燃气轮机透平叶片蒸汽冷却技术现状
摘 要:蒸汽的导热性能优于空气,其良好的冷却效率能够保证燃气轮机透平叶片承受更高的燃气温度;蒸汽冷却属于内部冷却,所用蒸汽必须是清洁的干蒸汽,取自汽包产生的蒸汽以适于蒸汽纯度的要求,并应对高压蒸汽进行调节。采用蒸汽冷却技术可以减少冷却、密封空气在压气机的抽取量, 并可以降低NOx排放量,有利于提高燃气轮机及联合循环的热效率和功率。蒸汽冷却在新一代燃机里扮演着越来越重要的角色。
关键词:燃气轮机 蒸汽冷却 冷却结构
中图分类号:TK261 文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-070-02
燃气轮机广泛应用于航空推进、陆用发电和各种工业用途。其设计和发展的目标是获得高性能、长寿命和最低的费用。提高热效率是设计者的首要目标。研究表明:提高燃气轮机透平进口温度是提高热效率最有效的途径之一。如日本三菱公司生产的燃气轮机透平进口温度从D系列的1154℃到G系列的1500℃,单机效率提高了接近4.5%;透平进口温度为1700℃级的燃气轮机也在设计中;航空发动机涡轮进口温度更是高达1900℃左右 。显然,燃气轮机透平进口温度已经远远超过了金属材料所能承受的极限。因此,对燃气轮机透平高温部件,尤其是透平叶片必须采用冷却技术,保证叶片本身温度低于材料的许可值而安全工作。总结历年来燃气透平进口温度及材料的允许温度变化趋势。燃气透平进口温度平均以每年20℃的速度增加,而金属耐热温度平均每年增加8℃,其余的温升则得益于冷却技术的进步。
冷却技术的应用不仅提高了燃气透平进口初温和燃气轮机循环热效率,而且使叶片表面温度分布更加均匀,从而降低了叶片内部热应力,提高叶片寿命。然而,随着燃气透平初温的提高,为了冷却高温部件,从压气机抽出的冷却空气量逐渐增加,这不仅消耗了压气机中的高压空气,而且冷空气在透平中与主流燃气的搀混也导致透平效率的下降,从而影响了整个系统的效率。蒸汽的导热性能大于空气且热容较大,采用蒸汽冷却方式可以使需要的冷却剂流量大大减少,较好地弥补了空气冷却的缺点。
1蒸汽冷却技术的工业应用
目前,美国、德国和日本的一些燃气轮机生产厂家,如GE、三菱等已经将蒸汽冷却技术投入实际生产,制造出进口温度更高的燃气轮机,取得了很好的经济效益。
1.1美国GE公司的H系列燃机
H系列燃气轮机包括50Hz的MS9001H燃气轮机和60Hz的MS7001H燃气轮机。以MS9001H为基础部件组成的STAG 109H燃气-蒸汽联合循环机组将成为有史以来效率最高的联合循环发电机组,其净效率达到60%,功率输出为480MW,而此前最高的联合循环效率仅为55 %左右 。以MS7001H构成的GE STAG107H联合循环机组效率也达到60%,功率输出为400 MW。据估算,采用燃气的联合循环在30年的使用寿命中。效率每提高1个百分点,将使成本降低约1500到2000万美元。采用H技术的联合循环将使目前的电厂运行成本降低约10%,在整个使用年限中燃料费用将节约约1亿美元,经济效益十分显著 。
在冷却叶片设计方面:H系列燃机采用了航空技术的4级涡轮,要求对第1、2级喷嘴及动叶进行蒸汽冷却。其中第1级使用单晶叶片,镍基合金并带有隔热涂层;第3级喷嘴及动叶是空气冷却;第4级不进行冷却。
1.2西门子先进的大功率燃气轮机
西门子W501G机型253MW是目前60Hz功率最大、效率最高的商用燃气轮机之一。其透平的进口温度达到1420℃,在简单循环下的效率为39%,联合循环的效率为58%。第一台机组的运行小时己超过12500小时,有5台运行超过8000小时,总累计运行小时超过6. 5万小时,己积累了在商业环境下的运行经验。W501G系列机组的可靠性是98.7%,设备可用率己超过95.7%。初步统计,目前有约16台机组投入商业运行。
W501G燃气轮机在较高负载运行期间,透平采用外置的闭环蒸汽冷却器;但是在启动和部分负载运行期间,使用空气冷却器。较低负载期间的空气冷却器能力己足够,不需要依赖辅助蒸汽源。在较高的燃气轮机负载下,热交换器冷却需要的蒸汽由蒸汽循环提供,温度较低的冷却蒸汽进入各热交换器的内壁冷却回路,通过冷却壁后,被加热的蒸汽收集在排出集管内,通过导管从燃机中输出,增大联合循环的高温再热蒸汽。
使用闭环蒸汽回路冷却器,即可以减少燃气轮机的压缩空气和NOx的排放;又可以使蒸汽循环获得额外的热量,提高联合循环的性能。
1.3日本三菱公司的M701G2燃气轮机
采用蒸汽冷却的新一代燃机M701G2,其透平进气温度为1500℃,单机功率为334MW,效率为39.5%;联合循环功率为498MW,效率为59.3%,可以说,该机组目前是三菱公司最大和效率最高的燃机。
蒸汽冷却设计:对燃烧室、透平第1、2级喷嘴及动叶进行蒸汽冷却,冷却蒸汽由蒸汽发生器来提供。
1.4日本东芝的1500℃级的燃气轮机
