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燃气轮机燃烧室性能指标的衡量

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/6/4 10:16:27   

  所属频道:  火力发电    关键词:  燃气轮机 燃烧室 性能指标

(1)燃烧效率 。目前,一般燃气轮机组中燃烧室的燃烧效率都能达到 95%~99%,航空发 动机的燃烧效率更高。

(2)总压保持系数 。定义为 =P3/P2,是衡量燃烧室气动性能好坏的指标,目前一般燃烧室 在设计工况的 在 0.95~0.97 左右。对于连续流动的工质,总压下降有两个原因。一是热力学 上的“热阻”,它随工质加热程度(用燃烧室出口总温与进口总温之比τ =T3/T2 来表示)的 增加而增加,是不可避免的;另一个就是摩擦、掺混等不可逆流动的因素导致的损失,其中有 的是为了有效组织燃烧过程而不得不付出的代价。燃气轮机燃烧室研制中要致力于最大限度地 减少不必要的总压损失。

(3)出口温度均匀度。在许多燃气轮机中,燃烧室的出口是与透平的入口很靠近的,如果出 口处燃气的温度不均匀,即有些地方温度高,有些地方温度低。这样就有可能使透平叶片受热 不均,甚至有被烧坏的危险。一般希望燃气的最高温度不能比出口平均温度 t3 高 60~80℃。 此外,在装有许多个燃烧室的机组中,还应力争每个燃烧室出口温度场的平均值相互之间的偏 差不超过 15~20℃。

此外,出口温度沿燃气轮机半径方向的分布有一种中间高,两端低的自然趋势,这正是发挥透 平叶片材料的潜力所要求的,因为透平叶片尖部(外径处)受气流加热最严重,容易局部金属 温度高;而叶片根部(内径处)则应力最大,希望金属温度低些以保证更好的强度。这样叶片 中径处气流温度相对高一些正好满足叶片等强度的要求。

(4)污染物排放。随着环境保护要求的提高,控制燃烧污染物的排放已成为燃气轮机燃烧室 研制中首要解决的问题之一。目前我国对燃气轮机的燃烧污染物排放还没有制定限制规范,但 国际上对燃气轮机特别是航空燃气轮机排放已做出严格的限制。

(5)火焰筒壁温度水平和梯度。火焰筒壁面温度的高低及其均匀程度对于燃烧室的工作寿命 有决定性的影响。一般规定,火焰筒的壁面温度不应超过金属材料长期工作所能承受的温度水 平。对于工作寿命要求较长的燃烧室来说,希望能把火焰筒的最高壁温控制在 650~700℃左 右,但在工作寿命较短的燃烧室中,其最高壁温则有可能超过 800~850℃,甚至局部有可能 达到 900℃左右。火焰筒壁面上温度分布的均匀程度也是一个很重要的安全性指标,因为局部 温度梯度是导致热应力的原因,特别是在受冷、热气流冲击和接缝、边缘等传热条件不均匀的 部位,容易发生金属温度的差异;必须在调试时严密注意和控制。

(6)燃烧室的变工况特性。随着燃气轮机运行工况的变化,燃烧室也往往会在偏离设计工况 的条件下工作。这时,流经燃烧室的空气流量、温度、压力、速度以及燃料消耗量都会发生变 化。由于燃烧室没有运动部件,因此供入空气的任何变化对燃烧室内部流动的影响只表现在量 的方面。简单地说,不同工况下的流动基本上是“相似”的,即气流的模式相同,只是速度大 小成比例地加大或减小。供入燃料量的变化,则会从另一方面对燃烧过程产生重要的影响。一 般而言,决定燃烧室工况的独立变量有两个,即特征流动状态(例如入口流动状态)和相对燃 料量(用过量空气系数 表示)。对于在具体燃气轮机中应用的燃烧室而言,这二者之间有一定 的函数关系, 一般而言燃烧室的 值随燃气轮机负荷的升高而下降。 燃烧室的变工况特性可以用 燃烧室性能参数,即燃烧效率 、总压保持系数 ,壁面温度、出口温度场等随过量空气系数 的变化来表示。

现有对于燃烧室变工况特性的认识远不如对压气机和透平那样清楚和完整,而且都是通过局部试验得到的。一般的变化趋势是:燃烧效率 随 的减少而逐渐升高。一般满负荷时 可达 9 5%~99%或更高;而在空负荷时 大约可维持 90%~94%的水平。总压保持系数 也随着负 荷的变化而变化的, 这是因为高负荷条件下燃烧释放热量增大而流阻损失增加, 也会相应地改 变。壁温、出口温度场不均匀度都是在满负荷时较高,空负荷时由于燃烧区中整体燃烧温度低, 这两项指标相应地都会明显下降,即性能改善。

(7)燃烧稳定性。燃烧室有一个重要的变工况特性,即“熄火”特性。要求燃烧室在可能遇 到的各种工况条件下,都能维持正常的燃烧,既不会熄火,也不会发生强烈的火焰脉动现象。 在燃烧室中可能有两种灭火情况,一种是在燃料与空气的混合比 浓到一定程度时发生的, 它叫富油熄火。 那时燃料与空气混合比所相当的过量空气系数 叫做富 油熄火极限;另一种是在燃料与空气混合比变稀到一定程度时发生的,这叫做贫油熄火。这时, 燃料与空气混合比所相当的过量空气系数 叫做贫油熄火极限。 富油熄火极限与贫油熄火极限之 间所包含的过量空气系数 的区间就叫做燃烧室的燃烧稳定范围。 通常在燃气轮机燃烧室中是不 大可能发生富油熄火现象的, 而只会出现贫油熄火。 因而就可以用贫油熄火极限 这一个指标来 描写燃烧室的燃烧稳定性。 燃烧室的贫油熄火极限 至少要大于 25 才能适应一般燃气轮机组工 作的需要。对于运输式燃气轮机的燃烧室来说,由于负荷变化范围很广, 还应该取得更大一 些。

(8)启动点火特性。燃烧室的另一个重要的变工况性能是它的启动点火特性。应能保证在机 组启动时,在规定的进口空气参数 P2、t2 和流量 Ga 条件下,借助点火系统快速而且可靠地 点燃由主喷嘴射出来的燃料,并在点火系统关闭后自动维持连续的燃烧过程,而且在机组启动 后的升速和加负荷过程中,不发生熄火、超温和火焰过长等现象。凡是能在较低的 t2,较高的 Ga 条件下顺利点火的燃烧室,其启动点火性能就较好。当然,燃烧室的点火性能与所采用点 火系统的形式和点火能量密度也有关系。装有多个火焰筒的分管式或环管式燃烧室中,各火焰 筒之间装有联焰管,而只有少数火焰筒上装有点火器。这几个火焰筒着火后,通过联焰管的传 焰作用,使其他火焰筒依次点燃,通常要求整台机组点火成功的传焰时间不超过 10~15s。

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