联合循环机组燃机IGV角度变化对锅炉运行影响分析

徐 民

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院, 安徽 合肥 230093)

0 前言

联合循环机组压气机具有进口导叶控制系统(IGV)，该系统主要作用为在起、停机过程中，转速较低时，调节进气角度，防止叶片背面气流脱离，导致压气机喘振。简单联合循环机组IGV角度一般固定，在起机时，IGV角度固定在较小的位置(一般34°左右)，正常运行时，IGV角度固定在相对较大的位置(84°或86°)。此外，联合循环机组IGV系统还有可变控制方式，在起停机过程中，IGV角度以一定的速率变化，在正常运行过程中也可以改变IGV进气角度，进行运行调节[1]。

联合循环机组正常运行中IGV角度变化会导致进气流量变化。进气流量减小，燃机排烟温度升高，余热锅炉进气温度升高，IGV角度的改变影响锅炉换热，进而影响锅炉效率及出力[2]。目前部分联合循环机组运行中余热锅炉阻力偏大，IGV角度的变化对余热锅炉运行阻力也有一定影响。基于此，进行联合循环机组燃机IGV角度变化影响分析工作必须同步进行余热锅炉效率、出力、阻力等问题分析。

1 研究对象

某联合循环机组燃机为GE公司生产的PG9171E型燃气轮机。燃机由一个额定功率为1 000 kW的启动马达，一个17级的轴流式压气机、一个由14个燃烧室组成的燃烧系统、一个3级透平转子组成。轴流式压气机转子和透平转子由法兰连接，并有3个支撑轴承。

轴流式压气机为17级压气机，包括在起动和加载过程中控制气流的可调式进气导叶(IGV)及在起动和停机过程中防止喘振而旁通气流用的放气阀。轴流式压气机由压气机转子和外围的气缸组成。压气机气缸内部包括进气导叶，十七级转子和静叶，以及出口导叶。压气机气缸由进气缸，前气缸，后气缸，排气缸组成。

锅炉型号为Q1175.4/547.3-190.5(35.9)-6.0(0.515)/521(253)的三压无补燃、双汽包、带一体化除氧器、卧式烟道、立式螺旋翅片管自然循环水管锅炉。余热锅炉主要用于从燃机排气中回收热量，产生高温高压/低温低压的过热蒸汽，输送给蒸汽轮机作功，带动发电机发电；同时余热锅炉产生的低压蒸汽在除氧蒸发管束产气量不足时还可供给除氧器对冷凝水进行除氧。

2 研究基础

该型号燃气轮机BASE LOAD负荷工况下IGV角度固定为86°，可以进行控制系统改造升级，通过安装Opflex软件，可在BASE LOAD负荷工况下，改变IGV运行角度，调节进气量，改变空燃比，调节联合循环运行条件。

联合循环机组燃机IGV角度变小，燃机进气量减小，燃机空燃比减小，燃机排气流量减小，燃机做功能力降低，但其效率适当提高；排气温度升高，余热锅炉的进口流量和温度随之变化，余热锅炉效率和阻力也会受到影响。该燃气轮机配套余热锅炉投产以来，阻力偏大，BASE LOAD工况下，余热锅炉阻力为4.2 kPa，已超过设计阻力3.3 kPa，存在安全风险。IGV角度变小后排气量减小也相应降低余热锅炉阻力。

该型号燃机IGV角度从86°到79°变化，燃机参数变化如表1所示，燃机出力及效率变化趋势如图1所示。

表1 燃机IGV角度变化参数表

图1 燃机效率及出力变化趋势

环境温度30 ℃，燃机IGV角度86°，燃气排气温度555.0 ℃，排气流量390.0 kg/s；IGV角度79°，燃机排气温度560.2 ℃，排气流量377.3 kg/s。IGV角度变小，燃机排气流量变小，排气温度升高。燃机效率随IGV角度变小而升高，出力随IGV角度变小而减小。

该联合循环机组余热锅炉换热器总面积132 236.4 m2，高压部分面积87 093.8 m2，占比65.9%。高压过热器面积17 852.2 m2，占高压部分20.5%，高压蒸发器面积32 419.7 m2，占高压部分37.2%，高压省煤器面积36 821.9 m2，占高压部分42.3%。凝水加热器+除氧蒸发器18 571.4 m2，低压省煤器2 338.6 m2，低压蒸发器20 864.2 m2，低压过热器3 368.4 m2。

3 余热锅炉校核计算

3.1 余热锅炉模型搭建

采用假设校核的原理，先假设各级受热面出口烟温，再计算各级受热面的换热量，直到各级受热面的烟气放热量与受热面传热量平衡，通过与设计值热力计算分析对比，建立热力计算模型[3]。

按烟气流向方向建立余热锅炉模型，模型计算顺序为高压过热器、高压蒸发器、高压省煤器Ⅲ、低压过热器、高压省煤器Ⅱ、低压蒸发器、高压省煤器Ⅰ、低压省煤器、除氧蒸发器、凝水加热器，共10个换热子模块。

