pfbc燃氣透平的損害與防護

1、‘7 √包 好 ， t 掀 譬，P F B C燃氣透平的損害與防護 自強 黃 東 宇南 京 燃 氣 輪 機 研 究 所 了 k8前 言 直 接燃 煤燃氣輪機技術發(fā)展面臨 的最關鍵 問題 ．是燃氣 中的雜質顆粒對透平 的 損 害． 隨著 技術的不 斷進步 ．現(xiàn)代燃氣 輪機 的透平初溫 已提高 到 9 0 0 ℃- I 1 5 0 ℃．透平 中 的氣流速度 也達 到 2 5 0 ～6 0 0 m／s ．在如此高 的溫度和氣 讖速度 下．燃

2、煤燃 氣透平 的損 害 就顯得 更為嚴重．有針對性 的進行透平設計 旨在保持較好效率的 同時 ，還要有 較好 的耐 損 害能力 ．當然。為減輕透平 的損害還可以借助于更先進的煤處理技術 、煤燃燒技術 ，以及 高溫 燃氣 除塵技術等來解決．這里將主要分析燃煤燃氣對遺平 的損 害機理 ．進 而討論 控翩 透平 損害的氣動和熱力設計等 方面 的有關途徑 ．一、 遺平的損害 在 高速和高溫的燃煤燃 氣 沖擊下．透平的損害包括磨蝕、腐蝕和沉積三種

3、過程 ．換 言 之，透平的損害是磨蝕 、腐蝕和沉積 的復合作用結果 ．磨蝕 、腐蝕 和沉積三種過程在透平損害 中，有時 以其 中某一或兩種損害 出現(xiàn) ，有 時以 它們 的復合 作用表 現(xiàn)出來．這些都取決于燃氣 中的粒子與 葉片表面的接觸作用， 即受粒子 運 動規(guī) 律和葉片表面狀況而決定 的．粒 子在 葉片表 面作 用 的形 式主要有 ：慣性撞 擊、湍流 渦旋散布、 布朗散布和熱遷 移．慣性撞擊 是指流動轉向時．粒子因為慣性而偏離氣流流縵

4、撞擊葉片的過程．它是 由較大粒 子 ( 大于 l)撞擊 在 葉片表面而產(chǎn) 生 ．湍流渦旋散布是 葉片表 面氣 滑 ‘ 邊 界層 發(fā)生湍流破 霸} ， 粒 子 艋氣 流撞 由 時 片 表 面 。 井 且 由于 慣性 食鯉 竣 臘 表 面 逞 動 的 過 程 ． 它 與 n片 的 冷 卻 有 關 ．布 朗散布是 由熱 激勵 的氣 體分子 隨機 運動而 產(chǎn)生的 ，主要是 由直徑為 0 ． 1至 0 , 0 5 #的粒子在非冷卻 的葉片表 面上

5、 產(chǎn)生 ．熱遷移 是 由動靜 葉片表 面邊 界層 的溫度 梯度所 引起 ．在強化 冷卻 的葉片表 面。直徑 0 ．的粒子 就會 明顯發(fā)生熱 遷移．并髓燃 氣與 葉片表 面 的 溫差增加 而趨 于嚴 重 ．對 l 0以下 的粒子 主要 的損 害是慣 性撞擊 在葉片前緣 區(qū)域 壓力面 和負壓 面．而粒 子 湍流 渦旋散布通 常為負壓面 ( 特別是 下辨 部分 )損 害的主要原 因．1 、 磨蝕 磨 蝕是透 平直接 在燃 煤燃 氣 中運 行

6、遇 到的一個 主要 問題 ．對 P F B C燃氣 透平，磨蝕 是 由燃氣 中飛灰和殘余 床料 引起 的．試 驗表 明、透平 的磨蝕受粒子撞擊速度 、沖角．粒子 濃度和粒子直 徑等 因索影響．雖然粒子 濃度會 明顯影 響磨蝕率，但 主要 的磨蝕 是 由那些 數(shù) 目不 多 的太 直徑粒 子引起 的 ．由 于 l 0以下粒 子 的慣性 已很低 ，粒子容 易 隨氣 流 澆線 運 動 ．尤其 是 小于 5 p的 粒子 ，慣性 特別 小，它撞擊

7、葉片表面 時會受 邊 界層 的速度 梯度影 響 ，而大大降 低其 危 害 ( 圖 1 ) ．所 以從 透 平安 全角度考 慮，對燃氣 的含塵量 有嚴格 的控 制 ，其 中太 于 l 0的粒 子濃度 不得 高于 I - S P P M．髓速度 的增加磨蝕越 厲害 ．沖角 的影 響不 同，它存在一個最大磨蝕沖角 ．一般在 2 0 ?！? 0之問．如圖 2所示 ．一 2 5— 維普資訊 http://www.cqvip.com 也就是 說燃

