燃氣輪機化學回熱循環(huán)變工況性能仿真.pdf

1、簡單循環(huán)燃氣輪機具有體積小、重量輕、機動性好、振動噪聲小、壽命長、運行平穩(wěn)、維護方便等優(yōu)點；但簡單循環(huán)燃氣輪機經(jīng)濟性較差，特別是在低工況時不夠好，且XNO排放量較高?；瘜W回熱循環(huán)燃氣輪機（CRGT）在保有簡單循環(huán)燃氣輪機優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還具有回熱度不受壓比限制、燃氣輪機本體改動小、經(jīng)濟性高和環(huán)保性好等優(yōu)點，特別適用于船舶推進系統(tǒng)。然而，化學回熱器的計算模型還不成熟，對高效且結(jié)構(gòu)緊湊的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的研究也不夠深入。這些問題導(dǎo)致用于船舶推進的

2、CRGT方案及其變工況性能研究還很欠缺。本文基于熱力學原理和實驗數(shù)據(jù)建立了主要部件的數(shù)學模型，采用仿真模擬方法提出了CRGT的熱力設(shè)計方案、研究了各部件熱力參數(shù)的匹配規(guī)律、制定了系統(tǒng)的運行方案和控制策略；這些工作對推進CRGT在船舶動力領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的工程實用價值。
　?。?）通過分析燃氣輪機系統(tǒng)中復(fù)雜的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程，提出了折合熱值法，得到了先進循環(huán)燃氣輪機的能量回收評判準則。在此基礎(chǔ)上，針對先進循環(huán)燃氣輪機建立了通用的

3、燃燒室計算模型和工質(zhì)熱物性計算方法。
　?。?）為建立準確的原型發(fā)動機計算模型，采用基于粒子群算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PSO-BP）方法，根據(jù)部分工況實驗數(shù)據(jù)計算了壓氣機全工況的部件特性，并使用變比熱容方法描述了壓氣機熱力過程；同時，采用改進的ISO溫度法，計算了有冷卻空氣注入時渦輪的膨脹功。研究結(jié)果顯示：PSO-BP方法預(yù)測壓氣機特性具有很高的擬合精度和預(yù)測精度，渦輪熱力過程計算精度也很高。在此基礎(chǔ)上，建立了原型發(fā)動機的仿真程序

4、，對比實驗數(shù)據(jù)，計算結(jié)果的誤差都小于1.5％，所建立的原型發(fā)動機計算模型適用于CRGT仿真研究。
　?。?）綜合考慮換熱和燃料-蒸汽重整反應(yīng)的耦合效應(yīng)，建立了結(jié)構(gòu)緊湊、計算過程簡潔、可靠性高的化學回熱器計算模型。進行了甲烷-蒸汽重整反應(yīng)實驗，并使用最小吉布斯自由能法計算重整反應(yīng)性能，實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果吻合良好。以此為基礎(chǔ)，在采用最小吉布斯自由能法計算了較大區(qū)間的壓力、溫度和水碳比范圍內(nèi)的燃料-蒸汽重整反應(yīng)的性能后，以保證較高的重整

5、反應(yīng)深度為目標，進行了化學回熱器的熱力設(shè)計，建立了CRGT的核心模塊。
　?。?）為了充分地滿足CRGT的高壓蒸汽需求，基于能量梯級利用的原則，以高壓閃蒸為蒸汽生產(chǎn)的核心模塊設(shè)計了一套高效并且結(jié)構(gòu)緊湊的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，進行了系統(tǒng)的變工況性能計算，并獲得了系統(tǒng)的運行方案。研究結(jié)果顯示：通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水量可以獲取系統(tǒng)的最大蒸汽產(chǎn)量，從而滿足CRGT的高壓蒸汽需求。另外，煙氣參數(shù)劇烈變化時，蒸汽產(chǎn)量和溫度變化較大，會各部件造

6、成熱力沖擊從而導(dǎo)致系統(tǒng)運行故障，此時可以采用蒸汽放氣措施保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
　?。?）為了應(yīng)對長期而且龐雜的CRGT研究工作，采用面向?qū)ο蠓椒ǎ?MFC框架技術(shù)建立了燃氣輪機系統(tǒng)的仿真平臺，建立了CRGT主要部件的模塊庫，便于展開CRGT的方案設(shè)計和變工況性能仿真研究，也預(yù)留了操作接口方便仿真軟件擴展。
　?。?）考慮船舶動力裝置經(jīng)濟性、重量和尺寸等技術(shù)指標的要求，提出了簡單的CRGT（S-CRGT），后置再熱式CRGT

7、（BR-CRGT）以及中間回熱式CRGT（MR-CRGT）三套CRGT的配置方案，研究了各個方案的經(jīng)濟性、運行穩(wěn)定性以及動態(tài)響應(yīng)性能并選取合適的研究方案。對比研究的結(jié)果顯示：MR-CRGT具有最高的經(jīng)濟性；BR-CRGT具有最好的運行穩(wěn)定性，其他CRGT方案也具有較好的運行穩(wěn)定性；三套CRGT方案的動態(tài)響應(yīng)速度較原型發(fā)動機均略有下降。最終選擇MR-CRGT作為研究方案。
　?。?）以獲取MR-CRGT的最佳經(jīng)濟性為目標，研究了主要