6FA燃氣輪機試車臺排氣系統研究

趙 鯉

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司，南京 210037)

根據國家分布式能源聯產產業技術政策[1]，隨著燃氣輪機動力的發展，高效率的6FA燃氣輪機越來越成為燃氣輪機電站的主流機型。6FA燃氣輪機試車臺的搭建對6FA燃氣輪機的市場拓展有著重要推動作用。

6FA燃氣輪機試車臺的排氣系統是將在燃氣輪機中燃燒產生的高溫燃氣通過排氣系統管道擴散冷卻減溫后釋放到大氣中。燃氣輪機排氣必須滿足當地限定的清潔度和噪聲級環境標準。在燃氣輪機運行期間所產生的噪聲通過吸收性消聲材料和安裝在排氣部分的消音器件把聲能耗散或減小而達到可接受的水平。

1 6FA燃氣輪機試車臺排氣系統簡介

6FA燃氣輪機試車臺在試車時會產生大量排氣，實現將這些排氣在排入大氣之前改變方向的系統稱之為排氣系統。它把燃氣輪機排氣室的高溫燃氣引導至排氣管道，通過吸收性消音材料消音后排入大氣。

6FA燃氣輪機試車臺排氣系統布置如圖1所示，系統包括膨脹節、消音器、彎道、煙囪、支撐結構和外殼密封，以及必要的保溫層。

圖1 6FA燃氣輪機試車臺排氣系統布置圖

根據6FA燃氣輪機排氣流速可計算煙囪的最大出口截面為28.5 m2，而直徑可根據所需的聲學性能具體設計。超出試驗臺廠房外的煙囪部分，則由一個矩形截面的外殼包裹，煙囪和廠房之間采用金屬密封。

膨脹節的作用是吸收燃氣輪機排氣擴散段出口法蘭的熱膨脹位移。膨脹節安裝時不應在擴散段法蘭上施加任何方向和大小的作用力。

所有外部的保溫材料采用金屬包覆層覆蓋的形式，使得保溫層表面形成整面，以防止內部纖維擴散到周圍環境中。 內部的保溫材料和消音器的填充材料的設計壽命與排氣系統的使用壽命相一致，因此消音器的設計保證了纖維材料不受氣流的磨蝕和抽吸作用影響。

2 6FA燃氣輪機試車臺排氣系統的性能研究

2.1 設計條件

國內某6FA燃氣輪機試車臺的設計條件如下：海拔高度23 m；環境溫度最高+42 ℃，最低-10 ℃；相對濕度80%；壽命20 a(按照試車臺每年20臺燃氣輪機，每臺燃氣輪機試車時運行3個24 h的周期計算)；排氣管道系統必須設計為運行50 000 h的連續使用設計壽命，以及6 000個啟動/停機周期的總循環壽命；最低排氣壓力5 000 Pa。

2.2 排氣系統的保溫

排氣系統的風道和煙囪的熱力學設計要能夠承受燃氣輪機啟停時瞬態下的熱梯度造成的熱負荷。瞬態條件對應于啟動和停機階段。正常啟動和停機程序的氣體溫度、流量見圖2、圖3。

圖2 6FA燃氣輪機轉速達到同步的啟動曲線

圖3 6FA燃氣輪機停機曲線

在對6FA燃氣輪機試車臺用排氣系統進行熱力學計算時，將有效的排氣溫度和流量分別提高了20 ℃和20 kg/s代入計算，這樣做的目的是為將來燃氣輪機的升級發展留有余地。6FA燃氣輪機排氣流量、溫度見表1。

表1 試車臺6FA燃氣輪機全速空載下排氣流量、溫度

可見，在穩態下6FA燃氣輪機試車臺排氣溫度最低約為400 ℃，而瞬態下排氣溫度可達550 ℃。

根據平壁保溫層傳導的熱量Q：

(1)

保溫層外壁散熱量QS：

QS=aΣFwb(twb-t0)

(2)

由于穩定導熱，Q=QS，即

(3)

可得：

(4)

式中：Q為保溫層傳導熱量，W；QS為保溫層外壁散熱量，W；λ為保溫材料導熱系數，W/(m·K)；δ為保溫層厚度，m；F為垂直于熱流方向的表面積，m2；Fwb為保溫層外壁面積，m2；twa為保溫層內壁溫度，℃；twb為保溫層外壁溫度，℃；t0為環境溫度，℃；aΣ為保溫層外壁向外界傳熱的綜合換熱系數，W/(m2·K)。

