濕空氣透平循環(huán)性能仿真與試驗(yàn)研究.pdf

1、能源是整個(gè)世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長最基本的驅(qū)動(dòng)力。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、世界人口的劇增和人民生活水平的提高,世界能源消費(fèi)量持續(xù)增長,能源問題的重要性日益突出。加濕工質(zhì)是提升燃?xì)廨啓C(jī)效率與輸出功率的一個(gè)有效途徑。濕空氣透平(Humid air turbine,HAT)循環(huán)是新型動(dòng)力循環(huán)的代表,具有效率高、比功高、單位投資成本低、燃燒室氮氧化物(NOx)排放低、輸出功率受環(huán)境條件影響小以及與聯(lián)合循環(huán)相比變工況性能更出色等優(yōu)點(diǎn)。然而,目前國內(nèi)外對HA

2、T技術(shù)的研究還不夠充分,尤其缺少HAT循環(huán)的試驗(yàn)研究,試車數(shù)據(jù)更為稀缺。因此,本文將通過試驗(yàn)研究對HAT循環(huán)性能的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,并由仿真計(jì)算對試驗(yàn)方案提出修正和改進(jìn)。能夠提高對HAT循環(huán)性能的理解和認(rèn)識,是HAT循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際機(jī)組和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
　　本文首先研究了燃?xì)廨啓C(jī)性能仿真技術(shù)以及SJGT燃?xì)廨啓C(jī)性能仿真軟件的開發(fā)。研究了燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算方法以及軟件實(shí)現(xiàn),包括熱物性研究中的變比熱法、穩(wěn)態(tài)性能研究中的記憶時(shí)

3、序性迭代法和嵌套式多層迭代的實(shí)現(xiàn)以及動(dòng)態(tài)性能研究中變偏微分系數(shù)偏差線性化方法。分析了SJGT軟件的構(gòu)架和功能,以及該軟件五大建模特色:多輸入多輸出計(jì)算模塊、通用部件模塊庫、拖曳方式建模、動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)以及友好人機(jī)交互界面。以SJGT軟件為平臺,對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的部件級建模,特別考慮了壓氣機(jī)抽氣模型和渦輪冷卻模型,使仿真系統(tǒng)更加逼近真實(shí)系統(tǒng)。最后對各部件模塊進(jìn)行匯總,并創(chuàng)建模塊庫,為燃?xì)廨啓C(jī)的性能研究打下基礎(chǔ)。
　　本文自主設(shè)計(jì)

4、并建立了一套分離式的分軸燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)裝置,并通過加裝飽和器空氣濕化系統(tǒng)構(gòu)成了HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)裝置。通過試驗(yàn)研究的方法來考察HAT循環(huán)在濕空氣作用下對系統(tǒng)總體性能的提升,觀察含濕量的變化對燃?xì)獬鯗?、輸出功率和循環(huán)效率等一些主要性能參數(shù)以及污染物排放情況的影響規(guī)律。HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)主要分為兩個(gè)工況進(jìn)行:(1)將燃油量控制在48kg/h的等燃油控制試驗(yàn)工況;(2)將渦輪進(jìn)氣溫度控制在650℃的等燃?xì)獬鯗乜刂圃囼?yàn)工況。研

5、究結(jié)果發(fā)現(xiàn),空氣加濕作用能夠立即對HAT循環(huán)性能造成影響,飽和器出口處的含濕量是HAT循環(huán)性能研究中的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)燃油量保持不變,增加含濕量能夠降低燃燒室燃燒溫度,降低NOx的排放,并且由于蒸汽的加入增加了渦輪的工質(zhì)流量,使得燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率也有所提升。當(dāng)燃?xì)獬鯗乇３植蛔儠r(shí),系統(tǒng)中含濕量的增大可以大幅度提升HAT循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率。這表明,在燃?xì)獬鯗叵拗撇蛔兊那闆r下,HAT循環(huán)能夠通過對燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)進(jìn)行革新來改善燃?xì)廨啓C(jī)性能。

6、
　　基于HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)試車試驗(yàn)研究,本文還對HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能進(jìn)行了理論性研究。通過對分軸燃?xì)廨啓C(jī)模型進(jìn)行在更改工質(zhì)熱物性計(jì)算方法、添加飽和器模型、修正燃燒室模型等方面的改型,得到HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算模型。通過模擬計(jì)算結(jié)果與試車試驗(yàn)結(jié)果的對比研究,可以發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好。結(jié)果表明:含濕量的變化對HAT循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的比功影響巨大。在現(xiàn)有試驗(yàn)條件范圍內(nèi),增大含濕量能大幅度提高循環(huán)比功,更高的含濕量能為循

