CN112485033A - 一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统及试验方法，包括燃料系统、主空气供应系统、冷却空气供应系统、控制系统和数据采集系统；主空气经过调压后输出燃烧试验段，同时将燃料增压后也输入燃烧试验段，主空气和燃料在燃烧试验段混合燃烧后产生高温高压燃气，模拟燃气轮机运行时燃烧室真实工作环境，进行气燃料的燃烧试验，燃烧试验段的高温排气和冷却空气供应系统的冷气进入透平叶片综合冷效试验段，模拟燃气轮机透平部件实际工作环境，通过测量燃气、冷气参数和叶片外表面壁温，获得叶片冷却效果及其特性，该试验系统对燃烧试验段的高温排气进行再次利用，通过一个试验系统，同时完成两种不同的试验，提高试验效率，同时也降低试验系统的成本。

Description

一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统及试验方法
技术领域
本发明涉及一种试验系统，具体涉及一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统及试验方法。
背景技术
重型燃气轮机燃烧试验、透平叶片综合冷效试验是燃气轮机燃烧监测诊断、燃烧调整、燃烧技术研发以及透平叶片设计优化技术研发等过程中不可或缺的关键环节。
任何燃烧技术、燃烧系统开发无一例外地均需在全尺寸、全温、全压燃烧试验系统上完成验证、改进、再验证，方可在燃机上开展工程应用；此外，透平叶片在燃气轮机运行过程中承受着较大的气动负荷和热负荷，在燃机透平叶片设计验证阶段，需采用全尺寸、全温、全压燃气轮机综合冷效系统开展大量试验，模拟最接近燃气轮机的实际运行环境，测量叶片外表面壁温，获得叶片冷却效果及其特性，验证设计与计算分析结果，以确保设计的透平叶片安全可靠。
然而现有的重型燃气轮机燃烧试验系统与透平综合冷效试验系统存在如下问题：已有燃烧试验系统和透平综合冷效试验系统均各自单独建设，投资成本昂贵，且未能充分利用燃烧后的高温燃气；燃烧试验系统的主空气加热方案管路、控制系统复杂，开展变工况试验时，主空气温度调控响应速度较慢；燃烧试验系统的气体燃料灵活性较差；试验系统的可扩展功能较为有限，往往为了进行某特定功能的试验设计建设试验系统，未能充分挖掘试验系统的扩展潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有重型燃气轮机燃烧试验系统与透平综合冷效试验系统的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，该系统可将燃烧试验与透平冷效试验系统有机结合起来，充分利用燃烧试验产生的高温燃气，将其在透平综合冷效试验中利用，因不需额外购置高温燃气的设备，投资成本少。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，包括燃料系统、主空气供应系统、冷却空气供应系统、控制系统和数据采集系统；
所述燃料系统与燃烧试验段连接，燃烧试验段的排气端分别连接透平叶片综合冷效试验段，透平叶片综合冷效试验段的出口连接排气系统；主空气供应系统连接燃烧试验段的进气端，冷却空气供应系统分别连接透平叶片综合冷效试验段的进气端，冷却空气供应系统与排气系统连接，用于给透平叶片综合冷效试验段提供冷源；
所述控制系统分别与燃料系统、主空气供应系统和冷却空气供应系统连接，用于控制燃料和气体的输出量，数据采集系统用于采集整个试验系统的运行参数并发给控制系统。
优选的，所述主空气供应系统包括主空气压气机，其输出端连接主空气电加热器，主空气电加热器的输出端连接燃烧试验段。
优选的，所述主空气压气机的输出与主空气电加热器连接，主空气压气机的管道上设置有主空气主副流量测量调控装置，大流量空气进入主流量测量调控装置，小流量空气进入副流量测量调控装置，采用主空气主副流量测量调控装置控制空气流量。
优选的，所述冷却空气供应系统包括冷却空气压气机，以及与其连接的稳压储气罐，稳压储气罐的输出端与冷却空气电加热器连接，冷却空气电加热器的输出端连接透平叶片综合冷效试验段。
