第三章燃气轮机2.docx

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第三章燃气轮机2

10．进气与排气系统

燃气轮机的性能与可靠性，跟进入机组的空气质量和清洁度有关，进气系统就是对进入机组的空气进行处理，滤掉固体颗粒和污染物，以提高机组的性能和运行的安全可靠性。

进气与排气系统的示意图如图3-35所示。

进气系统主要由进气过滤器室、进气压差控制箱、进气管道、进气消音器及各有关的指示仪表和控制仪表组成。

对不同的机组来说，进气过滤器室的变化也是较大的，在早期生产的燃气轮机上，如MS5001燃气轮机，其过滤器室里由棉絮状的过滤材料组成过滤系统；而在近期生产的一些燃气轮机上，如MS9001E燃气轮机，其进气过滤器室里由棉絮状的过滤材料组成粗滤，再由垂直或水平安装的一些灯笼式过滤器筒构成精滤，由粗滤和精滤两部分组成进气过滤系统。

这些灯笼式的过滤器筒具有自清洗能力，配备有自清洗系统。

根据进气系统压差控制箱的压差，自动地由压气机的某级后的抽气或排气引入一股高压空气对过滤器筒分别进行反向清吹，以清除掉过滤网筒外表面上的积垢，恢复过滤器筒的性能，这种过滤系统称为自清洗式过滤系统。

在多数过滤器室里安装有爆破门，以防止过滤系统因积垢过分严重导致进气量过少而引起压气机喘振。

空气经过滤后进入进气管道，再经进气消音器降低进气噪音后进人压气机的进气缸，然后依次经过压气机的逐级增压，最后进入燃烧室。

排气系统主要由排气消音器、排气烟囱或排气烟道和一些有关的控制仪表组成。

对于简单循环的燃气轮机来说，采用向上排气，排气烟囱就垂直地安装在排气室的顶部，而排气消音器就安装在排气烟囱里。

透平的排气从排气室里向上经排气烟囱排人大气。

对于联合循环的燃气轮机来说，透平的排气要进入余热锅炉，所以无论是卧式还是立式余热锅炉，透平的排气都是从排气室里经一水平烟道引入余热锅炉。

在机组起动或作简单循环运行时，排气经水平烟道和安装在水平烟道里的排气消音器后从垂直安装的旁通烟囱排人大气；在联合循环运行时，旁道烟囱关闭，透平排气经水平烟道和排气消音器后进入余热锅炉，最后从主烟囱排人大气。

在最近生产的供联合循环的燃气轮机上，排气消音器安装在旁通烟囱里，这样既可降低简单循环时排气的噪音，也可以降低联合循环时透平排气的压降，增加燃气轮机的作功能力，因为余热锅

炉就可以起到降低排气噪音的作用。

在某些联合循环电站里由于种种原因而取消了旁通烟囱，这样，机组在作简单循环运行时，余热锅炉也必须投入运行，所产生的蒸汽经减压、减温后旁通到汽轮机的冷凝器里，如果余热锅炉因故障而无法投入运行，则燃气轮机也必须停止运行。

11．通风和加热系统

燃气轮机的辅机间和透平（轮机）间的四壁和顶盖是由隔热材料板装配而成的。

在两个舱室的前壁上安装有加热器及温控元件，以便控制这两个舱室的温度并维持其设计温度。

在冬季，特别是高寒地区，起动前，这两个舱室的温度达不到设计值，为此就要打开加热器进行加热，待两舱室的温度达到设计值时，才可以起动机组。

其系统图如图3-36所示。

在机组正常运行时，辅机间、透平间、负荷齿轮箱（或负荷联轴器）间的温度又远远地超过设计值，为此，在辅机间和透平间的左右侧面上开有进气孔，在上述各舱室的顶盖上安装有由交流电动机带动的、排气用的离心风机及有关的控制仪表。

在机组运行过程中，侧壁的进气孔打开，顶部的排气风机也投入运行。

机组外的空气由进气孔进入舱室，由顶部的排气风机排出，形成空气流动，不断的将上述各舱室的热气排出，以降低其温度。

侧壁上的进气孔的挡板是由二氧化碳（CO2）控制的，顶部排气风机的出口挡风板是由重力控制的，当发生火灾时，在CO2气体的作用下，侧壁的进气孔被挡板关闭，顶部排气风机的出口挡板也在排气风机停运后自动的关闭，避免用来灭火的CO2气体大量流失，维持一定的CO2气体的浓度，达到灭火的目的。

