国家电投集团荆门绿动能源有限公司 湖北荆门 448000
摘要:在工业化进程中,燃气轮机因其较高的能量转化效率而应用于诸多领域,根据其技术发展道路的不同,又有航改轻型与工业重型燃气轮机之分,在现代工业发展中作用显著,但其燃气轮机的性能仍有较大提升空间,尤其是国内燃气轮机技术水平有限,还需做出更多努力。本文主要从循环参数、各功能部件及热力循环等三大方面,具体分析其性能提升的相关技术,以期对燃气轮机的发展有所帮助。
关键词:燃气轮机;性能;技术
在现代工业生产中,能源动力设备发挥关键性作用,而燃气轮机作为内燃机的典型代表,较多应用于国防设备、电力、能源开发等领域,可较为高效的转化燃料能量,对工业生产提升作用显著。燃气轮机的性能的提升,需要获取更高的循环参数,改善压气机、涡轮、燃烧室等部件结构及性能,并科学设计循环方式,使其具有更高能量转化效率,在能源领域发挥更大作用。尽管燃气轮机在国内已有长期应用,但在自主产权及燃气机性能上还有不小差距,仍需高度重视先进燃气轮机的创新与研发。
一、高循环参数
对于燃气轮机而言,其性能的改进较大程度依赖于其运行参数,如涡轮进口温度、压比、比功等,而且不同参数的影响机理及程度有所差别。以涡轮进口温度为例,其关系机器内部的燃料燃点的控制,而且燃气轮机产品均对该参数有明确的要求,在民航发动机中通常取该参数的定值为62摄氏度。在燃气轮机实际应用中,要结合其性能提升及实际应用要求,合理设计涡轮进口温度,提高燃气轮机运行功效。当用作并网发电机组时,燃气轮机的会根据电网频率而维持恒定的转速,燃料供给情况无法改变其转速,但会引起机组出力的波动,而余热锅炉热容对其有较好抑制效果。在实际应用中,热力参数往往是燃气轮机运行性能优化的关键,在特定条件下,压气机总压比的提高预示着机组性能的改善,且往往与涡轮前温度有直接关系,具有更高总压比的燃气轮机也是研发的重点。
二、燃气轮机各部件的结构与性能优化
(一)压气机
通过分析燃气轮机中涡轮运行情况,压气机是其主要做功的对象,大多数做功均用于压缩空气,所以,通过改善压气机的结构及性能有助于降低空气压缩用功需求,提高燃气轮机的运行经济性。压比是其关键参数,关系着压气机性能优化的幅度。喘振问题也常见于压气机部件,尤其是在燃气轮机加、减速期间,通过提高其喘振裕度能够有效避免高机动性燃气轮机出现该问题。对于超、跨声级压气机而言,通过改变其叶片叶型,使其具有不同的叶栅形状,可有效抑制三维效应所造成的能量损失。为此需对压气机叶型设计予以优化,并合理应用三维流理论,尽可能的保障压气机做功效果,可较好的适用于航空及地面燃气轮机压气机的设计。鉴于航空燃气汽轮机在三维流设计中有优异表现,可对其应用予以扩展,借助于同比例放大的方式,可将其用于其他重型燃机设备。相较于传统的篦齿封严的方式,在航空燃机中进行了设计改进,刷式封严装置具有能更好的密封效果。此外,还有其他密封方式,如指状密封,其优势在于工艺成本,相较于刷式封严,可节约一半费用。气膜密封,其优势在于不需要直接接触,也就不会出现磨损问题,且具有耐高压、高温的特性。
(二)涡轮部件
在燃气轮机结构系统中,涡轮的设计关系其整机效率,而且其作为热端构件,涡轮材料成本较高,有着复杂的制造工艺,所以要对其优化设计,提高其高温耐受力及工作效率,还要具备大焓降的特点,并通过降低其级数以减少费用。而且设计优化的关键在于涡轮叶型的优化,有效控制流体能量损耗。具体要求为:一是要改进边界层设计,可选择具有更低摩擦损耗的过渡或层流型边界层,相较于常规边界层设计方式,如湍流边界层,其能耗节约可达1/3。二是为有效控制端区流阻,也需对其涡轮叶片予以优化,现已实现了全三维设计。三是要通过有效匹配涡轮中各个构件,尽量减小叶片径向间隙,而且叶尖带冠的设计方式,也有助于能耗损失的降低,使涡轮功效有所提升。四是联铸方式的应用,能有效改善漏气问题,五是要尽可能的提高涡轮高温耐受能力,使其适应更高的涡轮前温度,以达到涡轮效率提高的目的。
