林友政

（深能安所固電力（加納）有限公司，廣東 深圳 518000）

加納某燃?xì)怆姀S的某臺(tái)型號(hào)為PG6541B的燃機(jī)是從國(guó)內(nèi)搬遷過(guò)來(lái)的舊機(jī)組，配17級(jí)軸流式壓氣機(jī)，10個(gè)燃燒室的分管回流式燃燒室和3級(jí)透平，轉(zhuǎn)速為5 114 RPM，通過(guò)減速齒輪箱與發(fā)電機(jī)連接，搬遷過(guò)程中進(jìn)行過(guò)大修維護(hù)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 RPM。2018年該燃機(jī)大修后出現(xiàn)了出力明顯降低的現(xiàn)象，之后又進(jìn)行了一系列檢修工作，但是燃機(jī)出力并沒(méi)有提升。本文將對(duì)大修后燃機(jī)出力明顯降低的原因進(jìn)行分析。

1 大修過(guò)程進(jìn)行的主要工作

與一般的燃機(jī)大修工作相比，本次大修除更換了透平第一、二、三級(jí)噴嘴，火焰筒和過(guò)渡段等主要燃燒部件外，還更換了整個(gè)燃機(jī)轉(zhuǎn)子，其中壓氣機(jī)動(dòng)葉和透平動(dòng)葉也隨燃機(jī)轉(zhuǎn)子更換上機(jī)。新更換上機(jī)的燃機(jī)轉(zhuǎn)子為該電廠另外一臺(tái)同型號(hào)燃機(jī)的備用轉(zhuǎn)子，并在歐洲進(jìn)行過(guò)大修維護(hù)，2臺(tái)燃機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)下?lián)碛邢嗤隽?，與舊轉(zhuǎn)子相比，新轉(zhuǎn)子不同的是其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5 135 RPM。大修后，燃機(jī)出力明顯降低，隨后該燃機(jī)又于2019年更換了透平第三級(jí)噴嘴，于2020年2月更換了透平第二、三級(jí)噴嘴，但出力并沒(méi)有提升。

表1、表2為2018年大修前后壓氣機(jī)和透平通流間隙表，其中R1～R17表示壓氣機(jī)動(dòng)葉與氣缸的葉頂間隙，因?yàn)楸砀襁^(guò)長(zhǎng)，通流間隙沒(méi)有異常波動(dòng)，所以只截取部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 壓氣機(jī)通流間隙

表2 透平通流間隙

從表1和表2中可以看到，大修前后壓氣機(jī)和透平的通流間隙沒(méi)有明顯變化，所以壓氣機(jī)和透平通流間隙的變化并不是影響燃機(jī)出力的原因。該廠歷次6B燃機(jī)小修表明，更換火焰筒和過(guò)渡段也幾乎不會(huì)對(duì)燃機(jī)出力產(chǎn)生影響。

2 大修前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

表3為大修前后該燃機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)，表4則記錄了在壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度相同的條件下，部分運(yùn)行參數(shù)大修前后的變化幅度。表3中的壓氣機(jī)排氣壓力CPD和透平排氣壓力都是表壓，表4中負(fù)號(hào)表示降低。

從表3和表4中可以看到，大修后，燃機(jī)出力、燃料沖程基準(zhǔn)FSR、壓氣機(jī)排氣壓力CPD都降低了，其中出力和燃料沖程基準(zhǔn)FSR降低幅度比較大，出力最明顯。壓氣機(jī)排氣溫度和透平排氣溫度都升高了，且壓氣機(jī)排氣溫度升高幅度較明顯。而進(jìn)氣濾壓差增大，也對(duì)燃機(jī)出力有一定的影響。

表3 大修前后主要運(yùn)行參數(shù)表

表4 大修前后部分運(yùn)行參數(shù)變化幅度表

3 壓氣機(jī)的基本工作原理

圖1為軸流式壓氣機(jī)動(dòng)、靜葉葉柵及基元級(jí)速度三角形，c1和c2分別表示動(dòng)葉進(jìn)、出口處的絕對(duì)速度，w1和w2分別表示動(dòng)葉進(jìn)、出口處氣流相對(duì)于動(dòng)葉的相對(duì)速度，u表示動(dòng)葉的圓周速度。

圖1 軸流式壓氣機(jī)動(dòng)、靜葉葉柵及速度三角形

根據(jù)動(dòng)量原理，當(dāng)q kg/s的空氣流過(guò)動(dòng)葉柵時(shí)，動(dòng)葉柵對(duì)氣流的作用力的切向分量應(yīng)為