12．二氧化碳（CO2）灭火系统

图3-37所示就是二氧化碳（CO2）灭火系统图。

主要由布置在辅机间、透平间、排气室的2#（或3#）轴承处及负荷齿轮箱（或负荷联轴器）间的若干个火警探测器、二氧化碳（CO2）储存器、初放阀、续放阀、CO2喷头、管道及控制元件等组成。

如果在上述安装有火警探测器的各舱室里发生火灾，热敏式火警探测器的触点就闭合，从而使电路接通并打开电磁阀45CR，使CO2储存器的初放阀和续放阀打开，储存器里的CO2气体就通过管道和喷头喷放到各舱室，同时各舱室侧壁上的进气孔和顶部排气风机的排气口均关闭，在各舱室迅速建立起达到灭火要求的CO2气体的浓度，并在续放阀的不断排放下，维持CO2的浓度，以达到灭火的目的。

CO2储存器，在MS5001和MS6001B型燃气轮机上，是若干个CO2储气瓶；而在MS9001E型燃气轮机上，是安装在机组前端一侧的储气罐，并有制冷设备以维持储气罐处于较低的温度。

13．冷却水系统

冷却水系统的作用是向滑油冷却器、燃油泵冷却器、雾化空气预冷器、发电机的气体冷却器、透平的支撑腿和火焰探测器的安装座散热器提供冷却水进行冷却。

其系统图见图3-38、图3-39和图3-40。

冷却水系统主要由冷却水泵、冷却水的冷却器、温度调节阀、温度传感器、温度指示器、压力指示器、管道及各种尺寸的流量孔板等组成。

从冷却水泵加压后出来的冷却水分别进入上述各个需要冷却的设备进行冷却，由温度传感器控制温度调节阀，以控制进入滑油冷却器和雾化空气预冷器的冷却水量；由流量孔板控制进入其他各个需要冷却的设备的冷却水量。

14．压气机和透平的水清洗系统

在机组运行期间，尽管压气机有进气过滤系统，但仍会有少量细小颗粒的污染物进入压气机而集结在压气机的动、静叶片上，形成积垢而使压气机的性能降低；对透平来说，由于高温、高压燃气中所含有的各种污染物更多，更容易在透平的动、静叶片上形成积垢而造成透平性能的降低。

特别是烧重油或原油的机组，尽管燃油在进入机组之前进行了处理，但燃油中所含杂质仍远高于轻油，所以烧重油或原油的透平叶片的积垢速度更快，透平性能的降低也就更快和更严重。

无论是压气机性能的降低，还是透平性能的降低，都会造成燃气轮机性能的降低，使燃气轮机的出力降低且热耗率上升，从而使电厂运行的经济性降低。

为此，需要对压气机和透平进行水清洗，以恢复燃气轮机的性能。

对于空气质量良好，烧天然气或轻油的机组，为了减少机组离线水清洗因停机而造成的损失，可为压气机配备在线清洗装置。

在机组运行时，可在降低机组负荷的情况下，利用配有清洗剂的清洗水，在高压空气的作用下，将清洗水雾化并喷人压气机进行清洗，以恢复压气机的性能。

对于烧重油或原油的机组，不论空气质量如何，必须配备离线水清洗装置。

图3-41就是压气机和透平的水清洗系统图，在该图上标出了清洗水的人口和清洗后污水的排水口。

图3-42是水清洗设备的系统图。

由于重油或原油燃烧所产生的热燃气中含有很多易于形成积垢的杂质，所以燃气轮机的热通道部分很容易形成严重的积垢，大大降低了透平的性能，所以对于烧重油或原油的燃气轮机来说，通常连续运行两周或三周就要对机组进行一次离线水清洗。

由于透平要进行离线水清洗，所以也就同时对压气机进行水清洗。

离线水清洗在正常停机期间进行。

在水清洗开始之前，透平叶片的温度必须降低到足够的程度，清洗水与轮间温度的温差不得大于120OF（66．7℃），最大的轮间温度不能高于300OF（148．9℃），以防止对透平热通道的零部件造成热冲击。