7、環(huán)帶來更好的熱效率和熱經(jīng)濟(jì)性,而且增大含濕量能夠增大壓氣機(jī)喘振裕度,提高壓氣機(jī)運(yùn)行的安全性。
　　為了進(jìn)一步了解HAT循環(huán)的潛力,本文還對現(xiàn)有HAT循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),通過添加回?zé)崞鳌⒔?jīng)濟(jì)器和后冷器以構(gòu)成更完整的HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。研究結(jié)果表明,在π=3.0和π=2.5工況下,對現(xiàn)有HAT循環(huán)、回?zé)酘AT循環(huán)和回?zé)岷罄?HAT循環(huán)這三種 HAT循環(huán)性能的比較分析后,發(fā)現(xiàn)回?zé)?HAT循環(huán)是三者中循環(huán)效率最高的一種循環(huán),也

8、是最節(jié)能環(huán)保的一種循環(huán);當(dāng)飽和器液氣比在0.85~1.2范圍內(nèi),增加飽和器液氣比能夠增大飽和器出口濕空氣的含濕量,提高HAT循環(huán)的比功和熱效率。但是,液氣比會受到試驗(yàn)裝置的尺寸、管道流量和水箱大小的限制;回?zé)崞骰責(zé)岫鹊脑黾佑兄谌紵^程的進(jìn)行,使系統(tǒng)更省油,同時(shí)提高HAT循環(huán)的熱效率降低排煙溫度。綜合考慮回?zé)崞鞒叽绾虷AT循環(huán)性能之后,本文在改型HAT循環(huán)的設(shè)計(jì)中,選取回?zé)岫葹?.6;在HAT循環(huán)中設(shè)置后冷器的目的是降低飽和器入口處壓縮

9、空氣的溫度,然而對于現(xiàn)有試驗(yàn)臺而言,提升后冷器出口空氣溫度將增大濕空氣含濕量,循環(huán)比功和熱效率將會增大,耗油率下降,排煙溫度降低。因此對現(xiàn)有試驗(yàn)臺而言,不推薦在系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中加入后冷器。
　　在對HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)的性能有了較為全面的了解之后,本文對發(fā)電系統(tǒng)三軸燃?xì)廨啓C(jī)的變工況性能和包括起動(dòng)過程在內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析,對甩負(fù)荷情況下的控制策略進(jìn)行了深入研究,并開展了HAT循環(huán)技術(shù)在三軸燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用性研究。研究結(jié)果表明,三

10、軸燃?xì)廨啓C(jī)在帶動(dòng)螺槳負(fù)載和帶動(dòng)恒速發(fā)電負(fù)載下的變工況性能相差不大;相比較帶動(dòng)螺槳負(fù)載和帶動(dòng)恒速發(fā)電負(fù)載的三軸燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng),后者在低工況運(yùn)行時(shí)低壓壓氣機(jī)的喘振裕度要大于前者,但兩者都應(yīng)在低壓壓氣機(jī)上采取旁通放氣的方法來避免喘振。發(fā)電系統(tǒng)三軸燃?xì)廨啓C(jī)在甩負(fù)荷情況下的動(dòng)態(tài)性能仿真實(shí)驗(yàn)研究表明,串級控制系統(tǒng)相比單回路控制系統(tǒng)和前饋反饋控制系統(tǒng)具有更快速的響應(yīng)特性以及更好的魯棒性和穩(wěn)定性。三軸燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)過程的仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠用于發(fā)動(dòng)機(jī)的起

11、動(dòng)控制過程的分析和優(yōu)化,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。對比簡單循環(huán)、間冷回?zé)嵫h(huán)、間冷回?zé)酘AT循環(huán)和間冷后冷回?zé)酘AT循環(huán)的三軸燃?xì)廨啓C(jī)總體性能,結(jié)果表明,間冷回?zé)酘AT循環(huán)三軸燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出能力最強(qiáng),是簡單循環(huán)三軸燃?xì)廨啓C(jī)的2.73倍,間冷回?zé)嵫h(huán)的1.74倍;間冷回?zé)酘AT循環(huán)具有非常高的循環(huán)效率,將近50％左右,耗油率均相對較低,經(jīng)濟(jì)性能好;間冷回?zé)嵫h(huán)的排煙溫度相對最低,從環(huán)保角度考慮為最優(yōu)。在后冷器加入間冷回?zé)酘AT循環(huán)之后,雖