當(dāng)工作葉輪平均直徑上的圓周速度為u時(shí)，動(dòng)葉柵施加給流量為q的空氣的功率應(yīng)為

所以壓氣機(jī)工作葉柵施加給每千克氣體的功Δh為

其中

所以

忽略壓氣機(jī)壓縮過(guò)程中的損失，假設(shè)壓縮過(guò)程為等熵壓縮，根據(jù)熱力學(xué)第一定律開(kāi)口系統(tǒng)能量方程，可以求得壓氣機(jī)工作葉柵施加給每千克氣體的功為

式中：R為空氣的氣體常數(shù)；Ta為工作葉柵進(jìn)口溫度；π為壓氣機(jī)級(jí)的壓比；γ為空氣絕熱指數(shù)，約等于1.4；u為基元級(jí)動(dòng)葉柵圓周速度；w為基元級(jí)氣流相對(duì)于動(dòng)葉柵的相對(duì)速度；Δcu為氣流在基元級(jí)動(dòng)葉柵進(jìn)出口絕對(duì)速度的變化；Δwu為氣流在基元級(jí)動(dòng)葉柵進(jìn)出口相對(duì)速度的變化，Δwu=Δcu

4 壓氣機(jī)效率

本文中的壓氣機(jī)效率為等熵效率，有效功取理想狀態(tài)下的靜參數(shù)等熵壓縮功，實(shí)際耗功取實(shí)際狀態(tài)下靜參數(shù)多變壓縮功與各種損失功之和。設(shè)η為壓氣機(jī)效率，π為壓氣機(jī)壓比，γ為空氣絕熱指數(shù)，γ=1.4，Δhp為多變壓縮功，Δhr為各種損失功的和，ΔhS為理想狀態(tài)下的等熵壓縮功，T1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，T2為壓氣機(jī)排氣溫度，T2S為理想狀態(tài)下壓氣機(jī)等熵壓縮過(guò)程的排氣溫度，P1為壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力，P2為壓氣機(jī)排氣壓力，表3中的壓氣機(jī)排氣壓力CPD為表壓，計(jì)算時(shí)需要加上當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍d為進(jìn)氣濾壓差，當(dāng)?shù)卮髿鈮篜0=100.008 kPa，且認(rèn)為其保持不變。則

式（7）中的cp為空氣的定壓比熱容。將表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式（7）、式（8）和式（9）中，可以計(jì)算出壓氣機(jī)的等熵效率η，具體見(jiàn)表5。

從表5中可以看到，大修后壓氣機(jī)效率η降低了1.05%～1.38%。

表5 大修前后壓氣機(jī)效率

由于燃機(jī)轉(zhuǎn)速不同，要保證有相同的燃機(jī)出力和壓氣機(jī)效率，壓氣機(jī)基元級(jí)的速度三角形必然不同，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5 135 RPM的轉(zhuǎn)子安裝到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5 114 RPM的燃機(jī)上，必然導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)、靜葉級(jí)間配合發(fā)生比較復(fù)雜的改變，速度三角形也發(fā)生改變，壓氣機(jī)的葉型損失、環(huán)端面損失和二次流損失將增大，導(dǎo)致壓比減小，壓氣機(jī)效率降低。

5 轉(zhuǎn)速降低對(duì)燃機(jī)出力的影響

5.1 轉(zhuǎn)速降低對(duì)壓氣機(jī)等熵壓縮功和壓比的影響

由式（6）可知，壓氣機(jī)的壓比π、壓縮功Δh都和工作葉輪的圓周速度u及動(dòng)葉柵進(jìn)出口相對(duì)速度的變化Δwu這2者有關(guān)，在速度三角形相似的情況下，降低燃機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)降低壓氣機(jī)的壓比，且壓比與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系并不呈線性關(guān)系。在壓氣機(jī)基元級(jí)速度三角形相似的情況下，可將計(jì)算從壓氣機(jī)的基元級(jí)擴(kuò)展到整個(gè)壓氣機(jī)，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由u1降低為u2，則壓氣機(jī)施加給每千克氣體的壓縮功從Δh1變化為Δh2，關(guān)系如下

壓氣機(jī)壓比從π1變?yōu)棣?，關(guān)系如下

假設(shè)燃機(jī)轉(zhuǎn)速為5 135 RPM的時(shí)候壓比π1為11，進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力都相同，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 135 RPM降低到5 114 RPM后，Δh2降低至0.991 8Δh1，π2降低至10.84。由此可知，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由5 135 RPM降低至5 114 RPM后，理論上壓氣機(jī)的壓比和壓縮功都會(huì)降低，壓比降低1.45%，壓縮功降低0.82%。

