部件性能退化對燃氣輪機運行狀態影響分析

俞哲鋒

（浙江浙能金華燃機發電有限責任公司，浙江 金華 321000）

燃氣輪機具有功率密度高、啟動快、污染小、壽命長等優點，在許多方面得到了廣泛的應用。目前，許多研究者使用熱力學性能仿真模型模擬典型的燃氣輪機燃氣回路故障，并在相應的故障判據下獲得可測量的參數變化。然而，對于具有不同氣路結構的燃氣輪機使用相同的故障標準，模擬的氣路參數變化特性沒有廣泛的適用性。本文以燃氣輪機結垢性能退化模型為例，通過數值模擬獲得了性能退化后燃氣輪機的動態響應特性，從而合理地分析了燃氣輪機部件性能退化對燃氣輪機性能的影響。

1 燃氣輪機性能下降的原因及機理分析

使用燃氣輪機時的環境條件是不同的。大氣溫度、大氣壓力、鹽霧和空氣質量對燃氣輪機的可靠運行、使用壽命、經濟效益和性能有著重要影響。大量的研究表明，燃氣輪機性能下降的主要影響因素是空氣的純度。燃氣輪機進氣質量對燃氣輪機的性能有很大的影響。空氣中的灰塵、無機鹽等雜質顆粒容易腐蝕和污染壓氣機葉片和渦輪葉片。實驗表明，直徑為20微米的顆粒會對葉片造成嚴重的腐蝕，從而降低燃氣輪機的性能。另外，空氣中的雜質、工業廢氣以及潤滑油系統中的油氣也會引起壓縮機葉片結垢，從而導致燃氣輪機轉輪橫截面積的變化。隨著運行時間的增加，上述原因將減少壓縮機的進氣流量，從而導致燃氣輪機機組效率降低。

2 某型燃氣輪機熱力學模型的構建

高精度熱力模型的是研究燃氣輪機固定和動態特性的基礎。本文的燃氣輪機熱力仿真方案旨在建立一個特定的燃氣輪機仿真模型（如圖1）。

圖1 GSP下建立的燃氣輪機模型

該模型使用單元1和7來控制燃氣輪機的運行能力，而單元3用于負載控制，此外，由于以下原因，模塊11被添加到模型中 低壓渦輪和電動渦輪之間的過渡期和壓降，與此同時，該燃氣渦輪的排氣管也很復雜，高低壓壓縮機釋放渦輪 冷卻空氣，從而在模型中指定模塊2。該模型的一些參數是：總入口壓力的恢復系數為0.98，低壓縮機空氣冷卻系數為0.000562。低壓壓縮機的機械效率壓力為0.9975，高壓壓縮機的冷卻空氣比為0.19748，渦輪機的機械效率為0.9975。重油的熱值為12,700kJ/kg，相當于高壓水輪機的回水系數為0.2，高壓水輪機的機械效率為09975。電力渦輪機返回設備：0.3；渦輪在能量下的機械效率：0.095；排氣裝置的總壓力恢復系數為0.97。

為了保證模型的準確性，GSP相應地處理了燃氣輪機壓縮機引氣和渦輪冷卻。表1顯示了壓縮機模塊中引氣的相關參數。引氣識別號1和2對應于低壓壓縮機，引氣識別號3至6對應于高壓壓縮機。對于三個渦輪的冷卻狀況，此處僅介紹高壓增壓渦輪的冷卻參數設置(見表2)。為了確保模型的準確性，GSP分別處理燃氣輪機排氣和渦輪冷卻，表1顯示了壓縮機單元的排氣參數。所選的空氣識別號1和2對應于低壓壓縮機，A的所選空氣識別號為3-6，對應于高壓壓縮機。要冷卻三個渦輪機時，每個渦輪機的情況類似，因此，此處只列出了高壓渦輪機的冷卻參數（請參見下表2）。

表1 壓力機引氣的參數設置

表2 高壓增壓渦輪的參數設置

高精度熱力學模型的構建還需要知道燃氣輪機不同部件的精確特性值，對于壓縮機而言，特性曲線存在一個共同的問題，當燃氣流量較高時，它的一般特性曲線會變得突然陡峭。低速氣流的微小變化也會引起較大的壓力變化，傳統方法很容易引起較大的誤差，因此，引入Beta輔助線可以有效地解決這些問題。換句話說，給定的工作點取決于壓縮機的特性曲線，以速度相對較低，和輔助β曲線作為自變量，確定壓縮機特性曲線上的工作點。然后壓力系數的隨之確定，隨后是減少流量和等熵效率得以確定。壓縮機特性圖表示如下:

式中，θ=T0/288.14；δ=P0/101.326；

3 計算結果與討論

3．1 幾種不同的計算條件

燃氣輪機元件的幾何形狀也會隨著其性能的下降而變化，由于具有特定幾何尺寸的零件決定了零件的相應特性，因此，幾何變化也會改變零件的特性。在上述燃氣輪機模型中，將性能惡化因素引入每個組件的特性中，安裝了燃氣輪機運行性能惡化的模型，本研究以燃氣輪機為例航海（300k，10130Pa）在計算條件下（0.35～1.0）運行，分析并計算了兩種情況：降低壓力只會降低壓縮機的效率。低壓壓縮機的流量同時減少。低壓壓氣機降低了6%，直到熵效率降低了3%；只有渦輪機效率降低了；高壓和低壓渦輪機的流量卻降低了4%。

3．2 計算結果

根據上述計算條件，計算元件性能的降低對圓盤轉速和進氣流量的影響。對于船用燃氣輪機，用戶更加關注其出口容量和燃料消耗，這直接影響了船舶的機動性和耐用性。當燃氣輪機不同部件的運行性能下降時，低效的壓縮機和渦輪機的運行方式會有所不同。燃氣輪機和燃油消耗壓縮機性能下降對燃氣輪機功率的影響是顯而易見的。將所有工況綜合起來，燃氣輪機的功率降低在5～7點。

3．3 仿真結果與實測數據的對比分析

燃氣輪機性能的下降可分為三大類：回收性能下降，性能下降，清洗性能無法恢復并持續下降。長期以來，海洋氣體一直在海洋環境中使用。惡劣的海洋環境，尤其是空氣中的鹽霧會對燃氣輪機的運行產生嚴重影響。某類型的燃氣輪機（主要是壓縮機）的泄漏通道效率由于污染等原因而降低，這是性能下降的一種形式，通過清洗可以恢復。用水洗滌后，燃氣輪機的性能基本上是正常的。

4 結語

影響燃氣輪機有效使用的最重要因素之一是效率的下降，研究降低燃氣輪機效率的機制對于確保其高效安全運行至關重要。本文使用模擬和模擬以及實驗方法，研究重點是船用燃氣輪機，并研究了在性能降低的情況下修改性能參數的規律。結果表明，在部件性能下降的情況下，壓縮機性能的下降對燃氣輪機的功率產生了重大影響。燃氣輪機運行性能的下降大大增加了燃氣輪機的燃油消耗，提高了燃氣輪機的效率。此外，對于運行在海洋環境中的燃氣輪機，水清洗是有效的。