CN1789948A - 重型燃气轮机负荷试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种重型燃气轮机负荷试验方法，包括以下步骤：1.测量压气机流程参数；2.根据测得的参数，求得：增压比：

压气机空气流量：

(λ)，3.确定压气机的功率：单位功

功率

，4.确定燃气轮机的试验功率：P_燃机＝N_k/(η_变速装置·η_传输轴)，实施该方法的装置：包括起动电机、变速装置、进气蜗壳、进气消音塔及排气消音塔，在起动电机同侧的变速箱上方安装压气机进气蜗壳，在压气机进气蜗壳的排气一侧与排气管道之间安装有压气机，在压气机转轴上设有转速传感器，在压气机的进口和出口处的内壁上分别设有压力传感器和温度传感器，压气机进口处的内壁上还设有四点压力传感器，在压气机的出口处设置调节阀。本发明优点是占地面积小，结构简单，使试验的方法步骤简化。

Description

重型燃气轮机负荷试验方法及装置

技术领域

本发明属于燃气轮机负荷试验技术领域，特别涉及一种重型燃气轮机负荷试验方法及装置。

技术背景

重型燃气轮机定型投产前需要进行全速加载试车，以便进行重型燃机的调试和考核重型燃气轮机的性能，重型燃气轮机全速负荷试验的基本内容包括：(1)在规定的工作条件下的功率；(2)在规定的工作条件下的热效率、单位耗油率；(3)紧急超速断开装置；(4)恒速调节装置；(5)操纵特性(如起动特性、加载时间)；(6)振动特性(振幅和频率等)；(7)温度控制(燃气温度、润滑油温度、轴承温度等)。国外重型燃气轮机负荷试验一般采用的是加装耗电电阻或建设示范电站的方法进行负荷试验。重型燃机的额定功率一般较大，建设示范电站的方法是将试验装置的发电机组直接接入电网，会造成电网波动等不良影响，因而是不可取的。加装耗电电阻的方法是在负荷试验装置中的进气蜗壳和排气管道之间安装发电机，发电机与外界的电阻设备相连，通过加载电阻来进行重型燃机的负荷试验；由于电阻箱的散热量大，必须安装一系列的散热、通风装置。该设备需要大面积的场地安放电阻设备、散热设备，占地面积达几百亩。

发明内容

本发明为了解决上述存在的问题，提供了一种重型燃气轮机负荷试验方法及装置，用大功率压气机来代替原有试验装置中的发电机及外界的电阻设备，通过直接测量压气机的试验数据，来确定重型燃气轮机的各项性能和整机试车的技术要求。

本发明中用于负荷试验的压气机的设计选择，需满足的技术条件：1、功率匹配，因压气机用来消耗重型燃气轮机功率，因此压气机的功率必须大于重型燃气轮机的功率；2、压气机的功率可以调节，通过调整压气机出口压力的方法实现；因在试验过程中需测定重型燃气轮机的不同工作状态参数，压气机的功率应随重型燃气轮机的工作状态而改变；3、压气机的转速需确定，压气机是通过变速装置与重型燃气轮机连接，以保证其正常工作，变速装置的功率大于重型燃气轮机的功率，变速装置的转速比为压气机的转速除以重型燃气轮机的转速所得的数值；4、压气机的功率是通过间接测量得到的，测量的压气机流道的气动参数必须足够精确。

本发明重型燃气轮机负荷试验方法，包括以下步骤：

1、测量压气机的流程参数：在重型燃气轮机全转速、全负荷运转状态下，用压力传感器、温度传感器测量压气机的进口滞止温度T₁ ^*和进口滞止压力P₁ ^*、出口滞止温度T₂ ^*和出口滞止压力P₂ ^*及进口静压P₁，通过转速传感器测量压气机的转速n；

2、根据上述测得的参数，利用下列公式计算求得：

增压比： ${\mathrm{\π}}_k=p_2^{*}/p_1^{*}$

压气机空气流量： $m=K\frac{P_1^{*}}{\sqrt{T_1^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{\frac{k}{R}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}\frac{P_1^{*}}{\sqrt{T_1^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)$