5.2 轉(zhuǎn)速降低對(duì)壓氣機(jī)流量的影響

壓氣機(jī)出口流量Q計(jì)算公式為

式中：ρ，A，c，T2分別為壓氣機(jī)出口的壓縮空氣密度，通流面積，氣流速度，壓氣機(jī)排氣溫度。忽略壓氣機(jī)壓縮過(guò)程中的損失，即該過(guò)程為理想過(guò)程，在基元級(jí)速度三角形相似，進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力都相同的情況下，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 135 RPM降低到5 114 RPM后，壓氣機(jī)流量由Q1變?yōu)镼2，Q2=0.981 4Q1。由此可知，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由5 135 RPM降低至5 114 RPM后，理論上，壓氣機(jī)的流量將降低約1.86%。

而壓氣機(jī)對(duì)氣體的壓縮就是透平做功的反過(guò)程，所以高溫燃?xì)鈱?duì)透平動(dòng)葉做功的公式基本相似，可以用Δh=uΔwu來(lái)表示。同樣，燃機(jī)轉(zhuǎn)速降低，理論上高溫燃?xì)鈱?duì)透平動(dòng)葉所做的膨脹功及透平的膨脹比都會(huì)降低，更換轉(zhuǎn)子前后變換關(guān)系與壓氣機(jī)相同。

5.3 轉(zhuǎn)速降低對(duì)燃機(jī)出力的影響

轉(zhuǎn)速為5 135 RPM時(shí)，當(dāng)Q1kg/s的空氣流過(guò)壓氣機(jī)，壓氣機(jī)對(duì)壓縮空氣做的等熵壓縮功為Q1Δh1，轉(zhuǎn)速降低至5 114 RPM后，當(dāng)Q2kg/s的空氣流過(guò)壓氣機(jī)時(shí)，壓氣機(jī)對(duì)壓縮空氣做的等熵壓縮功為Q2Δh2，則

該燃機(jī)壓氣機(jī)消耗的功約占透平輸出軸功的2/3，設(shè)更換轉(zhuǎn)子前，透平輸出的軸功為WT1，壓氣機(jī)消耗的壓縮功為WC1，空氣在被壓縮過(guò)程中消耗的有效功為WCe1，燃機(jī)輸出功為W1，壓氣機(jī)效率為η1，更換轉(zhuǎn)子后，透平輸出的軸功為WT2，壓氣機(jī)消耗的壓縮功為WC2，空氣在被壓縮過(guò)程中消耗的有效功為WCe2，燃機(jī)輸出功為W2，壓氣機(jī)效率為η2。忽略傳動(dòng)機(jī)械造成的損失，則

假設(shè)更換轉(zhuǎn)子后壓氣機(jī)效率不變，則滿足

在這種情況下，燃機(jī)輸出功W2=0.973 4W1，但是從表5中可以看到，更換轉(zhuǎn)子后，壓氣機(jī)效率變低了，這意味著與大修前相比壓氣機(jī)將消耗更大比例的透平輸出功，令

結(jié)合式（14）～（21）可得到

分別計(jì)算出當(dāng)進(jìn)氣溫度為27℃、28℃、29℃和30℃時(shí)，的值，得到表6。

表6 大修前后出力之比

從表6中可以看出，同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速降低和壓氣機(jī)的效率變化的影響后，理論上，燃機(jī)出力將降低至原來(lái)的94.29%～95.02%，也就是降低4.98%～5.71%。因?yàn)閷⒃O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5 135 RPM的轉(zhuǎn)子安裝到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5 114 RPM的燃機(jī)上，實(shí)際上變化將會(huì)更加復(fù)雜，所以燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷降低5.46%～7.40%也就顯得很正常了。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該燃機(jī)大修后出力降低的主要原因如下：①更換轉(zhuǎn)子后，該燃機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與新更換轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不同，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)、靜葉級(jí)間配合發(fā)生比較復(fù)雜的改變，葉型損失、二次流損失和環(huán)端面損失大增，壓氣機(jī)效率降低。②新轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致燃機(jī)流量降低，壓氣機(jī)和透平做功能力都降低。③大修后進(jìn)氣濾壓差增大。另外，由于更換了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)子，且壓氣機(jī)效率降低，燃機(jī)整體效率也必然降低，這與實(shí)際狀況相符。