林友政
（深能安所固电力（加纳）有限公司，广东 深圳 518000）
加纳某燃气电厂的某台型号为PG6541B的燃机是从国内搬迁过来的旧机组，配17级轴流式压气机，10个燃烧室的分管回流式燃烧室和3级透平，转速为5 114 RPM，通过减速齿轮箱与发电机连接，搬迁过程中进行过大修维护，发电机转速为3 000 RPM。2018年该燃机大修后出现了出力明显降低的现象，之后又进行了一系列检修工作，但是燃机出力并没有提升。本文将对大修后燃机出力明显降低的原因进行分析。
1 大修过程进行的主要工作
与一般的燃机大修工作相比，本次大修除更换了透平第一、二、三级喷嘴，火焰筒和过渡段等主要燃烧部件外，还更换了整个燃机转子，其中压气机动叶和透平动叶也随燃机转子更换上机。新更换上机的燃机转子为该电厂另外一台同型号燃机的备用转子，并在欧洲进行过大修维护，2台燃机设计状态下拥有相同出力，与旧转子相比，新转子不同的是其设计转速为5 135 RPM。大修后，燃机出力明显降低，随后该燃机又于2019年更换了透平第三级喷嘴，于2020年2月更换了透平第二、三级喷嘴，但出力并没有提升。
表1、表2为2018年大修前后压气机和透平通流间隙表，其中R1～R17表示压气机动叶与气缸的叶顶间隙，因为表格过长，通流间隙没有异常波动，所以只截取部分数据。
表1 压气机通流间隙
表2 透平通流间隙
从表1和表2中可以看到，大修前后压气机和透平的通流间隙没有明显变化，所以压气机和透平通流间隙的变化并不是影响燃机出力的原因。该厂历次6B燃机小修表明，更换火焰筒和过渡段也几乎不会对燃机出力产生影响。
2 大修前后运行参数对比
表3为大修前后该燃机主要运行参数，表4则记录了在压气机进气温度相同的条件下，部分运行参数大修前后的变化幅度。表3中的压气机排气压力CPD和透平排气压力都是表压，表4中负号表示降低。
从表3和表4中可以看到，大修后，燃机出力、燃料冲程基准FSR、压气机排气压力CPD都降低了，其中出力和燃料冲程基准FSR降低幅度比较大，出力最明显。压气机排气温度和透平排气温度都升高了，且压气机排气温度升高幅度较明显。而进气滤压差增大，也对燃机出力有一定的影响。
表3 大修前后主要运行参数表
表4 大修前后部分运行参数变化幅度表
3 压气机的基本工作原理
图1为轴流式压气机动、静叶叶栅及基元级速度三角形，c1和c2分别表示动叶进、出口处的绝对速度，w1和w2分别表示动叶进、出口处气流相对于动叶的相对速度，u表示动叶的圆周速度。
图1 轴流式压气机动、静叶叶栅及速度三角形
根据动量原理，当q kg/s的空气流过动叶栅时，动叶栅对气流的作用力的切向分量应为
当工作叶轮平均直径上的圆周速度为u时，动叶栅施加给流量为q的空气的功率应为
所以压气机工作叶栅施加给每千克气体的功Δh为
其中
所以
忽略压气机压缩过程中的损失，假设压缩过程为等熵压缩，根据热力学第一定律开口系统能量方程，可以求得压气机工作叶栅施加给每千克气体的功为
式中：R为空气的气体常数；Ta为工作叶栅进口温度；π为压气机级的压比；γ为空气绝热指数，约等于1.4；u为基元级动叶栅圆周速度；w为基元级气流相对于动叶栅的相对速度；Δcu为气流在基元级动叶栅进出口绝对速度的变化；Δwu为气流在基元级动叶栅进出口相对速度的变化，Δwu=Δcu
4 压气机效率
本文中的压气机效率为等熵效率，有效功取理想状态下的静参数等熵压缩功，实际耗功取实际状态下静参数多变压缩功与各种损失功之和。设η为压气机效率，π为压气机压比，γ为空气绝热指数，γ=1.4，Δhp为多变压缩功，Δhr为各种损失功的和，ΔhS为理想状态下的等熵压缩功，T1为压气机进气温度，T2为压气机排气温度，T2S为理想状态下压气机等熵压缩过程的排气温度，P1为压气机进气压力，P2为压气机排气压力，表3中的压气机排气压力CPD为表压，计算时需要加上当地大气压，Pd为进气滤压差，当地大气压P0=100.008 kPa，且认为其保持不变。则
式（7）中的cp为空气的定压比热容。将表3中的相关数据代入到式（7）、式（8）和式（9）中，可以计算出压气机的等熵效率η，具体见表5。
从表5中可以看到，大修后压气机效率η降低了1.05%～1.38%。