优选的，所述燃烧试验段的排气端还连接材料性能试验段，材料性能试验段的输出端连接排气系统。
优选的，所述主空气供应系统和冷却空气供应系统的输出端还连接燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段，燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段的输出端连接排气系统。
优选的，所述燃烧试验段、透平叶片综合冷效试验段与材料性能试验段连接有消防系统。
优选的，所述燃料系统包括天然气供应系统、合成气供应系统、富氢/纯氢供应系统和生物质气供应系统。
一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统的试验方法，燃烧试验和透平综合冷效试验的方法如下：
所述主空气供应系统的压气机压缩空气，压缩后的空气经加热后进入燃烧试验段；
燃料系统的气体燃料经加压后进入燃烧试验段，空气和气体燃料在燃烧试验段内混合燃烧形成高温高压的燃气，模拟燃气轮机运行时燃烧室真实工作环境，然后进行燃烧试验；
高温高压的燃气进入到至和冷却空气供应系统的冷气分别进入透平叶片综合冷效试验段，模拟燃气轮机透平部件实际工作环境，通过测量燃气、冷气参数和叶片外表面壁温，获得叶片冷却效果及其特性，透平冷效试验段出来的气体经过排气系统排入大气。
优选的，其特征在于，材料性能试验的方法如下：
燃烧试验段排出的高温燃气进入材料性能试验端，模拟热通道部件及高温合金材料实际工作气氛，进行高温燃气环境下热通道部件以及高温合金材料力学性能、氧化和腐蚀试验，试验后的高温燃气进入排气系统排入大气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，包括燃料系统、主空气供应系统、冷却空气供应系统、控制系统和数据采集系统；主空气经过调压后输出燃烧试验段，同时将燃料增压后也输入燃烧试验段，主空气和燃料在燃烧试验段混合燃烧后产生高温高压燃气，模拟燃气轮机运行时燃烧室真实工作环境，进行气燃料的燃烧试验，燃烧试验段的高温排气和冷却空气供应系统的冷气进入透平叶片综合冷效试验段，模拟燃气轮机透平部件实际工作环境，通过测量燃气、冷气参数和叶片外表面壁温，获得叶片冷却效果及其特性，该试验系统对燃烧试验段的高温排气进行再次利用，通过一个试验系统，同时完成两种不同的试验，提高试验效率，同时也降低试验系统的成本。
附图说明
图1为本发明燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统布置示意图；
图2为本发明主空气供应系统的结构示意图；
图3为本发明冷却空气供应系统的结构示意图。
图中：1、主空气供应系统；2、天然气供应系统；3、合成气供应系统；4、富氢/纯氢供应系统；5、生物质气供应系统；6、冷却空气供应系统；7、冷却水供应系统；8、排气系统；9、控制系统；10、数据采集系统；11、燃烧试验段；12、透平叶片综合冷效试验段；13、材料性能试验段；14、燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段；15、消防系统；16、第一主空气压气机；17、第二主空气压气机；18、主空气主流量测量调控装置；19、主空气副流量测量调控装置；20、主空气电加热器；21、第一冷却空气压气机；22、第二冷却空气压气机；23、稳压储气罐；24、冷却空气主流量测量调控装置；25、冷却空气副流量测量调控装置；26、冷却空气电加热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，包括燃料系统、主空气供应系统1、冷却空气供应系统6、冷却水供应系统7、控制系统9和数据采集系统10；
其中，燃料系统与燃烧试验段11连接，燃烧试验段11的排气端分别连接透平叶片综合冷效试验段12和材料性能试验段13，透平叶片综合冷效试验段12和材料性能试验段13的出口连接排气系统8。
