大影响。反之，排气蜗壳的流场又会影响涡轮机的性能乃至涡轮叶片的运行安全。

3.3燃气轮机排气热电偶故障保护

燃气轮机温度测量得准确性和完好性将直接影响燃气轮机的效率和安全性能，一旦测量失灵，控制系统将保护停机。热电偶传感器测量值故障逻辑包括:1)扫描两次输入值间过高变化率;2)检测超高限值并考虑临近健康的温度值;3)启动前和点火前地限值检查;4)处理器层面故障检查。当燃气轮机处于点火至升速到额度转速的变工况过程中，考虑燃烧工况变化剧烈，为避免不必要的保护误动，该保护处于退出状态。

3.4轴流涡轮与排气蜗壳的非定常相互作用耦合

以上关于排气蜗壳与涡轮相互作用的研究大都是基于定常流动假设进行的，然而轴流涡轮及非轴对称排气蜗壳内的流动实质上都是非定常的。关于涡轮内部的非定常流动研究一直受到了高度重视，并且随着计算机技术的不断进步相关研究也一直在更深入地进行。但是目前针对排气蜗壳与末级涡轮级之间相互作用的非定常研究只有极少数文献涉及，而要设计高效的排气扩压器和动力涡轮，就必须考虑这种特殊的非定常相互作用。

结束语

综上所述，燃气轮机的稳定性是十分关键的。燃气轮机是一种具有较强应用性的设备，在众多领域中都发挥着重要性作用，但燃气轮机相关故障问题同样是不容忽视的。实际工作中，应采取相关故障诊断技术，第一时间发现故障问题，探寻更加可靠的故障处理办法，从而使燃汽轮机具有更长的使用年限。

参考文献

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