清华&东汽：重型燃气轮机排气温度研究

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摘要

本文针对某300MW等级重型燃气轮机透平排气温度，构建了燃机性能计算模型，该模型除了包含常规燃机性能计算的功能外，加入了透平叶片材料、燃烧器OTDF&RTDF及叶片冷却流量对燃机性能的影响功能，应用该燃气轮机性能计算模型预测了L20A及M701F3的燃机性能，排气温度的预测精度在3℃以内。

分析了压气机压比、压气机效率、燃烧器压损、燃烧器出口温度分布、透平级数、透平效率、透平叶片材料及冷气流量等参数对透平排气温度的影响规律，结果显示压气机压比、燃烧器出口温度分布、透平级数及效率、透平叶片材料及冷气流量对燃机透平排气温度影响较大，其中又以透平级数的设计选择对排气温度影响最大。在燃机设计时需要考虑到这些关键影响因素，使排气温度最终达到综合最优。

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引言

自2020年9月习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中提出“双碳目标”[1]以来，“双碳目标”已升级为国家战略，能源结构即将迎来重大调整。为此，2020年《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》明确指出“推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力”,“制定2030年前碳排放达峰行动方案”,“锚定努力争取2060年前实现碳中和”等发展目标[2]。

因此，为深入落实国家“碳达峰、碳中和”目标任务，发展高效率的重型燃气轮机(包含燃氢燃气轮机)，为能源清洁高效利用、电网安全稳定运行提供重要的技术保障，在能源与电力工业的可持续发展中具有不可替代的战略地位，这对于我国这样一个电站装机容量世界第一、目前以燃煤电站为主的国家尤为重要。

燃机透平排气温度在重型燃气轮机设计中是一个重要参数，影响到整个燃气–蒸汽联合循环机组的高效运行，对于给定燃机初温的联合循环机组，燃机排气温度跟压气机压比一般都会有一个最佳匹配值；燃气轮机系统和蒸汽系统互相关联，余热锅炉和蒸汽轮机系统作为燃气轮机的余热利用设备，处于系统的下游，其运行性能受到燃气轮机排气参数的直接影响，尤其是燃气轮机排气温度。

燃气轮机排气温度降低，燃机功率将增加，但是会导致余热锅炉和蒸汽轮机系统热力参数降低，进而影响联合循环效率和出力；燃气轮机排气温度增加，联合循环效率一般都将增加，但是会影响到排气缸的安全性及燃机制造成本，因此在重型燃机设计时，燃机排气温度一般都将进行综合考虑，取综合最佳值。本文通过燃气轮机性能参数分析，主要研究影响燃气轮机透平排气温度的设计因素，在燃机设计中予以重点考虑。

燃机研制的首要步骤是发展一种准确有效的燃机性能初始理论分析设计方法。基于这样的方法，一方面可以定量化评估在特定参数下的燃机性能，另一方面也可以得出燃机性能与各影响参数之间的变化规律，从而根据燃机预设性能去选取相匹配的设计参数。

Ushiyama[3]和Hadik[4]建立了燃机简单循环的理论分析燃机性能评估方法，分析了大气环境(进口气流温度，压力和湿度等)和压气机压比对燃机性能的影响。Cai[5]针对三种不同的联合燃机循环系统发展了相应的热效率评估计算方法，并分析给出了这些循环系统下热效率最高时的最佳压比。

Singh等[6]基于热力学模型，发展了蒸燃联合循环电站的性能评估方法，并分析了压气机气流压比、进口温度和透平燃气进口温度对联合循环电厂的功率和热效率的影响。苏鹏飞等[711]针对燃机简单循环系统、透平性能及冷却计算，发展了性能评估计算方法，基于该方法，详细地分析了压气机压比、冷气抽取位置、透平入口温度、叶片金属温度、叶顶间隙、叶片速度等关键因素对燃机及透平性能的影响，为燃机总体性能设计提供参考。

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计算原理

燃机简单循环的运行原理过程为：空气被吸入进气通道，随后进入多级轴流式压气机中压缩为高压气体，大部分气流进入燃烧器与天然气混合后燃烧，燃烧后的高温高压气流进入高温透平膨胀做功，由热能转化为机械能，再通过电机将机械能转化为电能输出，部分压缩空气被引入透平，用于冷却轮盘及高温透平叶片，最后进入主流通道和燃气一起排出，如下图1所示。

