某工業型燃氣輪機箱裝體超溫試驗研究

吳一鳴，魏昌淼，周 拓

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

燃氣輪機具有緊湊的結構布局、良好的燃油經濟指標、較高的熱效率、良好的可靠度與長久的使用壽命等優勢，被廣泛應用于航空、航海、陸航等軍用國防領域，同時廣泛應用于聯合發電、能源供給、冶金等領域，在國民經濟領域也得到長足發展[1-3]。現代燃氣輪機一般安裝于箱裝體內，作為一個裝置單元提供給用戶。燃氣輪機運行時，壓氣機、燃燒室、渦輪機匣表面溫度均較高,熱量通過對流、輻射傳遞到箱裝體內。長時間運行會造成箱裝體內溫度較高，如果不能充分的冷卻會造成燃氣輪機振動傳感器、轉速傳感器、燃油電磁閥等控制、測量元器件故障。

某工業型燃氣輪機利用燃氣輪機的排氣動能引射空氣,在箱裝體內建立連續的空氣流 ,空氣在排氣道中與燃氣輪機的排氣混合,實現對箱裝體的冷卻[4]。高溫氣體從排氣蝸殼出口噴出，進入混合管，并在混合管內入口區域形成負壓區，周圍環境中的冷空氣從引射口(箱裝體與排氣蝸殼的間隙)被卷吸到混合管中與高溫氣體進行混合，引射原理如圖1[5]所示。該冷卻方式不另外消耗能源，被廣泛應用于燃氣輪機箱裝體[6]。

圖1 引射原理圖

某工業型燃氣輪機在實際運行過程中，出現了箱裝體超溫報警故障。針對該情況，本文從箱裝體內部冷卻出發，進行試驗研究及分析。

1 箱裝體超溫故障

某工業型燃氣輪機為防止箱裝體空氣溫度過高，在燃燒室上方設置了超溫報警熱電偶。當該處溫度大于150 ℃時，控制系統將發出超溫報警信號。

經過分析，多臺機組超溫報警故障均發生在70%功率以上工況。燃氣輪機高于70%功率以上運行時，機匣表面溫度較高，若引射冷卻空氣較少將造成箱裝體內環境溫度過高。

根據燃氣輪機箱裝體通用技術要求[7]，對冷卻空氣量進行計算。

沿發動機軸向長度各表面進行對流換熱計算：

(1)

沿發動機軸向長度各表面進行輻射散熱計算：

(2)

式中：q21為輻射換熱量，W；C為輻射系數，取5.67 W/(m2·K4)；TE為沿發動機軸向長度各部位表面絕對溫度，TE=tE+273，K；TC為箱裝體允許空氣的極限絕對溫度，TC=tC+273，K。

總散熱量為對流換熱量與輻射換熱量之和：

Q=q11+q21

(3)

冷卻空氣流量：

(4)

式中:Q為發動機總散熱量，W；G為冷卻空氣量，kg/s；CP為空氣比熱，取1 005 J/(kg·℃)；t0為環境溫度，℃。

根據燃氣輪機額定工況下各部位表面溫度及各部位的尺寸，根據箱體設計取冷卻空氣出口溫度限值為120 ℃，各換熱量計算如表1所示。

表1 換熱計算

取環境溫度為30 ℃，由公式(4)求得額定工況下燃氣輪機所需冷卻空氣流量G為8.58 kg/s，與燃氣輪機箱裝體所需冷卻空氣流量設計值一致。因此本次箱裝體引射冷卻空氣量需大于8.58 kg/s才能滿足箱裝體出口空氣溫度小于120 ℃的要求。

2 箱裝體空氣溫度試驗研究

某工業型燃氣輪機工作系統圖及溫度測量界面如圖2所示。

圖2 燃氣輪機工作系統圖及溫度測量圖

針對燃氣輪機超溫報警進行了溫度測量試驗，根據燃氣輪機結構組成，對壓氣機截面、燃燒室截面、動力渦輪截面進行溫度測量，如圖2所示。以B-B截面為例，從進氣往排氣端看，左上角為B1處溫度測點，順時針依次為B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8處溫度測點。在燃氣輪機運行70%功率時，燃氣輪機超溫報警熱電偶測量溫度150.2 ℃，燃氣輪機控制系統發出超溫報警信號；燃氣輪機穩定運行100%功率時，超溫報警熱電偶測量溫度為172.4 ℃，實時測量引射空氣流量為5.4 kg/s，小于8.58 kg/s。因此本次超溫故障是由于冷卻空氣量不足造成。

如何提升引射空氣流量是工程技術人員面對的重要問題。從冷卻空氣引射原理出發，主要從引射管路、排氣管路方面來研究引射空氣量不足的原因。試驗主要包含三個方面：1)排氣管與排氣蝸殼出口對中情況對引射的影響試驗；2)排氣管煙氣處理裝置阻力調整對引射的影響試驗；3)引射空氣管路阻力調整對引射的影響試驗。

2.1 排氣管與排氣蝸殼出口對中情況對引射的影響試驗

該型燃氣輪機原安裝狀態為排氣蝸殼出口中心與排氣管對中偏差95 mm。為研究排氣蝸殼出口中心與排氣管對中情況對引射的影響，進行了對中偏差120 mm、對中偏差0 mm的引射試驗，如圖3至圖5所示。

