濕空氣透平循環(huán)性能仿真與試驗研究.pdf

1、能源是整個世界發(fā)展和經濟增長最基本的驅動力。隨著世界經濟的發(fā)展、世界人口的劇增和人民生活水平的提高,世界能源消費量持續(xù)增長,能源問題的重要性日益突出。加濕工質是提升燃氣輪機效率與輸出功率的一個有效途徑。濕空氣透平(Humid air turbine,HAT)循環(huán)是新型動力循環(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。然而,目前國內外對HA

2、T技術的研究還不夠充分,尤其缺少HAT循環(huán)的試驗研究,試車數(shù)據更為稀缺。因此,本文將通過試驗研究對HAT循環(huán)性能的仿真計算結果進行驗證,并由仿真計算對試驗方案提出修正和改進。能夠提高對HAT循環(huán)性能的理解和認識,是HAT循環(huán)燃氣輪機技術應用到實際機組和系統(tǒng)的基礎。
　　本文首先研究了燃氣輪機性能仿真技術以及SJGT燃氣輪機性能仿真軟件的開發(fā)。研究了燃氣輪機性能計算方法以及軟件實現(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

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

4、并建立了一套分離式的分軸燃氣輪機試驗裝置,并通過加裝飽和器空氣濕化系統(tǒng)構成了HAT循環(huán)分軸燃氣輪機試驗裝置。通過試驗研究的方法來考察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氣初溫、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)分軸燃氣輪機性能試驗主要分為兩個工況進行:(1)將燃油量控制在48kg/h的等燃油控制試驗工況;(2)將渦輪進氣溫度控制在650℃的等燃氣初溫控制試驗工況。研

5、究結果發(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)性能研究中的一個重要參數(shù)。當燃油量保持不變,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流量,使得燃氣輪機的輸出功率也有所提升。當燃氣初溫保持不變時,系統(tǒng)中含濕量的增大可以大幅度提升HAT循環(huán)燃氣輪機的輸出功率。這表明,在燃氣初溫限制不變的情況下,HAT循環(huán)能夠通過對燃氣輪機循環(huán)進行革新來改善燃氣輪機性能。

6、
　　基于HAT循環(huán)分軸燃氣輪機試車試驗研究,本文還對HAT循環(huán)分軸燃氣輪機的總體性能進行了理論性研究。通過對分軸燃氣輪機模型進行在更改工質熱物性計算方法、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)分軸燃氣輪機性能計算模型。通過模擬計算結果與試車試驗結果的對比研究,可以發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好。結果表明:含濕量的變化對HAT循環(huán)燃氣輪機的比功影響巨大。在現(xiàn)有試驗條件范圍內,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濟性,而且增大含濕量能夠增大壓氣機喘振裕度,提高壓氣機運行的安全性。
　　為了進一步了解HAT循環(huán)的潛力,本文還對現(xiàn)有HAT循環(huán)試驗系統(tǒng)進行了改進,通過添加回熱器、經濟器和后冷器以構成更完整的HAT循環(huán)分軸燃氣輪機系統(tǒng)。研究結果表明,在π=3.0和π=2.5工況下,對現(xiàn)有HAT循環(huán)、回熱HAT循環(huán)和回熱后冷 HAT循環(huán)這三種 HAT循環(huán)性能的比較分析后,發(fā)現(xiàn)回熱 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);當飽和器液氣比在0.85~1.2范圍內,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,液氣比會受到試驗裝置的尺寸、管道流量和水箱大小的限制;回熱器回熱度的增加有助于燃燒過程的進行,使系統(tǒng)更省油,同時提高HAT循環(huán)的熱效率降低排煙溫度。綜合考慮回熱器尺寸和HAT循環(huán)性能之后,本文在改型HAT循環(huán)的設計中,選取回熱度為0.6;在HAT循環(huán)中設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)有試驗臺而言,不推薦在系統(tǒng)的改進設計中加入后冷器。
　　在對HAT循環(huán)分軸燃氣輪機的性能有了較為全面的了解之后,本文對發(fā)電系統(tǒng)三軸燃氣輪機的變工況性能和包括起動過程在內的動態(tài)性能進行分析,對甩負荷情況下的控制策略進行了深入研究,并開展了HAT循環(huán)技術在三軸燃氣輪機上的應用性研究。研究結果表明,三

10、軸燃氣輪機在帶動螺槳負載和帶動恒速發(fā)電負載下的變工況性能相差不大;相比較帶動螺槳負載和帶動恒速發(fā)電負載的三軸燃氣輪機系統(tǒng),后者在低工況運行時低壓壓氣機的喘振裕度要大于前者,但兩者都應在低壓壓氣機上采取旁通放氣的方法來避免喘振。發(fā)電系統(tǒng)三軸燃氣輪機在甩負荷情況下的動態(tài)性能仿真實驗研究表明,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)具有更快速的響應特性以及更好的魯棒性和穩(wěn)定性。三軸燃氣輪機動態(tài)過程的仿真實驗,實驗結果能夠用于發(fā)動機的起

11、動控制過程的分析和優(yōu)化,具有重要的工程應用價值。對比簡單循環(huán)、間冷回熱循環(huán)、間冷回熱HAT循環(huán)和間冷后冷回熱HAT循環(huán)的三軸燃氣輪機總體性能,結果表明,間冷回熱HAT循環(huán)三軸燃氣輪機功率輸出能力最強,是簡單循環(huán)三軸燃氣輪機的2.73倍,間冷回熱循環(huán)的1.74倍;間冷回熱HAT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,經濟性能好;間冷回熱循環(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熱HAT循環(huán)之后,雖