图1 燃机布雷顿循环布置

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计算过程

2.1 进气段和压气机

压气机和进气道的热力学过程TS图如图2所示，下面给出气体在进气段内主要参数的变化过程。

图2 进气段和压气机内空气变化过程的 T-S 图

其中，ηintake为压气机进气道绝热效率，P、T、γ、Ma分别是气流的压力、温度、绝热指数和马赫数。角标a和2分别为进气段和压气机的进口状态，如图1所示。角标s代表理想状态的等熵过程。压气机热力过程如图2(b)所示，有：

式中，PR为压气机压比。

其中ηc是压缩机绝热效率。角标3代表压气机出口。

2.2 燃烧器

在燃烧室中，假定T04为透平进口温度的最大允许值。遵照燃烧过程中的能量守恒方程，燃烧室中气流的变化过程如式(8)～(11)所示：

式中，mf为燃烧流量，mi为空气流量，FAR为燃空比。假定燃烧室中高温燃气混合物可以由平均比定压热容Cp表示，Cp随温度是变化的，详细定义见文献[12]，则：

因为燃烧室(F AR)内(=)气(Q)流(/)C一Tp0leig(T03)h流动，因此在燃烧室中气流的损失也主要取决于压损。在Rayleigh流中，有：

2.3 透平和排气段

图3给出了透平和排气段内气流热力学变化的h-S图，类似于压气机内气流的变化，透平中气流参数的变化过程可表达如下：

式中，ηt为透平效率。

如图3(b)，对排气缸来说，有：

式中，ue为排气缸出口速度。

图3 透平和排气段内气流变化过程的h-S图

至此，FAR和ue的表达式可以由设计需求、可达到的压比，透平进口温度、燃料量、各组成设备内效率和一些其他的假设条件而确定。如果计算出FAR和ue的数值，燃机的总体效率也就确定了。

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计算方法验证

通过对燃机L20A[13]和M701F[14]进行预测来验证计算方法。预测的燃机性能结果与其对应的燃机制造商公布的实际性能数据吻合较好，排气温度预测误差在3℃以内，燃机效率预测误差在0.3%以内，可以满足设计需要，表1列出了燃机预测的主要性能结果。

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透平排气温度影响因素研究

本文针对典型300MW等级重型燃气轮机，研究影响透平排气温度的关键因素，详细分析压气机压比、压气机效率、燃烧器压损、透平级数、透平效率、叶片材料、OTDF、RTDF、冷气流量及排气缸静压恢复系数等参数对透平排气温度的影响规律。

4.1 压气机压比及效率的影响

由图4可以看出，压比对燃机排气温度的影响基本是呈线性变化的，压比每增加1，燃机排气温度平均降低7℃左右，因此如果压气机没达到设计压比或者超过设计压比，都将造成燃气排气温度变化。

压气机效率对燃机排气温度基本没有影响；对于特定的重型燃气轮机，压气机压比随环境温度会进行季节性变化，冬天压比较大，夏天压比较小，如图5所示，因此将导致冬天燃机排气温度较低，夏天燃机排气温度高，在燃机实际运行时需要进行温度控制。

图4 压比的影响

图5 环境温度对压比的影响

4.2 燃烧器压损及温度分布的影响

图6给出了燃机排气温度随燃烧器压损的变化情况，当燃烧器压损在2%到5%之间变化时，排气温度的变化在4℃以内，变化相对较小；而燃烧器出口温度分布相对来说对燃机排气温度的影响要大得多：当OTDF由0.1上升到0.3时，燃机排气温度将下降18.9℃，当RTDF由0.05上升到0.2时燃机排气温度将下降6.8℃，因此燃烧器设计时的出口温度分布需要进行精确控制。

