2021年燃气轮机透平叶片蒸汽冷却技术现实状况命门火衰,重型燃气轮机的叶片之殇.docx

燃气轮机透平叶片蒸汽冷却技术现实状况命门火衰,重型燃气轮机的叶片之殇

　　摘要:蒸汽的导热性能优于空气,其良好的冷却效率能够确保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,所用蒸汽必需是清洁的干蒸汽,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整。采取蒸汽冷却技术能够降低冷却、密封空气在压气机的抽取量,并能够降低NOx排放量,有利于提升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饰演着越来越主要的角色。
　　关键词:燃气轮机蒸汽冷却冷却结构
　　中图分类号:TK261文件标识码:A文章编号:1007-3973(2021)05-070-02
　　燃气轮机广泛应用于航空推进、陆用发电和多种工业用途。其设计和发展的目标是取得高性能、长寿命和最低的费用。提升热效率是设计者的首要目标。研究表明:提升燃气轮机透平进口温度是提升热效率最有效的路径之一。如日本三菱企业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℃,单机效率提升了靠近%;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出了金属材料所能承受的极限。所以,对燃气轮机透平高温部件,尤其是透平叶片必需采取冷却技术,确保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许可温度改变趋势。燃气透平进口温度平均以每十二个月20℃的速度增加,而金属耐热温度平均每十二个月增加8℃,其他的温升则得益于冷却技术的进步。
　　冷却技术的应用不但提升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愈加均匀,从而降低了叶片内部热应力,提升叶片寿命。然而,伴随燃气透平初温的提升,为了冷却高温部件,从压气机抽出的冷却空气量逐步增加,这不但消耗了压气机中的高压空气,而且冷空气在透平中和主流燃气的搀混也造成透平效率的下降,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,采取蒸汽冷却方法能够使需要的冷却剂流量大大降低,很好地填补了空气冷却的缺点。
　　1蒸汽冷却技术的工业应用
　　现在,美国、德国和日本的部分燃气轮机生产厂家,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。
　　美国GE企业的H系列燃机
　　H系列燃气轮机包含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STAG109H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,其净效率达成60%,功率输出为480MW,而以前最高的联合循环效率仅为55%左右。以MS7001H组成的GESTAG107H联合循环机组效率也达成60%,功率输出为400MW。据估算,采取燃气的联合循环在30年的使用寿命中。效率每提升1个百分点,将使成本降低约1500到2021万美元。采取H技术的联合循环将使现在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省约1亿美元,经济效益十分显著。
　　在冷却叶片设计方面:H系列燃机采取了航空技术的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