东芝公司推出的新一代联合循环发电系统被命名为“H SystemTM”,是当今世界上最大的单轴联合循环发电系统。它采用串联配置的燃气轮机和汽轮机驱动发电机,燃气初温达到1500℃,同时采用了蒸汽冷却方式,使热效率达到了60%以上,在各类型发电系统中首屈一指。由于其燃气初温和热效率均达到了当今世界的最高水平,与以往的燃气联合循环发电系统相比,不仅实现了低成本发电的要求,同时还具备非常良好的环保性能。以往的燃气-蒸汽联合循环发电系统对高温部大多采用空气冷却方式,而本系统采用的是封闭式循环蒸汽冷却方式,这一方式可以提高燃机动叶入口处的温度,从而提高了发电效率。另外,由于采用了联合循环方式,可以利用燃气轮机排放的热能产生蒸汽为汽轮机提供动力,这样又使整个系统的热效率有了进一步的提高。
该燃气轮机透平有三级,除最后1级动叶外均进行冷却。第1级静叶大部分采用高压蒸汽冷却,只在叶片头部附加少量的空气气膜冷却。
2 燃气轮机的蒸汽冷却系统
燃气轮机的蒸汽冷却系统一般分为为两类:开式冷却系统和闭式冷却系统。系统主要包括:燃气轮机、压缩机、蒸汽轮机、冷凝器和回热式蒸汽发生器(HRSG)。
燃气轮机透平冷却需要的空气由压缩机来提供,冷却所需适当压力的蒸汽则由HRSG来提供。从压缩机中流出的空气以透平各级所需压力进入相应部件,HRSG可以产生三种不同压力和温度的蒸汽,在双压和单压回热式蒸汽发生器中,分别产生两种不同压力和单一压力的蒸汽。HRSG中产生的蒸汽经过节流阀,可以满足开式冷却循环燃机各级的压力要求。闭式冷却循环所需蒸汽从高压汽轮机中引出,冷却后被送回再热器,闭式冷却循环所需冷却水从冷凝器出口引入。
J. P.Yadav和Onkar Singh对开式和闭式冷却循环系统进行了系统研究,并对循环压比12-18和涡轮进气温度为1400-1800k的工况进行了计算并得出以下结论:
(1)在可供选择的循环压比和进口温度下,要获得最大循环效率需要在HRSG产生三种不同的蒸汽压力,并同时采用空气和蒸汽作冷却介质。
(2)在开式冷却系统联合循环中,用三种压力的蒸汽做冷却气体与单一压力蒸汽作冷却气体相比,最大可高出4.88%的循环输出功和8.56%的循环效率。
3静叶的冷却
燃气轮机透平静叶的冷却一般采用空气/蒸汽双工质冷却方式。蒸汽冷却都是在内部通过蛇形管道进行冷却。
静叶需要冷却的壁面有吸力面、压力面、头部、外端壁及内端壁面等。作为冷却方案需要考虑的因素主要有:闭路方案的实现方式,冷却蒸汽的流动方向,蒸汽和燃气间的压差,热应力等。在流向组织上,因为吸力面上燃气的热交换系数相对较高,需要较低的冷却温度,冷却蒸汽首先沿叶片吸力面由叶片顶部流向根部。蒸汽在叶片根部汇聚流过内端面壁面后再由内向外流过叶片压力面以及叶片的头部和尾缘,最后在顶部汇聚。接着这些蒸汽在冷却外端面后进入回收管,构成闭路结构。
尽管蒸汽冷却性能优越,但由于沿叶片有较高的温度梯度,会导致较高的热应力分布,尤其要注意的是在头部附近的吸力面处。一般有两种解决方案:一种是向静叶外表面喷射冷却空气构成气膜冷却,降低静叶表面附近的高温燃气温度;另一种是在叶片表面添加热障涂层(TBC ),由于热障涂层热导率较低,静叶中的温度梯度也相应降低。考虑到长期可靠性因素,该方案采用气膜冷却,并被实验证明是可行的。但是,流量要尽可能的小以使燃气温度降低最小。
4动叶的冷却
燃气轮机透平动叶冷却结构,其内部布置有蛇形通道,采用蒸汽作为冷却气体。冷却蒸汽由叶根流入,依次通过蛇形通道进行冷却,最后从叶根流出。在前缘区采用气膜冷却,主要是为了防止温差过大,产生热应力分布。
5 结论
(1)为了更好的利用资源、保护环境,发展高效低污染的电力工业已成为当务之急,为此必须大力发展燃气轮机技术。进一步提高燃气轮机性能的主要手段是提高燃机透平进口温度,而叶片冷却技术是关键。
(2)由于空气冷却需要消耗很大部分功率,且空气的比热小,载热性能差,要大幅提高燃机功率,就必须采用冷却性能更好的蒸汽,尤其是在燃气—蒸汽联合循环中,其足够的蒸汽源为蒸汽冷却的实际应用提供了必要的条件。
(3)国外一些厂家已经将蒸汽冷却的燃气轮机投入运行,使燃机性能得到很大的改善:进口温度将近1500℃,单循环效率达到40%,联合循环效率更是达到60%。但是因为国外的技术封锁,我们只能发展自己的燃气轮机蒸汽冷却技术。
(基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB707701))
注释:
Han JC, et al. Gas turbine heat transfer and cooling technology[M]. New York:Taylor&Francis, 2000.
Valenti.Breaking the themal effiency barrier. Me-chanical Engineering,Ju1.1995,117.
New一generation gas turbines announced by GE Power Systems,Gas Turbine WorId,June 1995 ,P. 36.
Anonymous. M701G2 prepares for start up. Modern Power stems; Nov 2006.