为此，可通过加热清洗水和冷拖机组来达到。

如果机组运行期间，排气温度的分散度超过了8．3℃～16．6℃，应在水清洗前检查排气热电偶。

如果热电偶上覆盖了灰尘，应予以清除；否则，应考虑予以更换，将拆下的热电偶重新进行校核，以查出造成排气温度分散度过大的原因。

水清洗前，将各有关阀门置于正确的位置，在机组冷拖的状态下将配有清洗剂的水和清水，通过各有关的进水阀送人压气机和透平，在进水至一定程度后停止进水，低速拖动一段时间后停机浸泡一段时间，然后打开各排水口，在低速拖动下排出清洗水，最后再用不含清洗剂的清洁水进行一次漂洗，以清除清洗剂中的残余成份对所清洗零部件的危害，至此，水清洗工作就完成了。

除了上述的各主要辅助系统之外，对于烧天然气的机组而言，在机组底盘之外还必须配备天然气的处理和加热装置，对进入机组的天然气进行处理和加热，除去天然气中所含的各种杂质和加热到天然气的露点温度以上。

对于所供天然气压力较低的，还要配备天然气增压机，将天然气的压力提高到机组所要求的天然气进气压力。

对于烧重油或原油的机组，还必须配备油处理设备和机组底盘下的燃油选择和切换模块。

油处理设备本身就是一个体积庞大且结构复杂的设备。

离心式油处理设备主要包括有加药剂装置、混合装置和离心分离装置等，处理完成的油要经过检验装置，以确定所处理过的油是否达到了要求，达到了要求的油送到已处理油罐，没有达到要求的油，重新回到油处理设备的人口处，再次进行处理，直到合格后，才可以送到已处理油罐中。

另外，还有静电式油处理设备，由于国内用的极少，在此就不介绍了。

油处理设备的作用是除去重油或原油中所含的水份、钾（K）、钠（Na）及其他的固体颗粒。

机组底盘下的燃油选择和切换模块，一方面是对所燃烧的重油或原油进行过滤、加热和加入抑钒（V）剂，进一步降低重油或原油的粘度和油中的杂质，有利于油的雾化及降低金属钒（V）对透平叶片的腐蚀作用。

另外，烧重油或原油的机组，在起动和停机时是烧轻油运行的，只有在正常运行时才烧重油或原油。

当机组起动后并带负荷到一定程度（约20%的额定负荷）时，才由烧轻油缓慢地切换到烧重油或原油，至此，机组的起动过程就全部完成并转人正常运行；在机组正常停机时，停机前约30min，由烧重油或原油再缓慢地切换到烧轻油运行，将燃油管道里的重油或原油彻底冲洗干净，防止停机期间燃油管道里因滞留有重油或原油而凝结堵塞，以免防碍下次起动。

如果是紧急（事故）停机，来不及切换，则利用紧急停机的排油系统尽可能地将燃油管道里的重油或原油排放干净，以利于下次起动。

此外，对于每一台燃气轮机，还必须有一个马达控制中心和一个控制系统。

马达控制中心为起动和运行中燃气轮机的各交流和直流电动机及电加热器提供电源并进行控制。

控制系统是燃气轮机起动和运行过程中的指挥和控制中心，是燃气轮机的中枢神经系统。

对CE系列的燃气轮机来说，从早期的MKⅡ到目前的MKV和MKⅥ都使用过，是机组起动和正常运行所必不可少的控制和保护设备。

MKV和MKⅥ是GE系列的燃气轮机应用很普遍的控制系统，它本身就是很复杂的系统，在此就不介绍了。

第三节燃气轮机发电装置运行

通常，燃气轮机在高温、高转速下运行，而且运行工况常常变化很快，热冲击等问题严重。

为了保证机组能够长期安全运行，并获得最长的运行寿命与可用率以及最低的维修费用，对机组运行与维护都有严格的要求，如不超温、不超速、不喘振、不超振，还有定期检查与维修等。

虽然，现代的燃气轮机控制保护已全盘自动化，这有效地提高了机组运行的可靠性和简化了机组的操作。

但更为重要的是，运行人员必须经过严格的培训，熟悉机组的结构与系统、设备的工作原理与特性以及运行和维护的要求，并认真执行操作规程。

一般，燃气轮机运行涉及机组启动与停机、加载与减载、操作与故障处理以及维护等问题，本节侧重介绍简单循环燃气轮机发电装置和不补燃余热锅炉型联合循环发电装置的启动、运行与维护。