式中：P₁ ^*为压气机进口滞止压力，P₂ ^*为压气机出口滞止压力，T₁ ^*为压气机进口滞止温度，T₂ ^*为压气机出口滞止温度，A为压气机进口面积，q(λ)为气动函数——根据进口滞止压力与进口静压比值(P₁ ^*/P₁)查气动函数表得出，K、R为气体常数；

3、将第(2)步中求得的压气机空气流量m，及测得的压气机进、出口滞止温度T₁ ^*、T₂ ^*带入下式，求得压气机的功率：

单位功 $L_k=\frac{k}{k-1}R(T_2^{*}-T_1^{*})$

功率 $N_k=m{L}_k\·{10}^{-4}=m\frac{k}{k-1}R(T_2^{*}-T_1^{*})$

式中：K、R为气体常数；

4、确定燃气轮机的试验功率：

P_燃机＝N_k/(η_变速装置·η_传输轴)

式中η_传输轴——压气机的传输轴效率，P_燃机——试验功率即试验条件下的净机械功率(KW)，根据修正公式将燃气轮机的试验功率和试验转速换算成标准状态下的净机械功率和转速。

本发明重型燃气轮机负荷试验的试车程序与以前的试车程序相同，主要包括：起动试车，、燃气发生器慢车，慢车全转速，燃气轮机全转速，全转速慢车，燃气发生器慢车，停车等程序。

本发明的负荷试验装置，包括起动电机、变速装置、进气蜗壳、进气消音塔及排气消音塔；起动电机通过变速装置、燃机进气蜗壳与重型燃气轮机相连，燃机进气蜗壳进气端通过管道与燃机进气消音塔连接，重型燃气轮机另一端通过燃机扩压段与燃机排气消音塔相连，在起动电机同侧的变速箱上方安装压气机进气蜗壳，压气机进气蜗壳的进气一侧通过进气管道与压气机进气消音塔相连，压气机排气消音塔与排气管道相连；压气机进气蜗壳的排气一侧与排气管道之间安装压气机，在压气机转轴上设有转速传感器，用于测量压气机的转速；在压气机的进口和出口处的内壁上分别设有压力传感器和温度传感器，用于测量压气机的进口、出口的滞止压力和滞止温度，压气机进口处的内壁上还设有四点压力传感器，用于测量压气机进口处的静压，测得的数据通过各自的仪表显示；在压气机的出口处设置调节阀，用来调节空气流量，改变出口压力，达到控制负荷变化的目的，并可以检测重型燃气轮机在各种负荷状态下的工作性能。其工作原理：由重型燃气轮机带动压气机运转进行做功，气体流经压气机，压气机对气体进行压缩做功；通过测量压气机流道的气动参数，即进口空气的滞止压力及气体在压气机中的温升，计算得到压气机的功率，从而通过计算间接得出重型燃气轮机的功率。

本发明优点是占地面积小，仅需几米长的压气机来代替电阻设备，并且不需冷却，结构简单，使试验的方法步骤简化。

附图说明

图1为本发明负荷试验装置的结构示意图，

图中1起动电机，2变速装置，3燃机进气蜗壳，4重型燃气轮机，5燃机排气消音塔，6燃机进气消音塔，7压气机进气消音塔，8压气机进气蜗壳，9压气机，10压气机排气消音塔，11燃机扩压段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详细描述本发明：