表5 大修前后压气机效率
由于燃机转速不同，要保证有相同的燃机出力和压气机效率，压气机基元级的速度三角形必然不同，将设计转速为5 135 RPM的转子安装到设计转速为5 114 RPM的燃机上，必然导致压气机转子动、静叶级间配合发生比较复杂的改变，速度三角形也发生改变，压气机的叶型损失、环端面损失和二次流损失将增大，导致压比减小，压气机效率降低。
5 转速降低对燃机出力的影响
5.1 转速降低对压气机等熵压缩功和压比的影响
由式（6）可知，压气机的压比π、压缩功Δh都和工作叶轮的圆周速度u及动叶栅进出口相对速度的变化Δwu这2者有关，在速度三角形相似的情况下，降低燃机转速会降低压气机的压比，且压比与转速的变化关系并不呈线性关系。在压气机基元级速度三角形相似的情况下，可将计算从压气机的基元级扩展到整个压气机，当燃机转速由u1降低为u2，则压气机施加给每千克气体的压缩功从Δh1变化为Δh2，关系如下
压气机压比从π1变为π2，关系如下
假设燃机转速为5 135 RPM的时候压比π1为11，进气温度和进气压力都相同，当燃机转速从5 135 RPM降低到5 114 RPM后，Δh2降低至0.991 8Δh1，π2降低至10.84。由此可知，当燃机转速由5 135 RPM降低至5 114 RPM后，理论上压气机的压比和压缩功都会降低，压比降低1.45%，压缩功降低0.82%。
5.2 转速降低对压气机流量的影响
压气机出口流量Q计算公式为
式中：ρ，A，c，T2分别为压气机出口的压缩空气密度，通流面积，气流速度，压气机排气温度。忽略压气机压缩过程中的损失，即该过程为理想过程，在基元级速度三角形相似，进气温度和进气压力都相同的情况下，当燃机转速从5 135 RPM降低到5 114 RPM后，压气机流量由Q1变为Q2，Q2=0.981 4Q1。由此可知，当燃机转速由5 135 RPM降低至5 114 RPM后，理论上，压气机的流量将降低约1.86%。
而压气机对气体的压缩就是透平做功的反过程，所以高温燃气对透平动叶做功的公式基本相似，可以用Δh=uΔwu来表示。同样，燃机转速降低，理论上高温燃气对透平动叶所做的膨胀功及透平的膨胀比都会降低，更换转子前后变换关系与压气机相同。
5.3 转速降低对燃机出力的影响
转速为5 135 RPM时，当Q1kg/s的空气流过压气机，压气机对压缩空气做的等熵压缩功为Q1Δh1，转速降低至5 114 RPM后，当Q2kg/s的空气流过压气机时，压气机对压缩空气做的等熵压缩功为Q2Δh2，则
该燃机压气机消耗的功约占透平输出轴功的2/3，设更换转子前，透平输出的轴功为WT1，压气机消耗的压缩功为WC1，空气在被压缩过程中消耗的有效功为WCe1，燃机输出功为W1，压气机效率为η1，更换转子后，透平输出的轴功为WT2，压气机消耗的压缩功为WC2，空气在被压缩过程中消耗的有效功为WCe2，燃机输出功为W2，压气机效率为η2。忽略传动机械造成的损失，则
假设更换转子后压气机效率不变，则满足
在这种情况下，燃机输出功W2=0.973 4W1，但是从表5中可以看到，更换转子后，压气机效率变低了，这意味着与大修前相比压气机将消耗更大比例的透平输出功，令
结合式（14）～（21）可得到
分别计算出当进气温度为27℃、28℃、29℃和30℃时，的值，得到表6。
表6 大修前后出力之比
从表6中可以看出，同时考虑转速降低和压气机的效率变化的影响后，理论上，燃机出力将降低至原来的94.29%～95.02%，也就是降低4.98%～5.71%。因为将设计转速为5 135 RPM的转子安装到设计转速为5 114 RPM的燃机上，实际上变化将会更加复杂，所以燃机实际负荷降低5.46%～7.40%也就显得很正常了。
6 结束语
综上所述，该燃机大修后出力降低的主要原因如下：①更换转子后，该燃机的设计转速与新更换转子的设计转速不同，压气机转子动、静叶级间配合发生比较复杂的改变，叶型损失、二次流损失和环端面损失大增，压气机效率降低。②新转子转速低于设计转速，导致燃机流量降低，压气机和透平做功能力都降低。③大修后进气滤压差增大。另外，由于更换了设计转速不同的转子，且压气机效率降低，燃机整体效率也必然降低，这与实际状况相符。