主空气供应系统1分别连接燃烧试验段11和燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段14的进气端，燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段14的排气端练连接排气系统8。
冷却空气供应系统6分别连接透平叶片综合冷效试验段12和透平叶片冷却气通道试验段14的进气端，同时冷却空气供应系统6通过冷却水供应系统7与排气系统8连接，用于给冷却水供应系统7、透平叶片综合冷效试验段12和透平叶片冷却气通道试验段14提供冷源。
上述燃料系统包括天然气供应系统2、合成气供应系统3、富氢/纯氢供应系统4和生物质气供应系统5，分别用于向燃烧试验段输入不同的燃料。
控制系统9分别与燃料系统、主空气供应系统1和冷却空气供应系统6连接，用于控制燃料和气体的输出量，数据采集系统10用于采集整个试验系统的运行参数。
所述数据采集系统包括温度测试系统、压力测试系统、LXI数据采集系统和动态数据采集系统，用于测量各中试样过程中试验系统的运行参数。
所述控制系统根据试验要求控制燃料系统、主空气供应系统1和冷却空气供应系统6的工作状态，同时接受采集系统反馈的采集信息，并根据采集信息调节燃料系统、主空气供应系统1和冷却空气供应系统6的工作状态。
为了保证试验过程的安全性，燃烧试验段11、透平叶片综合冷效试验段12与材料性能试验段13连接有消防系统15。
参阅图2，主空气供应系统1包括第一主空气压气机16，第二主空气压气机17，主空气压气机的输出与主空气电加热器20连接，主空气电加热器20输出加热后的主空气，主空气压气机的管道上设置有主空气主副流量测量调控装置，大流量空气进入主流量测量调控装置18，小流量空气进入副流量测量调控装置19，采用主空气主副流量测量调控装置控制空气流量。
主空气压气机连续提供高压空气，通过主空气主、副流量测量调控装置控制空气流量，再经主空气电加热器20将空气加热到试验所需温度。
当进行燃烧试验时，高温空气输送至燃烧试验段的燃烧室内与气体燃料掺混燃烧，燃烧产生的高温燃气进入透平叶片综合冷效试验段。
当进行燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段时，电加热产生的高温空气输入燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段。
主空气供应系统采用多台主空气压气机并联的方式提供气源，可根据试验所需主空气流量的范围灵活选择主空气压气机的启动台数，满足试验所需的空气流量和压力；其次，主空气供应系统采用大功率电加热器直接加热主空气，减小试验系统复杂程度，降低投资成本。
参阅图3，冷却空气供应系统6包括第一冷却空气压气机21和第二冷却空气压气机22，冷却空气压气机与其连接的稳压储气罐23，稳压储气罐23的输出端与冷却空气电加热器26连接，稳压储气罐23的输出采用冷却空气主副流量测量调控装置控制冷却空气流量。
冷却空气压气机向稳压储气罐23提供高压空气，由冷却空气主副流量测量调控装置精确控制流量后，经冷却空气电加热器26加温至试验所需温度，通过换向阀向透平叶片综合冷效试验段的透平叶片冷却通道、燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段和冷却水供应系统提供冷却空气。
所述冷却空气供应系统与燃烧试验后的高温燃气共同进入透平综合冷效试验段，将燃气轮机燃烧试验与综合冷效试验系统有机结合在一起，充分利用了燃烧试验的高温烟气降低试验系统投资成本。试验系统满足发电型燃机燃料多元化的需求，设置多种燃料供给系统，不仅可利用天然气供应系统与合成气供应系统，开展天然气/合成气燃烧试验，也可利用富氢/纯氢和生物质气燃料供应系统，开发富氢/纯氢、生物质气等多元燃料高效低污染燃烧技术，可为燃用生物质气的微小型燃机燃烧室、透平部件试验提供试验平台。
燃烧试验系统主空气加热采用电加热器直接加热的方式，主空气供应加热管路、控制系统相对简单，主空气温度调控精度高；燃烧试验系统可以进行多燃料燃烧试验，燃料灵活性好。
在燃烧试验段的输出端连接材料性能试验段，通过输入燃烧试验段的高温气体进行热通道部件(新件/修复件)以及高温合金材料的力学性能、氧化和腐蚀试验，为热通道部件和高温合金材料的性能评估与优化提供试验数据支撑，同时也提高能源的利用率。
