復合工質新型動力系統(tǒng)——濕空氣透平循環(huán)動態(tài)仿真的研究.pdf

1、本文是在國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(973項目)“高效潔凈能源動力系統(tǒng)及其熱動轉換過程內部流動的研究”課題“復合工質新型動力系統(tǒng)及動態(tài)仿真(NO.G1999022303)”的資助下完成的，本文的側重點是對復合工質新型熱力系統(tǒng)—濕空氣透平循環(huán)(HAT)的動態(tài)仿真研究。濕空氣透平循環(huán)(HAT)，以其高效、高比功、污染小、變工況性能好等優(yōu)點而被廣泛關注。本文的主要研究內容是基于EASY5仿真平臺對整個HAT循環(huán)系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，其中詳盡地對

2、濕工質熱物性、系統(tǒng)中的關鍵部件如飽和器、透平、換熱器等進行了研究；以期此基礎上建立的HAT循環(huán)的動態(tài)仿真模型具有更高的精確度。 由于氣體工質加濕后熱物性會發(fā)生很大的變化，復合工質熱物性的計算方法就顯得尤為重要。本文分析了三種熱物性的計算方法(理想混合氣體的計算方法、基于維里方程的余函數修正計算方法以及基于R-K方程的余函數計算方法)，并對濕空氣幾個重要的參數：比容、定壓比熱、比焓和熵在HAT循環(huán)工質工作的范圍內(溫度＜1500K

3、，壓力＜2MPa進行了計算；并對濕空氣的飽和含濕量進行了計算；此外還利用第一種方法和第三種方法分別對飽和器和整個HAT循環(huán)系統(tǒng)進行了性能計算，比較結果顯示兩種方法的差異非常小。通過分析驗證，本文認為計算HAT循環(huán)時，可以選擇較為簡捷的理想混合氣體的計算方法來完成系統(tǒng)中的熱物性計算；但是如果壓力很高(如壓力＞2MPa)，就不宜繼續(xù)采用此方法進行工質熱物性的計算，而應該采用適用范圍更廣的基于R-K方程的余函數計算方法。 飽和器動態(tài)模

4、型是一維的，分別列出了空氣側和水側所應遵循的質量、動量和能量守恒方程，并計及空氣和水之間的傳熱傳質及摩擦。利用此模型，首先進行了穩(wěn)態(tài)性能的計算驗證。分析了在進口參數發(fā)生變化后飽和器內部傳熱傳質、出口參數等的變化規(guī)律。發(fā)現增大水氣比、提高進口水溫或者進口空氣溫度可以增強飽和器的濕化效果，但同時要注意到，通過增加進口空氣溫度來提高飽和器的濕化效果比起增加水氣比或者進口水溫要差的多。隨后還重點分析了在進口參數變化后出口參數的動態(tài)響應，發(fā)現如果

5、進水量出現擾動，飽和器內空氣側能夠很快地響應水回路的變化，而在進口水溫和進口空氣溫度出現擾動時，飽和器的各個狀態(tài)參量也可以很快達到新的穩(wěn)定值。 與此同時，對該飽和器進行了動態(tài)實驗驗證工作，實驗使用了上海交通大學渦輪機實驗室的大尺度飽和器模型實驗臺。在該實驗臺上完成了飽和器的熱態(tài)實驗，觀察和測量了進口水流量發(fā)生變化后飽和器出口含濕量和出口空氣溫度的變化情況；實驗數據同理論計算進行比較的結果，顯示兩者最大相差20％，說明理論模型還有

6、待進一步完善和改進，實驗精度也有待進一步提高，而動態(tài)過程中變化趨勢上的基本一致，一定程度上又說明了所建立的理論模型的正確性。 由于水蒸汽的引入，工質熱物性的變化，會使得透平在給定的幾何參數下，其特性有不同程度的變化。本文采用了常規(guī)的一元流動的分析方法，首先建立了透平基元級的性能模型，然后在基元級的基礎上完成了對整個透平性能計算模型的建立；利用此模型對不同加濕情況下透平的性能進行比較分析，結果發(fā)現隨著含濕量的增加，進出口比容均有不

7、同程度的增加，透平整體的絕熱焓降、容積流量、作功量會增加，通過透平的質量流量將減小，級組各級的反動度有不同程度的減小，而透平效率在不同含濕量下變化甚微；最后根據前面分析的結果，對HAT循環(huán)中燃氣透平的改造提出了初步的方案。為解決壓氣機的匹配問題以及進一步研究HAT循環(huán)的整體性能提供了必要的前提條件。 對換熱器模型而言，在質量、動量、能量平衡的基礎上建立了沿冷熱流體各自流動方向的一維動態(tài)分布式仿真模型。計算了氣—氣換熱器和氣—水換

8、熱器的穩(wěn)態(tài)運行數據，然后對這兩種換熱器進行了動態(tài)仿真試驗分析，發(fā)現氣—水換熱器在擾動產生后響應時間非常長，而氣—氣換熱器的響應時間則非常快，可以很快達到新的穩(wěn)態(tài)值。 在完成上述各項關鍵部分的研究后，在EASY5平臺上建立了壓氣機模塊、燃燒室模塊、容積模塊、轉動慣量模塊，以此構成了整個HAT循環(huán)動態(tài)仿真所需的模塊庫；搭建完成了HAT循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型；分析了HAT循環(huán)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)分析結果認為：簡單地將常規(guī)燃氣輪機循環(huán)