实施例1：以功率为10MW燃机(QD128)为例进行负荷试验，所选用的压气机型号为：WP6G2，功率为13MW，转速为11150rpm，传输轴的效率为0.97；变速装置为带离合的变速箱，其变速比为11150rpm/4700rpm，该变速箱的效率为0.98；其试验装置如图1所示，图中起动电机1通过变速箱2、燃机进气蜗壳3与重型燃气轮机4相连，燃机进气蜗壳3进气端通过管道与燃机进气消音塔6连接，重型燃气轮机4另一端通过燃机扩压段与燃机排气消音塔5相连，在起动电机1同侧的变速箱2上方安装压气机进气蜗壳8，压气机进气蜗壳8的进气一侧通过进气管道与压气机进气消音塔7相连，压气机排气消音塔10与排气管道相连；压气机进气蜗壳8的排气一侧与排气管道之间安装压气机9，在压气机9的转轴上设有转速传感器，用于测量压气机9的转速；在压气机9的进口、出口处均设有压力传感器和温度传感器，用于测量压气机9的进口、出口压力和温度，压气机9进口处的内壁上还设有四点压力传感器，用于测量压气机9进口处的静压；数据通过各自的仪表显示；在压气机9的出口处设置调节阀，用来调节空气流量，改变出口压力，达到控制负荷变化的目的，可以检测燃机在各种负荷状态下的工作性能。

本实施例重型燃气轮机负荷试验方法，包括以下步骤：

1、压气机流程参数测量：

在燃机转速n₂＝12000rpm、全负荷运转状态下，用压力传感器、温度传感器测量压气机的进口滞止温度T₁ ^*和进口滞止压力P₁ ^*、出口滞止温度T₂ ^*和出口滞止压力P₂ ^*及进口静压P₁，通过转速传感器测量压气机的转速n。测得结果如下：

$P_1^{*}=0.10072671\mathrm{Mpa}$ $P_2^{*}=0.3833763\mathrm{MPa}$ P₁＝0.08453013MPa

t₁ ^*、t₂ ^*为常温状态下的进口和出口滞止温度，

则绝对温度：

压气机进口截面面积：A＝0.234m²，气体常数R＝287.06J/(kg·K)，绝热系数k＝1.4；

2、根据上述测得的参数，利用下列公式计算求得：

增压比： ${\mathrm{\π}}_k=p_2^{*}/p_1^{*}=0.3833763/0.10072671=3.806$

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{k+1}{k-1}\left({1-\left(\frac{P_1}{P_1^{*}}\right)}^{\frac{k-1}{k}}\right)}=\sqrt{\frac{1.4+1}{1.4-1}\left({1-\left(\frac{0.08453013}{0.10072671}\right)}^{\frac{1.4-1}{1.4}}\right)}=0.5414$

$q\left(\mathrm{\λ}\right)={\left(\frac{k+1}{2}\right)}^{\frac{1}{k-1}}\mathrm{\λ}{(1-\frac{k-1}{k+1}{\mathrm{\λ}}^2)}^{\frac{1}{k-1}}$

$={\left(\frac{1.4+1}{2}\right)}^{\frac{1}{1.4-1}}\×0.5414\×{(1-\frac{1.4-1}{1.4+1}\×{0.5414}^2)}^{\frac{1}{1.4-1}}$

$=0.7535$

压气机空气流量：

$m=K\frac{P_1^{*}}{\sqrt{T_1^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{\frac{k}{R}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}\frac{P_1^{*}}{\sqrt{T_1^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)$

$=\sqrt{\frac{1.4}{287.06}{\left(\frac{2}{1.4+1}\right)}^{\frac{1.4+1}{1.4-1}}}\frac{0.08453013\×{10}^6}{\sqrt{296.15}}0.234*0.7535=34.99(\mathrm{kg}/s)$

式中：P₁ ^*为压气机进口滞止压力，P₂ ^*为压气机出口滞止压力，T₁ ^*为压气机进口滞止温度，T₂ ^*为压气机出口滞止温度，A为压气机进口截面面积，q(λ)为气动函数，K、R为气体常数；

3、将第(2)步中求得的压气机空气流量m，及测得的压气机进、出口滞止温度T₁ ^*、T₂ ^*带入下式，求得压气机的功率：

单位功 $L_k=\frac{k}{k-1}R(T_2^{*}-T_1^{*})$

功率 $N_k=m{L}_k{\·10}^{-4}=m\frac{k}{k-1}R(T_2^{*}-T_1^{*})=34.99\×\frac{1.4}{1.4-1}\×287.06\×(510.9-296.15)=7549494W$