受热面的实际传热系数可以由烟气侧来确定，也可以由工质侧来确定，传热系数计算公式为：

(1)

由烟气、工质和管壁的热阻计算换热系数公式为:

(2)

式中：K—传热系数，kW/(m2·℃)。

α1—烟气对管壁的放热系数,kW/(m2·℃)。

α2—管壁对工质的放热系数,kW/(m2·℃)。

δm—金属管壁的厚度，m。

λm—金属管壁导热系数，kW/(m·℃)。

δash—管壁烟气侧积灰层的厚度，m。

λash—管壁烟气侧积灰层导热系数，kW/(m·℃)。

δsc—管内工质侧结垢层的厚度，m。

λsc—管内工质侧结垢层导热系数，kW/(m·℃)。

与烟气侧和工质侧的热阻相比，金属管壁的导热系数较大，其热阻可以忽略不计，在锅炉正常运行过程中，管壁内侧也不允许有结垢，因此其热阻主要包括三方面：烟气侧热阻、工质侧热阻和积灰热阻。联合循环机组下，积灰热阻较小，为简化计算过程只需计算烟气侧和工质侧的热阻，即:

(3)

3.2 余热锅炉出力及效率分析

对BASE LOAD工况，环境温度30 ℃，燃机IGV角度为86°排气参数下，余热锅炉各受热面吸热量热力计算汇总如表2所示。

表2 BASE LOAD工况 IGV86°各级受热面热力核算

该工况下，高压主蒸汽流量为194 t/h，压力5.19 MPa，温度521 ℃。低压主蒸汽流量为36 t/h，压力0.47 MPa，温度256 ℃。余热锅炉效率85.14%。

对BASE LOAD工况，环境温度30 ℃，燃机IGV角度为79°排气参数下，余热锅炉各受热面吸热量热力计算汇总如表3所示。

表3 BASE LOAD工况 IGV79°各级受热面热力核算

该工况下，高压主蒸汽流量为192 t/h，压力5.19 MPa，温度524 ℃，低压主蒸汽流量为35 t/h，压力0.47 MPa，温度256 ℃，余热锅炉效率85.06%。

经计算分析，BASE工况下，环境温度为30 ℃时，燃机IGV角度由86°关到79°，燃机排气流量由390 kg/s下降到377.3 kg/s，排气温度由555.9 ℃升高到560.2 ℃。相应地，余热锅炉高压主蒸汽流量由194 t/h下降到192 t/h，余热锅炉热效率由85.14%下降到85.06%。

3.3 余热锅炉阻力计算

烟道阻力包括沿程阻力和局部阻力，沿程阻力计算公式为[4]：

(4)

(5)

(6)

式中：λ—沿程阻力系数；L—管道长度；de—管道当量直径；ρ—介质密度；F—截面积；U—湿周长度；ω—烟气流速；Bj—实际燃料量;Vj—单位燃料实际烟气量；θRj—烟气湿度；Ay—流通截面积。

局部阻力计算公式为：

(7)

式中：ξ—局部阻力系数。

以BASE LOAD工况、环境温度30 ℃、燃机IGV角度为86°、余热锅炉阻力4 270 Pa为基准，计算得到BASE LOAD工况、环境温度30 ℃、燃机IGV角度为79°，余热锅炉阻力为4 000 Pa。余热锅炉阻力下降270 Pa。

3.4 联合循环分析

燃机IGV角度86°，燃机效率为32.67%，余热锅炉效率为85.14%；IGV角度为79°，燃机效率为32.69%，余热锅炉效率为85.06%。以BASE LOAD工况汽轮机设计效率31.7%计算，IGV角度86°，联合循环效率为50.842%，IGV角度为79°，联合循环效率为50.839%。

经Opflex改造后，IGV角度从86°较小到79°，联合循环效率变化较小，余热锅炉阻力下降270 Pa，可降低阻力，有利于余热锅炉的安全运行。

4 结论

联合循环机组燃机IGV系统经改造后可改变运行角度，运行角度的变化范围为79°到86°。IGV角度的改变影响锅炉换热，进而影响锅炉效率及出力。目前部分联合循环机组运行中余热锅炉阻力偏大，IGV角度的变化对余热锅炉运行阻力也有一定影响。

经计算分析，BASE LOAD工况下，环境温度为30 ℃时，燃机IGV角度由86°关到79°，燃机排气流量由390 kg/s下降到377.3 kg/s，排气温度由555.9 ℃升高到560.2 ℃。相应的，余热锅炉高压主蒸汽流量由194 t/h下降到192 t/h，余热锅炉热效率由85.14%下降到85.06%，效率变化较小。同时，余热锅炉阻力下降约270 Pa，有利于余热锅炉的安全运行。