燃机叶片冷却技术对透平初温的影响

1燃机叶片冷却技术对透平初温的影响胡东2010-12-21（广州珠江天然气发电有限公司广东广州511400）摘要燃机叶片冷却对机组寿命、热效率等至关重要。燃气轮机效率的提高，主要表现在透平初温的提高。提高透平初温的关键是如何提高一、二级动静叶片的耐高温性能，主要办法是研究开发耐高温材料以及加强叶片的冷却效果。着重叙述的是叶片的冷却技术对提高透平初温的影响。关键词燃气轮机动静叶片冷却技术透平初温中图分类号TK47文献标识码A1前言近年来，燃气轮机发展很快，尤其在天然气作为能源广泛使用和燃气－蒸汽联合循环高效发电之后更加如此。燃机容量已由数百千瓦上升到数百兆瓦，燃气轮机进气温度从600℃增加到1500℃。随着材料和冷却技术的发展，燃气轮机的初温在不断提高，大约以每年10～20℃的速度增加，采用气膜冷却技术的叶片可使燃气轮机的初温提高到1400℃左右，从而使燃气轮机循环热效率得到进一步提高。如日本三菱公司的M701G功率为270MW、透平初温1400℃。随着进气参数的提高，机组热效率亦随之提高，热效率已达39.5%；美国GE与法国Alsthom公司联合推出的以MS9001FA燃气轮机为基础的三压再热式蒸汽系统的联合循环，在透平前温1288℃下，竟获得56%的热效率（供电效率55.1%）。由此可见，发展叶片冷却技术对提高透平初温乃至提高机组功率、效率是十分重要的。2提高燃气初温的技术2.1开发耐高温材料欲提高燃气轮机初温，材质是关键问题之一。燃气透平的静叶片较多地用抗热疲劳性能好的钴基高温材料制作，动叶片则广泛用镍基高温材料制作。如三菱M701F燃气轮机第1级动叶使用MGA1400-DS（Ni基合金）材料，采用定向结晶铸造技术；美国GE公司H型、FA型叶片采用超级合金（CMSX-4）单晶技术和超级合金（GTD-111）定向凝固铸造技术，它比同一材料用常规方法铸造的叶片耐温要提高约20℃。通过半个世纪的发展，这种超级高温合金已接近完美程度，除了添加和调整微量元素来继续改善性能外，还常采用新的加工工艺和涂层来提高性能。为增强抗热腐蚀的能力，叶片表面较普遍地采用防腐蚀的保护措施，例如防腐蚀涂层和表面渗铝等。2.2隔热涂层能降低叶片工作面的温度新型产品第一级燃机部件已开始应用隔热涂层（TBC）。隔热涂层正在发展和试验之中，有的试用氧化钇或稳定的氧化锆隔热涂层，有的试用陶瓷或陶瓷与金属混合的隔热涂层，2M701F型燃气轮机第1级动叶的隔热层采用陶瓷材料。经TBC处理后，隔热层将使热部件母体金属温度降低440℃/mm～560℃/mm，从而能使叶片在更高的燃气温度下安全工作。2.3发展叶片非工作面的冷却技术叶片冷却技术主要有内部通道冷却技术、叶型头部冲击冷却技术和叶型表面的气膜冷却技术等。这些冷却技术的综合效应能使叶片的金属温度低于燃气主流温度300～600℃。采用空气或蒸汽从内部流过冷却非工作面，可使叶片在高于其材料许可值的燃气温度下，叶片金属温度仍低于其材料的许可值而安全工作。这样就能在现有的高温材料基础上更多地提高燃气初温，从而有效地提高燃气轮机效率。因此，发展叶片冷却技术和提高冷却效果，是提高燃气轮机效率的一条重要途径。3叶片非工作面冷却技术介绍3.1叶片的冷却源传统的叶片冷却可以用空气冷却，如三菱M701F、GE公司MS9001FA；还有的叶片冷却使用蒸汽冷却，如GE公司H型燃气轮机。下面以M701F为例介绍压气机抽气冷却技术。M701F燃气轮机分4级，第1级冷却源来自压气机排汽侧的抽气，第2级来自压气机HP高压抽气，第3级来自IP中压抽气，第4级来自LP低压抽气，所有抽气都经过过滤才进入燃气轮机。