$=7.55\mathrm{MW}$

式中：K、R为气体常数；

4、确定燃气轮机的试验功率：

P_燃机＝N_k/(η_变速装置·η_传输轴)＝7.55/(0.98*0.97)＝7.94MW

式中η_传输轴——压气机的传输轴效率，η_变速装置——变速箱的效率，P_燃机——试验功率即试验条件下的净机械功率(KW)，将燃气轮机的试验功率和试验转速换算成标准状态下的净机械功率和转速。根据下式进行换算得出：

式中：

P_c——换算成的标准状态下的净机械功率(KW)，

P_燃机——试验条件下的净机械功率(KW)，

δ——试验时外界绝对压力与标准状态条件下绝对压力的比值，

θ——试验时外界绝对温度与标准状态条件下绝对温度的比值。

测量结论燃机高压转子转速为12000rpm时，功率为7.88MW。

根据上述方法，可以测试燃机各状态的实际功率，如下表所示：

高压转子转速rpm	12000	12091	12212	12299	12400
						燃机功率Pc(MW)	7.9	8.8	9.5	9.7	10.1

Claims (2)

1、一种重型燃气轮机负荷试验方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、测量压气机流程参数：

在重型燃气轮机全转速、全负荷运转状态下，用压力传感器、温度传感器测量压气机的进口滞止温度T₁ ^*和进口滞止压力P₁ ^*、出口滞止温度T₂ ^*和出口滞止压力P₂ ^*及进口静压P₁，通过转速传感器测量压气机的转速n；

(2)、根据上述测得的参数，利用下列公式计算求得：

增压比： ${\mathrm{\π}}_k=p_2^{*}/p_1^{*}$

压气机空气流量： $m=K\frac{P_1^{*}}{\sqrt{T_1^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{\frac{k}{R}{\left(\frac{2}{K+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}\frac{P_1^{*}}{\sqrt{T_1^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)$

式中：式中：P₁ ^*为压气机进口滞止压力，P₂ ^*为压气机出口滞止压力，T₁ ^*为压气机进口滞止温度，T₂ ^*为压气机出口滞止温度，A为压气机进口面积，q(λ)为气动函数——根据进口滞止压力与进口静压比值(P₁ ^*/P₁)查气动函数表得出，K、R为气体常数；

(3)、将第(2)步中求得的压气机空气流量m，及测得的压气机进、出口滞止温度T₁ ^*、T₂ ^*带入下式，求得压气机的功率：

单位功 $L_k=\frac{k}{k-1}R\left(T_2^{*}{-T}_1^{*}\right)$

功率 $N_k={\mathrm{mL}}_k\·{10}^{-4}=m\frac{k}{k-1}R(T_2^{*}-T_1^{*})$

式中：K、R为气体常数；

(4)、确定燃气轮机的试验功率：

P_燃机＝N_k/(η_变速装置·η_传输轴)

式中η_传输轴——压气机的传输轴效率，η_变速装置——变速箱的效率，P_燃机——试验功率即试验条件下的净机械功率(KW)。

2、实施权利要求1所述的重型燃气轮机负荷试验方法的装置，包括起动电机、变速装置、进气蜗壳、进气消音塔及排气消音塔，起动电机通过变速装置、燃机进气蜗壳与重型燃气轮机相连，燃机进气蜗壳进气端通过管道与燃机进气消音塔连接，重型燃气轮机另一端通过扩压段与燃机排气消音塔相连，在起动电机同侧的变速箱上方安装压气机进气蜗壳，压气机进气蜗壳的进气一侧通过进气管道与压气机进气消音塔相连，压气机排气消音塔与排气管道相连，其特征在于在压气机进气蜗壳的排气一侧与排气管道之间安装有压气机，在压气机转轴上设有转速传感器，在压气机的进口和出口处的内壁上分别设有压力传感器和温度传感器，压气机进口处的内壁上还设有四点压力传感器，测得的数据通过各自的仪表显示；在压气机的出口处设置调节阀。

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