一、燃气轮机的启动

启动过程是指使燃气轮机及其所驱动的设备，从准备启动状态到准备加载状况的动作过程。

在机组启动之前，需要有一系列准备工作，并要求各种辅助设备预先处于正常工作状态。

燃气轮机的启动需要靠外部的动力源实现，根据机组功率的大小和用途的不同，燃气轮机可配备不同的启动设备，通常启动机的功率大约是主机功率的2％～5％。

从启动时间角度看，有正常启动和快速启动两种方式；从机组状态看，则有冷态启动与热态启动之分。

本节重点介绍简单循环燃气轮机发电装置和不补燃余热锅炉型联合循环发电装置的启动过程。

这两种发电装置中，燃气轮机从零转速到全速空载的启动过程是一样的，不同的是后者还牵涉到余热锅炉和汽轮机的启动，在从全速空载到满载的加载过程中，后者必须充分考虑余热锅炉和汽轮机的启动、暖机的需要。

1．启动过程

燃气轮机在静止状态时，机内通道中无气体流动，无法向燃烧室加入燃料燃烧，不能产生有效功，只有依靠外界动力（启动机）才能带动燃气轮机转子旋转加速，使机组启动起来。

启动设备的作用是在燃气轮机启动的初始阶段带动机组旋转，机组点火后拖动机组加速，直至机组达到自持转速。

一般，启动过程可分为三个阶段：

（1）冷态加速阶段。

在这个阶段中，由启动机带动燃气轮机冷加速，直到允许向燃烧室中喷人燃料的点火转速为止。

这时所需要的能量主要是用来加速机组的转子，并克服轴承的摩擦功。

通常，单轴机组的点火转速大约等于额定转速的15％～20％。

（2）热态加速阶段。

即从燃烧室开始喷人燃料并点火燃烧的瞬间起，一直到启动机把机组转子增速到脱扣转速时为止。

通常，单轴燃气轮机的脱扣转速大约为额定转速的45％～60％。

当机组达到脱扣转速时，就可不再需要启动机的帮助而使转子继续加速上去，透平发出的功率将大于压气机耗功（包括机组携带的辅助设备耗功与轴承耗功在内），即还有剩余功率，因此允许启动机脱扣和停止工作。

在这个阶段中，机组从冷态被逐渐加热到一定程度，因而又被称为暖机阶段。

第二阶段的持续时间控制是根据机组结构形式而确定，以避免在机体中产生过大的热应力。

（3）发动机自升速阶段。

从启动机脱开开始，直到燃气轮机自己加速到准备加载工况转速为止。

在这个阶段中，启动机已脱扣退出工作，机组将全靠燃气透平发出的剩余功率来使转子继续升速。

在这个阶段机组将进一步加热，为了避免发生过大的热应力，应对持续时间进行必要的控制。

对于最常用的驱动恒速负荷单轴燃气轮机来说，其启动过程的终了是额定转速（no）；而对于带动变速负载，到达空载（慢车）转速时就完成启动过程，而且它们的相关特征转速要相对低一些，如点火转速为（10％~20％）no，脱扣转速为（40％~60％）no。

通常，希望机组的启动时间尽可能短些。

对于轻型结构的燃气轮机来说，启动时间可以做到很短，如航空型发动机在不到lmin内就能启动并加载完毕。

但是，对于固定式燃气轮机来说，气缸壁一般比较厚，转子尺寸大，需要较长的加热时间，否则机体的不均匀温度场会引起很大的热应力。

因此重型机组启动时间比较长，一般为10min以上；在紧急情况下，有些机组允许在3～5min内启动完毕，但这会影响到机组的使用寿命。

鉴于机组的功率和用途不同，燃气轮机可以采用直流电动机、交流电动机、内燃机、汽轮机以及高压空气作为启动动力源，协助机组完成上述的启动过程。

对于燃气轮机发电装置，中小型机组大多配备交流电动机或柴油机及与它们相配合的变扭器作为启动设备，大型机组（功率等级150MW及以上）则以自身的同步发电机作为启动设备，启动时发电机接受外部电源作电动机运行，其转速则通过变频装置控制，即所谓变频启动。

对于燃气轮机和汽轮机共轴的联合循环发电装置，如果有合适的外部蒸汽源，也可以用汽轮机作为启动设备。

下面介绍两个燃气轮机的启动实例：

（1）某2万kW机组的启动过程。

机组的额定功率是2万kW，额定转速为5100r／min，它用一台441kW、2300r／min的柴油机来启动。

先通过液力变扭器的作用把机组的转子带到点火转速900~1000r／min，投入点火嘴点火，然后开始向燃烧室中喷油点火燃烧。

为保证可靠点火，点火嘴的工作时间持续35s；为了保证雾化良好、点火可靠，点火时喷油量是较多的，火焰一旦建立后，机组的自动控制系统就能把喷油量减少到暖机值，以避免在机体中产生过大的热应力。