圖3 排氣管與排氣蝸殼出口對中偏差95 mm

圖4 排氣管與排氣蝸殼出口對中偏差120 mm

圖5 排氣管與排氣蝸殼出口對中偏差0 mm

對每種對中情況分別進行試驗，以10%功率為一檔，從空載逐級升功率，直至升至100%功率，記錄試驗全程截面數據。對箱裝體內各典型截面進行壓力(負壓)測量，100%功率下負壓數據如圖6所示。對箱裝體內截面溫度數據進行分析，以燃燒室截面B-B為例，100%功率下B-B截面的溫度數據如圖7所示。

圖6 對中試驗各截面壓力(負壓)測量值

圖7 對中試驗下B-B截面溫度對比圖

該工業型燃氣輪機利用燃氣輪機的排氣動能引射空氣,在固定的進、排氣及引射系統中，箱裝體內壓力(負壓)表征著引射空氣量的大小。箱裝體負壓越大，引射空氣量越大，箱裝體內空氣溫度越低；箱裝體負壓越小，引射空氣量越小，箱裝體內空氣溫度越高。在100%功率下，通過空氣流量計測得的冷卻空氣流量及壓力變送器測量的箱裝體平均負壓值如表2所示。

分析表2及圖6、圖7數據，可見排氣管與排氣蝸殼出口的對中變化，對箱裝體內負壓影響較小，測量的冷卻空氣引射量基本一致，箱裝體出口溫度基本一致。

表2 100%功率排氣管對中試驗參數表

2.2 排氣管煙氣處理裝置阻力調整對引射的影響試驗

除原型煙氣處理裝置，另有A和B兩種不同流阻的煙氣處理裝置用于本次試驗。對每種煙氣處理裝置分別進行試驗，100%功率下箱裝體內負壓數據如圖8所示，B-B截面的溫度數據如圖9所示。

圖8 不同型煙氣處理裝置試驗各截面壓力(負壓)測量值

圖9 不同型煙氣處理裝置試驗下B-B截面溫度對比圖

通過測量冷卻空氣引射量及圖8、圖9數據可知100%功率下，原型煙氣處理裝置箱裝體負壓約-340 Pa，B-B截面平均溫度為78 ℃，冷卻空氣引射量為5.4 kg/s；煙氣處理裝置A箱裝體負壓約-760 Pa，B-B截面平均溫度為63 ℃，冷卻空氣引射量為8.3 kg/s；煙氣處理裝置B箱裝體負壓約-1 300 Pa，B-B截面平均溫度為53 ℃，冷卻空氣引射量為11.5 kg/s。

通過上述試驗及數據分析，可知煙氣處理裝置對燃氣輪機箱裝體引射空氣量影響較大。優化煙氣處理裝置，減少流阻可較大程度上提高引射量，B型煙氣處理裝置可以滿足引射流量大于8.58 kg/s的要求。

2.3 引射空氣管路阻力調整對引射的影響試驗

為研究引射空氣管路對引射空氣流量的影響，采用了改變引射管路阻力來進行試驗。如圖10所示，將引射管路從中部全部斷開，燃氣輪機運行時，引射空氣不通過原過濾器、上部管路、下部管路進入箱裝體，而是通過下部管路直接進入箱裝體內。

圖10 引射管路阻力調整試驗原理圖

對引射管路進行調整，對原引射管路、引射管路全拆(引射空氣直接從下部管路進入)、引射管路遮擋50%情況分別進行試驗。100%功率下箱裝體B-B截面的溫度數據如圖11所示。記錄額定功率引射管路阻力調整試驗參數，如表3所示。

圖11 引射管路阻力調整試驗B-B截面溫度對比圖

表3 額定功率引射管路阻力調整試驗參數表

根據圖11、表3數據，可看到引射管路全拆(引射空氣直接從下部管路進入)、引射管路遮擋50%、原引射管路，B1處溫度分別為47 ℃、73 ℃、97 ℃。原引射管路、引射管路遮擋50%、引射管路全拆引射空氣量測量流量分別為5.4 kg/s、6.7 kg/s、8.1 kg/s，可見引射管路阻力對引射量影響較大。

3 總結

從冷卻空氣引射原理出發，對某工業型燃氣輪機在運行過程中出現的箱裝體超溫報警故障進行分析，進行了三方面的試驗：1)調整排氣管與排氣蝸殼出口對中情況，試驗排氣管與排氣蝸殼出口對中值變化對引射空氣量的影響，表明排氣管與排氣蝸殼出口對中對箱裝體內負壓影響較小、對箱裝體內環境溫度影響也較小，即對引射空氣量影響較小。2)調整排氣管煙氣處理裝置阻力，試驗排氣管煙氣處理裝置阻力對引射的影響，表明煙氣處理裝置對燃氣輪機箱裝體引射空氣量影響較大，采用優化的煙氣處理裝置，減少流阻，較大程度上提高空氣引射量。3)調整引射空氣管路阻力，試驗引射空氣管路阻力對引射的影響，表明引射管路阻力對引射空氣量影響較大，采用優化引射裝置、降低引射阻力，可提高引射空氣量。