燃机第1级冷却源还要经过抽气冷却器，抽气冷却器是燃气与抽气的热交换器，燃气是热交换器的冷却介质。这种设计既可减少冷却叶片所需的冷却空气量，又提高了燃气温度，有利于燃烧。GE公司H型燃气轮机的蒸汽冷却技术将在后面详细介绍。3.2叶片的冷却方式对流、冲击、气膜冷却是常用的几种叶片冷却方式。综合冷却是这三者的联合应用，能有效地提高冷却效果，并使冷却后叶片的温度趋于均匀。发散冷却的效果比综合冷却好得多，用水来冷却叶片也能达到很好的效果，后两种冷却方式尚处于试验阶段。M701F燃机第一级静叶叶型面内部有3个带孔的隔仓，进入隔仓中心的冷风通过隔仓壁的小孔，垂直射向叶片内壁面，形成湍流换热。沿头部及型面小孔喷出的冷风又环绕叶身形成气膜冷却。第一级动叶主要采用内部多个弯道的对流冷却和气膜冷却，特别加强了叶顶和上下围带边缘的冷却，可防止叶片型线的改变和热疲劳裂纹。4蒸汽冷却技术H型蒸汽冷却叶片300MW燃气轮机的开发是基于美国能源部“先进轮机系统计划”的要求而进行的。其总体目标是展示燃气轮机联合循环60%的效率，低于10mg/kg的NOX排放（以天然气为原料）以及减少10%的机组电力损耗。H型燃气轮机型号有50Hz的MS9001H以及60Hz的MS7001H。下面介绍蒸汽冷却的技术特点。4.1蒸汽冷却概念的建立3蒸汽冷却概念的建立基于两方面。一方面，蒸汽的导热性优于空气，它能从热部件技术更多的热量。其冷却效率能保证叶片能承受更高的进气温度；另一方面，蒸汽冷却技术的应用可以减少冷却密封空气在压气机的抽取量，因为从压气机抽取的冷却空气量越大，相应的损失也就难以接受，故有利于提高压气机的效率，乃至提高燃气轮机及联合循环的热效率。空气冷却与蒸汽冷却比较见附表。采用蒸汽冷却技术比以前的空气冷技术更有效地提高了燃气透平的性能，能使透平入口温度提高110℃以上，使机组热效率提高约3％。对电厂而言，它提高了能源利用率，相对也就降低了生产成本，带来的收益是相当巨大的。4.2冷却蒸汽的要求在蒸汽冷却系统的设计中，蒸汽的纯度是至关重要的，应避免杂质堆积在叶片喷嘴的内表面上。美国GE公司的H型燃气透平中设计的闭路蒸汽冷却系统，从蒸汽透平高压缸排气抽取冷却用蒸汽，通到燃气透平第一级叶片和外罩的冷却通道，以冷却有关热部件，吸收热部件热量后而升温，再排出与余热锅炉出来的再热蒸汽汇合一起通人蒸汽透平的低压缸去膨胀做功。全部蒸汽需进行过滤并使用除盐水以适于蒸汽纯度的要求，并应对高压蒸汽进行温度调节。另外，在备用状态下，全部高压管线及冷却蒸汽管线中需充满氮气以防腐蚀。氮气系统可以是供余热锅炉的使用常规充氮系统的扩展。5结语20世纪初热效率接近或达到60％的机型的透平前温是1427℃左右，并能逐步改进提高至1500℃，提高参数主要技术措施将会是以蒸汽冷却透平的高温部件。有些公司会在个别静态高温部件上试用高温陶瓷材料的器件。这些器件主要是诸如燃烧室火焰筒、燃烧室至透平之间的过渡段、透平的静叶片（喷嘴组）等。至20世纪20年代，联合循环技术的发展，预计会接近尾声，这时透平前温会达到1649℃。由于燃气轮机是转动机械，其动叶片和轮盘等转动件所受应力非常大，所以一定要有组织得非常好，非常可靠、有效的冷却。当燃气温度高于1649℃时，燃气的强烈辐射热会使冷却变得无能为力。故此，燃气轮机应该会在1650～1700℃而终止透平前温的增长。参考文献1金敬东.H型燃气轮机蒸汽冷却技术的开发及技术特点[J].浙江电力，2001（5）2杨南星.天然气联合循环发电技术的最新进展[J].城市公用事业，2002（5）3张树治.燃气轮机发电机组的开发与应用[J].电信科学，1999（8）