(三)燃烧室
在技术角度分析,燃烧室性能的改进,应从降低压损入手,尽可能保证燃料利用率,使其具有更高的加温比。然而,就现用燃烧室结构而言,最为关键的性能要求便是降低排污量,这也是燃气轮机节能减排的要求。应当根据燃气轮机的用途,对燃烧室的机构及参数予以合理设计,当前航空、舰船用的燃气轮机,其在燃烧室设计中基本可达到较高燃烧效率,而对于地面机械中燃气轮机的应用,当其燃料发生变化时,应当优化改进燃烧室构造,并且要注意需达到相应排放等级,对于燃气轮机应用中的污染问题有很大改善作用。
三、热力循环的改进与优化
对于燃气轮机而言,余热的利用是改善其性能的重要技术措施,也是热力循环改进的关键所在,下面就常见热力循环方式予以分析。
(一)回热循环
在燃气轮机工作中,高压蒸汽在做功完毕后仍存有大量余热,而回热循环的应用便是为了改善这一问题,使燃气轮机余热得到较好回收利用。其循环构造也较为简单,主要是通过增设换热器,来实现对涡轮废气余热重新利用。而这部分热量主要是用于空气的预热,可减少冷空气所造成的燃烧热量损耗,可在更小燃料消耗、更短时间内是高温蒸汽达到涡轮进口温度的要求。经试验可知,回热循环可使燃气轮机整体的热效率增大效果甚至可达20%,尤其是本身排气温度较高的轮机设备。
(二)再热循环
该种热循环方法的应用,其关键在于燃烧室的增设,可充分利用高压涡轮利用后的仍具有较高温度及压力的蒸汽,使之再次进入燃烧室进行加热,达到更高的膨胀做功能力,再输入到低压涡轮,充分提高低压涡轮的工作效率,这样便形成了完整的再热循环,并有效促进比功率的增加,使燃气轮机整体做功效率显著提高。
(三)间冷循环
该类循环的设计目的,也是要提高燃气轮机的比功率,但其原理与再热循环有较大不用。首先在压气机设计中,通常要将其区别为高、低压压气机,间冷循环的设计便是要于两者中间设置冷却器,其冷源主要来自水等低温介质,这样空气由低压向着高压压气机流动的过程中,会经过冷却器以达到冷却效果,这样可使比功有较大提高,进而提高热能利用效率,该循环方式较多应用于大功率燃气轮机。
(四)蒸汽回注循环
在燃气轮机中,蒸汽回注循环的应用目的是通过蒸汽注入的方式,使其同常规意义上的压缩空气相融合,经高温加热其达到预定温度,然后共同催动涡轮运转,以达到提高做功效率的目的。而蒸汽的来源是换热器,通过燃气加热的方式,使其内部水高效蒸发。在实际应用中,还可称其为程氏循环,其在燃气轮机热力循环中也有较多应用。此外,上述热力循环不仅可单独应用,在特定情况下还可组合使用,能够很好改善燃气轮机性能。
四、结束语
综上所述,为使燃气轮机的效能达到最大化,提高燃料的利用率并减少燃气轮机废气排放,可通过采用高循环参数以达到性能优化的目的,同时,燃气轮机结构较为复杂,压气机、涡轮、燃烧室等关键部件的性能优劣,也关系着整机效率,也需予以改进。而为了充分利用燃气轮机的余热,要建立更加高效的热力循环系统,实现热能效率的最大化。此外,在燃气轮机领域,国内技术水平仍处于较低位置,还需在燃气轮机性能提升上做出更大的努力。
参考文献:
[1]伍赛特.燃气轮机应用于车用动力装置的可行性分析研究[J].交通节能与环保,2019,15(01):13-15.
[2]杨牧歌. 微型燃气轮机燃烧室的设计与优化[D].哈尔滨工业大学,2016.
[3]蒋洪德,任静,李雪英,谭勤学.重型燃气轮机现状与发展趋势[J].中国电机工程学报,2014,34(29):5096-5102.