8、 煤 燃氣對 透平 的損害 不僅 與其 中含有顆粒 的濃度 、速 度 、撞擊 沖角等 有 關，而且還 與 葉片 表面是否存 在液態(tài)或熔融狀 態(tài)的沉積 物有 關。順流 沖擊既 可引起磨蝕 ，也可產(chǎn)生 沉積。這取決于顆粒是處 ： 熔融 ( 或半熔融)狀態(tài)，還是處 于具有磨蝕性 的堅硬 狀態(tài) 。損 害的最主要 的因素是顆粒是否處于熔融狀 態(tài)。而顆粒 的熔融狀態(tài)則 由顆粒 的化學 成分和燃氣 的溫度 所決定 ．溫度越高沉積現(xiàn)象就越嚴重 。總之

9、， 由于高溫使得透平 的損害 加 劇 ．二、控 制透平 的損 害 控制透平損害 可以從兩 方面著手，一是控制透平進氣條件 ；二是利 用設計 手段使透平 的結構 和流動更能適 用于燃煤燃氣 。1控制 透平 進氣 條件 前 面 已提 到大顆粒 ( 大于 l o ． a )是磨蝕 的主要根源， 因此 ，透平氣 要求大顆 粒 ( 大于 1 0J不 得 高于 1 — 5 P P M，小 顆粒 ( 4 - 1 0 # )不得高于 4 - - 1 0

10、 P P M．在這樣 的進氣條件 下 ?？墒雇钙?葉片壽命達到 8 ，0 0 0 — 1 0 。0 0 0小時。2 、考慮損害 因素 的設計 燃 煤透平 的設 計應遵循低應力 級低 負荷 長壽命和較高效率 的原則 。首先 。由于透 平損害而偏 離設 計工況 ．引起 變工況運行，為了適應這一情況， 比較合理 的辦法是采用級 負荷較 低 的多級 亞音速設計，以保 證透平具有較 為平緩的效率 特性 。例如 對于發(fā) 電用 的燃 氣透 平， 有

11、必要 采用低 工作 轉 速 ( 如 小 于 6 0 0 0 R P M) ，這 樣可 以保證 較低 的機 械應 力 ．此外，燃煤 燃氣對 多級透平 的各級 葉片和每級 葉型 的損害 程度是不 同的。 因此 、在熱力 氣動及 結構 設 計上要根據(jù) 具體 的燃氣條件進行考慮，增加抗損害 的能力 ．具體 辦法是：在 設計上 。多級透平 的任 一級 、以及各級 間的葉片的損害應盡量均勻分布 ．即采 用級 內(nèi)均 布 損 害和級 間均布損害 的設計

12、原 則。1 )級 內(nèi)均布損害設 計原則 研究表 明．級 內(nèi)動 、靜 葉的損 害情 況不盡相 同。靜葉 的損害主要 集中在葉 片壓力面 的 后緣 而動 葉的前后 緣及 頂部和根 部都有較 明顯 的損害 出現(xiàn)．級 內(nèi)均 布損 害設 計原則是 指 利用調(diào)整反動度 葉片 的徑 向扭 曲規(guī)律 和葉型的變化來設計、使 動 靜葉的損 害趨 于均勻 分布和 葉片 沿徑 向和 軸 向的損害趨 于均 勻分布 ．由于動葉損害較 靜葉嚴重 ，因此應 采用大 反

13、動度 m =0 ． 4 - 0 ． 5 ) ，使 動葉進 口速度 降低 。合理 選擇 葉片的扭 曲規(guī) 律 使 葉片從根 部 至頂 部的氣 流速度變 化 至過 大。調(diào)整好進氣角避免達到最大磨蝕 沖角 ．在 葉型的設計 方 面要適 當加厚葉 片后緣 。在滿 足氣 動參數(shù) 的情況下．盡 量使 壓力 面趨 于平直 ，減少 顆粒 對 葉 片 的撞 擊 ．2 )級 間損 害均 布設 計原 則 透平 的級 數(shù)和各級焙降分配直接決定損害在各級 的分布

14、．對多級透平的設 計，首先根 據(jù)進 氣 的 顆粒 濃度 及 分布等 方面 情 形 ，控 制氣 流速度 在一 限定值 內(nèi) ( 如 3 5 0 m／s ) 。然 后 ，根據(jù)級 內(nèi)氣流速度不大于該限定值來 確定級數(shù) 。由于離心力等因素的影 響，多級透平 的第 二級及 后續(xù) 級 的損 害較 為嚴重 ．在級數(shù)確 定 的情況 下，可以適 當調(diào)整各級 的焙 降分 配，如可 以使第 二級焙 降較小，而第一級 焓降適量加大 。持降在各 級的分 配．直接影