在主空气供应系统1和冷却空气供应系统的输出端连接燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段，进行燃料喷嘴与透平叶片流量标定试验，验证自主设计制造、以及修复后的燃料喷嘴内部复杂燃料流道与透平叶片内部复杂冷却流道的流通能力，及时发现燃料喷嘴与透平叶片内部流道的设计缺陷，降低应用风险，同时也提高试验系统的适用性，提高利用率。
下面对本发明提供的一种重型燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统的试验方法进行详细的说明。
该重型燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统能够进行如下试验：
1、采用燃烧试验段进行燃烧试验；
2、采用透平叶片综合冷效试验段进行透平综合冷效试验；
3、采用材料性能试验段进行热通道部件以及高温合金材料的力学性能、氧化和腐蚀试验；
4、采用燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段进行燃料喷嘴与透平叶片流量标定试验。
下面对各种试验的过程进行详细说明。
1、燃烧试验和透平综合冷效试验
试验开始前，利用压缩空气吹扫管道，利用氮气吹扫燃料供给管路。
启动试验系统，主空气供应系统1的压气机压缩空气，压缩后的空气经主空气电加热器加热后进入燃烧试验段9。
天然气供应系统的天然气以及合成气供应系统的合成气料经过增压机加压，再通过氮气循环换热设备预热后进入燃烧试验段9，空气、天然气和合成气在燃烧试验段内混合燃烧，形成高温高压的燃气，模拟燃气轮机运行时燃烧室真实工作环境，可开展天然气/合成气燃料相关燃烧试验。
需要说明的是，当进行不同等级燃气轮机燃烧试验时，只需更换燃烧试验段即可。
燃烧试验段出来的高温高压燃气和冷却空气供应系统6的冷气分别进入透平叶片综合冷效试验段，模拟燃气轮机透平部件实际工作环境，通过测量燃气、冷气参数和叶片外表面壁温，获得叶片冷却效果及其特性，从透平冷效试验段出来的燃气经冷却水供应系统的喷淋冷却水充分掺混降温，并经调压阀降低烟气压力后，通过消音器降噪后排入大气。
若不需进行透平综合冷效试验，燃烧试验段出来的高温高压燃气通过旁路管道直接进入排气系统，经冷却水供应系统的喷淋冷却水充分掺混降温，并经调压阀降低烟气压力后，通过消音器降噪后排入大气。
试验过程中控制系统结合数据采集系统测量并记录的空气/燃料/燃气/冷却水等介质的压力、温度、流量等参数，实现各系统、设备、试验工况的控制、调整以及试验系统的点火等。
燃烧室试验段和透平叶片综合冷效试验段同轴布置在试验台架上，并布置有消防系统，用于发生火灾时，有效灭火。
2、燃料喷嘴与透平叶片流量标定试验，同时验证设计制造以及修复后的燃料喷嘴内部复杂燃料流道与透平叶片内部复杂冷却流道的流通能力。
依据需标定燃料喷嘴与透平叶片的流量，选择试验系统的主空气供应系统或冷却空气供应系统，从上述系统压气机出来的空气不经过电加热器加热，进入燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段，采用控制系统调节冷却气入口压力至试验工况，通过冷却气管路上安装的流量计测量各冷却气管路流量，将试验结果与燃料喷嘴与透平叶片冷却通道设计值进行比较，判断燃料喷嘴与透平叶片冷却通道是否满足设计要求，试验后的冷却空气经排气系统排入大气。
3、热通道部件以及高温合金材料的力学性能、氧化和腐蚀试验。
进行热通道部件(新件/修复件)以及高温合金材料力学性能、氧化、腐蚀试验：利用燃烧试验段排出的高温燃气，模拟热通道部件及高温合金材料实际工作气氛，将其通入到材料性能试验段，进行高温燃气环境下热通道部件(新件/修复件)以及高温合金材料力学性能、氧化、腐蚀试验，试验后的高温燃气进入排气系统经冷却水供应系统的喷淋冷却水充分掺混降温，并经调压阀降低烟气压力后，通过消音器降噪后排入大气。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，包括燃料系统、主空气供应系统(1)、冷却空气供应系统(6)、控制系统(9)和数据采集系统(10)；
