MS6000B型燃气轮机效率分析及提高措施

计划中的重要的一步是“高效燃气轮机的研究开发”，日本政府拨款260亿日元资助这一项目。美国国防部和能源部一直在实施提高综合性能涡轮发动机计划（IHPTET） ，为期15年，总投资45亿美元。美国能源部从1991年开始为期10年的先进透平系统（ATS） 计划，总投资7亿美元，其目标是使大型燃气——蒸汽联合循环装置效率达到60%以上。在此期间GE公司成功推出了S109H联合循环发电机组，热效率达到60%;目前美国又在实施21世纪前景发展计划“Vision”，它以发展能源的综合利用技术为主，进一步提高效率，包括开发适应多元化燃料的整体煤气化燃气——蒸汽联合循环技术。

2、燃气轮机效率的分析

燃气轮机的热效率与热力循环的形式有很大关系。燃气轮机的热力循环形式很多，例如回热循环，冷却回热循环，再热循环以及各种各样的联合循环。热力循环的方式不同，热能向机械能转换的效果也不同。这些不同形式的热循环都是在简单循环的基础上发展来的，简单循环也是现在运行的燃气轮机中最常见的循环形式。根据前期的研究分析，燃气轮机效率随压比的升高而升高。

实际热循环总存在一定的耗散效应，使循环效率降低。这些因素主要有：压气机和涡轮的效率，进气口、出气口和燃烧室的压降，抽气冷却高温部件造成的流量损失，燃烧室的燃烧效率，机械损失。这些因素连同压比、温比最终决定了燃气轮机的热效率。

综合考虑以上各种因素推导出实际简单循环的热效率公式为：

式中：

——循环温比，;——压气机压比，;f——油气比;——抽气系数，冷却空气量占压缩空气量的比例;

=;;k1——与冷却气在压气机中的抽气位置有关的抽气因子;k2——与冷却气进入涡轮的位置有关的修正因子;——涡轮的效率;——压气机效率;——机械效率;——燃烧效率;——燃气轮机的压力保持系数。

根据公式，我们可以得出，影响燃气轮机的效率因素有：燃气轮机压缩机压比系数，一般根据压气机级数和压气机叶片形状，压气机动静叶配合情况，叶片磨损程度有关。燃机的压力保持系数，和压气机缸体处密封效果有关。温比——涡轮进口温度（压气机排气温度）一般在1000℃以上，最高达到1500℃，故温比一般在4～6。通过分析，我们得知在其他条件不变的情况时，温比越高，燃气轮机的效率越高;同一温比下，存在一压比使得效率达到最高，且该压比随温比的升高而升高，所以提高温比同时提高压比是提高燃气轮机效率的有效措施。

3、提升燃机效率措施

3.1 更换燃机涡轮叶片，提高涡轮效率。

根据效率分析研究表明，燃氣轮机的效率随涡轮效率的提升而提高，但是涡轮的效率队燃气轮机的效率影响更为明显。我们知道，涡轮是由3级喷嘴和3级叶片组成，通过更换燃机涡轮叶片，可以有效地提高燃机效率。

新型叶片采用新型冷却通道布置，将冷却孔的数目由原来的13个增加到了16个，并且做了合理布置。这样既能减少叶片的重量，降低燃机运行时涡轮机的能耗，提高涡轮的效率，新增冷却孔能强化动叶冷却能力，减少燃机涡轮叶片由于热形变而产生的叶片变形，从而保证燃机效率。

3.2 改善燃机密封形式，减少燃机漏气量。

燃机漏气量（抽气率）是影响燃机效率另一主要参数，燃机泄漏量（抽气率）升高时，燃机效率下降，当燃机泄漏量（抽气率）达到大约40%左右，燃气轮机效率为零，涡轮做工全部消耗在压缩空气上，燃机净输出功为0。

为了减少燃机的工质泄露，我们采用“刷式密封”代替原有的“梳齿式密封”，如图1、图2所示。

 图1 梳齿式密封示意图   图2 刷式密封示意图

   “刷式密封”结构能够通过和燃气轮机主轴接触，控制密封和主轴的间隙，能够有效的降低燃机工质的泄露量，减少燃机热耗，提高燃机做功工质数量，增加燃机做功能力。

在叶片和护环处采用可磨损蜂窝式密封结构。

         图3可磨损蜂窝式密封结构

如图3所示，可磨损蜂窝式密封结构允许动叶和护环间的碰撞，从而可以把动叶护环间隙做的很小，在变工况发生动静碰撞时叶冠上的刀型齿可以切入蜂窝材料形成类似“迷宫式气封”配合。因此这种护环在机组变工况和稳定工况情况都能保证良好的气封效果，减少叶端和护环间的气流泄漏，从而增加机组出力和降低热耗。

4、提升效率的试验对比。

为了验证对于6B燃气轮机效率提升的研究，我们特意对一台八十年代的PG6531B型燃机作对比试验。试验结果如下：

项目实施前测量试验机组发电有功功率为36.05MW，实施后该燃机发电有功功率为37.93MW，燃机出力提高5.21%，超过燃机出厂时的额定出力（该燃机出厂额定出力为37.4MW），实际上已经超出PG6531B型燃机性能。

项目实施前测量试验机组发电效率为32.3%，实施后该燃机发电效率提升到33.4%，燃机发电效率提升3.41%;燃机热耗降低1.1%，降低了燃机发电运行成本。

结论

（1） 对影响燃气轮机效率的因素分析指出：燃气轮机的热效率受燃气轮机的压比、温比、压气机涡轮的效率以及热力循环的形式影响很大，同时燃气轮机的压力保持系数也对燃气轮机效率产生影响，提高燃气轮机效率就是要综合控制这些因素，最大程度地改善燃气轮机的性能。

（2） 对于MS6000B型燃气轮机机组，通过实际测量表明提高燃气轮机效率的措施可以使用先进冷却技术和耐高温材料来提高涡轮进口温度，采用先进的设计技术和加工技术来提高涡轮和压气机的气动性能，提高燃气轮机的效率。

（3） 未来进一步提高地面燃机效率的措施仍然是进一步发展新型高效联合循环;采用蒸汽冷却等先进的冷却技术，开发耐高温材料，提高温比;开展燃机通流部分设计的研究，发展精密加工技术，提高压气机涡轮的效率。

（4） 近10几年燃气轮机技术的迅速发展从一个侧面表明了现代世界能源利用的一个趋势;大力发展高效、清洁能源利用方式。我国在这方面也应加大科研投入，发展独立自主的燃气轮机技术。

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