图6 燃烧器压损的影响

4.3 叶片金属温度的影响

由图8可以看出，透平叶片金属温度对燃机排气温度的影响相当大，当静叶金属温度由850℃提高到1000℃时，燃机排气温度将由577.4℃升高到611.6℃，升高34.2℃；当动叶金属温度由850℃提高到1000℃时，燃机排气温度将由585.2℃升高到598.6℃，升高13.4℃；同时发现透平叶片金属温度对燃机效率和功率有较大影响，当静叶金属温度由850℃提高到1000℃时，燃机功率将从297.2MW增加到319.9MW，而燃机效率从38.2%增加到38.5%；当动叶金属温度由850℃提高到1000℃时，燃机功率将从298.7MW增加到317.2MW，而燃机效率更是从37.3%增加到39%；静叶金属温度对燃机功率影响较大，对燃机效率的影响相对较小，动叶金属温度无论对燃机功率还是效率影响都比较大，这主要是由于叶片金属温度提高以后，所需要的冷却空气流量会降低，损失降低，有更多的高压高温气体参与做功，因此燃机效率增加，比功增加，因此在设计燃机透平时经常会将最先进的高温材料和涂层首先使用在动叶上，静叶使用的材料相对要更加成熟成本更低一些。

图7 燃烧器出口温度分布的影响

图8 透平叶片金属温度对排气温度的影响

图9 透平叶片金属温度对功率和效率的影响

4.4 透平级数和效率的影响

一般情况下，透平级数越多，效率越高，但是由于叶片增加，因此所需冷气量也将大幅增加，这将导致燃机排气温度降低，由图10可以看出，透平级数每增加1级，排气温度平均降低20.4℃；透平效率同样对排气温度有影响，由图11可以看出，透平效率每增加1%，排气温度平均将降低4.9℃，主要是随着透平效率提高，更多的热能将转化为透平做功，因此排气温度将降低。

图10 透平级数的影响

图11 透平效率的影响

4.5 冷气流量的影响

冷气流量的增加会加大掺混损失，造成透平效率降低，进而影响整个燃机性能，而且静止件冷气流量与动叶冷气流量的影响程度是不同的，静止件的冷气量变化对排气温度和燃机功率的影响较大，对燃机效率的影响较小，因此很多公司在进行透平静叶冷却的设计的时候对冷气量的使用没有过于严格的限制，相比动叶使用更多的气膜冷却，从而可以使用制造成本更低的高温合金材料；而动叶冷气流量变化无论是对排气温度、燃机功率还是燃机效率影响都很大，因此透平动叶一般都会使用更先进的高温合金材料和热障涂层。

图12和图13分别给出了静止件冷气流量和动叶冷气流量的影响，当静止件的冷气流量由16.5%增加到24.4%时，排气温度将降低32.3℃，燃机功率317MW降低到284.7MW，燃机效率只降低0.28%，即冷气量每增加1%，排气温度平均降低6℃，燃机功率下降4.1MW；当动叶的冷气流量由16.9%增加到24.2%时，排气温度将降低33.6℃，燃机功率323.1MW降低到274.8MW，燃机效率从39.3%降低到36.6%，即冷气量每增加1%，排气温度平均降低4.6℃，燃机功率下降6.6MW。

图12 静叶冷气流量的影响

图13 动叶冷气流量的影响

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结论

本文通过对影响燃机透平排气温度的各项参数研究，总结出影响排气的关键因素，在进行燃机设计时应当充分考虑这些影响因素，使排气温度最终达到最优值。结论如下：

1)压气机压比、燃烧器出口温度分布、透平级数、透平效率、透平叶片材料及冷气流量对燃机透平排气温度影响较大，其中又以透平级数的设计选择对排气温度影响最大；压气机效率及燃烧器压损对排气温度影响较小；

2)压气机压比越高，燃机排气温度越低；由于压气机压比随环境温度会进行季节性变化，因此将导致冬天燃机排气温度较低，夏天燃机排气温度高，在燃机实际运行时需要进行温度控制；

3)燃烧器出口温度分布对燃机排气温度影响较大，出口温度场越不均匀，燃机排气温度越低，OTDF对燃机排气温度的影响要比RTDF大；

4)静叶金属温度对燃机功率影响较大，对燃机效率的影响相对较小，动叶金属温度无论对燃机功率还是效率影响都比较大，因此会将最先进的高温材料和涂层首先使用在动叶上，静叶使用的材料相对要更加成熟而且成本更低；

5)透平级数的增加及效率的提高都将使排气温度降低，特别是透平级数的设计选择，将极大地影响燃机排气温度；

6)静止件的冷气量变化对排气温度和燃机功率的影响较大，对燃机效率的影响较小；动叶冷气流量变化无论是对排气温度、燃机功率还是燃机效率影响都很大。

来源：工程热物理学报，作者苏鹏飞、赵世全、方宇

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