所述燃料系统与燃烧试验段(11)连接，燃烧试验段(11)的排气端分别连接透平叶片综合冷效试验段(12)，透平叶片综合冷效试验段(12)的出口连接排气系统(8)；主空气供应系统(1)连接燃烧试验段(11)的进气端，冷却空气供应系统(6)分别连接透平叶片综合冷效试验段(12)的进气端，冷却空气供应系统(6)与排气系统(8)连接，用于给透平叶片综合冷效试验段(12)提供冷源；
所述控制系统(9)分别与燃料系统、主空气供应系统(1)和冷却空气供应系统(6)连接，用于控制燃料和气体的输出量，数据采集系统(10)用于采集整个试验系统的运行参数并发给控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述主空气供应系统(1)包括主空气压气机，其输出端连接主空气电加热器连接，主空气电加热器的输出端连接燃烧试验段。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述主空气压气机的输出与主空气电加热器连接，主空气压气机的两路管道上设置有主空气主副流量测量调控装置，采用主空气主副流量测量调控装置控制主空气流量。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述冷却空气供应系统(6)包括冷却空气压气机，以及与其连接的稳压储气罐，稳压储气罐的输出端与冷却空气电加热器连接，冷却空气电加热器的输出端连接透平叶片综合冷效试验段(12)。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述燃烧试验段(11)的排气端还连接材料性能试验段(13)，材料性能试验段(13)的输出端连接排气系统。
6.根据权利要求1或5所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述主空气供应系统(1)和冷却空气供应系统(6)的输出端还连接燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段(14)，燃料喷嘴与透平叶片冷却气通道试验段(14)的输出端连接排气系统。
7.根据权利要求5所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述燃烧试验段(11)、透平叶片综合冷效试验段(12)与材料性能试验段(13)连接有消防系统(15)。
8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统，其特征在于，所述燃料系统包括天然气供应系统(2)、合成气供应系统(3)、富氢/纯氢供应系统(4)和生物质气供应系统(5)。
9.一种权利要求1-8任一项所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统的试验方法，其特征在于，燃烧试验和透平综合冷效试验的方法如下：
所述主空气供应系统(1)的压气机压缩空气，压缩后的空气经加热后进入燃烧试验段(9)；
燃料系统的气体燃料经加压后进入燃烧试验段(9)，空气和气体燃料在燃烧试验段内混合燃烧形成高温高压的燃气，模拟燃气轮机运行时燃烧室真实工作环境，然后进行燃烧试验；
高温高压的燃气与冷却空气供应系统(6)的冷气分别进入透平叶片综合冷效试验段，模拟燃气轮机透平部件实际工作环境，通过测量燃气、冷气参数和叶片外表面壁温，获得叶片冷却效果及其特性，透平冷效试验段出来的气体经过排气系统排入大气。
10.根据权利要求9所述的一种燃气轮机燃烧与透平综合冷效试验系统的试验方法，其特征在于，材料性能试验的方法如下：
燃烧试验段排出的高温燃气进入材料性能试验端，模拟热通道部件及高温合金材料实际工作气氛，进行高温燃气环境下热通道部件以及高温合金材料力学性能、氧化和腐蚀试验，试验后的高温燃气进入排气系统排入大气。
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