由此，可以通過改變保溫層材料以及改變保溫層的厚度，從而達到排氣系統所需的保溫效果。根據6FA燃氣輪機試車臺所在地要求，所有可從地面層或通道接近的排氣系統區域的溫度，在最高環境氣溫條件下不得超過50 ℃。保溫層的設計目的是保持廠房內部的供熱低于100 kW和200 W/m2。

6FA燃氣輪機試車臺排氣系統的保溫材料采用玻璃纖維氈和高硅氧纖維氈，密度(130±13)kg/m3。通過設計計算，保溫層厚度80 mm。

2.3 聲學性能

6FA燃氣輪機試車臺排氣系統的聲功率級測定根據GB/T 14098—2020《燃氣輪機和燃氣輪機機組 氣載噪聲的測量 工程法/簡易法》準確度等級2[2],以及GB/T 16404—1996《聲學 聲強法測定噪聲源的聲功率級 第1部分離散點上的測量》的“不確定性”工程標準[3]。煙囪主體的輻射聲功率級見表2。

表2 煙囪主體的輻射聲功率級

煙囪出口輻射的聲功率級測量位置見圖4。

圖4 煙囪出口輻射的聲功率級測量位置

(5)

式中：Lpi為測點處的測量表面聲壓等級。

90°方向性效應下的聲功率級Lw：

(6)

式中：R為測量半徑。在90°方向性效應下，煙囪出口輻射的聲功率級見表3。

表3 90°方向性效應下煙囪出口輻射的聲功率級

一般而言，在距離排氣系統罩殼1 m處的噪聲聲級不超過85 dB。為了符合這一要求，并考慮到聲壓變化，保證在距離排氣系統罩殼1 m處的噪聲在82 dB以下。而由上述結論得出，6FA燃氣輪機試車臺排氣噪聲可達97 dB以上，由于試車臺廠址靠近居民區，因此應進一步采用適當降噪措施來降低噪聲。

因此，除了安裝在排氣系統管道內的消音器之外，通過對風管和煙囪增加外部保溫層也可達到降噪效果。經過進一步降噪，6FA燃氣輪機試車臺排氣系統噪聲最終達到了78 dB。

3 6FA燃氣輪機試車臺排氣系統的潛在問題分析

3.1 保溫問題

燃氣輪機試車臺排氣系統保溫與燃氣輪機電廠的主要區別是工作環境不同。試車臺承擔燃氣輪機新機試車工作，由于機組啟停頻繁，排氣系統的風道和煙囪更多是在瞬態熱效應下工作，這就要求排氣系統的保溫層需要更好的隔熱效果。同時，謹防保溫層脫落問題。

目前，6FA燃氣輪機試車臺排氣系統風管和煙囪的保溫層采用不銹鋼長壓板壓住保溫棉，再用自鎖墊片固定的形式。保溫層脫落的原因多發生于機組啟停頻繁時，機組處于高振動的情況下，導致了不銹鋼長壓板松脫，保溫棉松脫。

因此，排氣系統的管道設計將以盡可能減少現場安裝為目的，內部保溫層應全部在制造車間完成。現場安裝外部保溫層時，適當用不銹鋼鐵絲交錯固定的方式對保溫層進行固定。對排氣系統整體設計時，必須確定主要部件的自振頻率，減少可能導致疲勞破壞的結構振動。

3.2 噪聲問題

6FA燃氣輪機的排氣系統噪聲污染以及對廠房運行人員和周圍環境的影響是個值得關注的問題。尤其是該試車臺廠址位于市區，考慮到城市發展的趨勢，廠址周圍將出現越來越多的居民區，因此，為了使居住或工作在試車臺附近的人們有一個安寧的環境，必須控制機組的遠揚噪聲。

在排氣系統中加入消音器是控制遠揚噪聲的重要措施。目前，6FA燃氣輪機試車臺排氣系統安裝的消音器性能良好，降噪效果明顯。另一方面，為將來城市建設考慮，若居民區離試車臺距離120 m以內，可適當考慮增加隔音墻。

4 結語

6FA燃氣輪機試車臺排氣系統對整個試車臺的安全經濟運行十分重要。由于其與電站用燃氣輪機排氣系統有很大區別，對6FA燃氣輪機試車臺排氣系統的性能分析，為同類型燃氣輪機試車臺的排氣系統搭建提供借鑒和參考。