经过1min的暖机之后（暖机时启动柴油机仍带动机组工作），自动控制系统就会按照规定的规律，向燃烧室增喷燃料量，即从暖机值提高到加速限制值，这时机组转速将迅速上升。

在加速过程中，有两个限制是必须注意的，透平燃气初温的增加速度不能超过2.8℃／s（快速启动时可允许达到8.3℃／s）和转子的加速度不能超过每秒51r／min（快速启动时为每秒102r／min）。

当到达自持转速时，透平出功与压气机耗功和摩擦等机械耗功相等，启动机还不能脱扣；只当转子升速到脱扣转速（60％n。

）时，启动柴油机将自动脱扣（并空转4min后停止运行）；此后机组靠自身加速，一直达到（95％-96％）n。

的转速，进入了调速器控制阶段（在这之前机组由启动程序系统来控制启动过程），由转速调节系统控制转速稳定在n。

，以便并网发电。

该机组整个启动过程的时间为4min6s，快速启动时间为2min48s。

图3-43中给出了这台2万kW发电机组在启动过程中，转速n、透平排气温度t4以及调节系统的电压信号VCE随时间τ的变化关系。

从图11-1看出，启动过程中的一个特点是燃气温度在点火后不久出现峰值。

图11-1中排气温度t4的变化要比t3平缓，原因是燃烧室点火前，透平中热部件是“凉”的，点火后t3突然升高时要吸热，使t4温升变慢。

该机组启动时压气机采用放气，否则转速低于一定值后启动过程线就会掉人压气机喘振区，机组无法启动。

启动过程中的一个关键参数是t3，它在点火后突增量大，它突增得越多时启动越快，但这时不仅机组容易喘振，更重要的是热部件的瞬时热应力大，热冲击现象严重，对机组寿命有影响。

因此，在启动过程中一般都要限制t3的值，对于重型燃气轮机，常是使启动过程中最高的t3比t3o低200～300℃以上。

该值还可由控制系统自动控制，随大气温度的高低而变，大气温度低时限制值降低，大气温度高时限制值升高。

一般，由于直接测量t3比较困难，机组多测量与控制排气温度t4，再把对t3的限制换算为对t4的限制。

（2）某台燃用天然气的电站燃气轮机的启动过程。

与燃油机组的主要不同点在于，点火前必须由启动机带动机组旋转清吹数分钟，以便吹走燃烧室和透平中可能积有的天然气，避免点火时发生爆炸而损坏机组。

该机组的点火转速为0.15no，清吹转速约0.27no，故清吹结束时要将转速降下来后再点火。

该机组在启动5min后才点火，点燃后燃料量降下来保持暖机值后再增加。

点火5min后机组达到额定转速no，整个启动时间约为10min。

启动过程调节压气机可调进口导叶，在折合转速达到额定值的85％时开始开大，折合转速至91．5％时开至最大。

有时，许多制造厂商还把燃气轮机的启动过程扩大到加载至预定的负荷，即增加一个第四加载阶段。

如果在启动前没有选择负荷点，机组在并网后将按设定的程序，或全速空转，或自动加载到旋转备用负荷，这是一个继续加载的起点负荷，其数值约为额定负荷的10％。

如果在启动前选择某一负荷点（如基本负荷），并选择自动方式，机组将以设定的加载率自动加载到该负荷点。

燃气轮机的启动时间因不同的机组功率、负载和结构型式而异，对于大中型发电机组，启动时间（包括加载）约为10~22min。

联合循环发电装置的启动过程也可认为扩大为四个阶段，前三个阶段为燃气轮机从静止启动至满转速及并网的独立过程，基本与余热锅炉和汽轮机无关。

当然，如果是单轴的联合循环发电装置，即燃气轮机与汽轮机共轴，为防止汽轮机因摩擦鼓风而发热，必须在向燃气轮机喷人燃料点火的同时，向汽轮机注入一定数量的冷却用蒸汽。

联合循环装置从全速空载到满载的加载过程更为复杂，必须充分考虑余热锅炉和汽轮机加载的需要，按一定的程序控制整个加载过程，因此其总的启动过程要比前者慢得多。